【摘要】本文提出礦用激光甲烷傳感器示值誤差的校準方法，并對校準方法的測量結(jié)果不確定度進行評定，為保證煤礦環(huán)境安全監(jiān)測的甲烷量值準確可靠提供依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】礦用激光甲烷傳感器；示值誤差；校準；不確定度

【DOI編碼】10.3969/j.issn.1674-4977.2024.05.075

Calibration Method and Uncertainty Evaluation for Indication Error of Mine Laser Methane Sensor

SHAO Shiqu1， WAN Jinbi2*

（1.Guizhou Tiandihe Big Data Engineering Co.， Ltd.， Guiyang 550000， China； 2.GuizhouAntuo Technology Co.， Ltd.， Bijie Testing Branch， Bijie 551500， China）

Abstract： This paper presents a calibration method for indication error of mine laser methane sensor， the measurement uncertainty of calibration method is evaluated， it provides the basis for ensuring the accuracy and reliability of the methane value in the coal mine environmental safety monitoring.

Keywords： mine laser methane sensor； indication error； calibration； uncertainty

0引言

煤礦開采主要在地下進行，開采過程中產(chǎn)生的礦井瓦斯含有甲烷氣體，具有較高的危險性，可能引發(fā)火災(zāi)和爆炸事故，嚴重威脅礦工的生命安全。因此，對煤礦開采過程中瓦斯中的甲烷量值進行實時監(jiān)測至關(guān)重要。

礦井環(huán)境安全監(jiān)測系統(tǒng)通常采用礦用激光甲烷傳感器作為甲烷監(jiān)測儀表，其能將甲烷濃度轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺鬏斨帘O(jiān)測系統(tǒng)，對礦井環(huán)境中甲烷含量的實時測量，為礦井環(huán)境安全管理提供數(shù)據(jù)支持。礦用激光甲烷傳感器測量的準確性對于保障礦井環(huán)境安全至關(guān)重要，為了確保使用中的礦用激光甲烷傳感器量值準確，應(yīng)定期對其進行校準。

本文提出了一種針對礦用激光甲烷傳感器示值誤差的校準方法，為礦用激光甲烷傳感器的量值溯源及確保其測量結(jié)果的準確可靠提供了技術(shù)路徑，可供相關(guān)技術(shù)人員在進行礦用激光甲烷傳感器示值誤差校準時參考使用。

1儀器原理及計量特性

1.1儀器原理

礦用激光甲烷傳感器是一種基于激光光譜吸收原理來測量甲烷濃度的儀表，廣泛應(yīng)用于礦井中甲烷濃度的監(jiān)測。礦用激光甲烷傳感器主要由激光探頭、電子部件和顯示部件等組成。在工作過程中，甲烷通過擴散方式與激光探頭接觸，傳感器將甲烷濃度轉(zhuǎn)換為電信號。隨后，電子部件對這些信號進行處理，并在顯示部件上展示甲烷濃度值，同時輸出與甲烷濃度相對應(yīng)的電信號，從而實現(xiàn)甲烷含量的檢測與報警。當甲烷濃度達到預(yù)設(shè)的報警閾值時，傳感器會發(fā)出聲、光報警信號。礦用激光甲烷傳感器根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域不同分為兩類：一類用于礦井環(huán)境的常規(guī)檢測，另一類則專用于瓦斯抽放管道的檢測。礦用激光甲烷傳感器工作原理見圖1。

1.2示值誤差

當測量范圍X為0.00%CH4

當測量范圍X為1.00%CH4

2校準條件

2.1環(huán)境條件

1）環(huán)境溫度：15～35℃。

2）相對濕度：≤85%。

3）大氣壓力：86～106 kPa。

4）其他：無影響傳感器正常工作的氣體和電磁場干擾，配備必要的防爆和通風(fēng)設(shè)施。

2.2校準用設(shè)備

氣體標準物質(zhì)：氮氣中甲烷氣體標準物質(zhì)，相對擴展不確定度≤2%（k=2）。

零點氣體：氮氣（純度≥99.99%）。

直流穩(wěn)壓電源：輸出電壓為0～30 V（DC），輸出電流為0～

3A（DC）。

頻率計：測量范圍為0～3000 Hz，準確度等級為0.1級及以上。

2 km仿真電路：直流電阻為12.8Ω/km。

分布電容：0.06μF/km，分布電感：0.8 mH/km。

流量計：測量范圍為60～600 mL/min，準確度等級為4.0級及以上。

3校準方法

先將礦用激光甲烷傳感器開機預(yù)熱30 min以上，然后按圖2所示連接氣路，并依據(jù)使用說明書規(guī)定的通氣流量通入高純度氮氣調(diào)整零點。零點調(diào)整后，再通入體積分數(shù)為20.0%左右的氮氣中甲烷標準氣體，或按生產(chǎn)廠商規(guī)定的要求通入相應(yīng)濃度的標準氣體進行調(diào)整，通氣3 min后，礦用激光甲烷傳感器測量值應(yīng)與通入的甲烷氣體濃度值一致，若有偏差，通過遙控器進行調(diào)整，直至礦用激光甲烷傳感器顯示值與通入甲烷氣體濃度值一致。在此后的校準過程中不再調(diào)整。

4.4不確定度來源

不確定度來源主要包括被校礦用激光甲烷傳感器測量重復(fù)性引入的標準不確定度、被校礦用激光甲烷傳感器顯示分辨力引入的標準不確定度、頻率計準確度引入的標準不確定度和標準氣體準確度引入的標準不確定度等。

4.5標準不確定度分量評定

4.5.1輸入量xi的標準不確定度評定

1）被校礦用激光甲烷傳感器測量重復(fù)性引入的標準不確定度u1（ xi）

采用A類方法進行評定。礦用激光甲烷傳感器測量范圍為（0%～100%）CH4，在重復(fù)性條件下，通入體積分數(shù)約為35.30%的氮氣中甲烷氣體標準物質(zhì)，進行10次重復(fù)測量，測量結(jié)果見表1。

【參考文獻】

[1]煤礦用非色散紅外甲烷傳感器：JJG 1138—2017[S].

[2]測量不確定度評定與表示：JJF 1059.1—2012[S].

[3]礦用激光甲烷傳感器校準規(guī)范：JJF（黔）53—2021[S].

【作者簡介】

邵詩衢，男，1988年出生，工程師，學(xué)士，研究方向為計量、檢驗檢測。

通信作者：萬金筆，男，1987年出生，高級工程師，學(xué)士，研究方向為礦山安全計量檢定、校準以及測試，843416412@qq.com。

（編輯：李加鵬）