董康寧，楊晉芳

（1.北京科技大學(xué) 機械工程學(xué)院，北京100083；2.北京思優(yōu)特科技發(fā)展有限公司，北京100083）

瓦斯事故是煤礦井下安全生產(chǎn)的主要威脅之一，也是一直困擾煤礦行業(yè)的重大難題。針對我國高、突瓦斯礦井，須按照《煤礦安全規(guī)程》規(guī)程有關(guān)規(guī)定及”先抽后采，以風定產(chǎn)，監(jiān)測監(jiān)控”的方針，無論高瓦斯礦井的井型大小，也不管煤層有無煤與瓦斯突出危險性，都必須建立地面永久抽放瓦斯系統(tǒng)或井下臨時抽放瓦斯系統(tǒng)，并對抽放管道的瓦斯?jié)舛冗M行實時在線監(jiān)測[1-2]。

目前，已有多種成熟的氣體濃度檢測技術(shù)，檢測甲烷等氣體濃度的方法主要有：催化元件法、熱傳導(dǎo)法、光干涉法、電化學(xué)法、紅外光譜吸收法等[3]?，F(xiàn)有的礦用紅外甲烷傳感器在實際應(yīng)用中會受到負壓、凝露、粉塵堵塞、氣體流速低、溫度、濕度、壓力等干擾，導(dǎo)致測量結(jié)果出現(xiàn)嚴重偏差。

管道型紅外甲烷傳感器在負壓抽采管路中的檢測技術(shù)，首先采用新型專用管路裝置將負壓環(huán)境中的氣體經(jīng)濾塵濾水后引入傳感器的氣室，使傳感器能夠準確采樣到抽采管路中的氣體濃度[4]；其次傳感器的氣室內(nèi)置1 個基于紅外光譜吸收原理的紅外敏感元件及壓力采集元件[5]。紅外探測敏感元件是由1 個紅外激光發(fā)射器發(fā)射紅外光，經(jīng)過3.39 μm濾光片以及管道內(nèi)的甲烷氣體通過管道型甲烷傳感器的氣路裝置進入紅外敏感元件氣室，吸收3.39 μm 紅外光后,以自發(fā)輻射形式釋放出光子,由光子探測器接收，其輸出的電信號經(jīng)過變送器后，可以輸出CH4氣體濃度的模擬或數(shù)字信號[6]。因礦井下瓦斯抽采管路的負壓環(huán)境，會對紅外氣體在氣室的光吸收產(chǎn)生較大影響，因此，將壓力采集元件采集到的壓力與實際采集到的甲烷濃度進行分析得出壓力補償算法模型，從而對甲烷濃度值進行軟件修正，提高管道型紅外甲烷傳感器的測量精度。

1 管道型紅外甲烷傳感器研制的理論依據(jù)

根據(jù)量子力學(xué)觀點，分子的能量分布并不是連續(xù)的，而是量子化的一個個能級。當分子從某個高能級向低能級躍遷時，會釋放出一定頻率的光子；反之，當分子由某個低能級向高能級躍遷時則需要吸收一定頻率的光子[7]。發(fā)射或者吸收光的頻率必須滿足玻爾的頻率條件，換言之，只有光子的能量恰好等于原子能態(tài)與能態(tài)之差時，這個光子才會被分子吸收[8]。而每種不同的氣體分子所能吸收的光也不一樣，氣體分子吸收光子之后，經(jīng)過一段時間，又會將吸收的光子自發(fā)釋放出來。光譜吸收法檢測氣體濃度的原理就是通過檢測氣體透射光強或反射光強，根據(jù)其變化情況來檢測氣體濃度的方法[9]。每種氣體分子都有自己的吸收（或輻射）譜特征，光源的發(fā)射譜只有在與氣體吸收譜重疊的部分才產(chǎn)生吸收，吸收后的光強將發(fā)生變化，因而具有高度的選擇特性。

當一束光強為I0的平行輸入光通過充有氣體的氣室時，如果光源光譜覆蓋一個氣體吸收線，光通過氣體時發(fā)生衰減，根據(jù)Lambert-Beer 定律[10]，可以得出輸出光強I（λ）、輸入光強I0（λ）和氣體體積分數(shù)三者之間的關(guān)系為：

式中：α 為一定波長下單位體積分數(shù)、單位長度的介質(zhì)吸收系數(shù)；L 為吸收路徑的長度；c 為氣體體積分數(shù)。

可得：c=（-1/αL）ln（I（λ）/I0（λ））

由此表明：如果L、α與λ已知，通過檢測I（λ）和I0（λ）就可以測得氣體的體積分數(shù)。

2 管道型紅外甲烷傳感器新型專用氣路裝置

礦用管道型紅外甲烷傳感器測量瓦斯抽采管道中的瓦斯氣體時，需要將氣體從管道中引入傳感器，但由于抽采管路存在負壓、凝露、粉塵堵塞、氣體流速低、溫度、濕度、壓力干擾等因素，如果引入氣體的“氣路裝置”設(shè)計不合理。就會引起氣體濃度測量數(shù)據(jù)不準確。

為解決上述問題，設(shè)計了專用的氣體取樣裝置，該裝置的焊接絲扣焊接在瓦斯抽放管路上，然后與管道型紅外甲烷傳感器之間采用法蘭連接。該氣路裝置利用流體力學(xué)原理，使得負壓管路中的氣體順利進入傳感器氣室，并且可以有效去除管路中的凝結(jié)水和粉塵，確保了傳感器的精確采樣。氣路裝置模型圖如圖1。

圖1 氣路裝置模型圖Fig.1 Model diagram of gas path device

新型專用氣路裝置使用前后的采樣數(shù)據(jù)對比值見表1。由表1 可以看出，對比沒有使用新型專用氣路裝置的管道型紅外甲烷傳感器，采用了專用氣路裝置的氣體采樣值有了明顯的上升，但受管道內(nèi)負壓環(huán)境的影響，采樣到的數(shù)值準確度出現(xiàn)較大偏差，此時需要用壓力補償模型來實現(xiàn)將采樣到的數(shù)值修正到真實值。

表1 新型專用氣路裝置使用前后的CH4 采樣數(shù)據(jù)對比值Table 1 Comparison of CH4 sampling data before and after the use of the new special gas circuit device

3 管道型紅外甲烷傳感器

依據(jù)紅外吸收原理特性得出，甲烷氣體對特定波長的紅外光具有強烈的吸收作用，甲烷的濃度越大，對紅外光的吸收越強烈。當一束特定的紅外光經(jīng)過含有甲烷的氣體后，由于甲烷氣體的吸收，紅外探測器接收的光信號減弱，通過對減弱的光信號進行比較，轉(zhuǎn)換成電信號，電信號經(jīng)過運算放大器放大后，再進行A/D 轉(zhuǎn)換，由單片機進行運算、處理，驅(qū)動發(fā)光數(shù)碼管顯示甲烷的濃度。同時將檢測的甲烷濃度值轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的頻率量信號或者RS485 信號，由電纜傳輸給關(guān)聯(lián)設(shè)備。當檢測的甲烷體積分數(shù)高于設(shè)定的報警值，傳感器發(fā)出聲光報警。當檢測的甲烷體積分數(shù)高于設(shè)定的斷電值時，傳感器輸出斷電信號；當檢測的甲烷體積分數(shù)低于設(shè)定的復(fù)電值時，傳感器輸出變?yōu)閺?fù)電信號。

3.1 管道型紅外甲烷傳感器整體架構(gòu)

管道型紅外甲烷傳感器由小型化氣室、單片機、光源調(diào)制驅(qū)動電路、放大器、A/D 轉(zhuǎn)換、數(shù)碼管顯示、數(shù)字接口、專用氣路裝置等組成。單片機經(jīng)光源調(diào)制驅(qū)動電路對光源進行4 Hz 電調(diào)制。紅外敏感組件輸出信號經(jīng)運算放大器放大及A/D 轉(zhuǎn)換后，由單片機進行運算、處理，轉(zhuǎn)換成濃度值顯示并傳輸。

傳感器外殼由不銹鋼沖壓而成，前后蓋之間有橡膠墊密封，防塵、防水。傳感器上部的把手便于攜帶和安裝。傳感器顯示窗口由4 位發(fā)光數(shù)碼管組成，數(shù)碼管顯示所檢測的甲烷體積分數(shù)值。聲報警裝置位于顯示窗口上方。傳感器的頂端是氣光報警燈，底端是氣室，氣室中安放紅外探測敏感元件和壓力采集元件，被測氣體經(jīng)專用氣路裝置取氣后由擴散方式進入氣室。傳感器整體架構(gòu)圖如圖2。

圖2 管道型紅外甲烷傳感器架構(gòu)圖Fig.2 Schematic diagram of pipeline infrared methane sensor

3.2 管道型紅外甲烷傳感器壓力補償硬件

傳感器測量管道中的氣體時，由于瓦斯抽放管路處于負壓狀態(tài)，受負壓影響傳感器測量數(shù)據(jù)會出現(xiàn)很大偏差，故而需要在硬件設(shè)計上加入壓力數(shù)據(jù)采集，從而建立壓力補償算法模型，對采樣數(shù)據(jù)進行壓力補償。

傳感器壓力數(shù)據(jù)采集采用一種硅壓阻式壓力芯片，可提供高度精確的線性電壓輸出，輸出電壓與作用壓力成正比。且芯片本身是激光加工而成，量程精確，有偏移校準和溫度補償。壓力傳感器測量范圍為0～200 kPa，可以滿足瓦斯抽放管路中負壓管路的環(huán)境要求。壓力傳感器的放大電路如圖3。

圖3 壓力傳感器放大電路Fig.3 Pressure sensor amplifier circuit

3.3 管道型紅外甲烷傳感器壓力補償模型

管道型紅外甲烷傳感器在瓦斯抽放管路中采集的實時原始數(shù)據(jù)受壓力影響，出現(xiàn)嚴重偏差，故而在軟件設(shè)計上進行了壓力補償計算，算法公式如下：

式中：CO為補償前的CH4體積分數(shù)，%；Up為實時采集到的壓力值，kPa；CN為補償后的CH4體積分數(shù)值，%。

管道型紅外甲烷傳感器壓力補償前后的實驗數(shù)據(jù)對比表見表2。

表2 壓力補償前后實驗數(shù)據(jù)對比表Table 2 Comparison table of experimental data before and after pressure compensation

4 結(jié) 語

針對煤礦瓦斯抽采管路中負壓影響無法將氣體自燃擴散到傳感器氣室及負壓環(huán)境會對管道型紅外甲烷傳感器氣體體積分數(shù)檢測數(shù)據(jù)造成影響，研制了新型專用氣路裝置，并提出了一種切實可行的壓力補償算法模型, 重點介紹了壓力補償硬件電路和補償算法設(shè)計，并進行了數(shù)據(jù)驗證。通過采用給紅外敏感元件壓力補償?shù)姆绞?，解決礦井井下壓力變化因素對紅外氣體檢測產(chǎn)生的影響，使得先進的紅外檢測技術(shù)應(yīng)用于煤礦井下。