馬 京

（晉煤集團(tuán)晟泰公司 ，山西 晉城 048006）

瓦斯是制約礦井生產(chǎn)安全的不利因素，在井下采掘過程中，精準(zhǔn)、快速、便捷的測(cè)定瓦斯?jié)舛葘?duì)促進(jìn)礦井生產(chǎn)安全具有重要意義[1～2]。現(xiàn)今瓦斯傳感器類型主要分為紅外、催化、導(dǎo)熱以及激光等四類，絕大多數(shù)仍是采用有線傳輸方式對(duì)，需要鋪設(shè)大量的信號(hào)傳輸線路，由于井下環(huán)境十分惡劣，時(shí)常會(huì)出通信線纜斷裂情況，影響井下瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)[3～5]。因此，文中設(shè)計(jì)了一種可以自動(dòng)進(jìn)行溫度、壓力補(bǔ)償?shù)臒o線激光甲烷傳感器。

1 工作原理

1.1 瓦斯檢測(cè)原理

瓦斯可以吸收特定波長(zhǎng)激光，可以通過檢測(cè)激光強(qiáng)若來對(duì)環(huán)境中瓦斯?jié)舛扰卸?。為了提升檢測(cè)精度，傳感器采用雙波長(zhǎng)檢測(cè)，相對(duì)于傳統(tǒng)的催化傳感器，設(shè)計(jì)的傳感器理論上不用定期校準(zhǔn)。對(duì)傳感器進(jìn)行壓力、溫度等補(bǔ)償后的檢測(cè)精度會(huì)進(jìn)一步提升[6]。

根據(jù)比爾定律，發(fā)射器發(fā)出強(qiáng)度I0激光，通過兩個(gè)單色器從而選出雙波長(zhǎng)，分別是測(cè)量波長(zhǎng)（λa）及參考波長(zhǎng)（λb），激光通過長(zhǎng)度L，濃度為C的瓦斯氣體時(shí)，會(huì)由于瓦斯的吸收作用而產(chǎn)生能量損傷，具體的測(cè)量波長(zhǎng)（λa）及參考波長(zhǎng)（λb）強(qiáng)度可以由下述公式進(jìn)行計(jì)算：

其中：α表示瓦斯吸收系數(shù)；β表示背景干擾；K表示光電靈敏度；I表示透射光強(qiáng)度。

由于測(cè)量波長(zhǎng)（λa）及參考波長(zhǎng)（λb）相近，可以近似認(rèn)為βλa=βλb，公式（1）/（2）可得：

調(diào)整使得 I0(λa)K(λa)I(λa)=I0(λb)K(λb)I(λb)，同時(shí)測(cè)量波長(zhǎng)（λb）投射光強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于測(cè)量波長(zhǎng)（λa）投射光強(qiáng)度，對(duì)公式（3）進(jìn)一步轉(zhuǎn)換，瓦斯?jié)舛菴公式為：

1.2 溫度、壓力補(bǔ)償

瓦斯吸收系數(shù)（α）會(huì)受到光波長(zhǎng)度、空氣成分、溫度、壓力等影響，具體確定十分困難。在理想狀態(tài)下，瓦斯吸收系數(shù)（α）可以采用下述公式計(jì)算[7]：

式中：p為環(huán)境壓力（kPa）；M為氣體摩爾量（mol）;t為環(huán)境溫度（K）;x為比例常數(shù)；V為氣體體積（L）。

當(dāng)瓦斯?jié)舛菴為一定值時(shí)，k會(huì)隨溫度、壓強(qiáng)變化，直接影響瓦斯吸光效果。因此，通過溫度、壓力傳感元件檢測(cè)外界環(huán)境中溫度、壓力變化情況，根據(jù)溫度、壓力變化曲線建立溫度、壓力補(bǔ)償模型，從而減少溫度、壓力對(duì)激光瓦斯傳感器測(cè)量結(jié)果影響。

2 激光瓦斯傳感器無線通信原理

基于Wave Mesh協(xié)議構(gòu)建無線傳輸系統(tǒng)，具有傳輸效率高、組網(wǎng)方便靈活，且支持調(diào)頻機(jī)制及多路徑路由，避免其他無線傳輸信號(hào)干擾。構(gòu)建達(dá)到傳感器無線傳輸網(wǎng)絡(luò)由節(jié)點(diǎn)（激光甲烷傳感器）、匯聚節(jié)點(diǎn)組成，激光甲烷傳感器將檢測(cè)到的瓦斯?jié)舛纫詿o線方式傳輸，匯聚節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)接收工作，并經(jīng)過簡(jiǎn)單處理后傳輸至上層通信網(wǎng)絡(luò)。傳輸系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以隨時(shí)的增加或者拆除，當(dāng)傳輸系統(tǒng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)的對(duì)路由優(yōu)化并組網(wǎng)?？紤]到井下環(huán)境復(fù)雜以及巷道布置特點(diǎn)，傳輸網(wǎng)絡(luò)布置形式為樹型拓?fù)?，無線傳輸距離在100m以上，增加中繼器數(shù)量可以提升無線傳輸范圍。

3 傳感器設(shè)計(jì)方案

3.1 總體設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)的傳感器硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，組成包括鋰電池、瓦斯?jié)舛炔杉娐?、微處理器、無線通信電路等。瓦斯探頭對(duì)外界環(huán)境中的瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行采集，并將采集數(shù)據(jù)傳輸至微處理器，數(shù)碼管上顯示檢測(cè)結(jié)果，無線通信電路進(jìn)對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)傳輸。傳感器供電采用鋰電池，全部電路功耗低，提升設(shè)備工作時(shí)限。當(dāng)鋰電池電量過低時(shí)，無線激光甲烷傳感器會(huì)上傳電量過低信息，提供更換電池。當(dāng)檢測(cè)到瓦斯?jié)舛瘸迺r(shí)，傳感器自動(dòng)發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。

圖1 總體設(shè)計(jì)框架

3.2 激光瓦斯探頭設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的激光瓦斯探頭工作流程如圖2所示，通過調(diào)整型激光器輸入電流從而發(fā)出不同波長(zhǎng)激光。激光器發(fā)出高速正弦信號(hào)以及低速掃描信號(hào)，光電探測(cè)器接收到激光器發(fā)出的信號(hào)后將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，通過檢測(cè)輸入到激光器中的電流，從而得到發(fā)出的激光波長(zhǎng)，進(jìn)行二次諧波及轉(zhuǎn)換處理后，從而對(duì)低噪窄帶檢測(cè)。消除檢測(cè)系統(tǒng)背景光譜干擾后，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)。

圖2 激光瓦斯探頭工作流程

3.3 溫度補(bǔ)償

受到外界溫度變化影響，激光器發(fā)射的激光波長(zhǎng)會(huì)受到溫度影響，因此需要對(duì)溫度進(jìn)行控制。具體為采用TEC(半導(dǎo)體致冷器)，不同方向電流通過TEC會(huì)加熱或者制冷，從而控制激光器環(huán)境溫度保持恒定。MAX8521溫度控制芯片可以控制±1.5A電流。具體的溫度自動(dòng)補(bǔ)償控制電路如圖3所示。

圖3 溫度自動(dòng)補(bǔ)償控制電路

3.4 壓力補(bǔ)償

在礦井井下甲烷傳感器運(yùn)行環(huán)境中，運(yùn)行壓力一般在130kPa以內(nèi)，因此應(yīng)選擇合理的壓力傳感器元件?？紤]到激光甲烷傳感器空間布局，采用體積小，檢測(cè)范圍大（0～200kPa）的NPP-301壓力傳感器內(nèi)部有高精度電阻應(yīng)變片，測(cè)量電路采用惠斯頓電橋，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，檢測(cè)精度及效率高，穩(wěn)定性強(qiáng)。

3.5 無線網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)

傳感器無線通信采用的組網(wǎng)模塊為BM200N，具有無線、低功率、低能耗特點(diǎn)。在BM200N組網(wǎng)模塊內(nèi)部鑲嵌有Wave Mesh傳輸協(xié)議，采用433MHz工作頻段，有1個(gè)基本信號(hào)，1～15個(gè)輔助信道，具體的信道、頻點(diǎn)選擇根據(jù)實(shí)際情況確定。用以無線數(shù)據(jù)收發(fā)的RXD、TXD與微處理PTE23、PTE22引腳連接。

4 性能測(cè)試

4.1 基本誤差及響應(yīng)時(shí)間

按照AQ6211-2008標(biāo)準(zhǔn)，選用6臺(tái)無線激光甲烷傳感器，放入瓦斯?jié)舛葹?2%、3.54%、8.6%、20.01%、34.98%、60.13%、86%等7種環(huán)境中，對(duì)傳感器檢測(cè)數(shù)值進(jìn)行記錄，充分測(cè)量4次，并取平均值，具體測(cè)量結(jié)果如表1所示。從測(cè)量結(jié)果可以看出，無線激光甲烷傳感器的測(cè)量精度較高，基本誤差小。

表1 瓦斯?jié)舛葴y(cè)量結(jié)果

對(duì)傳感器響應(yīng)時(shí)間測(cè)試主要檢測(cè)傳感器靈敏度，按照200ml/min速度將濃度為20%的瓦斯通過無線激光甲烷傳感器，記錄傳感器顯示值達(dá)到90%標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)的時(shí)間，共測(cè)量三測(cè)，取平均值，具體的測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。從表中可以看出，傳感器具有較快的響應(yīng)速度，可以滿足井下對(duì)瓦斯?jié)舛缺O(jiān)控需求。

表2 傳感器響應(yīng)時(shí)間

4.2 溫度及壓力影響測(cè)試

為了驗(yàn)證溫度對(duì)傳感器影響，在40℃高溫箱、0℃低溫箱中放入測(cè)試樣機(jī)，恒溫2h后，每隔1h測(cè)量一次樣機(jī)數(shù)值，共測(cè)量三次，取平均值。從測(cè)量結(jié)果可以得出，采用溫度補(bǔ)償后的無線激光甲烷傳感器可以較好的適應(yīng)外界環(huán)境溫度變化。

在瓦斯?jié)舛葹?2%、3.54%、8.6%、20.01%、34.98%、60.13%、86%等7種環(huán)境中，通過使用抽氣泵改變環(huán)境壓力，選用40kPa、60kPa…140kPa等6種壓力條件下。當(dāng)無線激光甲烷傳感器未進(jìn)行壓力補(bǔ)償時(shí)，在瓦斯?jié)舛缺３植蛔兊那闆r下，隨著檢測(cè)環(huán)境中壓力增加，測(cè)量值出現(xiàn)變大趨勢(shì)，反之，壓力降低時(shí)測(cè)量值偏小，檢測(cè)環(huán)境與常規(guī)環(huán)境壓力差值越大，無壓力補(bǔ)償?shù)膫鞲衅鳒y(cè)量誤差越高。裝有壓力補(bǔ)償傳感器瓦斯?jié)舛认嗤?、壓力不同環(huán)境下檢測(cè)結(jié)果差別不大，總體誤差控制在3%以內(nèi)。

5 總 結(jié)

文中提出一個(gè)基于激光檢測(cè)及Wave Mesh協(xié)議的無線激光甲烷傳感器，并對(duì)該傳感器的工作機(jī)理進(jìn)行詳細(xì)敘述，給出了傳感器的設(shè)計(jì)方案，具體包括總體設(shè)計(jì)方案、激光瓦斯探頭設(shè)計(jì)、溫度補(bǔ)償、壓力補(bǔ)償、無線網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)等內(nèi)容，最后對(duì)設(shè)計(jì)的無線激光甲烷傳感器性能從測(cè)量精度、靈敏度、溫度以及壓力響應(yīng)等方面進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明設(shè)計(jì)的傳感器具有精度高、誤差小、反應(yīng)靈敏等特點(diǎn)，可以滿足礦井對(duì)瓦斯監(jiān)控需要。在山西某礦井下應(yīng)用結(jié)果表明，該傳感器安裝便捷，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)傳輸至通信網(wǎng)絡(luò)，克服了傳統(tǒng)有效甲烷催化傳感器存在的布置局限、定期校驗(yàn)弊端，可以更好地為服務(wù)于礦井生產(chǎn)。