[发明专利]一种光纤分布式多点瓦斯实时监测仪及监测方法

说明书

技术领域

本发明属于一种气体的激光光谱测量仪器和方法，具体是一种基于激光波长调制技术和近红外可调谐半导体激光吸收光谱技术的光纤分布式多点瓦斯浓度监测仪及监测方法。

背景技术

煤炭行业是我国工业生产中伤亡事故最严重的行业，据统计，2007年全国煤矿事故死亡总人数为3770人，其中煤矿瓦斯事故的起数、死亡人数比上年都有所下降，截止11月底百万吨死亡率为1.516，但仍远高于世界上其他主要产煤国。从事故类型来看，特大事故的主要原因是瓦斯爆炸和瓦斯突出。瓦斯是附存于煤层及周围岩层中有害气体的总称，瓦斯的主要成分是甲烷，它是一种无色、无味、易燃、易爆的气体。瓦斯爆炸需同时满足的三个条件为：一定浓度的瓦斯、高温火源的存在和充足的氧气，瓦斯爆炸限在5～16％范围之内。我国目前国有重点煤矿大多数属于瓦斯矿井，其中高瓦斯矿井和突出矿井占全国矿井总数的44％，采掘时极易发生瓦斯爆炸事故，严重的生产安全事故不仅造成了人民生命财产损失，而且影响社会安定，损害国家形象，因此减少或避免矿井瓦斯爆炸事故是一项迫切任务。提高我国瓦斯监测系统的可靠性，对瓦斯气体浓度进行准确、快速、实时监测和预警，对工矿安全生产、人身安全和环境保护都有着十分重要的作用。

目前国内外对瓦斯的常规监测主要还是采用矿井瓦斯催化传感器，但催化元件存在工作不稳定、调校频繁和使用寿命短的缺点，严重制约着矿井瓦斯检测的可靠性。国内部分矿井已建立瓦斯浓度监测系统，基本上都是分支树型的网络结构，在井上设置控制中心主站，井下设置多个测控分站，各个分站信息用专用电缆传输信号，但是存在传感器接入不灵活、实现跟进不方便等缺点。因此，发展新型免维护、高灵敏度、工作稳定、使用安全的多点瓦斯实时监测系统，实现煤矿瓦斯的低误报率预警是目前的主要研究方向。

基于激光波长调制光谱技术和光纤传感技术的监测系统，能够实现对气体的高选择性、高分辨、高灵敏、快速响应、非接触在线检测，不存在中毒问题，使用安全，仪器维护量低，利用一套光纤分布式瓦斯监测仪可以实现多点气体的实时监测。因此，基于光波调制激光吸收光谱的多点气体检测技术在煤矿井下瓦斯在线监测领域有着重要的应用前景。

发明内容

本发明提出了一种基于光波调制光谱法的光纤分布式多点瓦斯实时监测仪及监测方法，使用一个近红外DFB半导体激光器，利用了甲烷近红外光谱区的特征吸收，经过信号发生电路产生的波长调制信号对激光进行光波调制，激光通过甲烷气体定标池后由光纤分路器分路，分别用单模光纤导入到设置于井下各个待测点的微型光纤传感器，经过气体吸收的激光再由光纤导出并由各路红外光电探测器接收并转换为电信号，利用多路模拟信号选择开关切换技术实现甲烷气体的分时多路检测，结合激光波长调制技术和谐波检测技术实现了高灵敏、高分辨、快速的多点瓦斯浓度实时监测。使用内置甲烷气体定标池对波长漂移进行自适应调整，实现近红外甲烷吸收线的锁定，并实现微型光学传感器检测的浓度标定。采用背景光强信号拟合的方法消除了光强波动对测量的影响。微型光学传感器外部保护结构透气、防水、防尘、防震、维护量少，实现气体的长期稳定监测。本发明的技术方案如下：

一种光纤分布式多点瓦斯实时监测仪，其特征在于：包括有主机箱和安装在现场的多点并联井下检测光路，所述的主机箱内安装有中心波长为1653nm的激光器，信号发生电路，信号发生电路接入到所述激光器的温度电流控制模块，所述的半导体激光器出射光接入气体标定池，气体标定池的出射光耦合进1×N路光纤分路器，1×N路光纤分路器的各路输出激光通过输入单模光纤传输到各个井下检测光路，信号光穿过各井下检测光路后由输出单模光纤传输至安装在主机箱的各个红外光电探测器接收，各红外光电探测器的输出信号一路直接输出送数据采集、处理和控制模块；另一路送锁相放大板进行二次谐波信号检测；所述的井下检测光路由连接输入单模光纤与输出单模光纤的微型光学传感器组成，微型光学传感器安装于保护盒内。

所述的光纤分布式多点瓦斯实时监测仪，其特征在于所述的微型光学传感器是由带尾纤的一对自聚焦透镜精确对准，并安装于保护盒内的V型槽支架两端构成，在微型光学传感器外部保护盒的表面开口处固定了PTFE隔膜，实现了透气、防水、防尘。