[发明专利]一种基于光纤缓存器的多点光纤瓦斯传感系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于光纤缓存器的多点瓦斯气体传感系统，属于光纤传感系统以测量瓦斯气体浓度技术领域。

背景技术

能源紧缺已经成为制约我国目前的国民经济持续发展的重要因素。在一次能源(煤炭、核能、石油、天然气、风力、潮汐、太阳能)中，煤炭是我国最主要的一次能源，具有举足轻重的地位。但是，当前煤矿的安全状况却十分令人担忧。在各种矿难中，瓦斯爆炸位居第一，因此瓦斯监测技术一直是煤矿安全的重要技术。经过长期的研究和发展，已经研制出了多种系列的瓦斯检测仪器：如利用火焰的高度变化来检测瓦斯检定灯；基于光干涉原理的瓦斯检定器；、利用检测剂与被测气体进行化学反应时发生颜色变化(深浅或位移)来确定气体浓度的瓦斯检测管；利用被测气体与空气热导率之差来实现检测的热导式瓦斯检测仪；以及利用气敏材料表面吸附某些气体时电导率随浓度改变的气敏式瓦斯检测仪等，但由于它们存在很多缺点而没有获得应用。

目前广泛应用的是电化学热催化原理的甲烷检测仪，利用催化物，使低浓度甲烷在较低温度下持续燃烧(氧化)，不同浓度的甲烷在催化燃烧时放出的热量不同，从而产生温度变化，因此可测量甲烷浓度。这种检测仪的优点是输出信号大，线性好，信号处理和显示都比较方便，电路和仪器的结构简化；测量时受环境条件影响很小，可以省去各种吸收剂；对甲烷以外的其它可燃气体(丁烷、戊烷等)也可以有所反应；容易实现自动连续监测。其缺点是抗中毒(硫化氢、有机硅蒸汽)性能较差；需要频繁校正(一周)；测量范围一般在5％以下，浓度较高时，不但会出现激活现象，而且在10％以上时，还出现“双值性”(不同浓度出现相同读数)。

国内已经有几种瓦斯安全监测系统，比如常州自动化研究所的KJ1，KJ2系统，长城科技公司的JK4系统，以及A1系统，KJ2000系统等，在煤矿安全生产方面发挥了重要作用。然而这些系统主要是利用先进的计算机技术和通信技术对监测系统进行改造，在信息的传输与采集上下功夫，对于最前端的瓦斯传感器并没有实质性的改进。多年来，瓦斯监测系统一致沿用基于电化学原理的瓦斯传感器，它必须采用远距离供电，本身就存在安全隐患，还存在中毒现象，寿命短。而且它的反应速度慢，当出现瓦斯突出时不能及时反映。多年来人们一直在寻找替代品和新的传感原理。大约在十年前，人们就提出了利用光纤制作瓦斯传感器。但是，十年来进展缓慢，至今没有一台光纤瓦斯传感器达到实用化水平在煤矿井下工作。

光纤瓦斯传感的基本原理是基于气体对于光谱中特殊谱线吸收的比尔定律，即I＝I₀exp(-αCL)，其中I₀和I是光经过气体前后的光强，α是吸收系数，C是气体浓度，L是吸收长度。由上式可知，如果需要较高的检测灵敏度，必须要增大吸收系数或者吸收长度。如果利用光纤，还必须使吸收波长落于光纤的透光波长范围内。

瓦斯对于光的吸收波长有4个：3.43μm，6.522μm，3.3 12μm和7.658μm，它们均不能在石英光纤中透过，为此只能测定它们的谐波。过去对于光纤瓦斯传感器的研究，均使用1.31μm的波长，在这个波长上出现的是v₂+3v₃的组合谐波，吸收系数是非常低的。当气室长度达0.5m，即使气室的浓度达到爆炸上临界25％时，对1.3312μm波长的吸收损耗仅为0.03dB。这个损耗量级已经处于光源不稳定范围以下，要求测量很准是非常困难的。

为了获得较高的检测灵敏度，必须要较长的吸收长度，目前人们采用的气室长度为50cm左右。这意味着要将光从光纤中射出，经过50cm的吸收室后再汇聚到光纤中，这当然是十分困难的。虽然在原理上可行，但在技术上不可行。而且50cm的吸收长度对于一个传感头来说，体积过于庞大，受到环境的影响十分大。在一个充满了粉尘和水汽的矿井中，不可能获得实际应用。而且，当环境的瓦斯浓度变化时传感器气室的浓度也应该随之变化，但是过大的气室必将导致气室内的浓度与环境的气体浓度相差很大，或者在时间上滞后，降低了传感器的灵敏度和响应速度。因此，虽然光纤瓦斯传感器已经提出多年，许多研究机构报道了它们在实验室的研究结果，但是至今没有实用化，在恶劣的采煤工作面的狭小空间中难以使用。

提高检测灵敏度和响应速度的途径有两个：(1)缩小吸收室的体积；(2)提高单位长度的吸收。为了缩小体积，但要保证有足够的吸收长度，唯一的方法是提高吸收次数。换言之，可以利用同一个光脉冲多次透过气室的方法，等效的增加吸收长度。