[发明专利]用于瓦斯发电的光纤多参数检测仪

说明书

技术领域

本发明专利涉及一种应用瓦斯发电的多参数检测系统，使用波分复用技术能够对瓦斯浓度、氧气浓度、湿度、温度等多参数实现同时在线安全检测。

背景技术

我国是煤炭生产大国，瓦斯突出的矿井约占煤炭矿井的一半。瓦斯是煤矿安全的最大威胁，全国煤矿重大安全事故70％以上都与瓦斯爆炸有关。瓦斯中的甲烷含量很高，甲烷的温室效应在全球气候变暖中的份额为15％，仅次于二氧化碳；而且，等量甲烷造成的温室效应是二氧化碳的21倍。国家发改委公布的数据显示，全国煤层气利用率仅为23％，这意味着大多数的煤层气正朝天排放，其温室效应不容忽视。

不管从采矿安全、经济效益角度，或是从环境保护方面讲，瓦斯的抽采利用的意义都十分巨大。目前对瓦斯有效地利用的重要方法手段主要为瓦斯发电。瓦斯发电可以根据气源(甲烷浓度)分为高瓦斯常规发电和低瓦斯发电两大类。常规瓦斯发电技术中，抽采的煤层气甲烷含量在25％以上的；采用低瓦斯煤层气进行直接发电称为低瓦斯发电。

根据现行的《煤矿安全规程》，常规可供输送的煤层气浓度不应低于25％。对常规煤层气输配系统，应在抽放泵出口设置煤层气浓度检测装置，当井下抽采的煤层气浓度小于25％时，应关闭输配阀门，打开排空阀门，将低浓度瓦斯直接排空，防止低浓度瓦斯气体进入系统。

在瓦斯发电过程中必须对瓦斯浓度信息进行实施监控，同时还要对氧气、湿度等信息检测以确定瓦斯的氧化程度和确保安全等问题。不管高瓦斯发电还是低瓦斯发电，目前采用的检测技术往往都是传统的电子式传感器或者红外检测技术，由于用于发电的煤层气具有高粉尘、高湿度、浓度变化波动较大等特点，使得传统的检测技术应用十分困难，往往需要不断地校正，经常更换检测仪以及会出现检测误差较大、量程不够等问题。例如：要保证瓦斯发电的安全，不致使产生爆炸等事故，就必须对煤层气瓦斯浓度和温度进行实时快速检测，但是传统电子检测装置在高湿度环境下往往无法工作，并且电子检测仪带电工作更增加了危险性；现有瓦检仪(黑白元件式、光瓦等)都需要经常校正才能够保证检测准确。

另外，现有专利及国内外文献中提出的采用近红外激光测量气体浓度的方案，该方案中采用气体对激光的吸收原理，但是，在实际应用中，特别是温度不恒定的环境中检测结果出现了误差。如图11，在不同温度下同样浓度的气体产生了不同的吸收系数，从而以上提及的现有的近红外气体检测方案都将会出现不同的检测误差，图12深色曲线为根据以上方案的检测以实际检测到的测试数据图，浅色曲线为温度校正后的测试数据图，效果非常明显。不只是瓦斯，氧气、湿度等都有这种问题存在。可见，温度对于瓦斯气体检测的影响是不容忽视的，但是现在的所有光学的检测仪器都没有根据气体的温度进行校正。

发明内容

本发明主要目的是设计开发一种基于光纤传感技术的多种参数同时检测的系统。本发明是一种能够不带电、无需校正、多参数长期可靠检测的仪器，还能在检测了环境温度的同时也实时校正了气体检测仪的误差，对于瓦斯发电将是一项并且经济和社会效益巨大的重大创新技术。

本方案是通过如下技术措施来实现的：它包括光源驱动电路和与之电连接的至少一路对应气体中心波长的DFB半导体激光器，在所述DFB半导体激光器和探头之间的光路上设置有光开关，与所述探头配合设置有光电探测器，DFB半导体激光器、光开关、探头和光电探测器之间均采用光缆连接，光电探测器与单片机电连接，光开关与单片机通过光开关控制线电连接。

本方案的具体特点还有：所述DFB半导体激光器为2个，发出分别对应瓦斯和氧气的中心波长的激光。

所述DFB半导体激光器为3个，发出分别对应瓦斯、氧气和水汽中心波长的激光。通过水汽对激光的吸收以及激光扫描方式实现湿度检测，使得湿度检测方便可靠。

所述探头包括一固定座，在固定座上相对设置有入射端光纤准直器和接收端光纤准直器，在入射端光纤准直器和接收端光纤准直器之间形成有气体吸收腔，入射端光纤准直器与光缆连接，出射端光纤准直器与出射光纤连接。

在接收端光纤准直器和出射光纤之间的光路上串联设置有光纤光栅，光纤光栅中心波长位置选择在气体吸收峰附近DFB激光器能够扫描到的范围内。气体吸收腔串联一个光纤光栅用于测温度，温度与气体同步检测，温度信息能够校正因不同温度下气体吸收系数不同导致的测量误差。一套检测仪能够同时检测多种气体浓度、湿度和温度信息，高度集成。