CN106872403A - 煤自燃多组分指标气体激光光谱动态监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种灵敏度高、选择性多、稳定性和可靠性高的煤自燃多组分指标气体激光光谱动态监测装置。监测装置包括煤自燃多路束管采气与智能控制单元、煤自燃多组分指标气体激光光谱光路与检测单元、防爆外壳；对气体进行抽取和采样的煤自燃多路束管采气与智能控制单元将气体通入三个依次连接的气体吸收池；煤自燃多组分指标气体激光光谱光路与检测单元包括O₂气体激光光谱系统、近红外波长其他气体激光光谱系统和C₂H₆气体激光光谱系统，上述光谱系统将采集的数据传输到多路数据采集卡进行信号处理和存储，并将浓度测量结果在工控机进行显示。本发明主要用于煤矿中煤自燃多组分指标气体激光光谱动态监测。

Description

煤自燃多组分指标气体激光光谱动态监测装置

技术领域

本发明涉及矿井煤自燃隐蔽火源探测技术，特别涉及一种煤自燃多组分指标气体激光光谱动态监测装置。

背景技术

煤火灾害遍布世界各地，已成为全球性灾难，煤自燃火灾是威胁煤矿安全生产的五大灾害之一。中国以烟煤和褐煤为主，90％以上的煤层自燃倾向性为易自燃(I类)或自燃(II类)，煤炭开采过程中，煤层自燃火灾十分严重，每年因煤自燃封闭采煤工作面100多个。煤层自燃多次引起瓦斯燃烧和爆炸，酿成重大的人员伤亡事故。由于煤自然发火形成环境的复杂性、高温火源的隐蔽性，导致在煤层开采过程中，采空区煤自然发火的程度、时间和范围预判难度极大；在煤自燃火区治理过程中，高温区位置判定、灭火后效果考察，以及复燃条件确定等都是判定煤自燃的重要因素。现有的煤自燃特征信息检测分析技术难以满足煤自燃机理和预判技术研究的需要。煤自燃过程中，氧化和热解同时产生常量、微量和痕量指标气体，如CO、CO₂、CH₄、C₂H₂、C₂H₄、C₂H₆等，目前，常用矿井气体分析仪器灵敏度较低、选择性少、稳定性和可靠性较低，无法满足煤自燃多组分指标气体快速高灵敏度检测的需求。

发明内容

本发明的目的在于解决现有的矿井气体分析仪器灵敏度较低、选择性少、稳定性和可靠性较低的问题，而提供一种灵敏度高、选择性多、稳定性和可靠性高的可动态监测的煤自燃多组分指标气体激光光谱动态监测装置。

本发明所提供的煤自燃多组分指标气体激光光谱动态监测装置，包括煤自燃多路束管采气与智能控制单元、煤自燃多组分指标气体激光光谱光路与检测单元、防爆外壳；煤自燃多路束管采气与智能控制单元包括多路抽气系统、吹扫气体系统、校准气体系统、控制装置和电动微型负压泵，抽气系统、吹扫气体系统和校准气体系统均包括依次连接的滤尘器、滤水器、阻火器、压力传感器、流量传感器和电磁阀，电磁阀均与电动微型负压泵连接，控制装置用于控制电动微型负压泵和电磁阀，对气体进行抽取和排放；抽气系统的前端设置有抽气通道、吹扫气体系统的前端设置有自动吹扫通道，自动吹扫通道的前端设置有自动反吹装置，校准气体系统的前端设置有自动校准通道，电动微型负压泵后端设有出气孔，控制装置通过信号线接入工控机；煤自燃多组分指标气体激光光谱光路与检测单元包括O₂气体激光光谱系统、近红外波长气体激光光谱系统和C₂H₆气体激光光谱系统；O₂气体激光光谱系统包括依次设置的VCSEL激光驱动器、O₂激光器、气体吸收池一、光电探测器、前置放大器和数字锁相放大器；近红外波长气体激光光谱系统包括依次设置的DFB激光驱动器、近红外DFB气体激光器、光纤分路器、气体吸收池二、光电探测器、前置放大器和数字锁相放大器，数字锁相放大器通过RS485电路与分时复用控制模块连接，C₂H₆气体激光光谱系统包括依次设置的ICL激光驱动器、C₂H₆气体激光器、气体吸收池三、光电探测器、前置放大器和数字锁相放大器；电动微型负压泵后端的出气孔与气体吸收池一连接，气体吸收池一、气体吸收池二、气体吸收池三的进出口依次串联连接，上述数字锁相放大器将多路数据传输给工控机。

上述技术方案中，近红外波长气体激光光谱系统优选为CH₄气体激光光谱系统、CO气体激光光谱系统、CO₂气体激光光谱系统、C₂H₄气体激光光谱系统和C₂H₂气体激光光谱系统。

自动反吹装置优选包括依次设置的气动球阀、防爆电磁阀、空气过滤器和PLC连锁控制器。

为了使气体的探测灵敏性更高，O₂气体激光光谱系统的激光器优选为760nm的VCSELiO₂激光器，光电探测器优选为200-1100nm的光电探测器；C₂H₆气体激光光谱系统的气体激光器优选为3360nm的C₂H₆气体激光器，光电探测器优选为1500-4800nm的光电探测器；近红外波长其他气体激光光谱系统的光电探测器优选为800-1800nm的光电探测器。

为了使监测装置的选择多样性，抽气系统为八路，吹扫气体系统为一路，校准气体系统为一路。

为了提高装置的检测灵敏度，气体吸收池一、气体吸收池二、气体吸收池三的出光端分别设置有Si探测器、InGaAs探测器以及中红外PbSe探测器。

本发明的有益效果是：

1、本发明的煤自燃多组分指标气体激光光谱动态监测装置具有非接触、快速、高效、高选择性、高灵敏性及实时在线监测等优点，且能实时探测多种气体的痕量变化；采用可调谐半导体激光吸收光谱技术实现煤自燃多组分指标气体的高灵敏度动态检测，同时痕量检测多组分指标气体，根据氧化气体产物的构成、浓度及其变化速率等特性，作为煤自燃早期隐患识别与预警的判据，降低误报率和漏报率，为完善煤自燃预测技术体系提供坚实的理论基础，也有利于推动煤火灾害防控理论与技术的发展。因此，煤自燃多组分指标气体TDLAS痕量检测技术，对实现煤自燃火灾的早期预测与科学救灾决策及确保救灾安全，具有重要的实际意义。

2、根据可调谐半导体激光器的窄线宽特性，通过分时锯齿扫描技术及无源光开关技术实现煤自燃多组分指标气体分子多波长的同时探测，利用指标气体分子的吸收谱线反演浓度，达到最佳探测灵敏度；

3、在传统Herriott、White吸收池基础上，设计的高稳定性的小容积长光程高反膜气体吸收池，提高了痕量气体的检测灵敏度，有效增加了气体分子吸收路径，提高探测精度，降低动态检测的下限；

4、将该技术直接应用在井下，避免了束管系统因管道太长漏气、堵管产生的误差，解决了痕量指标气体吸附于管内无法检测的问题，可实时获取采空区束管监测点气体浓度，实现煤自然发火程度的判定。

5、精确、实时、一体化、在线、非接触煤自燃多组分指标气体检测装置。可调谐半导体激光吸收光谱分析(TDLAS)技术是实现高灵敏气体痕量检测的新型激光光谱方法，由于分子光谱的“指纹”特征，该方法不受其它气体的干扰，这一特性与其它方法相比有明显的优势，具有非接触、快速、高效、高选择性、高灵敏性及实时在线监测等优点，主要用于实时检测煤自燃过程中所释放出的O₂、CO、CO₂、CH₄、C₂H₂、C₂H₄、C₂H₆等气体浓度的痕量变化，及时掌握煤自然发火的程度，实现煤自燃的早期预报。

附图说明

图1本发明的监控系统结构示意图；

图2本发明的结构示意图；

图3本发明煤自燃多路束管采气与智能控制单元的结构示意图；

图4本发明煤自燃多组分指标气体激光光谱光路与检测单元的结构示意图。

具体实施方式

如图1、图2、图3、图4所示，煤自燃多组分指标气体激光光谱动态监测装置，包括煤自燃多路束管采气与智能控制单元、煤自燃多组分指标气体激光光谱光路与检测单元、防爆外壳；煤自燃多路束管采气与智能控制单元包括八路抽气系统、一路吹扫气体系统、一路校准气体系统、控制装置和电动微型负压泵；抽气系统、吹扫气体系统和校准气体系统均包括依次连接的滤尘器、滤水器、阻火器、压力传感器、流量传感器和电磁阀，电磁阀均与电动微型负压泵连接，控制装置用于控制电动微型负压泵和电磁阀，对气体进行抽取和排放；抽气系统的前端设置有抽气通道、吹扫气体系统的前端设置有抽气自动吹扫通道，抽气自动吹扫通道的前端设置有自动反吹装置，校准气体系统前端设置有自动校准通道，电动微型负压泵后端设有出气孔，控制装置通过信号线接入工控机。

煤自燃多组分指标气体激光光谱光路与检测单元包括760nm波长的O₂气体激光光谱系统、近红外波长气体(CO、CO₂、CH₄、C₂H₄、C₂H₂)激光光谱系统和3360nm波长C₂H₆气体激光光谱系统，O₂气体激光光谱系统包括依次设置的VCSEL激光驱动器、760nm的VCSEL O₂激光器、气体吸收池一、200-1100nm的光电探测器、前置放大器、数字锁相放大器，数字锁相放大器将锯齿波和正弦波扫描型号反馈给VCSEL激光驱动器；近红外波长气体激光光谱系统为CH₄气体激光光谱系统、CO气体激光光谱系统、CO₂气体激光光谱系统、C₂H₄气体激光光谱系统和C₂H₂气体激光光谱系统，包括依次设置的DFB激光驱动器、CO、CO₂、CH₄、C₂H₄、C₂H₂DFB气体激光器、光纤分路器、气体吸收池二、光电探测器、前置放大器和数字锁相放大器，数字锁相放大器通过RS485电路与分时复用控制模块连接，数字锁相放大器通过RS485电路与分时复用控制模块连接，数字锁相放大器将锯齿波和正弦波扫描型号反馈给DFB激光驱动器，C₂H₆气体激光光谱系统包括依次设置的依次设置的ICL激光驱动器、3360nm的C₂H₆气体激光器、气体吸收池三、1500-4800nm的光电探测器、前置放大器和数字锁相放大器，数字锁相放大器将锯齿波和正弦波扫描型号反馈给ICL激光驱动器；电动微型负压泵后端的出气孔与气体吸收池一连接，气体吸收池一、气体吸收池二、气体吸收池三的进出口依次串联连接，上述数字锁相放大器将多路数据传输给工控机。气体吸收池一和气体吸收池三为直通光路气体池。为了提高装置的检测灵敏度，气体吸收池一、气体吸收池二、气体吸收池三的出光端(激光经过准直后入射到吸收池后，输出的光信号的一端)分别设置有Si探测器、InGaAs探测器以及中红外PbSe探测器。

流量传感器的量程为0.2～2L/min，流量传感器底部集成针型阀，可根据仪表要求调节气体流量；压力传感器测量范围为0-1MPa，输出为标准的电流信号4～20ma。

滤尘器中气体经3次过滤。分别是：取样探头过滤筒机械截留，滤除≥3μm的粉尘颗粒；脱脂过滤器吸附残留颗粒；精密过滤器过滤，滤除≥0.3μm粉尘颗粒。

自动反吹装置包括依次设置的气动球阀、防爆电磁阀、空气过滤器和PLC连锁控制器。可根据用户设定的取样时间、反吹时间等参数自动取样、自动反吹。

煤自燃多组分指标气体激光光谱光路与检测单元包含760nm(O2)、1567nm或2332nm(CO)、1573.5nm(CO₂)、1653.7nm(CH₄)、1532.68nm(C₂H₂)、1627nm(C₂H₄)、3360nm(C₂H₆)的气体激光器各一个，1*5熔融拉锥光纤分路器1个，小体积长光程高反膜气体吸收池3个，DFB激光驱动器5个，VCSEL激光驱动器1个，ICL激光驱动器1个，PbSe光电探测器3个，双相数字锁相放大电路板3个，多通道数据采集卡1个，10寸四线制电阻触摸屏1个等。

煤自燃多组分指标气体浓度检测过程为：

1.通过煤自燃多路束管采气与智能控制单元将气体通入三个依次连接的气体吸收池。抽气操作是由控制装置控制的抽气泵和电磁阀依次对八路监测位置、一路吹扫气体和一路校准气体进行抽取和排放。每抽取一次气体都经过三个相连通的吸收池，同时完成八种气体浓度的测量(氮气浓度通过置换计算)。

2.通过激光驱动器进行温度粗调，将激光器的中心频率定位在气体吸收峰附近；通过数字锁相放大器的信号发生器给激光器的驱动加一个锯齿波调制信号(频率范围：5Hz～30Hz)，用来慢扫描调谐扫过气体的吸收峰；另加一个高频正弦信号(频率范围：5kHz～30kHz)，用来产生谐波信号；从激光器发出的激光经过准直后入射到吸收池，其中吸收池内充有待测浓度的气体，在池内经过样品气体吸收后，输出的光信号经聚焦透镜被光电探测器接收；光电探测器将携带气体吸收信息的微弱光信号通过前置放大器转换为电压信号，再由数字锁相放大器对其进行高低通滤波、微弱信号提取和谐波检测，用来完成二次谐波的采集和处理，将采集的数据传输到多路数据采集卡进行信号处理和存储，并将浓度测量结果在工控机进行显示。

煤自燃多组分指标气体激光光谱光路与检测。通过激光器各自的控制单元调节驱动电流和温度以改变输出波长和功率，使得激光器输出波长位于待测气体吸收谱线位置。多路信号发生器产生锯齿型扫描信号，分别加在激光器控制单元，使激光器输出波长扫描覆盖所选的气体吸收线谱线，同时信号发生器也产生高频正弦信号，用于调制输出波长和信号解调时的参考信号。经调制扫描后的各路激光通过光学耦合系统和激光准直器分别进入相匹配的长光程吸收池，对于CH₄、CO、CO₂、C₂H₂和C₂H₄五种气体，由于吸收波段相近，共用一个吸收池和探测器，可通过光开关或前端时分复用的锯齿波来依次对其测量。在三个吸收池出光端分别由Si探测器、InGaAs探测器以及中红外PbSe探测器得到吸收信号，再分别进入对应的前置放大器和锁相解调系统得到谐波信号，同时对高频调制的信号进行滤波处理得到带有光强变化信息的信号，用于对吸收信号进行光强修正。最终由数据采集系统对信号进行采集与处理，把数据传输到工控机系统进行处理、分析和保存。

本发明涉及矿井煤自燃隐蔽火源探测技术，特别是一种煤自燃多组分指标气体激光光谱动态监测装置，主要用于实时检测煤自燃过程中所释放出的O₂、CO、CO₂、CH₄、C₂H₂、C₂H₄、C₂H₆等气体浓度的痕量变化，及时掌握煤自然发火的程度，实现煤自燃的早期预报。因此，精确、实时、一体化、在线、非接触煤自燃多组分指标气体检测装置，一直是煤矿安全领亟待研发的重大仪器装备。可调谐半导体激光吸收光谱分析(TDLAS)技术是实现高灵敏气体痕量检测的新型激光光谱方法，由于分子光谱的“指纹”特征，它不受其它气体的干扰，这一特性与其它方法相比有明显的优势，具有非接触、快速、高效、高选择性、高灵敏性及实时在线监测等优点，且能实时探测多种痕量气体。

本发明的保护范围不限于本发明的具体实施方式，对于本技术领域的技术人员而言，在本发明的启示下，能够从本专利公开内容中直接导出联想一些原理和结构相同的基本变形，或现有技术中常用公知技术的替代，以及特征相同的相互不同组合、相同或相似技术效果的技术特征简单改换，尤其是在煤自燃的应用技术和产品，都属于本发明技术的保护范围。

Claims (8)

1.一种煤自燃多组分指标气体激光光谱动态监测装置，其特征在于：包括煤自燃多路束管采气与智能控制单元、煤自燃多组分指标气体激光光谱光路与检测单元、防爆外壳；

煤自燃多路束管采气与智能控制单元包括多路抽气系统、吹扫气体系统、校准气体系统、控制装置和电动微型负压泵，抽气系统、吹扫气体系统和校准气体系统均包括依次连接的滤尘器、滤水器、阻火器、压力传感器、流量传感器和电磁阀，电磁阀均与电动微型负压泵连接，控制装置用于控制电动微型负压泵和电磁阀，对气体进行抽取和排放；抽气系统的前端设置有抽气通道、吹扫气体系统的前端设置有自动吹扫通道，自动吹扫通道的前端设置有自动反吹装置，校准气体系统的前端设置有自动校准通道，电动微型负压泵后端设有出气孔，控制装置通过信号线接入工控机；

煤自燃多组分指标气体激光光谱光路与检测单元包括O₂气体激光光谱系统、近红外波长气体激光光谱系统和C₂H₆气体激光光谱系统；O₂气体激光光谱系统包括依次设置的VCSEL激光驱动器、O₂激光器、气体吸收池一、光电探测器、前置放大器和数字锁相放大器；近红外波长气体激光光谱系统包括依次设置的DFB激光驱动器、近红外DFB气体激光器、光纤分路器、气体吸收池二、光电探测器、前置放大器和数字锁相放大器，数字锁相放大器通过RS485电路与分时复用控制模块连接，C₂H₆气体激光光谱系统包括依次设置的ICL激光驱动器、C₂H₆气体激光器、气体吸收池三、光电探测器、前置放大器和数字锁相放大器；电动微型负压泵后端的出气孔与气体吸收池一连接，气体吸收池一、气体吸收池二、气体吸收池三的进出口依次串联连接，上述数字锁相放大器将多路数据传输给工控机。

2.根据权利要求1所述的煤自燃多组分指标气体激光光谱动态监测装置，其特征在于：近红外波长气体激光光谱系统包括CH₄气体激光光谱系统、CO气体激光光谱系统、CO₂气体激光光谱系统、C₂H₄气体激光光谱系统和C₂H₂气体激光光谱系统。

3.根据权利要求1所述的煤自燃多组分指标气体激光光谱动态监测装置，其特征在于：自动反吹装置包括依次设置的气动球阀、防爆电磁阀、空气过滤器和PLC连锁控制器。

4.根据权利要求1至3任一所述的煤自燃多组分指标气体激光光谱动态监测装置，其特征在于：O₂气体激光光谱系统的激光器为760nm的VCSEL O₂激光器，光电探测器为200-1100nm的光电探测器。

5.根据权利要求4所述的煤自燃多组分指标气体激光光谱动态监测装置，其特征在于：C₂H₆气体激光光谱系统的气体激光器为3360nm的C₂H₆气体激光器，光电探测器为1500-4800nm的光电探测器。

6.根据权利要求5所述的煤自燃多组分指标气体激光光谱动态监测装置，其特征在于：近红外波长气体激光光谱系统的光电探测器为800-1800nm的光电探测器。

7.根据权利要求6所述的煤自燃多组分指标气体激光光谱动态监测装置，其特征在于：所述抽气系统为八路，吹扫气体系统为一路，校准气体系统为一路。

8.根据权利要求7所述的煤自燃多组分指标气体激光光谱动态监测装置，其特征在于：气体吸收池一、气体吸收池二、气体吸收池三的出光端分别设置有Si探测器、InGaAs探测器以及中红外PbSe探测器。