侯俊波

（晉能控股集團責任公司煤峪口礦，山西 大同 037003）

引言

目前，隨著我國煤礦開采深度的增加，大地壓、巖爆或瓦斯涌出等安全隱患顯著增加。超過55%的煤礦中含瓦斯，因此瓦斯突出和爆炸、頂板塌落和煤巖突出導致水浸、電機故障等安全事故。大型傷亡事故中，約80%是由甲烷爆炸引起的[2]。為此，重點開展了沼氣監(jiān)測與控制工作，對所有安全隱患進行在線監(jiān)測，使事故得到提前處理和預防[3]。首先，需要對煤礦各關鍵位置的環(huán)境甲烷氣體分布和動態(tài)進行高精度、高可靠性的連續(xù)監(jiān)測。光纖甲烷傳感器提供了0~100%全范圍監(jiān)測的潛力，無需重新校準。

2 光纖甲烷氣體傳感器

甲烷（CH4）是目前煤礦安全監(jiān)測中最重要的瓦斯，當空氣中甲烷含量達到5~16%時[4]，即發(fā)生爆炸。傳統(tǒng)的催化型甲烷氣體傳感器含有鉑加熱器的傳感電阻元件，該元件在可燃氣體中燃燒，引起電阻隨氣體濃度的變化?；菟雇姌螂娐酚糜诒O(jiān)測傳感器內部有源傳感器電阻和惰性補償電阻之間的差異。催化劑甲烷氣體傳感器的測量范圍小，一般在0~4%之間，靈敏度隨時間衰減，需要頻繁的重新校準和維護。催化劑甲烷傳感器對可燃氣體敏感，缺乏選擇性，它在低氧水平下也不能正常工作，容易中毒。紅外甲烷傳感器采用寬帶紅外LED光源和涂有紅外濾波器的光電二極管探測器來檢測甲烷吸收信號，同時也會受到濕度和溫度漂移的干擾。近紅外范圍的半導體激光二極管或LED具有良好的選擇性和靈敏度，可與光纖傳感器頭配套使用。

在1 650 nm范圍內可以使用很多波長。根據(jù)比爾-朗伯比爾定律，激光束通過濃度為C，路徑長度為L的吸收氣體時，透射光功率I（λ）可以用S（T）可以通過線性或多項式擬合對操作溫度范圍進行經驗表征。

典型的激光甲烷傳感器及探測系統(tǒng)如圖1所示。光從激光二極管源排放在1 663 nm左右分為兩束,一個是直接一個光電二極管和放大轉換為電子信號電壓V1作為參考,然后其他經過傳感器氣體細胞發(fā)送信號檢測PD2和放大信號電壓V2。利用鋸齒波掃描注入電流可以調制激光二極管的波長，得到了氣體吸收光譜。采用DFB和VECSEL兩種激光二極管作為光源。DFB提供更大的功率，而VCSEL提供更大的探測能力。

圖1 光譜光纖氣體傳感器原理圖

在掃描波長范圍內的V1/V2的比值作為歸一化光譜，可以用來進行直接吸收分析，以確定氣體濃度。

直接歸一化方法簡單、魯棒，通過對激光驅動電流進行正弦調制，利用鎖相檢測二次諧波吸收光譜，可以提高檢測靈敏度。激光驅動器調制電流和吸收諧波信號如下頁圖2所示，典型調制頻率為10 kHz，吸收信號為20 kHz[5]。

圖2 激光驅動電流的正弦調制和氣體吸收諧波信號

多通道傳感器可以通過簡單地將激光輸出分離到多纖維來實現(xiàn)直接吸收和二次諧波方案。

氣體光譜的吸收強度受單位體積氣體分子的絕對密度的影響，而絕對密度又受環(huán)境溫度和壓力的影響。因此，需要進行糾正。采用長度為6.0 mm的傳感器氣槽直接吸收分析得到的典型甲烷氣體濃度測量數(shù)據(jù)。分析得由于分子密度降低，測量數(shù)據(jù)隨溫度下降。光纖甲烷氣體傳感器的典型規(guī)格：0~4%范圍精度為±0.05%；對于范圍4~100%，準確度為0~5%的實際值[5]。

2 基于激光光譜學的多氣體傳感器

一氧化碳在紅外區(qū)有很強的吸收能力。如圖3所示，在4.6 μm和4.75 μm區(qū)域，CO的吸收線的系數(shù)約為4.5×10-19和4.0×10-19。為了使用電信激光裝置和標準單模光纖，諧波近紅外區(qū)域的吸收光譜是值得關注的。圖4為1 568 nm和1 583 nm波長區(qū)域的吸收譜線?？梢钥闯?，近紅外吸收比紅外吸收弱約4×10-24。

圖3 CO氣體紅外光譜

圖4 1.568μm和1.583 μm區(qū)域的CO諧波譜

C2H2的近紅外光譜如圖5所示，可以看到吸收帶在1 520~1 535 nm區(qū)域。C2H4、C2H6、CO2和O2的吸收波段分別在1 626 nm、1 654 nm、1 538 nm和760 nm左右。

圖5 C2H2近紅外光譜

為了達到亞ppm的靈敏度，需要多反射長路徑長度的氣體電池。采用兩種透鏡的Harriet設計具有機械振動容限高的優(yōu)點。其中半導體激光二極管的光發(fā)射在CO波長，波長集成器，然后分裂成三個纖維臂。一個直接連接到光電二極管，用作功率參考；一個直接連接到光電二極管，用作功率參考；通過參照室與光電二極管相連，參照室包含待測氣體混合物，用作波長參照室；第三個連接到光纖通道長度為20 m的Harriet光柵構成的傳感器氣室。

通過傳感器的信號被功率基準歸一化，以消除光源功率波動的影響。CO、C2H2、C2H4、和CO2的典型歸一化吸收信號。

基于激光光譜對單一分子氣體N2進行監(jiān)測其中分別摻雜有CO、C2H2、C2H4氣體，結果顯示靈敏度分別為1×10-6、0.1×10-6和0.1×10-6。當其中存在高濃度的CH4和CO2時，對CO和C2H4的串擾進行補償就很重要。

3 煤礦瓦斯在線監(jiān)測系統(tǒng)

根據(jù)煤礦安全規(guī)程，將甲烷傳感器放置于井下工作面頂角等瓦斯容易積聚的關鍵位置、采煤機截煤處等釋放甲烷的地方以及工作面的通風出口巷道。目前黑白甲烷傳感器占主導地位，由于成本低被煤礦行業(yè)廣泛應用。激光和紅外甲烷傳感器已逐漸被業(yè)界所接受。然而，光纖傳感器在現(xiàn)場應用中仍處于起步階段，主要原因是缺乏行業(yè)標準。下頁圖6為煤礦瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)框圖，由傳感器、傳感器站、數(shù)據(jù)或信號發(fā)射機或工業(yè)網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)服務器和顯示器組成。甲烷等氣體傳感器與傳感器站相連，傳感器站提供直流電源和信號/數(shù)據(jù)通信接口。傳感器數(shù)據(jù)通過傳感器站和光纖傳輸鏈路進行點對點傳輸或通過工業(yè)網(wǎng)絡中的網(wǎng)絡交換連接傳送到地面控制數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)服務器。煤層甲烷瓦斯報警閾值一般設為1.0%為音頻報警，當周圍甲烷氣體濃度達到1.5%或2.0%時，傳感器站為工作面生產設備啟動斷電開關信號。

圖6 甲烷監(jiān)測系統(tǒng)框圖

在不需要現(xiàn)場顯示的情況下，光纖甲烷傳感器比傳統(tǒng)的電子傳感器更有優(yōu)勢。典型的例子是甲烷排水系統(tǒng)，光纖甲烷氣體傳感器可以用于監(jiān)測管道甲烷濃度，并提供0~100%的全量程能力。定期重新校準黑白甲烷傳感器（通常每兩周一次）是非常麻煩的。激光、紅外線或光纖甲烷傳感器的使用，使校準或維護周期延長至每六個月一次，大大減少了傳感器維護的人力，以及與傳感器校準例行工作有關的人為錯誤。圖7為甲烷氣體監(jiān)測數(shù)據(jù)的現(xiàn)場記錄，其中短峰值為傳感器數(shù)據(jù)讀取響應2.0%標準甲烷氣體。

圖7 記錄現(xiàn)場甲烷監(jiān)測數(shù)據(jù)（使用常規(guī)標準2.0%甲烷氣體測試傳感器）

4 結語

煤礦是工作場所中最危險的場景之一，有易燃易爆和有毒氣體，燃燒，洪水，頂板坍塌和許多大型設備。該區(qū)域面積大，環(huán)境復雜，待監(jiān)測對象數(shù)量多，有時電力供應不足，傳統(tǒng)電子傳感器使用不方便。光纖物理傳感器和氣體傳感器具有本質安全、傳輸距離長、覆蓋面積大、多參數(shù)傳感等獨特優(yōu)勢。本文簡要介紹了光纖傳感器在甲烷、燃燒、巖爆、設備狀態(tài)監(jiān)測和應急信息系統(tǒng)中的幾種關鍵傳感器及其典型應用。該系統(tǒng)已在國內多家煤礦應用，成功地預防了一些煤炭燃燒危害、設備故障預防等。