红外甲烷传感器在煤矿安全中的作用

近年来，瓦斯(主要成分为甲烷，分子式CH4)事故成为煤矿安全的第一杀手。控制煤矿重特大事故的关键是要有效地预防和遏制瓦斯事故，而解决瓦斯突出及爆炸问题，除了要对瓦斯形成规律、爆炸特性、突出机理、抽采规律进行深入研究，还必须加强对瓦斯的监测监控，这是煤矿安全生产工作的重中之重。在甲烷监测监控环节中，甲烷检测传感器的可靠性和灵敏度直接关系到煤矿安全监控系统的可靠性和灵敏度，是煤矿安全监控系统的眼睛，对甲烷监测监控起着决定作用，是矿井瓦斯灾害预测预警的关键技术装备。

现有甲烷检测手段及问题

目前，国内煤矿所用的甲烷传感器绝大部分采用载体催化型(催化燃烧型)，这种方法虽然可以进行瓦斯检测，但存在使用寿命短、工作稳定性差和调校频繁的致命弱点。采用载体催化型的煤矿, 首先需要建立安全测控仪器检修室，然后每隔10天须用校准气体和空气样对载体催化传感器进行校准。低浓度甲烷传感器经过大于4%的甲烷冲击后，必须及时进行调校或更换。同时，煤矿环境中高粉尘、高湿度的环境加速了载体催化传感器的老化，严重制约着对瓦斯的有效、准确检测。
由于载体催化甲烷检测方法的弱点无法解决，欧美等发达国家多年来一直在研究将红外吸收光谱技术应用于甲烷检测，终于在2004年推出了煤矿用红外甲烷传感器。该产品一经推出，即受到了各国广泛重视。
红外光谱吸收法与载体催化法相比，在稳定性、可靠性以及长寿命等方面，都表现出明显的优势，是煤矿用甲烷传感器的更新换代理想产品，具有良好的发展前景。但这些产品在我国推广时却遇到了难题。
首先，这些产品在我国矿井下的高粉尘、高湿度环境无法正常使用；其次是这些产品价格昂贵，国内的企业难以接受；同时，这些产品还不能与国内煤矿现有的安全检测系统兼容。
对此，中国航天科技集团公司中国空间技术研究院于2005年重点开展了此类民用产业新产品的自主研发。2006年12月8日， GJG10H红外甲烷传感器通过了航天科技集团公司组织的成果评审；2007年2月9日，GJG10H红外甲烷传感器通过国家安全生产监督管理总局规划科技司组织的科技成果鉴定(安监总科鉴字[2007]第4号)。现场运行表明，GJG10H红外甲烷传感器工作稳定，性能可靠，技术先进，达到了国际先进水平。

红外甲烷传感器工作原理

红外甲烷传感器是利用甲烷对3.33μm波长的红外光有一极强的吸收峰，而杂质气体中影响较大的水蒸汽和二氧化碳则并无明显吸收这个光谱特性，来实现甲烷气体检测。
测量气体分子的光吸收谱是气体种类识别和气体分子浓度测定的有效手段。煤矿红外甲烷传感器所采用的光谱气体传感技术，正是基于甲烷(CH4)分子振动／转动吸收特征谱或泛频／复合吸收谱线与发光光源发射谱间的光谱一致性。当红外光通过待测气体时, 甲烷对3.33μm波长的红外光有一极强的吸收峰，正是这个光谱特性，实现了甲烷气体的检测。

如上图所示，可见光——红外光源发出的光在气室内经反射后，分别经过两个滤光片进入红外传感器，其中一个是参考通路，对于CH4没有吸收；另一个是测量通路，对CH4有极强的吸收峰，两通道输出信号的比值与CH4的浓度有关。通过对两个通道光电器件输出信号进行比较计算，就可以得出被测甲烷浓度值。

红外甲烷传感器技术创新

红外甲烷传感器在技术上的创新，表现在以下几个方面。
采用了双敏感元件，差动补偿信号处理，实现了0～100%全量程甲烷浓度测试。
以丙纶微孔通气滤膜作为煤矿红外甲烷传感器防尘、防潮保护膜，很好地解决了煤矿气体传感器呼吸防尘防水问题。丙纶微孔薄膜是一种特殊的新材料，膜表面6.4516cm2有90多亿个微孔，微孔直径0.2～3μm，即使是最小的粉尘颗粒也难以通过薄膜。这种材料采用特殊工艺复合而成，具有极佳的化学稳定性，表面极其光滑，极易清理灰尘，不易老化，透气性能好，拒油拒水。适用于煤矿高浓度、高湿度的含尘气体以及高附着性的粉尘环境。由于多层微孔通气膜可实现表面过滤，粉尘不会渗透到织物内部，滤网由此还杜绝了堵死现象。
采用了程序升压方法抑制激励光源启动电流，将红外甲烷传感器启动电流控制在150mA内。采用红外光谱吸收法测量甲烷浓度，由于电路复杂，元器件多，主要是发光器件功耗大，上电时光源会呈现低阻状态，系统启动电流大，国外同类产品的启动电流一般不小于250mA，这对于设备供电能力提出了更大的要求。我们选择恒流电源供电方式，来解决启动电流大问题。在上电之初，电源输出一个低电压给发光元件，使发光元件的初始电流保持恒定，之后顺序升高供电电压直到正常供电，待光源工作稳定后，再向显示、变送输出部分电路供电。实践证明，这种方法可有效抑制设备的启动电流。
采用了自吸式气体交换方法，提高了气体快速交换速度。白光光源在实现调制过程中，由于光源发光产生热量，在周期性开关时形成气室内气流的微小振荡，提高了气室气体交互能力。
采用了小型恒量度白光光源单光束双波长，光学窄带滤波技术，提高了甲烷检测精度。我们采用了单光源双光束方法，可以达到补偿由环境气体干扰、光强变化等因素产生的测量信号的基线飘移，提高了传感器抗干扰能力。
采用了传感器气室温度补偿方法，提高了设备温度使用范围。温度对红外气体分析有较大影响，且是复杂的非线性关系，必须对红外气体传感器因温度变化引起的测量误差进行实时校正。由于温度对红外气体分析的影响很难建立机理模型，必须通过试验来取得数据进行建模，首先建立特定温度下甲烷浓度值与红外甲烷传感器输出的浓度电压之间的数值关系，然后再建立温度与红外甲烷传感器输出的浓度电压之间的关系。经过长时间的试验，确定温度补偿的数学模型，可有效保证传感器测量精度。
红外甲烷传感器采用双CPU控制方式，系统运行稳定可靠。为了提高测量的精度，必须对测量信号进行非线性补偿，同时还要根据测量传感器的温度环境进行温度补偿。我们采用一个专门的DSP进行前级信号处理，同时使用一个独立的CPU完成报警、设定、遥控、输出等功能，这样既解决了运算量大的问题，同时也使前级的模拟信号传输距离缩短，避免了模拟信号传输过程带来的干扰。
红外甲烷传感器适用于高硫煤矿及其它复杂气体含量的煤矿，很好地解决了这些矿一直以来存在的难题。传统催化燃烧式煤矿瓦斯检测设备由于其测量原理的限制，在高硫煤矿几乎无法使用，一些高硫煤矿因此不安装煤矿瓦斯监测系统，对安全生产造成了极大的隐患。红外甲烷传感器不受任何气体的影响，不仅可以在高硫含量的煤矿中使用，也可以在其他更加复杂的气体环境中稳定可靠地工作，从根本上解决了复杂气体环境下瓦斯检测的难题。

GJG10H红外甲烷传感器的应用

目前，GJG10H红外甲烷传感器已经在晋煤集团寺河矿、鹤岗矿业集团南山矿、郑煤集团裴沟矿和超化矿、平煤集团四矿、峰峰集团薛村矿和羊渠河矿等多个煤矿进行了工业性试用，先后投入试用设备200多台，遍及全国9个省，经过长时间井下试用，GJG10H红外甲烷传感器表现出了良好的性能。测量准确、偏移小；无需调校、使用维护简单；解决了红外传感器防尘防潮问题；长期运行稳定。在2007年9月29日于京召开的2007年“安全生产优秀科技成果论坛”上，国家安全监管总局规划科技司也将该项技术和装备作为安全生产优秀科技成果之一，向全国所有煤矿重点推广应用。
GJG10H红外甲烷传感器研制成功，可以有效提高煤矿甲烷检测的准确性和可靠性，提高甲烷事故的预警防范能力，促进我国煤矿甲烷检测领域的科技进步，提高我国煤矿安全生产的水平。

编辑 余茂君