车载式甲烷传感器关键技术的研究

张远征

（1.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆400039；2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆400039）

随着我国综合国力的持续增强，生产生活活动需要大量的煤炭、石油、天然气等各种能源，现阶段我国能源结构仍然以煤炭资源为主，占据了50%以上的市场份额。煤炭的开采工艺复杂，开采难度大，近些年随着各种新的开采工艺和装备技术的涌现，煤炭开采产量常年维持在高量水平，为国家的经济建设做出了重要贡献。瓦斯是造成煤炭开采过程中安全事故的重要诱因，为了保障安全生产，防止瓦斯安全事故发生，在煤矿开采环节的胶轮车、采煤机、千米钻机等防爆机车上均安装车载式甲烷传感器，保障设备的安全运行[1]。因载体催化原理甲烷检测技术具有价格便宜，制造工艺成熟等特点，目前防爆机车监测普遍采用载体催化原理，然而载体催化原理受振动、环境等因素的影响，黑白催化元件上的铂金丝容易疲劳损坏引起检测误报、元件失效等情况，导致甲烷传感器易误报、易损坏、可靠性低，无法为设备提供及时可靠的安全保障[2]。

因此，本文根据车载甲烷检测领域的特殊性，提出了一种基于非色散红外检测原理，在矿用车载领域可长时间高可靠工作的甲烷检测技术，可大大提高检测的准确性，降低甲烷传感器的损坏率，降低甲烷检测的误报率，提高煤矿安全生产效率。

1 检测原理及传感器总体设计

1.1 非色散红外甲烷检测原理

非色散红外甲烷检测技术一般采用近红外光测量，其波长范围780 nm～3000 nm[3]，并且满足朗伯比尔定律，如式（1）所示：

式中：I 代表入射光被气体吸收后的光强；I0代表入射光的初始光强；k（v）代表气体对频率v 的吸收系数；C 代表吸收气体的浓度；L 代表入射光的总光程。

根据式（1）可知，对于甲烷敏感元件，其光程长度确定，那么甲烷浓度只与初始光强和吸收后的光强相关，即只需要测量出电流信号，并经信号整理转换为电压信号，即可测量出环境中甲烷浓度。甲烷浓度测量示意图如图1所示。

图1 甲烷浓度测量示意图Fig.1 Schematic diagram of methane concentration measurement

红外光对甲烷气体的吸收系数与环境温度和大气压强相关，大气压强的日变化幅度较小，造成的测量影响甚微，而温度的变化幅度跟所处环境有很大的关系，影响不可忽略不计[4]，因此需要采用对应的方法来降低温度对甲烷浓度测量的影响，提高甲烷的测量精度[5]。

1.2 传感器总体设计

机载式甲烷监测探头如图2所示，传感器主要由ARM 处理器、温度采样电路、甲烷采集电路、恒温控制电路、显示电路、RS485 通讯电路、遥控电路、报警电路构成[6]。其中，红外元件、甲烷采集电路、恒温控制电路、温度采集电路采用浇封方式集成在一个结构体内，ARM 处理器用于触发特定频率红外光源的发射，甲烷浓度信号的采集和温度补偿算法的运算处理，环境温度的实时采集和恒温控制电路的闭环控制，甲烷浓度的实时显示、数据传输等。

图2 传感器系统架构Fig.2 Sensor system architecture

2 车载甲烷检测技术的研究

2.1 车载温控与振动技术研究

矿山机车常常穿梭于地面和井下巷道，整车所处的环境温度时常变化，特别是冬季，地面和井下的温差最高可达±40 ℃，而且机车运行过程中车身具有明显的振动，道路的高低起伏还会造成更大g值的振动，甲烷传感器极易受温度变化、振动等因素造成测量不准确，甚至损坏的可能，为提高甲烷浓度的测量精度，防止振动导致探头损坏，需采用浇封体型式确保温度补偿技术和防振动技术的结合处理[7]。

首先，采用金属圆柱体作为外壳，将陶瓷发热体嵌入其中；其次，将温度元件、红外元件和控制电路嵌入其中，确保陶瓷发热体与红外元件可靠接触；最后，用防水透气膜封堵进气口，并用导热灌封胶浇封，使上述各部件组成一个整体。经过上述步骤，红外元件便制备成了具有温度测量、电辅助加热、恒温控制、防尘防水的红外元件结构体，即可避免振动对甲烷测量的不利影响，同时也为温度补偿、提高甲烷测量精度提供了硬件保障[8]。红外元件结构体整体结构如图3所示。

图3 红外元件结构体组成示意图Fig.3 Schematic diagram of structure of infrared component

2.2 自适应温度补偿方法

为了确保在不同温升斜率下的自适应补偿速度和补偿精度，需要建立温度变化对甲烷测量值的影响数据模型，其包括在温度-20～50 ℃范围内每间隔5 ℃完成一次模拟浓度测试，模拟浓度测试点选取0.5%CH4，2%CH4，3.5%CH4，并记录下对应温度点的传感器测量值，完成浓度-温度数据模型的建立，基本的温度测试数据结果如图4所示。

图4 温度对甲烷气体传感器测量的影响Fig.4 Influence of temperature on measurement of methane gas sensor

参照不同温度点下的自适应温度补偿斜率公式为

计算出甲烷浓度值固定、温度值变化条件下，不同温度点下的自适应温度补偿斜率K-20，K-15，K-10，…，K45，K50。并同时计算出温度值固定不变条件下，甲烷浓度量程范围内相邻试验点之间的自适应补偿精度斜率K′，K′0.5，K′1.0，…，K′4.0，采用最小二乘法分别对所造成的测量误差结果进行了分段式的线性计算和测量误差拟合[9]，计算公式如式（3）所示：

传感器在实际使用中采用以下步骤完成自适应温度补偿算法的运算：①实时获取测量环境的温度值T 和该环境下的甲烷浓度值C′；②将甲烷浓度值C′和温度补偿斜率K 代入公式（3）获得第1 次温度补偿的甲烷浓度值C″；③将甲烷浓度值C″和自适应补偿精度斜率K′代入公式（3）获得第2 次补偿的甲烷浓度值C‴；④计算第1 次补偿后的甲烷浓度值和第2 次补偿后的甲烷浓度值是否满足≤0.01 的自适应补偿终止条件，直至满足精度条件后停止循环补偿[10]。

3 试验

为了验证基于非色散红外检测原理基于红外元件结构体型式的甲烷关键技术的有效性和数据测量的准确性，在恒温试验箱中对车载甲烷传感器样机进行了0.5%CH4，1%CH4，1.5%CH4，2%CH4，2.5%CH4，3%CH4，3.5%CH4，4%CH4浓度下的精度测试，分别计算得出测量误差，结果如表1所示。

表1 不同温度下甲烷浓度测量Tab.1 Methane concentration measurement at different temperatures

根据表1可以看出，车载甲烷传感器完全能满足不同温度条件下甲烷浓度的精确测量，测量精度优于±0.05%CH4。

同时为了验证基于上述技术的车载甲烷传感器在振动环境的适应性，在振动试验台完成了12 h的±5 g 的振动模拟试验，试验数据如表2所示。

表2 振动试验数据Tab.2 Vibration test data

根据表2可以看出，在不同加速度值的振动条件下，车载甲烷传感器的零点显示值均未发生明显影响测量精度的漂移，且经过12 h 的振动模拟试验后，传感器各项指标工作正常，完全能适应矿山机车在复杂振动环境下的需要，提高了车载甲烷传感器的环境适应性，提高了传感器整机的工作寿命和可靠性。

4 结语

本文分析了矿山机车使用环境的特点，指出了现有矿山机车等车载式甲烷浓度监测设备的局限性，提出了一种基于非色散红外甲烷检测原理，并适用于矿用车载领域长时间、高可靠、高精度的甲烷检测技术和装备，可以克服振动因素、环境温度变化对甲烷测量准确性和稳定性的影响，通过振动、高低温度试验证明了本方法的可行性，提高了车载式甲烷传感器的环境适应能力，提高了车载式甲烷设备振动环境的适应性，降低了设备的损耗率，同时通过标准气体标定试验验证了测量精度，车载式甲烷传感器测量误差小于±0.05%CH4，测量精度较高，能满足煤矿现场的准确测量需求。