CN110411979B - 一种激光钻进煤岩产生的气体浓度测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光钻进煤岩产生的气体浓度测量装置，包括测量室、第一激光发射单元、第二激光发射单元、激光接收单元、数据采集系统和方向调整机构，所述测量室的内部中空，所述第一激光发射单元和所述激光接收单元分别设置在所述测量室的左侧和右侧，所述数据采集系统与所述激光发射单元连接，所述第一激光发射单元用于发射激光，所述激光接收单元用于接收激光，并将光信号转为电信号发送给所述数据采集系统进行处理，所述第一激光发射单元的发射端和所述激光接收单元的接收端位于同一直线上。

Description

一种激光钻进煤岩产生的气体浓度测量装置和方法

技术领域

本发明涉及用于测量激光钻进煤岩产生的气体浓度领域，尤其涉及一种激光钻进煤岩产生的气体浓度测量装置和方法。

背景技术

在激光钻进煤岩的过程中，会产生硫化氢、一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫、一氧化氮、二氧化氮等气体。这些气体都会对环境产生污染，部分气体甚至会危害到人类的身体健康。因此，测量激光钻进煤岩试验中产生的气体种类及浓度，便于探究实际工程应用中必要的安全防护措施以及对有害废气的处理。常用的对气体成分检测手段主要有两类：一类是实验室化学分析法，另一类为实时采样分析法，然而，这两类方法均存在以下缺陷：一是气体收集是容易泄露；二是采集的气体改变了测量环境，不能反映整体环境，不能完全反应代表真实结果；三是对于成分复杂的气体检测时间较长。因此，这两类方法已无法达到激光钻进煤岩试验中对气体成分进行检测的需求。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种激光钻进煤岩产生的气体浓度测量装置和方法。

本发明提供一种激光钻进煤岩产生的气体浓度测量装置，包括测量室、第一激光发射单元、第二激光发射单元、激光接收单元、数据采集系统和方向调整机构，所述测量室的内部中空，其内放置待测煤岩，所述第一激光发射单元和所述激光接收单元分别连接在所述测量室的左侧和右侧，所述数据采集系统与激光接收单元连接，所述第一激光发射单元向测量室内发射入射激光，所述激光接收单元接收第一激光发射单元发射的激光，并将光信号转为电信号发送给所述数据采集系统进行处理，所述第一激光发射单元的发射端和所述激光接收单元的接收端位于同一直线上，所述测量室的上端设有与其内部连通的第二通孔，所述第二通孔处设有密封单元，所述密封单元用于遮住所述第二通孔，所述第二激光发射单元设置在所述密封单元内，并与所述密封单元固定连接，所述第二激光发射单元的激光发射端朝向所述第二通孔设置，所述第二激光发射单元照射待测煤岩，所述方向调整机构与所述第二激光发射单元传动连接，其可驱动所述第二激光发射单元分别沿X轴、Y轴和Z轴运动。

进一步地，所述数据采集系统包括数据采集卡和处理终端，所述数据采集卡分别与所述激光接收单元和处理终端连接，所述数据采集卡用于采集所述激光接收单元发出的电信号，并将采集的电信号转换为数字信号输送至处理终端进行处理。

进一步地，所述第一激光发射单元和所述激光接收单元均通过一水平设置的管道与所述测量室固定连接，每根所述管道上均设有其内部连通的吹扫气管道，所述吹扫气管道外接气泵或气体收集装置，所述管道靠近所所述测量室的一端设有球阀。

进一步地，所述管道包括第一管体和第二管体，其中，所述第一管体水平设置在所述测量室的左侧或右侧，其靠近所述测量室的一端与所述测量室连接，并与所述测量室的内部连通，其另一端通过法兰与水平设置的所述第二管体的一端连接并连通，所述第二管体的另一端设有所述第一激光发射单元或激光接收单元，所述第二管体上设有与其内部连通的所述吹扫气管道，所述吹扫气管道用于外接气泵或气体收集装置，所述第一管体上设有所述球阀。

进一步地，所述第一激光发射单元为分布反馈式半导体激光器，所述激光接收单元为光电探测器。

一种通过上述所述的装置检测气体浓度的方法，主要包括以下步骤：

S1、激光钻进煤岩试验：通过方向调整机构驱动激光头移动至试验煤岩的上方，打开第二激光发射单元，对试验煤岩进行照射，以使激光钻进试验煤岩，并产生气体；再通过方向调整机构带动第二激光发射单元移动，以对试验煤岩的各个位置完成激光钻进煤岩试验；

S2、气体浓度检测：分别打开第一激光发射单元和激光接收单元，第一激光发射单元发射激光，激光通过管道进入测量室内穿过气体后，由激光接收单元接收光信号，并将接收到的光信号传输至数据采集系统，调整第一激光发射单元发射激光的波长，以完成对测量室内多种气体的成分和浓度检测，通过数据采集系统对多种电信号处理，即可分别得到各个气体的成分和浓度检测结果。

进一步地，在S1之前，还包括如下步骤：

S01、检验装置气密性：将待测煤岩放入测量室中，开启两根管道上的球阀，将其中一根管道的吹扫气管道关闭，在另一根管道的吹扫气管道上外接气泵，开启气泵，向管道内输送气体，以检查装置各部分的气密性；

S02、管道和测量室内杂质气体的扫吹：维持两根管道上的球阀的打开状态，再将处于关闭状态的吹扫气管道打开，继续向管道及测量室内通入气体，直至管路和测量室内的杂质气体全被排出后，关闭气泵和两根管道上的吹扫气管道。

本发明提供的技术方案带来的有益效果是：本发明所述一种激光钻进煤岩产生的气体浓度测量装置和方法具有以下优点：

（1）本发明提供了一种可对煤岩产生的气体成分和浓度进行实时检测的装置，省去了对待测气体的收集过程，可直接对气体进行检测，具有操作方便和简化气体检测步骤等优点；

（2）本发明所述的气体的浓度测量装置，能以较快的响应速度和较高的测量精度对产生的气体进行成分和浓度检测，可显著缩短气体检测的周期，具有检测速度快和检测效率高等优点；

（3）本发明所述的气体的浓度测量装置，还具有检测结果误差小和准确性高等优点；

（4）本发明所述的气体的浓度测量装置，安全环保，装置的气密性较强，可有效避免气体的泄露污染环境，且气体收集能及时控制实验产生的有害气体排放，环保性能强；

（5）本发明所述的气体的浓度测量装置和方法，对激光钻进煤岩产生的气体浓度的检测不受环境控制，在高温、粉尘等恶劣条件下依然进行测量，并能保持较高的检测精度。

附图说明

图1是本发明所述一种激光钻进煤岩产生的气体浓度测量装置的结构示意图；

图2是本发明所述的一种激光钻进煤岩产生的气体浓度测量方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

请参考图1，本发明的实施例提供了一种激光钻进煤岩产生的气体浓度测量装置，其主要包括测量室10，第一激光发射单元63、激光接收单元64、第二激光发射单元20、密封单元30和方向调整机构（图中未示出），所述测量室10为内部中空的矩形结构，其水平设置在操作台（图中未示出）上，所述测量室10的左侧和右侧均开有一与其内部连通的第一通孔（图中未示出），两个所述第一通孔的圆心位于同一直线上，每个通孔处均水平设有一管道50，所述管道50的一端与对应的所述第一通孔连通，所述第一激光发射单元63设置在位于所述测量室10左侧的所述管道50的另一端，且其激光发射端朝向对应的所述管道50设置，所述激光接收单元64设置在位于所述测量室10右侧的所述管道50的另一端，其检测端朝向对应的所述管道50设置，其中，所述第一激光发射单元63用于发射激光，所述激光接收单元64用于对入射激光的波长进行检测，所述测量室10的上端的中部设有与其内部连通的第二通孔（图中未示出），所述密封单元30竖直设置在所述测量室10的上端中部，其下端与所述测量室10的上端固定连接，所述密封单元30用于遮住所述第二通孔，以使所述测量室10形成一密闭的空间，所述第二激光发射单元20竖直设置在所述密封单元30内，并与所述密封单元30固定连接，所述第二激光发射单元20的激光发射端朝下设置，且其下端穿过所述第二通孔伸入所述测量室10内，其上端穿过所述密封单元30的顶部与设置在所述操作台上的方向调整机构传动连接，所述方向调整机构可带动所述第二激光发射单元20的激光发射端分别沿X轴、Y轴和Z轴运动。

本发明中，所述第一激光发射单元63为分布反馈式半导体激光器，其型号为NLK1B5C1TA，其通过第一壳体60螺纹安装在位于测量室10左侧的管道50的另一端（即左端），第一壳体60为竖直设置的矩形结构，分布反馈式半导体激光器设置在第一壳体60内，第一壳体60的右侧开有与管道50匹配的螺纹孔，管道50的另一端（即左端）设有与第一壳体60上螺纹孔匹配的外螺纹，第一壳体60螺纹安装在对应的管道50上，分布反馈式半导体激光器的激光发射端朝向对应的管道50设置；检测单元为光电探测器，其型号为PD-12D，其通过第二壳体61螺纹安装在位于测量室10右侧的管道50的另一端（即右端），第二壳体61为竖直设置的矩形结构，光电检测器设置在第二壳体61内，第二壳体61的左侧开有与对应的管道50匹配的螺纹孔，对应的管道50的另一端（即右端）设有与第二壳体61上螺纹匹配的外螺纹，第二壳体61螺纹安装在对应的关上，光电探测器的检测端朝向对应的管道50设置，以用于检测分布反馈式半导体激光器发出的激光的波长。其中，对于分布反馈式半导体激光器和光电探测器的安装位置，需保证分布反馈式半导体激光器的入射端和光电探测器的接收端高度的同轴性，保证光电探测器的检测端偏离激光光轴线的角度不大于2 度，以保证分布反馈式半导体激光器发出的入射激光穿过所测量的气体后可以最大限度的被光电探测器检测到。第一壳体60和第二壳体61均通过支架固定在操作台的上端，测量室10由耐高温的材质制成，优选的，由耐高温的玻璃材质制成。第二激光发射单元20为激光发射头，其型号为bt240，其竖直设置在所述密封单元30内，所述密封单元30为纵截面为锥形结构的风琴防护罩。需要说明的是，上述实施例中的操作台并不是本发明要保护的结构，其主要的功能为做为一个平台以方便测量室10、第一激光发射单元63、激光接收单元64和二管道50的操作，其可以为现有技术中的工作平台，也可以为平坦的地面。

本发明所述的一种激光钻进煤岩产生的气体浓度测量装置，基于TDLAS测量气体成分的方法，煤岩放置在测量室10内，开启第二激光发射单元20，激光钻进煤岩后产生的CO、CO₂、NO、H₂S四种气体，同时开启第一激光发射单元63和激光接收单元64，第一激光发射单元63发射激光，并通过对应的管道50进入待测室内，入射光穿过被测气体时，气体会吸收入射光光子的能量，再通过激光接收单元64检测入射光被气体吸收后衰减程度的变化，即可测得气体的浓度，而通过改变第一激光发射单元63入射的近红外激光的波长，即可分别测得激光钻进煤岩产生的CO、CO₂、NO、H₂S四种气体浓度。而方向调整机构则可用于带动第二激光发射单元20的激光发射端沿X轴、Y轴和Z轴移动，以使得从第二激光发射单元20发出的激光可对待测煤岩的各个位置进行钻进试验，进而实现对激光钻进待测煤岩的位置进行调整。

在上述实施例中，还包括数据处理系统，所述数据处理系统包括数据采集卡（图中未示出）和处理终端40，所述数据采集卡分别与所述激光接收单元64和处理终端40连接，所述激光接收单元64将检测到的光信号转化成电信号，并通过数据采集卡采集电信号转换为数字信号输入到处理终端40，由处理终端40对采集到的数字信号进行处理，以得到气体成分及浓度的检测结果。其中，处理终端40为计算机，数据采集卡AMPCI型总线采集板，其通过USB与计算机连接。

在上述实施例中，所述方向调整机构包括X轴直线运动单元，Y轴直线运动单元和Z轴直线运动单元，所述X轴直线运动单元设置在所述操作台上，所述Y轴直线运动单元设置在所述X轴直线运动单元上，并与所述X轴直线运动单元传动连接，所述X轴直线运动单元驱动Y轴直线运动单元沿X轴方向移动，所述Z轴直线单元设置在所述Y轴直线运动单元上，并与所述Y轴直线运动单元传动连接，所述Y轴直线运动单元驱动所述Z轴直线单元沿Y轴方向移动，所述第二激光发射单元20穿过所述密封单元30的顶端与所述Z轴直线运动单元固定连接，所述Z轴直线单元可带动所述第二激光发射单元20沿Z轴方向。

需要说明的是，在本发明中，X轴直线运动单元，Y轴直线运动单元和Z轴直线运动单元的结构不是本发明所要保护的内容，且X轴直线运动单元，Y轴直线运动单元和Z轴直线运动单元为现有技术，现有技术中可以实现本发明中X轴直线运动单元，Y轴直线运动单元和Z轴直线运动单元功能的结构均可作为本发明中X轴直线运动单元，Y轴直线运动单元和Z轴直线运动单元的具体实施例，如直线模组，因此，本发明在此不再对X轴直线运动单元，Y轴直线运动单元和Z轴直线运动单元具体的结构和工作原理进行赘述。

在上述实施例中，每根所述管道50上均设有球阀52和与其内部连通的吹扫气管道51，且所诉球阀52和所述吹扫气管道51相互独立设置，所述吹扫气管道51外接气泵（图中未示出）或气体收集装置（图中未示出）。

在上述实施例中，所述管道50包括第一管体53和第二管体54，所述第一管体53和所述第二管体54均水平设置，其中，所述第一管体53的一端与所述测量室10的第一通孔固定连接，其另一端通过法兰55与所述第二管体54的一端连接，所述第二管体54另一端螺纹连接所述第一壳体60或第二壳体61，所述第二管体54上设有与其内部连通的吹扫气口，并在所述吹扫气口设有吹扫气管道51，所述吹扫气管道51用于外接气泵，所述第一管体53上设有球阀52。

在本发明中，气泵内为氮气，气泵向管道50内输入氮气气体，一方面以用于检测装置的气密性，另一方面用于清除管道50内的杂质气体，保证装置内无相关气体干扰，影响检测结果的准确性。在此，需要说明的是，两个吹扫气管道51主要的功能为对装置进行气密性检测和清除装置内的杂质气体，而在气体成分和浓度检测的过程中，两个所述吹扫气管道51则处于关闭状态，以保持装置处于密闭状态。而对于吹扫气管道51关闭的实施方法，本发明不做严格的限制，只要能实现吹扫气管道51处于关闭状态即可。此外，检测完毕后，装置内产生的废气由气体收集装置进行集中收集，以防止气体外泄污染环境。而对于气体收集装置的结构，本发明对此不作限制，只要能实现对气体进行收集处理的功能即可；而第一管体53和第二管体54采用法兰55进行连接，可方便第二管体54和对应的第一激光发射单元63或激光接收单元64的拆卸。

如图2所示，一种通过上述所述的一种激光钻进煤岩产生的气体浓度测量装置测量气体浓度的方法，其主要包括以下步骤：

S1、激光钻进煤岩试验：通过方向调整机构驱动激光头移动至试验煤岩的上方，打开第二激光发射单元，对试验煤岩进行照射，以使激光钻进试验煤岩，并产生气体；再通过方向调整机构带动第二激光装置移动，以对试验煤岩的各个位置完成激光钻进煤岩试验；其中，在进行S1之前，还包括以下步骤：

S01、检验装置气密性：将待测煤岩放入测量室中，开启两根管道上的球阀，将其中一根管道的吹扫气管道关闭，在另一根管道的吹扫气管道上外接气泵，开启气泵，向管道内输送气体，以检查装置各部分的气密性；

S02、管路和测量室内杂质气体的扫吹：管道和测量室内杂质气体的扫吹：维持两根管道上的球阀的打开状态，再将处于关闭状态的吹扫气管道打开，继续向管道及测量室内通入气体，直至管路和测量室内的杂质气体全被排出后，关闭气泵和两根管道上的吹扫气管道。

S2、气体浓度检测：分别打开第一激光发射单元和激光接收单元，第一激光发射单元发射激光，激光通过管道进入测量室内穿过气体后，由激光接收单元接收光信号，并将接收到的光信号传输至数据采集系统，调整第一激光发射单元发射激光的波长，以完成对测量室内多种气体的成分和浓度检测，通过数据采集系统对多种电信号处理，即可分别得到各个气体的成分和浓度检测结果；

检测完毕后，需要对装置内废气进行收集，其主要步骤如下：检测完毕后，分别关闭两根管道上的球阀，待测量室和管道内气体温度冷却后，再分别打开每根管道上的球阀及扫吹气管道，在其中一根管道的扫吹气管道上接入气泵，另一根管道的扫吹气管道上接入气体收集装置，开启气泵，通入气体，将测量室和管路中的气体排到气体收集装置处，由气体收集装置进行收集，以防止试验产生的废气污染环境。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种激光钻进煤岩产生的气体浓度测量装置，其特征在于，包括测量室（10）、第一激光发射单元（63）、第二激光发射单元（20）、激光接收单元（64）、数据采集系统和方向调整机构，所述测量室（10）的内部中空，其内放置待测煤岩，所述第一激光发射单元（63）和所述激光接收单元（64）分别连接在所述测量室（10）的左侧和右侧，所述数据采集系统与激光接收单元（64）连接，所述第一激光发射单元（63）向测量室（10）内发射入射激光，所述激光接收单元（64）接收第一激光发射单元（63）发射的激光，并将光信号转为电信号发送给所述数据采集系统进行处理，所述第一激光发射单元（63）的发射端和所述激光接收单元（64）的接收端位于同一直线上，所述测量室（10）的上端设有与其内部连通的第二通孔，所述第二通孔处设有密封单元（30），所述密封单元（30）用于遮住所述第二通孔，所述第二激光发射单元（20）设置在所述密封单元（30）内，并与所述密封单元（30）固定连接，所述第二激光发射单元（20）的激光发射端朝向所述第二通孔设置，所述第二激光发射单元（20）用于照射待测煤岩，所述方向调整机构与所述第二激光发射单元（20）传动连接，用于驱动所述第二激光发射单元（20）分别沿X轴、Y轴和Z轴运动，所述第一激光发射单元（63）为分布反馈式半导体激光器，所述激光接收单元（64）为光电探测器，所述第一激光发射单元（63）和所述激光接收单元（64）均通过一水平设置的管道（50）与所述测量室（10）固定连接，每根所述管道（50）上均设有其内部连通的吹扫气管道（51），所述吹扫气管道（51）外接气泵或气体收集装置，所述管道（50）靠近所述测量室（10）的一端设有球阀（52）。

2.根据权利要求1所述的一种激光钻进煤岩产生的气体浓度测量装置，其特征在于，所述数据采集系统包括数据采集卡和处理终端（40），所述数据采集卡分别与所述激光接收单元（64）和处理终端（40）连接，所述数据采集卡用于采集所述激光接收单元（64）发出的电信号，并将采集的电信号转换为数字信号输送至处理终端（40）进行处理。

3.根据权利要求1所述的一种激光钻进煤岩产生的气体浓度测量装置，其特征在于，所述管道（50）包括第一管体（53）和第二管体（54），其中，所述第一管体（53）靠近所述测量室（10）的一端与所述测量室（10）连接，并与所述测量室（10）的内部连通，其另一端通过法兰（55）与水平设置的所述第二管体（54）的一端连接并连通，所述第二管体（54）的另一端设有所述第一激光发射单元（63）或激光接收单元（64），所述第二管体（54）上设有与其内部连通的所述吹扫气管道（51），所述吹扫气管道（51）用于外接气泵或气体收集装置，所述第一管体（53）上设有所述球阀（52）。

4.一种通过上述权利要求1-3任一项所述的装置检测气体浓度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、激光钻进煤岩试验：将待测煤岩放入测量室中，将管道上的吹扫气管道关闭，以及打开球阀，通过方向调整机构驱动第二激光发射单元移动至试验煤岩的上方，打开第二激光发射单元，对试验煤岩进行照射，以使激光钻进试验煤岩，并产生气体；再通过方向调整机构带动第二激光发射单元移动，以对试验煤岩的各个位置完成激光钻进煤岩试验；

S2、气体浓度检测：分别打开第一激光发射单元和激光接收单元，第一激光发射单元发射激光，激光通过管道进入测量室内穿过气体后，由激光接收单元接收光信号，并将接收到的光信号传输至数据采集系统，调整第一激光发射单元发射激光的波长，以完成测量室内气体的成分和浓度检测，通过数据采集系统对多种电信号处理，即可分别得到气体的成分和浓度检测结果。

5.根据权利要求4所述检测气体浓度的方法，其特征在于，在S1之前，还包括如下步骤：

S01、检验装置气密性：将待测煤岩放入测量室中，开启两根管道上的球阀，将其中一根管道的吹扫气管道关闭，在另一根管道的吹扫气管道上外接气泵，开启气泵，向管道内输送气体，以检查装置各部分的气密性；

S02、管道和测量室内杂质气体的扫吹：维持两根管道上的球阀的打开状态，再将处于关闭状态的吹扫气管道打开，继续向管道及测量室内通入气体，直至管路和测量室内的杂质气体全被排出后，关闭气泵和两根管道上的吹扫气管道。