CN202216902U - 分布式激光甲烷监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种分布式激光甲烷监测系统，包括主机、工控机、光纤耦合器和复数个激光甲烷传感器，主机包括DFB激光器、温度控制模块、电流控制模块、信号发生模块、USB-CAN转换模块和开关电源模块；DFB激光器的发射端通过光缆与光纤耦合器连接；USB-CAN转换模块通过USB接口与工控机的USB接口连接，USB-CAN转换模块通过CAN总线与激光甲烷传感器连接；开关电源模块对DFB激光器、温度控制模块、电流控制模块、信号发生模块和USB-CAN转换模块分别连接进行供电；光纤耦合器通过光缆与激光甲烷传感器连接。本实用新型是一种基于TDLAS技术和CAN通信网络的分布式激光甲烷监测系统，其具有寿命长、不中毒、响应速度快、测量精度高、不易受其他气体或粉尘干扰、无需频繁调校等优点，适合用于井下甲烷监测。

Description

分布式激光甲烷监测系统

[技术领域]

本实用新型涉及甲烷监测系统，尤其涉及一种分布式激光甲烷监测系统。

[背景技术]

解决瓦斯(主要成分为甲烷，下文称为甲烷)突出及爆炸等问题，必须加强对甲烷的监控。

现在国内许多矿井已经建立了甲烷浓度的监测系统，如KJ82、KJ90、KJ95、KJF2000和KJ4/KJ2000等，基本上都是分支树型的网络结构，在煤矿井上设置控制中心主站，井下现场设置多个测控分站。分站采集信息并传送给主站，主站处理信息后发出相应控制命令，由分站接收并执行。主站与分站之间信息和命令的传输，通过敷设专用电缆，采用RS485、PSK、FSK等技术，按各自规定的专用通信协议来实现。在分站到传感器之间的甲烷信息，依靠专用电缆，采用4～20mA或200～1000Hz的模拟信号来传输，存在传感器寿命短、需频繁调校、测量范围小、接入不灵活、实现跟进不方便、无法反映工作面甲烷空间梯度的分布等缺点。

过去十年用于环境监测和工业气体过程控制最成功的技术是激光光谱检测技术，它可以提供相当高的检测精度，与光纤传感技术结合，成为一种分布式激光气体吸收光谱检测技术。这种技术可以提供气体的长距离、在线、实时探测，使得恶劣工程环境下的应用成为可能，在安全监测方面以及航天和核工业领域有着极好的应用前景。

目前，已有上百个单位在这一领域开展工作，如中国科学院安徽光机所、清华大学、哈尔滨工业大学、燕山大学、重庆大学、电子工业部1426所、航天工业总公司三院8358所等。他们在光纤温度传感器、压力计、电流计、位移计等领域进行了大量的研究，取得了上百项科研成果，其中相当数量的研究成果具有很高的实用价值，有的达到世界先进水平。但与发达国家相比，我国的研究水平还有不小的差距，主要表现在商品化和产业化方面，大多数品种仍处于实验室研制阶段，不能投入批量生产和工程化应用。

近几年，随着光纤传感技术和光纤通信网络技术的飞速发展，利用光纤带宽大、易于成网的特点，组成一个复用的光纤多点传感网络系统，已成为当前世界上最热的传感研究领域之一。把光电子技术和材料领域的最新成果应用于甲烷检测研究，发展新一代免维护、抗干扰、高灵敏度的甲烷检测系统，是目前国际上最新的研究动向。采用光纤复用技术，使多个传感器共用一根传输光纤和一个光源可以大大降低整个系统的成本，而且系统网络化大大方便了系统的维护管理，为光纤气体传感系统走向实用开辟了崭新的道路。

2005年，Sanguo Li报道了有望用于煤矿井下甲烷遥测的基于可调谐激光吸收光谱的甲烷传感器。2006年，Sanguo Li继续报道了实验室研制成功的便携式光纤甲烷传感器，该仪器灵敏度为0.1％，响应时间为5s，自带LCD显示浓度，当甲烷浓度超过0.5％时自动报警。但这些研究仅停留在实验室阶段。

在矿井难度逐步增大、安全形势日益严峻的今天，一套稳定可靠、技术先进的矿井监测监控系统的应用显得日益迫切，分布式激光甲烷监测系统方案的提出和井下应用，必将大大提升矿井安全监测监控的效率和稳定性。因而，系统的推广具有极其重大的现实意义，相信不久的将来，它的推广必将成为煤矿安全生产史上的一次革命。

目前对井下甲烷监测通常使用以下二种技术方案：

一、催化燃烧技术：

检测甲烷最广泛最经济的方法是催化燃烧方法，即把催化剂氧化钯黑涂在测量元件表面，再配以物理性能相同的参比元件组成测量电桥(黑白元件)。两只元件用铂丝加热到摄氏400度，当空气中含有可燃气体时，测量元件在催化剂的作用下，在元件表面发生催化反应，使温度上升，通过测量两只元件的温差就能判断出甲烷的含量。由于催化元件在检测可燃性气体方面有着电路简单、可靠、廉价等许多的优越性能，在全国煤矿安全检测领域得到了广泛应用。催化燃烧型甲烷检测仪器是当前煤矿中使用最广泛、最普遍的甲烷检测仪器，是煤矿用来监视矿井甲烷动态的有效工具。

该技术方案的不足之处在于：

1.催化元件测量高浓度甲烷时，因甲烷挤占了空气中的氧气，使催化反应不但没有加强，反而随着浓度增加而下降，浓度越高测量值反而越小。实际应用中这种特性存在着极大危险，这就是长期困扰人们的二值性误测问题。

2.载体催化元件有个致命的缺陷，就是只能测量4％浓度以下的甲烷气体，当空气中的甲烷浓度值超过4％后，元件就会发生“激活”现象造成永久损坏，使测量范围被局限在很有限的区间里。

3.寿命短，催化元件的寿命最多不超过1年半，实际使用中一般是半年。

4.需频繁调校，一般七天需要调校一次。

5.误报率高。

6.反应速度慢，响应时间长达20s。

二、NDIR红外气体分析技术：

NDIR红外气体分析原理简述：以CO₂分析为例，红外光源发射出1～20μm的红外光，通过一定长度的气室吸收后，经过一个4.26μm波长的窄带滤光片后，由红外传感器监测透过4.26μm波长红外光的强度，以此表示CO₂气体的浓度。

红外光源由稳流供电，供电电压和电流根据使用的光源不同而不同。工作时，传感器根据预先设定的调制频率发出周期性的红外光，红外光源发出的红外光通过窗口材料入射到测量气室，测量气室由采样气泵连续将被测气体通入测量气室，气体吸收特定波长的红外光，透过测量气室的红外光由红外探测器探测。由于调制红外光的作用红外传感器输出交流的电信号，通过其后的前置放大电路放大后再一次经过高精密放大整流电路，得到一个与被测气体浓度对应的直流信号送入测控系统处理。红外传感器内有温度传感器探测其工作环境温度。红外传感器信号经过测控系统，并经数字滤波、线性插值及温度补偿等软件处理后，给出气体浓度测量值。

上述技术的不足之处在于：

1.由于使用的是宽带光源，测量气体浓度时选择性不高，易受其他气体的干扰。测量的是CH的浓度，而不单是CH₄的浓度。

2.响应速度慢，响应时间长达25s。

3.虽然使用寿命较催化燃烧技术的寿命长，但不超过5年。

[发明内容]

本实用新型要解决的技术问题是提供一种基于TDLAS技术和CAN通信网络的分布式激光甲烷监测系统，其具有寿命长、不中毒、响应速度快、测量精度高、不易受其他气体或粉尘干扰、无需频繁调校等优点，适合用于井下甲烷监测。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是，一种分布式激光甲烷监测系统，包括主机、工控机、光纤耦合器和复数个激光甲烷传感器，主机包括DFB激光器、温度控制模块、电流控制模块、信号发生模块、USB-CAN转换模块和开关电源模块；DFB激光器分别与温度控制模块和电流控制模块连接，电流控制模块与信号发生模块连接，DFB激光器的发射端通过光缆与光纤耦合器连接；USB-CAN转换模块通过USB接口与工控机连接，USB-CAN转换模块通过CAN总线与激光甲烷传感器连接；开关电源模块对DFB激光器、温度控制模块、电流控制模块、信号发生模块和USB-CAN转换模块分别连接供电；光纤耦合器通过光缆与激光甲烷传感器连接。

作为优选，激光甲烷传感器包括光谱信息获取模块、信号处理模块、数据显示屏、声音报警模块和光报警模块；信号处理模块分别与光谱信息获取模块、数据显示屏、声音报警模块和光报警模块连接；激光甲烷传感器还设有抽气装置和空气过滤装置。

本实用新型的有益效果是：

分布式激光甲烷监测系统主机依托可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)，采用光缆将DFB激光器发出的激光传输到位于井下的激光甲烷传感器，采用适合分布式信号的传输和采集处理的CAN总线通信网络进行电信号传输，由于CAN总线通信网络是一种有效支持分布式控制或实时控制的USB通信网络，与一般的通信总线相比，CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。由此，分布式激光甲烷监测系统具备灵敏度高、响应速度快、动态范围大、防电磁干扰、防爆阻燃、不中毒、光纤传输损耗小，可长距离传输，适合于远距离测量、多点实时测量等优点，可与多个激光甲烷传感器连接组成完整的分布式甲烷监测系统，可应用于煤矿甲烷监测、垃圾填埋场甲烷监测、储油储气仓库气体泄漏在线监测等领域。

[附图说明]

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

图1是本实用新型分布式甲烷监测系统实施例的连接示意图。

[具体实施方式]

在图1中，一种分布式激光甲烷监测系统，由主机、工控机、光纤耦合器和若干个激光甲烷传感器组成。其中，主机和工控机放置在井上，光纤耦合器和若干个激光甲烷传感器置于井下，若干个激光甲烷传感器分别直接置于井下的甲烷气体的多个监测地点。

主机包括DFB激光器、温度控制模块、电流控制模块、信号发生模块、USB-CAN转换模块和开关电源模块，在主机面板和背板上还设有USB接口、CAN接口、电源接口和电源开关。DFB激光器分别与温度控制模块和电流控制模块连接，电流控制模块与信号发生模块连接，DFB激光器的发射端与光缆接头连接；USB-CAN转换模块与USB接口连接，USB-CAN转换模块通过CAN总线与CAN接口连接；开关电源模块对DFB激光器、温度控制模块、电流控制模块、信号发生模块、USB-CAN转换模块分别连接进行供电。

主机的USB接口与工控机的USB接口连接。主机的光缆接口通过光缆与置于井下的光纤耦合器连接，光纤耦合器通过光缆与激光甲烷传感器连接。主机的CAN接口通过CAN总线与激光甲烷传感器连接。

激光甲烷传感器包括光谱信息获取模块、信号处理模块、数据显示屏、声音报警模块和光报警模块；信号处理模块分别与光谱信息获取模块、数据显示屏、声音报警模块和光报警模块连接。激光甲烷传感器设有光缆接口与CAN接口，其中光缆接口通过光缆与光纤耦合器连接，CAN接口通过电缆与CAN总线连接。

在激光甲烷传感器中还装有抽气装置和空气过滤装置，用以保证光谱信息获取模块中的气体洁净度和流速能够满足系统要求。

工作原理：

从信号通道来说，整个分布式激光甲烷监控系统分为激光通道和CAN总线通信通道。

其中激光通道由激光发生器、光纤耦合器、激光甲烷传感器通过光缆连接而成。激光发生器由DFB激光器、温度控制模块、电流控制模块和信号发生器组成的。其中，从DFB激光器的发射端所发出的激光通过与主机的光缆接头连接的光缆传输到光纤耦合器，再从光纤耦合器传输到激光甲烷传感器的光缆接口，光缆接口与激光甲烷传感器的光谱信息获取模块连接。

CAN总线通信通道由置于井下的激光甲烷传感器采集的信号通过CAN总线传输到主机的CAN总线转换模块，再经过USB接口传输到工控PC机。

由DFB激光器发射的激光从激光通道进入激光甲烷传感器中的光谱信息获取模块后转化为电信号，再由信号处理模块转化为浓度及其他参量数据，并将数据实时显示在数据显示屏上，以便井下监控被测甲烷气体的变化程度。同时将采集的数据通过CAN通信通道上传到置于井上的主机，若被测的甲烷浓度超限则即时启动声音报警模块和光报警模块同时发出声光警示信号。

本实施例经过适当的参数调试，同样可以用于其他气体的监测。

以上结合附图描述了本实用新型的实施方式，但是本领域的技术人员可以在所附权利要求范围内做出各种变形或修改。

Claims (2)

1.一种分布式激光甲烷监测系统，包括主机、工控机、光纤耦合器和复数个激光甲烷传感器，其特征在于，所述的主机包括DFB激光器、温度控制模块、电流控制模块、信号发生模块、USB-CAN转换模块和开关电源模块；所述的DFB激光器分别与温度控制模块和电流控制模块连接，电流控制模块与信号发生模块连接，DFB激光器的发射端通过光缆与光纤耦合器连接；所述的USB-CAN转换模块通过USB接口与工控机连接，USB-CAN转换模块通过CAN总线与激光甲烷传感器连接；所述的开关电源模块对DFB激光器、温度控制模块、电流控制模块、信号发生模块和USB-CAN转换模块分别连接供电；所述的光纤耦合器通过光缆与激光甲烷传感器连接。

2.根据权利要求1所述的分布式激光甲烷监测系统，其特征在于，所述的激光甲烷传感器包括光谱信息获取模块、信号处理模块、数据显示屏、声音报警模块和光报警模块；所述的信号处理模块分别与光谱信息获取模块、数据显示屏、声音报警模块和光报警模块连接；所述的激光甲烷传感器还设有抽气装置和空气过滤装置。

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