基于TDLAS 的矿用气体监测系统在云岗煤矿的应用研究

周 敏

（晋能控股煤业集团云岗矿，山西 大同 037001）

1 概况

云岗煤矿井下瓦斯浓度在0.5%～1%之间，属于低瓦斯煤矿，但由于综采工艺的实施，会存在瓦斯富集区域，发生安全事故的隐患一直存在。煤矿积极响应智慧矿山发展理念，对井下矿井气体监测系统进行升级改造[1-6]，旨在提升井下采煤安全性，提升煤矿的智能化程度。目前云岗矿的井下气体尤其是甲烷浓度监测采用湿气化学检测手段，即通过吸气采样与实验分析相结合以检测其浓度。虽然灵敏度能得到保证，但实时性和监测连续性都很差，基于此进行矿用气体浓度实时监测系统研究开发[7-10]，保证监测精度的同时实现连续性实时浓度监测。

2 TDLAS 气体监测原理

TDLAS 气体浓度监测实质上发射监测激光，被测气体对监测激光吸收后，通过对光谱波长或频率函数采集，以此为原始数据进行被测气体分子光学吸收截面的确定，进而对气体浓度完成计算。与传统气体浓度监测手段相比，TDLAS 直接吸收光谱技术具有无需定标、直接检测气体浓度的优势。TDLAS 气体监测吸收光谱技术有两种不同的应用方式：（1）连续线性对入射激光进行频率调节，并对被测气体持续扫描，形成吸收谱线的数据是经过信号平均器处理后的；（2）对入射激光加入特定的锯齿波形的信号，保持入射激光的频率保持在某个特定范围内连续变化，经过被测气体吸收后，由信号平均器处理，形成吸收谱线。原理示意图如图1。

图1 TDLAS 直接吸收气体浓度测量原理图

经过光谱吸收后，探测器上会输出一条连续的吸收线，通过对吸收线特征的解读，可以完成气体浓度计算。值得注意的是，吸收线的特征会受到噪声影响，利用TDLAS 原理进行气体浓度测量的系统要配置数据处理设备，将噪声因素影响降到最低或者消除。噪声主要包括奇次谐波引入的剩余幅度调制、标准具效应产生的干涉条纹等。

3 云岗煤矿气体监测系统硬件设计

云岗煤矿井下甲烷气体浓度监测系统采用TDLAS 波长调制技术原理进行设计。系统总体架构如图2，该系统组成可以分为三部分：激光驱动系统、光路调整系统与信号采集接收系统。其中激光驱动系统包含图2 中的锯齿波发生装置、正弦波发生装置、激光驱动器等；光路调整系统包括图2的可调谐激光二极管、甲烷样品池、温度补偿电路、倍频电路等；信号采集接收系统包括光电探测器、锁相放大器、信息处理模块以及显示模块。

图2 基于TDLAS 原理的甲烷浓度监测系统总体架构图

基于TDLAS 原理的甲烷浓度监测系统的气体监测流程为：采用TDLAS 波长调制技术，将50 Hz锯齿波发生器和50 Hz 正弦波发生器产生的附加波通过DSP 控制，经过电路增加到激光发生器上，激光驱动器产生叠加状态的调制光线，经过可调谐激光二极管的调制光线入射到甲烷样品池后经过甲烷吸收，信息被光电探测器捕获将激光信号转化为电信号后输出到锁相放大器，被正弦波信号的两倍频信号解调，从锁相放大器输出的电信号就是与甲烷浓度相关的二次谐波信号，通过TMS320F2812 信号处理模块的去噪、计算等处理，将监测结果显示在显示模块上，完成浓度监测。

下面对系统的核心硬件选型进行分析：

（1）激光光源与驱动器

激光光源选择要依托被监测浓度的气体对光谱的吸收特点确定，查阅资料可知甲烷气体的吸收线位于1 653.72 nm，因此光源首先要输出该波长的激光，同时输出功率要与附加不同波形电流线性相关，实现保证吸收光谱的可识别性。基于此选择日本NTT 公司的NLK1U5EAAA（14 针蝶形）分布式反馈激光器作为系统光源，该光源输出波长范围为1620～1675 nm 之间，输出功率10 MW，通过电路控制能够保持在输出波长1 653.72 nm，保证甲烷吸收波长的稳定。

（2）光电探测器

系统的光电探测器是实现光信号转化为电信号的功能，在系统中是光路系统与电路系统连接的桥梁，输出的信号甲烷浓度吸收光谱转化的电信号，但未经放大，因此选型主要考虑到抗干扰性和精度。RS-IGA-010-UE 型光电探测器在甲烷吸收波长范围内的响应速度快，且光电转化具有精准的线性相关性，保证监测精度。具体参数见表1。

表1 RS-IGA-010-UE 型光电探测器参数

（3）锁相放大器

锁相放大器具有两个作用，一是将输入的电信号的频率分量幅值进行放大，另外还可以根据被监测气体浓度电信号与噪音电信号的互不相关性，进行噪音电信号的抑制，最终输出带有被监测气体浓度信息的直流电信号。系统选择美国ADI 公司的AD630 型锁相放大器，该元件成本低，对噪音信号抑制性强，适合对甲烷浓度监测系统的技术需求。

4 云岗煤矿气体监测系统软件设计

云岗煤矿基于TDLAS 原理的甲烷浓度监测系统运行流程如图3。系统登录后经过一系列参数设置后，系统自动进行矿井甲烷气体和标准气体的二次谐波信号的显示，系统将两种谐波进行最小二乘法线性拟合，反演处理得到的待测甲烷浓度会经过系统的滤波，去除背景影响以提升监测浓度精度，显示器上会显示出最终的浓度数值。系统还设置有浓度超限报警系统，但监测到的甲烷浓度高于设定的报警值后，系统自动发出声光报警信号，并发出设定好的动作信号，操作浓度降低设备或系统动作。

图3 甲烷浓度监测系统运行流程图

5 应用效果

为了验证该系统的运行稳定性和对井下甲烷浓度监测精度，将该系统应用到云岗煤矿10302 工作面进行试验。监测精度试验分别配置了十种气体，监测各气体浓度与实际标气浓度的关系，得到数据形成图4（左）。经过计算机运算，测量误差在5%以下，绝对值误差不大于0.06。系统稳定性检验主要针对6×10-3的浓度进行试验，图4（右）为试验500 min 周期内的浓度监测数值图，系统稳定误差基本不超过10%，说明系统稳定性可靠。

图4 系统精度与稳定性试验图