摘要:煤矿灾害气体是指煤矿井下采掘过程中从煤岩中涌出的有害气体、易燃易爆气体,主要成分是CH4、CO、C2H2等烃类化合物。我国每年煤炭开采量超过世界总产量一半,煤矿井下事故时常发生,伤亡人数超过全部重大事故伤亡人数的一半。为避免煤矿事故的发生,对井下气体的检测分析非常重要。我国消耗最多的能源资源仍然是煤炭,全国矿场约5300座,年产量约40亿吨。但每年因气体问题导致的事故不在少数,为此我们根据光谱法,设计了一个煤矿有害气体检测系统,利用最新的光谱检测技术,对矿井中的CH4、CO、C2H2等12种气体进行检测分析。如果达到预定浓度就会及时报警,防止某种气体因浓度过高而引发爆炸。
关键词:光谱法;气体检测;煤矿
0 引言
近年来随着我国经济的高速发展,对煤炭类基础能源的需求也随之增加。煤炭在开采过程中,会有一氧化碳(CO)、二氧化氮(NO2)、二氧化硫(SO2)、硫化氢(H2S)、氨(NH4)等多种有毒、有害气体,同时煤炭中赋存有甲烷(CH4)、二氧化碳(CO2)等气体,虽不具有毒性,但存在爆炸或窒息危险,因此《煤矿安全规程》规定了有害气体的最高允许浓度,其中一氧化碳为0.0024%(24ppm)、二氧化氮为0.00025%、二氧化硫为0.0005%、硫化氢为0.00066%、氨为0.004%、《煤矿安全规程》还对煤矿井下不同地点的甲烷和二氧化碳浓度做出了规定。二氧化碳在采掘工作面进风流不得超过0.5％;在采掘工作面和采区的回风流中不得超过1.5％;在矿井总回风巷和一翼总回风巷不得超过0.75％。因此,做好矿井中甲烷气体的实时、快速、精确的浓度检测是十分必要的,对于我国煤炭的安全生产有着十分重要的意义。
1 系统总体设计方案
1.1 系统整体结构设计
矿井有害气体检测系统主要分为五部分:光学系统、干涉仪、样品采集器、检测器、数据中心。设备端上有单片机、GPS模块、NB模块、湿度传感器等特殊模块。其中单片机作为主要的控制单元,可以对传感器采集的信息和检测仪提供的信息进行处理和整合。不同气体对红外辐射有着不同的吸收光谱,某种气体的特征光谱吸收强度和该气体的浓度有关,利用同一原理可以测量气体浓度。
1.2 事故报警流程
当事故发生时,样品采集器得到样品被光学系统发射红外光干涉后,得到干涉光经过样品采集器得到样品的干涉光,通过检测器得到光谱图,光谱图经数据中心处理,得到数字信号在显示屏显示,如果数据有异常则会进行声光报警提示。利用红外光谱法测试,本质安全,抗干扰能力强,灵敏度高,响应速度快,寿命长等,成本较高,设备复杂,吸收弱,需要对光源进行调制。
2 功能模块介绍
根据我们研制的矿井有害气体检测系统的功能点,矿井有害气体检测系统有以下几个功能模块:
表 1功能模块
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2.1 湿度检测模块
本系统所用加速度检测模块为MPU6560。这种传感器在市场上应用广泛,其内部功能全面,测量精度较高,可靠性强。
2.2 BDS/GPS双定位模块
本系统定位功能使用BDS/GPS双定位模块,其型号为ATGM336H。通过该模块,能接收到BDS/GPS信号。
2.3 NB模块
本系统所用的是WH-NB71。DC 3.1～4.2V,适应多种场合应用,频段多,可以接入云端,功耗低,尺寸小。可实现将加速度、定位信息等信息通过网络进行传输连接。
2.4 光学系统
为满足测量要求,对光源的性能有如下要求:光源波长应与被测气体的吸收谱线严格的相匹配;适当的光功率;稳定性要求高、噪声小。本设计所选用的可调谐激光器(DFB LD)光源,具有谱线窄、功率大、波长及功率稳定性好、动态单模特性和良好的线性等特点,能够满足所设计的传感系统的实际要求。
2.5 干涉仪
将光束经过分束镜分为两束后被平面镜反射、折射,反射、折射的两束光形成干涉光。
2.6 样品采集器
对气体样本进行采集,数据采集与处理部分是检测仪软件部分的核心,数据采集采用的是16位高精度模数转换器AD976。
2.7 检测器
对干涉光提取主成分,作为支持向量回归机(SVR)参数建立校正模型,形成光谱图。
2.8 数据中心
对光谱图进行比较来定性分析气体,芯片集成TRTO特征提取算法,TRTO正则法通过对岭回归中TR1和TR2进行结合,同时引入谱线距离和谱线系数绝对值最小化两个约束项来保证所提取特征量的准确度,消除基线漂移所带来的影响解决光谱重叠问题。
3 结语
本文介绍了一套矿井有害气体检测系统,结合中华人民共和国煤炭行业标准,首先进行了基本误差及响应时间试验,经测试基本误差及响应时间均满足要求;其次测试了系统的整机功耗,经检测整机功耗可以满足低功耗的设计要求;然后测试了仪器的本安性质,经测试设备满足标准中规定的本质安全的基本要求;最后测试了温度对输出结果的影响,经测试之前的温度补偿工作并未起到明显的效果。光谱吸收式气体传感技术是光谱分析技术与现代光纤技术相结合的产物,实现了光谱分析技术在气体在线检测领域的实用化,吸收式光谱传感器具有灵敏度高、响应速度快、抗电磁干扰、耐腐蚀、实现信号长距离无损耗传输等诸多优点。
参考文献:
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作者简介:
杨宇(2002.09-),男,山东枣庄,计算机科学与技术2020级；
指导老师:张文华(1989-.08),山东济南,女,讲师,研究方向:信息科学。