CN102954949A

CN102954949A - 一种多路组网同时监测煤矿瓦斯浓度的系统

Info

Publication number: CN102954949A
Application number: CN2012104177961A
Authority: CN
Inventors: 黄文平; 阎杰
Original assignee: Anhui Wanyi Science and Technology Co Ltd
Current assignee: Anhui Wanyi Science and Technology Co Ltd
Priority date: 2012-10-25
Filing date: 2012-10-25
Publication date: 2013-03-06

Abstract

本发明公开了一种多路组网同时监测煤矿瓦斯浓度的系统，包括有激光器，激光器驱动电路驱动激光器工作，激光器发射的激光经一根单模光纤接入光纤耦合器的输入端，光纤耦合器的每个输出端接有一根输入单模光纤，每根输入单模光纤的另一端接入一个瓦斯吸收池的输入端，瓦斯吸收池的输出端接有输出单模光纤，从输入单模光纤中出射的光耦合到输出单模光纤中，每根输出单模光纤的另一端接入光电探测器的输入端，各光电探测器的输出端共同接入一个信号处理模块，得到煤矿中的瓦斯浓度，最终将结果通过通讯接口上传到煤矿安全控制部门。本发明绝对防爆安全、响应时间短、灵敏度高、能够克服粉尘干扰、维护方便、测量结果可靠、监测点方便移动、组网。

Description

一种多路组网同时监测煤矿瓦斯浓度的系统

技术领域

本发明主要涉及监测煤矿瓦斯浓度的系统，尤其涉及一种多路组网同时监测煤矿瓦斯浓度的系统。

背景技术

煤炭作为我国重要的能源资源，在国民生产中起着巨大的作用。但是，我国的煤矿安全生产系数与世界主要产煤国家相比，存在很大差距，在我国80%以上的煤矿安全事故由瓦斯爆炸引起。煤矿中瓦斯的主要成分是甲烷（以下提到瓦斯用甲烷代替），约占83—89％，甲烷在空气中的爆炸下限为5.3%，上限为15%，当甲烷的含量达到爆炸极限范围内时，煤矿下的煤炭自燃，明火，电气火花，架线机车火花，吸烟以及摩擦、撞击和放炮产生的火花都可以点燃瓦斯，造成煤矿安全事故。

目前，我国矿用甲烷传感器几乎全部采用催化燃烧式的气体传感器。催化型瓦斯测量仪的原理是甲烷气体在载体催化元件表面发生无烟燃烧，放出反应热，使元件温度上升，元件温度的增量将引起元件电阻增加，通过测量电阻增量，就可以测定瓦斯气体浓度。该类仪器以其信号输出易于处理、灵敏度高、受湿度和温度影响小、结构坚固、便于使用等一系列优点，成为目前国内外测量矿井瓦斯浓度的主要仪器。但是，该类仪器的其缺点也非常明显：响应速度慢，完成一次测量需30秒；是测量范围小，易受高浓度甲烷和硫化物的“中毒”，且使用寿命短、工作稳定性差易发生漂移、校正频繁和检测范围窄等缺点。由于催化式气体传感器测量范围小的缺点，近年来有将热导仪器常与载体催化型仪器相结合使用，扩大测量范围的方法，用催化型甲烷测量仪测量0～5%的范围，用热导型检测仪测量5～100％范围内的瓦斯。热导型瓦斯测量仪的原理是利用甲烷与空气的热导率差异，得到与被测甲烷气体浓度相关的信号，以确定甲烷气体的浓度。但是，热导型瓦斯测量仪不适用于低浓度瓦斯测量，而且也存在寿命短、工作稳定性差易发生漂移、校正频繁、易受水蒸气和氧气浓度的影响。等缺点，严重制约着煤矿对甲烷浓度的有效监控。

可调谐半导体激光气体分析仪是一种“实时”、“在线”的气体监测装置，常用于石化、钢铁、水泥、环保、工业在线监控等领域。激光气体分析仪是一种高灵敏度的气体分析手段，其原理是特定波长的激光通过气体后，因受气体特定吸收峰的吸收，产生光强的衰减。光强的衰减可用Beer-Lambert定律准确描述：

I(v)=I₀(v)exp[-S(T)φ(v)PXL]

其中I(v),I₀(v)分别是激光通过气体后，通过气体前的光强，v是激光的频率，P，X和L分别是气体的压力、浓度和光程。线强S（T）是温度T的函数，线性函数φ(v)表示吸收谱线的形状。由Beer-Lambert定律可知，光强的衰减和被测气体的浓度成正比，从而可以通过测量激光通过气体后的衰减获得被测气体的浓度。同时，由于DFB激光器的发射峰很窄（小于15MHz），工作时可以选择单根气体吸收谱线进行测量，不受其他气体的干扰，具有很高的测量灵敏度。

相对于传统的点接触式传感器（如氧化锆等），激光气体分析仪由于采用“原位”式测量，能够检测一条光路上的待测气体浓度，所以能够更真实的反应测量现场的气体浓度。特别对于一些测量体积较大的环境，如大型锅炉中的过程气体测量等，激光气体分析仪能够更“准确”，更“实时”的反应过程气体的浓度，同时维护少，具有很大的应用优势。

光谱吸收型光纤气体传感器用于煤矿瓦斯浓度监测是近年来发展最快、最具有广阔前景的一种瓦斯监测方式。由于每种气体的结构、能级不同，每种气体都有独特的吸收光谱，利用光纤作为测量光的传输载体，结合光谱技术科实现远距离的甲烷浓度监测。与其他类型的甲烷监测仪相比，光谱吸收型光纤气体传感器具有如下优点：灵敏度高，测量动态范围大；由于光纤传输光强损耗小，可以将瓦斯监测仪远离监测点，实现远距离实时监测；同时由于监测设备所有带电部分均置于煤矿外，只由光纤将弱光传输到探测点，实现设备在煤矿中无电磁干扰，无电火花，传感单元结构简单稳定可靠。

发明内容

本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种多路组网同时监测煤矿瓦斯浓度的系统。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种多路组网同时监测煤矿瓦斯浓度的系统，其特征在于：包括有设置在煤矿外的主机，主机中包括有激光器驱动电路、激光器，激光器驱动电路驱动激光器工作，激光器发射的激光经一根单模光纤接入光纤耦合器的输入端，光纤耦合器具有多个输出端，每个输出端接有一根输入单模光纤，多根输入单模光纤引入煤矿中，每根输入单模光纤的另一端接入一个瓦斯吸收池的输入端，瓦斯吸收池的输出端接有输出单模光纤，所述的瓦斯吸收池包括有气室，气室的两端分别设有输入透镜、输出透镜，从输入单模光纤中出射的光经输入透镜准直变为平行光穿过气室，由气室另一端的输出透镜耦合到输出单模光纤中，输出单模光纤引出煤矿外，每根输出单模光纤的另一端接入光电探测器的输入端，各光电探测器的输出端共同接入一个信号处理模块，各光电探测器将接收到的光信号转换为电信号送至信号处理模块进行平均、滤波、非线性拟合数据处理后得到煤矿中的瓦斯浓度，最终将结果通过通讯接口上传到煤矿安全控制部门。

所述的一种多路组网同时监测煤矿瓦斯浓度的系统，其特征在于：所述的光纤耦合器采用32路或16路光纤耦合器。

所述的一种多路组网同时监测煤矿瓦斯浓度的系统，其特征在于：所述的通讯接口采用RS485或以太网接口。

所述的一种多路组网同时监测煤矿瓦斯浓度的系统，其特征在于：所述的气室的长度为5-10cm。

本发明的原理是：

考虑到本系统的使用环境需求：多个探测点；每个探测点间距很大；探测点可移动等特点，采用光纤网络的结构来布置多个探测点，使用光纤耦合器进行32路（16路）分光，实现网络状32（16）个探测点同时监测。系统采用单模光纤作为探测光进入矿井的传输介质，矿井部分全部为光纤，瓦斯吸收池等无电的部分，保证绝对的防爆安全。系统采用多路单独探测方法，每一路单独采用一个光电探测器进行测量，可实现每一个探测点的实时监测，并且每条光路光学结构都相对简单，光学干涉容易优化减小。

主机至于煤矿之外，主机中的激光器驱动模块驱动激光器正常工作，并在中心波长1653nm处进行波长扫描，发射激光由单模光纤引入煤矿中，并经过瓦斯吸收池，在其吸收峰处产生光强吸收，要求瓦斯吸收池稳定，能够长期保持正常工作状态；瓦斯吸收池尺寸小巧，方便监测点的移动，气室的长度为5-10cm；要求瓦斯吸收池对探测光的损耗小，使得大部分探测光都能耦合进接收光纤，被充分利用；要求瓦斯吸收池尽量少的产生光学干涉。检测后的激光经透镜汇聚耦合进光纤并被传输回煤矿外被光电探测器接受变为电信号，电信号经过平均、滤波、非线性拟合等数据处理过程，可获得煤矿中的瓦斯浓度，最终结果可通过RS485，以太网等接口上传到煤矿安全控制部门。

本发明的优点是：

1，绝对防爆安全。仪器所有带电部分均在煤矿外，只有光纤将弱激光引入井下探测，不会产生任何电火花。

2，响应时间短，灵敏度高。DFB激光器具有快速响应的特性，每次吸收峰扫描时间只需要毫秒量级，并且能够连续工作，瓦斯浓度的检测精度能达10ppm。

3，能够克服粉尘干扰。仪器依靠检测吸收的谐波信号而非直接吸收光强信号的获得气体浓度，所以仪器对光强衰减有很强的容忍性，只需要光强达到正常工作光强的15%以上，仪器就能保持正常工作。

4，维护方便。如果吸收池镜片受粉尘或气体液体污染了，只需要用干净的软纸直接擦拭即可。另外，仪器有很高的稳定性，一般情况半年至一年从新定标一次即可。

5，测量结果可靠。仪器实时监测透过光强，如果光路出现异常或者吸收池被遮挡仪器都能发出报警，保证了不会因为仪器出问题而得到错误的监测浓度值。

6，监测点方便移动、组网。结合成熟的光纤技术，可方便的进行矿下组网与监测点的移动。

附图说明

图1为本发明的结构框图。

图2为本发明的瓦斯吸收池的结构示意图。

具体实施方式

如图1、2所示，一种多路组网同时监测煤矿瓦斯浓度的系统，包括有设置在煤矿外的主机，主机中包括有激光器驱动电路1、激光器2，激光器驱动电路1驱动激光器2工作，激光器2发射的激光经一根单模光纤3接入32路光纤耦合器4的输入端，光纤耦合器4具有多个输出端，每个输出端接有一根输入单模光纤5，多根输入单模光纤5引入煤矿中，每根输入单模光纤5的另一端接入一个瓦斯吸收池6的输入端，瓦斯吸收池6的输出端接有输出单模光纤7，瓦斯吸收池9包括有气室10，气室10的长度为8cm，气室10的两端分别设有输入透镜11、输出透镜12，从输入单模光纤5中出射的光经输入透镜11准直变为平行光穿过气室10，由气室10另一端的输出透镜12耦合到输出单模光纤7中，输出单模光纤7引出煤矿外，每根输出单模光纤7的另一端接入光电探测器8的输入端，各光电探测器8的输出端共同接入一个信号处理模块9，各光电探测器8将接收到的光信号转换为电信号送至信号处理模块9进行平均、滤波、非线性拟合数据处理后得到煤矿中的瓦斯浓度，最终将结果通过采用RS485或以太网通讯接口上传到煤矿安全控制部门。

Claims

1.一种多路组网同时监测煤矿瓦斯浓度的系统，其特征在于：包括有设置在煤矿外的主机，主机中包括有激光器驱动电路、激光器，激光器驱动电路驱动激光器工作，激光器发射的激光经一根单模光纤接入光纤耦合器的输入端，光纤耦合器具有多个输出端，每个输出端接有一根输入单模光纤，多根输入单模光纤引入煤矿中，每根输入单模光纤的另一端接入一个瓦斯吸收池的输入端，瓦斯吸收池的输出端接有输出单模光纤，所述的瓦斯吸收池包括有气室，气室的两端分别设有输入透镜、输出透镜，从输入单模光纤中出射的光经输入透镜准直变为平行光穿过气室，由气室另一端的输出透镜耦合到输出单模光纤中，输出单模光纤引出煤矿外，每根输出单模光纤的另一端接入光电探测器的输入端，各光电探测器的输出端共同接入一个信号处理模块，各光电探测器将接收到的光信号转换为电信号送至信号处理模块进行平均、滤波、非线性拟合数据处理后得到煤矿中的瓦斯浓度，最终将结果通过通讯接口上传到煤矿安全控制部门。

2.根据权利要求1所述的一种多路组网同时监测煤矿瓦斯浓度的系统，其特征在于：所述的光纤耦合器采用32路或16路光纤耦合器。

3.根据权利要求1所述的一种多路组网同时监测煤矿瓦斯浓度的系统，其特征在于：所述的通讯接口采用RS485或以太网接口。

4.根据权利要求1所述的一种多路组网同时监测煤矿瓦斯浓度的系统，其特征在于：所述的气室的长度为5-10cm。