[发明专利]一种基于TDLAS的分布式光纤甲烷监测系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于TDLAS（可调谐半导体激光吸收光谱法）的分布式光纤甲烷监测系统，属于光电、数据管理及安检设备技术领域。

背景技术

甲烷是易燃易爆气体，是矿井中瓦斯和多种液体燃料的主要成分(天然气中50-97%的成分是甲烷)。在我国煤矿安全事故中，瓦斯事故已占到煤矿事故总数的80%以上，瓦斯爆炸造成的伤亡占所有重大事故伤亡人数的50%以上。瓦斯爆炸需要同时满足三个条件，即矿井中氧气浓度在12%以上，甲烷浓度在5-15%范围之内，有明火存在。同时，甲烷也被认为是温室效应的主要气体之一，其吸收红外线能力是二氧化碳的15-30倍，占整个温室贡献量的15%。因此，利用实时、可靠、低廉、安全的传感器对甲烷气体浓度进行准确、快速、实时监测和预警和自动控制是治理甲烷灾害的有效手段，对煤矿安全生产运行、矿工人身安全以及环境保护有着重要的作用，是确保化工设备、煤气厂、矿山及住宅区生产生活安全的必要措施。

近年来，国外投入巨资研究开发了用于检测甲烷气体变化的新型传感器。我国也在不断加大投资力度，提高和增强甲烷气体监测仪器的技术水平和知识创新。常用的甲烷气体检测方式有如下三种：

1.化学法

化学法的机理是敏感体和环境物质间发生特定的物质交换从而导致敏感体电学性质发生变化。化学气敏传感器具有结构简单、反应速度快、结构紧凑的特点。但这种传感器也存在很多缺点：敏感体对气体的选择性差；输入输出之间呈现复杂的非线性关系，不利于数据处理；稳定性差，存在着温度适应性问题。

2.气相色谱法

气相色谱法是一种物理分离的方法，它分析的对象是气体和可挥发物质。优点在于应用范围广、选择性高、灵敏度高。但气相色谱法对被分离组成的定性工作上，需参照标准样品。因此，这种方法很难做到在线检测，实时性差。

3.光谱吸收法

光谱吸收法通过气体透射光强的变化来检测气体浓度。其原理是基于分子振动和转动吸收谱与光源发光光谱间的一致性，当光束照射气体时，与气体吸收谱重叠的部分将被气体吸收，使透射光强衰减。该方法精度高，零漂移小，稳定性和选择性都优于其他方法。

发明内容

1、目的：本发明的目的在于提供一种基于TDLAS的分布式光纤甲烷监测系统，它克服了现有技术的不足，是一种可靠、低廉、安全的甲烷监测系统。

2、技术方案：如图1所示，本发明一种基于TDLAS的分布式光纤甲烷监测系统，它从功能逻辑上可分为检测主机、传输层和多个检测终端三部分，三者之间的位置连接关系在于：检测主机位于井上，是整个监测系统的核心，用于产生检测激光，汇总、展示检测数据和控制检测终端；检测终端位于井下，用于持续地、不间断地对甲烷气体浓度进行检测，支持与检测主机数据互通和根据检测主机要求调整工作方式；传输层用于井上检测主机和井下检测终端的数据交互和检测激光的传输工作。

所述检测主机，如图2所示，它由人机交互、激光发生和数据交互三种模块组成，三者之间的关系在于：该人机交互模块用于接收用户输入和展示检测终端返回结果；该激光发生模块用于产生1653nm的检测激光；该数据交互模块用于汇总检测结果，处理用户输入数据。整个检测主机提供三种数据接口，分别是与用户数据交互接口，与上位机数据交互接口和与传输层数据交互接口。其中与用户数据交互接口提供浓度数据查询和接收用户输入两种功能；与上位机数据交互接口提供浓度数据查询和上位机数据接收两种功能；与传输层数据交互接口提供用户数据、频率信息传输和井下浓度数据收集功能。

所述传输层，由检测激光传输和数据传输两部分组成，两者之间相互独立，分别用于传递激光和传递数据。如图3和图4所示，该检测激光通过传输层单模单光纤传递到井下，再利用多路分光器进行分割后传递到各个检测终端。该数据传输利用预定的通讯协议进行，本发明设计了两种数据传输方案，分别是RS485总线方式（图3）和CAN总线方式（图4）。

所述检测终端，如图5所示，由气体检测模块、报警显示模块和控制模块三部分组成，三者之间的关系在于：该气体检测模块用于检测气体中甲烷的浓度含量，为检测主机和报警显示模块提供数据；该报警显示模块用于显示甲烷浓度实时数据和控制声光报警设备；该控制模块用于接收主机或人工控制数据，对检测终端进行调整。

3、工作流程：