CN203275291U

CN203275291U - 基于光纤传感技术的煤矿瓦斯气体安全监测系统

Info

Publication number: CN203275291U
Application number: CN 201320347593
Authority: CN
Inventors: 李儒峰
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-06-17
Filing date: 2013-06-17
Publication date: 2013-11-06
Anticipated expiration: 2023-06-17

Abstract

本实用新型涉及一种基于光纤传感技术的煤矿瓦斯气体安全监测系统，主要包括：若干瓦斯气体传感器和通过光纤与之连接的激光瓦斯监测仪主机，瓦斯气体传感器中设有反射激光信号以提供反馈的反射镜，激光瓦斯监测仪主机根据发射出和反馈回的激光信号得到瓦斯气体浓度，同时，瓦斯气体传感器设有采用金刚砂和分子筛进行封装的封装探头，还包括至少一个参考气室，所述参考气室通过光纤与所述激光瓦斯监测仪主机连接，并与所述瓦斯气体传感器并列设置，实现监测系统的自动校准。本实用新型实现了煤矿瓦斯的实时在线监测，具有较高的精度、使用稳定性及较高的安全系数，减少了粉尘和潮湿对探头的影响，并能自动校准，延长了校验周期。

Description

基于光纤传感技术的煤矿瓦斯气体安全监测系统

技术领域

本实用新型涉及一种煤矿瓦斯气体安全监测系统，尤其是一种基于光纤传感技术的煤矿瓦斯气体安全监测系统。

背景技术

针对煤矿重大灾害的预测与控制，我国科研工作者已经作了大量研究开发工作，煤矿安全生产监控系统在经过引进、吸收、自主开发的过程后，基本实现了国产化。国产瓦斯监测仪器仪表和监控系统占据了绝大部分市场份额，煤与瓦斯突出预测预报、瓦斯煤尘爆炸隔抑爆技术、瓦斯抽放技术、煤与瓦斯突出防治技术也处于国际先进水平。但是，我国监控系统及重大灾害预警技术水平与安全生产要求之间还存在着较大差距，突出表现在以下几个方面：

（1）监控系统配套传感器种类不全、技术性能差，特别是瓦斯检测反应速度慢，不能及时准确采集灾害隐患信息。我国煤矿在用的瓦斯传感器，普遍采用热催化或热导检测原理，反应速度慢（30s）、可靠性差（7天调校一次）、使用寿命短（1年），很难满足瓦斯灾害监测的需求。矿用红外或光学瓦斯传感器的研制，一直受到防尘、防潮技术难题的困扰。

（2）煤矿安全生产综合监控系统开放性差、智能分析决策技术水平低。由于没有统一的通信协议和接入技术，生产监控、安全监控和各类灾害监测子系统之间不能互联互通，数据、语音、图像不能有效集成。

（3）矿井重大灾害预测预报技术的实用性和准确性不高，不能有效指导安全生产。

（4）监控系统传输网络体系结构亟待升级，安全和生产动态信息的传输缺乏快速、可靠的通讯平台。在地面，采用工业以太网络+现场总线组建监控系统的技术已经非常成熟，而我国煤矿监控系统网络仍然采用主从式窄带通讯体系结构、时分制通讯和低速总线巡检的传统方式，巡检周期长（达30s）、传输速度慢（2400bps），故障率高，灾害隐患信息容易漏报、误报，时效性差。近年来工业以太网技术在煤矿安全监控系统中得到应用，虽然数据传输速率得到大大提升，但是系统的安全性和可靠性得不到保证，也影响了其在煤矿行业的推广。

这些问题都在很大程度上制约了煤矿安全生产监控系统的发展，研发新一代适合煤矿安全领域应用的传感器、构建新型的煤矿监控网络体系结构和新型的煤矿灾害监测预警系统已经成为提高煤矿安全生产监控系统的关键环节。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺陷，本实用新型的目的在于提供一种基于光纤传感技术的煤矿瓦斯气体安全监测系统，不仅具有较高的精度和使用稳定性，以及较高的安全系数，而且能够实现煤矿瓦斯的实时在线监测，能够保证煤矿生产的安全进行，同时，还能够减少煤矿中多粉尘和潮湿环境对传感器探头的不利影响，并能够延长监测系统的校验周期，降低维护成本。

为了达到上述目的，本实用新型的主要技术方案是：

一种基于光纤传感技术的煤矿瓦斯气体安全监测系统，其主要包括：

若干个瓦斯气体传感器，设于煤矿的瓦斯气体待监测位置，其中，所述瓦斯气体传感器中设有反射激光信号以提供反馈的反射镜；

激光瓦斯监测仪主机，通过光纤与所述瓦斯气体传感器连接并根据发射出和反馈回的激光信号得到相应瓦斯气体待监测位置的瓦斯气体浓度，其中，所述激光瓦斯监测仪主机设有分布反馈式激光器，所述分布反馈式激光器发射出激光信号的LD端通过光纤连接至瓦斯气体传感器，所述分布反馈式激光器的PD1端通过光纤与瓦斯气体传感器连接并接收由瓦斯气体传感器反馈回的激光信号。

其中，所述瓦斯气体传感器设有封装探头，所述封装探头是采用金刚砂和分子筛进行封装的。

优选为，所述基于光纤传感技术的煤矿瓦斯气体安全监测系统还包括监控主机，所述监控主机与激光瓦斯监测仪主机连接。

其中，所述监控主机与激光瓦斯监测仪主机通过RS232接口连接。

优选为，所述基于光纤传感技术的煤矿瓦斯气体安全监测系统还包括A/D或数显仪，所述A/D或数显仪与激光瓦斯监测仪主机连接。

优选为，所述A/D或数显仪还与所述监控主机连接。

优选为，上述任一种基于光纤传感技术的煤矿瓦斯气体安全监测系统，还包括至少一个参考气室，所述参考气室通过光纤与所述激光瓦斯监测仪主机连接，并与所述瓦斯气体传感器并列设置。

其中，所述分布反馈式激光器发射出激光信号的LD端通过光纤连接至所述参考气室，所述分布反馈式激光器的PD2端通过光纤与所述参考气室连接并接收由参考气室反馈回的激光信号。

优选为，所述参考气室还设有PD3端口，所述PD3端口与经过参考气室并用于确定吸收峰位置的参考光路连接。

优选为，所述吸收峰为1.665μm处。

本实用新型的有益效果是：

通过基于光纤的瓦斯气体传感器和瓦斯监测仪主机，使得本实用新型不仅具有较高的精度和使用稳定性，以及较高的安全系数，而且能够实现煤矿瓦斯的实时在线监测，保证了煤矿生产的安全进行；同时，通过采用金刚砂和分子筛对瓦斯气体传感器探头进行封装，还能够减少煤矿中多粉尘和潮湿环境对传感器探头的不利影响；通过参考气室的设置，使得本实用新型的监测系统能够自动校准，延长了监测系统的校验周期，降低了维护成本，提高了长期使用的稳定性和可靠性。

附图说明

图1是本实用新型一个实施例的系统结构示意图；

图2是本实用新型一个实施例的监测结果示意图；

图3是本实用新型一个实施例的参考气室原理示意图。

具体实施方式

为了更好理解，下面结合附图通过具体实施方式对本实用新型作详细说明。

参见图1，本实用新型一个实施例的基于光纤传感技术的煤矿瓦斯气体安全监测系统，其主要包括：

若干个瓦斯气体传感器1，设于煤矿的瓦斯气体待监测位置（位于检测现场中），其中，所述瓦斯气体传感器中设有反射激光信号以提供反馈的反射镜11；

激光瓦斯监测仪主机4（位于监控室中），通过光纤2与所述瓦斯气体传感器1连接并根据发射出和反馈回的激光信号得到相应瓦斯气体待监测位置的瓦斯气体浓度，其中，所述激光瓦斯监测仪主机设有分布反馈式激光器，所述分布反馈式激光器发射出激光信号的LD端通过光纤连接至瓦斯气体传感器，所述分布反馈式激光器的PD1端通过光纤与瓦斯气体传感器连接并接收由瓦斯气体传感器反馈回的激光信号。

激光二极管（分布反馈式激光器）发出的激光光束通过传输光纤传送到一系列小型化的瓦斯气体传感器1的探头，激光的部分光谱在传感器内有瓦斯气体存在时得到吸收，因此监测光的能量在通过传感器探头后在敏感波长所发生的变化可以测算出瓦斯气体浓度信息。

瓦斯气体传感器可以为多个，并可以具有不同的量程，以适用于不同浓度的瓦斯监测，实现不同的监测目的。可以是用于乏风氧化装置的高精度、高反应速度的瓦斯探头。

参见图2，在本实用新型一个实施例中，本实用新型不仅实现了对瓦斯气体浓度的实时监测，而且反应灵敏，监测结果准确。

所述基于光纤传感技术的煤矿瓦斯气体安全监测系统还包括监控主机5，所述监控主机5与激光瓦斯监测仪主机4连接。

其中，所述监控主机5与激光瓦斯监测仪主机4通过RS232接口连接。

所述基于光纤传感技术的煤矿瓦斯气体安全监测系统还包括A/D或数显仪，所述A/D或数显仪与激光瓦斯监测仪主机4连接。

所述A/D或数显仪还与所述监控主机5连接。

参考图3，在本实用新型一个实施例中，为了提高监测精度，系统采用标准气室作为参考，并进行自动校准，所述基于光纤传感技术的煤矿瓦斯气体安全监测系统，还包括至少一个参考气室3，所述参考气室3通过光纤2与所述激光瓦斯监测仪主机4连接，并与所述瓦斯气体传感器1并列设置。以实现监测系统的自动校准，延长监测系统的校验周期，降低了维护成本，提高了长期使用的稳定性和可靠性。

其中，所述分布反馈式激光器发射出激光信号的LD端通过光纤3连接至所述参考气室2，所述分布反馈式激光器的PD2端通过光纤3与所述参考气室2连接并接收由参考气室2反馈回的激光信号。

优选为，所述参考气室2还设有PD3端口，所述PD3端口与经过参考气室2并用于确定吸收峰位置的参考光路连接。

所述参考气室的工作原理为：

通过DFB激光器发射出一束波长为λ、光强为I₀的平行光，经耦合器和一段光缆射向被测气体气室（可以是瓦斯气体传感器的探头），经被测气体气室末端反射镜返回。被探测器PD1接收到后，由于经过损耗和吸收，其强度变为I₁，波长不变。

其中，反馈回的激光信号强度I₁与发射出的激光信号强度I₀满足式1中的条件（即满足Lambert定律）：

I₁=K*I₀*exp（-α*L*C）（式1），

式1中：I₀、I₁为吸收前和吸收后的光强度（即发射出和反馈回的激光信号强度），α为被测气体吸收系数，L为被测气体吸收腔长度，C为被测气体浓度，K为损耗系数。

根据式1通过变换得到的式2，将测得的反馈回的激光信号强度I₁代入，即可以计算出被测气体浓度C：

C=-Ln[I₁/（I₀*K）]/（α*L）（式2）。

但是，在实际使用中，由于光路铺设以及其他原因，现实应用过程中损耗系数K经常发生变化，因此仅仅根据公式2将无法准确得到气体浓度。所以在本实用新型中通过使用参考气室和参考波长来消除K系数的变化影响。锯齿波对DFB激光器驱动电流调制，激光器输出光波长也将是锯齿波形，从而达到对某一个气体吸收峰的扫描效果，在从扫描中找到吸收峰波长和参考波长就可以消除K系数在计算中的影响因素。图中PD2用来对接收光归一化使用。PD3为经过参考气室的参考光路，协助扫描过程中正确定位吸收峰位置。

CH₄气体分子是球对称结构，没有纯转动，只有4个不同频率的基本振动，分子在远红外波段有许多谐波谱，如波长1.665μm和1.331μm等。本系统使用1.665um处吸收峰来检测瓦斯浓度。

在本实用新型一个实施例中，所述瓦斯气体传感器1设有封装探头，所述封装探头1是采用金刚砂和分子筛进行封装的。通过采用金刚砂和分子筛的双重粉尘、潮湿过滤技术，减少了煤矿中多粉尘和潮湿环境对传感器探头的不利影响，解决了传感器在高湿度，高粉尘管道内的长期稳定性问题。

本实用新型不仅具有较高的精度和使用稳定性，以及较高的安全系数，而且能够实现煤矿瓦斯的实时在线监测，保证了煤矿生产的安全进行；同时，还能够减少煤矿中多粉尘和潮湿环境对传感器探头的不利影响；并能够自动校准，延长了监测系统的校验周期，降低了维护成本，提高了长期使用的稳定性和可靠性。

Claims

1.一种基于光纤传感技术的煤矿瓦斯气体安全监测系统，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的基于光纤传感技术的煤矿瓦斯气体安全监测系统，其特征在于：所述瓦斯气体传感器设有封装探头，所述封装探头是采用金刚砂和分子筛进行封装的。

3.如权利要求2所述的基于光纤传感技术的煤矿瓦斯气体安全监测系统，其特征在于：还包括监控主机，所述监控主机与激光瓦斯监测仪主机连接。

4.如权利要求3所述的基于光纤传感技术的煤矿瓦斯气体安全监测系统，其特征在于：所述监控主机与激光瓦斯监测仪主机通过RS232接口连接。

5.如权利要求4所述的基于光纤传感技术的煤矿瓦斯气体安全监测系统，其特征在于：还包括A/D或数显仪，所述A/D或数显仪与激光瓦斯监测仪主机连接。

6.如权利要求5所述的基于光纤传感技术的煤矿瓦斯气体安全监测系统，其特征在于：所述A/D或数显仪还与所述监控主机连接。

7.如权利要求1至6中任一项所述的基于光纤传感技术的煤矿瓦斯气体安全监测系统，其特征在于：还包括至少一个参考气室，所述参考气室通过光纤与所述激光瓦斯监测仪主机连接，并与所述瓦斯气体传感器并列设置。

8.如权利要求7所述的基于光纤传感技术的煤矿瓦斯气体安全监测系统，其特征在于：所述分布反馈式激光器发射出激光信号的LD端通过光纤连接至所述参考气室，所述分布反馈式激光器的PD2端通过光纤与所述参考气室连接并接收由参考气室反馈回的激光信号。

9.如权利要求8所述的基于光纤传感技术的煤矿瓦斯气体安全监测系统，其特征在于：所述参考气室还设有PD3端口，所述PD3端口与经过参考气室并用于确定吸收峰位置的参考光路连接。

10.如权利要求9所述的基于光纤传感技术的煤矿瓦斯气体安全监测系统，其特征在于：所述吸收峰为1.665μm处。