基于静态干涉系统的井下甲烷浓度实时监测系统的研究.pdf

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1、第l5卷第2期2015年1月科学技术与工程V01．15No．2Jan．20151671—1815(2015)02—0183—04ScienceTechnologyandEngineering⑥2015Sci．Tech．Engrg．基于静态干涉系统的井下甲烷浓度实时监测系统的研究司国斌王春霞(焦作大学机电工程学院，焦作454003)摘要为了保证井下工作安全，设计了一种CH实时在线监测系统。在分析了CH气体特征吸收光谱的基础上，系统采用静态傅里叶变换干涉具及柱面镜等组成。通过线阵CCD采集静态干涉条纹，由光谱分析算法求出各

2、个波长上的光强衰减度，最后通过比尔一朗伯定理、浓度程长积公式等反演CH气体的浓度。仿真计算了光源光强、出射光强与瓦斯浓度的函数关系，验证了采用5mw的DFB激光器，可以保证变化区域基本线性。系统采用分子筛过滤处理的方法，克服了目前光谱检测系统无法在井下复杂环境应用的难题。实验显示，在5cln的气室中，经分子筛过滤保护的光谱探测系统可以在潮湿、粉尘的环境中稳定工作。采用傅里叶变换光谱分析法求解CH浓度时，最小探测精度可达0．O1％。关键词光谱检测CH浓度傅里叶变换分子筛过滤器中图法分类号TD712．3；文献标志码A矿难中

3、绝大多数是由瓦斯爆炸引起的_1j，当设计了基于分子筛过滤器的井下瓦斯气体浓度井下瓦斯浓度超限并且不能及时报警时，就会产生检测系统，利用特征光谱吸收的原理，通过干涉条纹瓦斯爆炸的可能，瓦斯的主要成分是甲烷(CH)。和响应光谱的傅里叶变换关系实时探测井下瓦斯气很多国内外研究机构都在从事甲烷浓度检测技术体浓度。系统通过采集静态干涉条纹，从而分析经的研究，其主要的检测方法有：热催化法、热传导过待测气体后光谱分布的变化，得到光强衰减量，最法、气敏传感器法及光谱检测法’。热催化法J后根据比尔一朗伯[121定律求解瓦斯气体的浓度。通

4、过化学反应产生响应电流的方法检测气体浓设计的分子筛过滤器可以有效的过滤水蒸气、煤尘、度，其灵敏度高，但在瓦斯浓度相对较高的环境下粉尘等干扰气体，从而保证了光谱检测法在井下的容易产生中毒现象造成探测器失灵，必须经常校实时监测正；热传导法是根据探测器材料热导率和空气1方案设计热导率的区别探测气体浓度的，其输出信号弱、灵敏度低，故采用该方法探测得到的瓦斯浓度常常1-1基本原理低于实际浓度，会造成浓度超标而不报警的漏检甲烷(CH)的分子式由4个c—H键构成，由现象；气敏传感器法【8是应用气体敏感性探测器这种碳氢原子键组成的有机

5、物对光的特征吸收主要检测瓦斯浓度的，但气敏器件大多有延时性，刚开是因为分子键振动所产生的。根据特征光谱吸收的始工作和探测一次后要求有一个恢复时间，一般基本原理可知，CH分子吸收能量刚好等于某两个能级能量之差的光子；而在井下的其他气体由于原在十几分钟以上，只适用于瓦斯浓度低且变化缓子结构及化学键结合方式的不同而吸收不同频率的慢的场合，不具备实时检测的能力；光谱检测光子，所以不同的特征吸收峰可以有效地抑制其他法根据特征光谱吸收的原理探测瓦斯浓度，气体对甲烷浓度检测的影响。由数据库可知CH的不但可实时监测、灵敏度高、且不会中

6、毒，但由于光主特征波长为A：1650．8nm，分析光谱分布就可学系统需要相对干净的工作环境，必须加有效的过求解CH气体的浓度。滤装置。这也是光谱检测方法一直没有在井下广泛光源通过气室，被待测气体吸收后，有初始光强应用推广的主要瓶颈。是，(】()，透射后的探测光强是，f()，根据比尔一2014年9月3日收到国家自然科学基金(10974104)、朗伯定律，有河南省自然科学基金研究项目(132300410267)资助j()=Io()exp[一()Lc](1)第一作者简介：司国斌(1979一)，男，工程硕士，讲师。研究方向：自

7、式(1)中，L是气室长度，c是CH气体的浓度，动化。E—mail：luodafeng123@163．COB。()是CH在波数处的特征吸收系数，在已知初科学技术与工程15卷始光强和通过气室后的探测光强的基础上，可以反出待测激光的光谱分布有演气室中气体的浓度。在标准大气压下，甲烷气体r∞E(A)=J，()e-i2'rAvdv(5)的吸收光谱近似为洛仑兹吸收线型，其在谱线处J0其对应的物理意义是对CCD探测器采集的静态干的洛仑兹吸收线型为：涉条纹做傅里叶变换，从而获得激光的光谱信息。()=％I1+f＼1，l(2)1．3CH浓

8、度的计算式(2)中，Ot。是CH在中心吸收峰处的吸收系数，设初始光的辐亮度是，n，气室的长度是，

9、，波长是A，波数是，待测气体的浓度是C，则经过气室后为吸收线半宽，单位为om～。的光强是一(3)∑，l()=JIo()exp[一()cL]dv(6)式(3)中，是分子的线强度，单位为ClTItool。。；则Ⅳn是标准大气压下单位体积内