管道型红外甲烷传感器在负压抽采管路中的检测技术研究

董康宁，杨晋芳

（1.北京科技大学 机械工程学院，北京100083；2.北京思优特科技发展有限公司，北京100083）

瓦斯事故是煤矿井下安全生产的主要威胁之一，也是一直困扰煤矿行业的重大难题。针对我国高、突瓦斯矿井，须按照《煤矿安全规程》规程有关规定及”先抽后采，以风定产，监测监控”的方针，无论高瓦斯矿井的井型大小，也不管煤层有无煤与瓦斯突出危险性，都必须建立地面永久抽放瓦斯系统或井下临时抽放瓦斯系统，并对抽放管道的瓦斯浓度进行实时在线监测[1-2]。

目前，已有多种成熟的气体浓度检测技术，检测甲烷等气体浓度的方法主要有：催化元件法、热传导法、光干涉法、电化学法、红外光谱吸收法等[3]。现有的矿用红外甲烷传感器在实际应用中会受到负压、凝露、粉尘堵塞、气体流速低、温度、湿度、压力等干扰，导致测量结果出现严重偏差。

管道型红外甲烷传感器在负压抽采管路中的检测技术，首先采用新型专用管路装置将负压环境中的气体经滤尘滤水后引入传感器的气室，使传感器能够准确采样到抽采管路中的气体浓度[4]；其次传感器的气室内置1 个基于红外光谱吸收原理的红外敏感元件及压力采集元件[5]。红外探测敏感元件是由1 个红外激光发射器发射红外光，经过3.39 μm滤光片以及管道内的甲烷气体通过管道型甲烷传感器的气路装置进入红外敏感元件气室，吸收3.39 μm 红外光后,以自发辐射形式释放出光子,由光子探测器接收，其输出的电信号经过变送器后，可以输出CH4气体浓度的模拟或数字信号[6]。因矿井下瓦斯抽采管路的负压环境，会对红外气体在气室的光吸收产生较大影响，因此，将压力采集元件采集到的压力与实际采集到的甲烷浓度进行分析得出压力补偿算法模型，从而对甲烷浓度值进行软件修正，提高管道型红外甲烷传感器的测量精度。

1 管道型红外甲烷传感器研制的理论依据

根据量子力学观点，分子的能量分布并不是连续的，而是量子化的一个个能级。当分子从某个高能级向低能级跃迁时，会释放出一定频率的光子；反之，当分子由某个低能级向高能级跃迁时则需要吸收一定频率的光子[7]。发射或者吸收光的频率必须满足玻尔的频率条件，换言之，只有光子的能量恰好等于原子能态与能态之差时，这个光子才会被分子吸收[8]。而每种不同的气体分子所能吸收的光也不一样，气体分子吸收光子之后，经过一段时间，又会将吸收的光子自发释放出来。光谱吸收法检测气体浓度的原理就是通过检测气体透射光强或反射光强，根据其变化情况来检测气体浓度的方法[9]。每种气体分子都有自己的吸收（或辐射）谱特征，光源的发射谱只有在与气体吸收谱重叠的部分才产生吸收，吸收后的光强将发生变化，因而具有高度的选择特性。

当一束光强为I0的平行输入光通过充有气体的气室时，如果光源光谱覆盖一个气体吸收线，光通过气体时发生衰减，根据Lambert-Beer 定律[10]，可以得出输出光强I（λ）、输入光强I0（λ）和气体体积分数三者之间的关系为：

式中：α 为一定波长下单位体积分数、单位长度的介质吸收系数；L 为吸收路径的长度；c 为气体体积分数。

可得：c=（-1/αL）ln（I（λ）/I0（λ））

由此表明：如果L、α与λ已知，通过检测I（λ）和I0（λ）就可以测得气体的体积分数。

2 管道型红外甲烷传感器新型专用气路装置

矿用管道型红外甲烷传感器测量瓦斯抽采管道中的瓦斯气体时，需要将气体从管道中引入传感器，但由于抽采管路存在负压、凝露、粉尘堵塞、气体流速低、温度、湿度、压力干扰等因素，如果引入气体的“气路装置”设计不合理。就会引起气体浓度测量数据不准确。

为解决上述问题，设计了专用的气体取样装置，该装置的焊接丝扣焊接在瓦斯抽放管路上，然后与管道型红外甲烷传感器之间采用法兰连接。该气路装置利用流体力学原理，使得负压管路中的气体顺利进入传感器气室，并且可以有效去除管路中的凝结水和粉尘，确保了传感器的精确采样。气路装置模型图如图1。

图1 气路装置模型图Fig.1 Model diagram of gas path device

新型专用气路装置使用前后的采样数据对比值见表1。由表1 可以看出，对比没有使用新型专用气路装置的管道型红外甲烷传感器，采用了专用气路装置的气体采样值有了明显的上升，但受管道内负压环境的影响，采样到的数值准确度出现较大偏差，此时需要用压力补偿模型来实现将采样到的数值修正到真实值。

表1 新型专用气路装置使用前后的CH4 采样数据对比值Table 1 Comparison of CH4 sampling data before and after the use of the new special gas circuit device

3 管道型红外甲烷传感器

依据红外吸收原理特性得出，甲烷气体对特定波长的红外光具有强烈的吸收作用，甲烷的浓度越大，对红外光的吸收越强烈。当一束特定的红外光经过含有甲烷的气体后，由于甲烷气体的吸收，红外探测器接收的光信号减弱，通过对减弱的光信号进行比较，转换成电信号，电信号经过运算放大器放大后，再进行A/D 转换，由单片机进行运算、处理，驱动发光数码管显示甲烷的浓度。同时将检测的甲烷浓度值转换成相应的频率量信号或者RS485 信号，由电缆传输给关联设备。当检测的甲烷体积分数高于设定的报警值，传感器发出声光报警。当检测的甲烷体积分数高于设定的断电值时，传感器输出断电信号；当检测的甲烷体积分数低于设定的复电值时，传感器输出变为复电信号。

3.1 管道型红外甲烷传感器整体架构

管道型红外甲烷传感器由小型化气室、单片机、光源调制驱动电路、放大器、A/D 转换、数码管显示、数字接口、专用气路装置等组成。单片机经光源调制驱动电路对光源进行4 Hz 电调制。红外敏感组件输出信号经运算放大器放大及A/D 转换后，由单片机进行运算、处理，转换成浓度值显示并传输。

传感器外壳由不锈钢冲压而成，前后盖之间有橡胶垫密封，防尘、防水。传感器上部的把手便于携带和安装。传感器显示窗口由4 位发光数码管组成，数码管显示所检测的甲烷体积分数值。声报警装置位于显示窗口上方。传感器的顶端是气光报警灯，底端是气室，气室中安放红外探测敏感元件和压力采集元件，被测气体经专用气路装置取气后由扩散方式进入气室。传感器整体架构图如图2。

图2 管道型红外甲烷传感器架构图Fig.2 Schematic diagram of pipeline infrared methane sensor

3.2 管道型红外甲烷传感器压力补偿硬件

传感器测量管道中的气体时，由于瓦斯抽放管路处于负压状态，受负压影响传感器测量数据会出现很大偏差，故而需要在硬件设计上加入压力数据采集，从而建立压力补偿算法模型，对采样数据进行压力补偿。

传感器压力数据采集采用一种硅压阻式压力芯片，可提供高度精确的线性电压输出，输出电压与作用压力成正比。且芯片本身是激光加工而成，量程精确，有偏移校准和温度补偿。压力传感器测量范围为0～200 kPa，可以满足瓦斯抽放管路中负压管路的环境要求。压力传感器的放大电路如图3。

图3 压力传感器放大电路Fig.3 Pressure sensor amplifier circuit

3.3 管道型红外甲烷传感器压力补偿模型

管道型红外甲烷传感器在瓦斯抽放管路中采集的实时原始数据受压力影响，出现严重偏差，故而在软件设计上进行了压力补偿计算，算法公式如下：

式中：CO为补偿前的CH4体积分数，%；Up为实时采集到的压力值，kPa；CN为补偿后的CH4体积分数值，%。

管道型红外甲烷传感器压力补偿前后的实验数据对比表见表2。

表2 压力补偿前后实验数据对比表Table 2 Comparison table of experimental data before and after pressure compensation

4 结 语

针对煤矿瓦斯抽采管路中负压影响无法将气体自燃扩散到传感器气室及负压环境会对管道型红外甲烷传感器气体体积分数检测数据造成影响，研制了新型专用气路装置，并提出了一种切实可行的压力补偿算法模型, 重点介绍了压力补偿硬件电路和补偿算法设计，并进行了数据验证。通过采用给红外敏感元件压力补偿的方式，解决矿井井下压力变化因素对红外气体检测产生的影响，使得先进的红外检测技术应用于煤矿井下。