煤矿安全监控系统中无线激光甲烷传感器的研究与设计

煤矿安全监控系统中无线激光甲烷传感器的研究与设计

段传谊

淮南矿业集团丁集煤矿

摘要：本文对无线传感器进行基本误差、响应时间、温度和压力影响等性能测试。结果表明,该无线激光甲烷传感器精度高、响应快、运行稳定可靠,可实时监测井下甲烷气体浓度,满足煤矿安全监控系统中瓦斯监测的应用。

关键词：甲烷;激光;传感器;无线;

引言

瓦斯灾害始终是煤矿安全生产的大敌,瓦斯是易燃易爆气体,当空气中瓦斯浓度在5%～16%时,遇到火源就会发生爆炸。一旦发生瓦斯事故,就会给国民经济带来巨大损失。在煤矿开采过程中,快速、准确、便捷地监测井下瓦斯气体的浓度,在煤矿安全生产中起到很重要的作用。

目前,瓦斯监测传感器的原理主要分为催化、红外、热导和激光四大类。其中,催化甲烷传感器是通过催化元件表面无焰燃烧,使得载体催化元件阻值变化,导致桥路失衡,产生与甲烷含量成线性比例的输出信号,从而实现对甲烷含量的监测。催化甲烷具有测量范围窄、探头易中毒、需频繁标校、“跳大数”误报警等缺点。热导甲烷传感器采用甲烷和空气导热率不同的原理实现甲烷浓度的监测,主要用于高浓度段4%～40%瓦斯监测。红外和激光甲烷传感器,都采用光谱吸收原理,均能实现满量程的甲烷监测,但是红外甲烷传感器受湿度影响较大,而激光甲烷传感器相对稳定可靠,不易受湿度影响。煤矿安全监控系统中现有的传感器,基本上都采用有线方式,需要敷设通信线路来传递监测信息。工作面环境十分恶劣,在生产过程中通信线缆容易断裂,一旦链路发生故障,监控系统将无法实时监测井下甲烷浓度值,严重影响安全监控系统的可靠性。针对上述情况,本文提出了一种基于WaveMesh无线自组网技术的激光甲烷传感器的研究与设计。

1煤矿安全监控系统概况

1.1安全监控系统现状

目前,煤矿安全监控系统用于监测矿井气体的关键措施,其利用各种传感器,可以对矿井下各种气体的含量及残留状况进行监测,可以对各种安全监测信息进行分析与利用。现行的安全监控系统大多是20世纪90年代后期所创建的,具有较高的智能化水平,可以与网络相连接,但其中依旧存在较多的问题:①不具有标准的、统一的通讯协议,因厂商较多,设备类型也各种各样,其兼容性不好。②传感器不具备较好的性能,特别是CO和CH4的传感器,没有较长的使用年限,工作状态不具备稳定性等诸多问题。③系统不具备较高的诊断功能,不能对故障点及性质进行详细的判断,存在较高的错误报警率。④现行的系统无法区分报警,且安全防护性能较低。现行系统无法与大数据时代及三化融合的要求存在较多的差别。

1.2新系统改造标准依据

对于以上这些问题,国家颁发了相关文件为安全监控系统的升级改善提供相应的技术支撑及目标要求。为了将煤矿生产的安全监控系统进行升级改善,河南省相关部门进行了深入的调研,组织专家举行了学术交流会,积极吸取各个煤矿的意见,同时查阅相关的资料,制定出相关的技术方案及执行标准,为安全监控系统的升级提供牢固的依据,其关键内容如下:①传感器可以应用于各个采掘工作面,使传输过程具有数字化,使防护级别实现IP65要求。②系统具备预警和报警的功能,可以进行分级报警,能够抵抗电磁的干扰。③系统可以接入较多的系统,如瓦斯抽放等,使多系统、多网的数据相互融合。④非正常数据的分析及储存加密功能,完成自我诊断与评估,实现紧急联动。

2传感器的工作原理

2.1激光甲烷检测原理

甲烷气体对特定波长的激光具有吸收作用,可通过检测激光光强被吸收的强弱来判断被测环境中甲烷的浓度。本文采用双波长检测法,它与传统单波长吸收光谱技术的不同之处是具有2个波长,通过测量波长和参考波长2个同时测定待测气体,以克服单波长测定时的光路中由背景引起的干扰。相比传统催化甲烷传感器,使用一段时间后会出现的负偏差,需定期标校的缺点,激光甲烷传感器原则上无需标校。同时对激光甲烷进行温度和压力补偿,进一步提高了传感器的测量精度和稳定性。

按照比尔定律,激光器发射出强度为I0的激光,经2个不同的单色器选取出双波长,即测量波长λa和参考波长λb,穿过浓度为C、长度为L的甲烷气体,会因吸收而产生损失,激光强度变为：

式中a———甲烷吸收系数；

β———光路引起的背景的干扰;

K———光电灵敏度;

I———透射光强。

由于双波长λa、λb相差很小,可以认为βλa≈βλb。由（1）/（2）可得到

通过调整使K（λb)I0（λb）=K（λa)I0（λa）,且测量波长的投射光强远远小于参考波长的投射光强,即I（λa）/I（λb）<1,式（3）进一步转换可得被测甲烷气体浓度

2.2压力及温度补偿原理

在实际应用过程中,气体吸收系数a不仅与气体种类、入射光波长有关,而且还受环境温度、压力等因素的影响,是一个非常复杂的量。由理想气体状态方程可得到气体吸收系数

式中p———压强,kPa;

M———气体物质的量,mol;

t———温度,K;

x———比例常数;

V———气体体积,L。

气体中甲烷体积浓度C一定时,k为吸收比例系数。因此,不同压力和温度工作环境下,吸收系数是一个变值,直接影响吸收光强。

2.3无线通信原理

无线通信采用WaveMesh无线自组网技术,传输可靠效率高,组网灵活。无线网络支持多路径路由协议和跳频机制,可有效避免其他无线信号的干扰。无线网络由传感器组网节点和分站汇聚节点组成,传感器负责将采集到的甲烷浓度以无线方式发送,汇聚节点负责接收无线数据,分析处理后进行相应控制并向上层传输。组网节点可随时加入或离开网络,当系统中某个节点故障时,仍能自动优化新的路由并重新组网,以此确保任意时刻均为最佳路由通信。在井下组网,必须考虑到特殊的地理环境和巷道分布,网络应采用树型拓扑结构,无线节点间通信距离可达100m,支持多级中继延长无线通信距离。

3传感器总体设计

无线激光甲烷传感器主要由锂电池供电电路、微处理器、甲烷浓度采集电路、人机交互、控制输出和无线通信电路等组成,总体结构如图1所示。激光甲烷探头部分完成甲烷气体浓度的采集,数据以数字方式送至处理器,经处理后在数码管上显示并存储,同时通过无线通信电路进行传输。传感器采用锂电池供电,全部电路均采用低功耗设计,延长工作时间,当电池电量低的时候,传感器会主动上传低电量报警提示。甲烷浓度超限时传感器声光报警,传感器可通过遥控完成地址、标校、报警值和无线网络的ID、发射功率及通信速率等相关参数设定。

4结语

本文给出了一种矿用无线激光甲烷传感器的设计与实现,详细介绍了无线激光甲烷传感器的工作原理,给出传感器的总体设计与部分模块设计。并进行基本误差、响应时间、压力及温度影响实验,结果表明,传感器具有误差小、精度高和响应快等特点。在兖矿集团兴隆庄煤矿长时间运行,本无线激光甲烷传感器安装简便,数据能实时稳定地上传到地面监测中心,有效克服了有线传感器的局限性,更好地为煤矿安全生产服务。

参考文献

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