[實用新型]一種基于TDLAS的分布式光纖甲烷監測系統

有效

• 申請號: 201320487264.5
• 申請日: 2013-08-09
• 公開（公告）號: CN203405409U
• 公開（公告）日: 2014-01-22
• 發明（設計）人: 張瑞新;李紅臣;劉永強;王昊
• 申請（專利權）人: 國家安全生產監督管理總局通信信息中心
• 主分類號: G01N21/39
• 分類號: G01N21/39
• 代理公司: 北京慧泉知識產權代理有限公司 11232
• 代理人: 王順榮;唐愛華

技術領域

本實用新型涉及一種基于TDLAS（可調諧半導體激光吸收光譜法）的分布式光纖甲烷監測系統，屬于光電、數據管理及安檢設備技術領域。

背景技術

甲烷是易燃易爆氣體，是礦井中瓦斯和多種液體燃料的主要成分(天然氣中50-97%的成分是甲烷)。在我國煤礦安全事故中，瓦斯事故已占到煤礦事故總數的80%以上，瓦斯爆炸造成的傷亡占所有重大事故傷亡人數的50%以上。瓦斯爆炸需要同時滿足三個條件，即礦井中氧氣濃度在12%以上，甲烷濃度在5-15%范圍之內，有明火存在。同時，甲烷也被認為是溫室效應的主要氣體之一，其吸收紅外線能力是二氧化碳的15-30倍，占整個溫室貢獻量的15%。因此，利用實時、可靠、低廉、安全的傳感器對甲烷氣體濃度進行準確、快速、實時監測和預警和自動控制是治理甲烷災害的有效手段，對煤礦安全生產運行、礦工人身安全以及環境保護有著重要的作用，是確保化工設備、煤氣廠、礦山及住宅區生產生活安全的必要措施。

近年來，國外投入巨資研究開發了用于檢測甲烷氣體變化的新型傳感器。我國也在不斷加大投資力度，提高和增強甲烷氣體監測儀器的技術水平和知識創新。常用的甲烷氣體檢測方式有如下三種：

1.化學法

化學法的機理是敏感體和環境物質間發生特定的物質交換從而導致敏感體電學性質發生變化。化學氣敏傳感器具有結構簡單、反應速度快、結構緊湊的特點。但這種傳感器也存在很多缺點：敏感體對氣體的選擇性差；輸入輸出之間呈現復雜的非線性關系，不利于數據處理；穩定性差，存在著溫度適應性問題。

2.氣相色譜法

氣相色譜法是一種物理分離的方法，它分析的對象是氣體和可揮發物質。優點在于應用范圍廣、選擇性高、靈敏度高。但氣相色譜法對被分離組成的定性工作上，需參照標準樣品。因此，這種方法很難做到在線檢測，實時性差。

3.光譜吸收法

光譜吸收法通過氣體透射光強的變化來檢測氣體濃度。其原理是基于分子振動和轉動吸收譜與光源發光光譜間的一致性，當光束照射氣體時，與氣體吸收譜重疊的部分將被氣體吸收，使透射光強衰減。該方法精度高，零漂移小，穩定性和選擇性都優于其他方法。

實用新型內容

1、目的：本實用新型的目的在于提供一種基于TDLAS的分布式光纖甲烷監測系統，它克服了現有技術的不足，是一種可靠、低廉、安全的甲烷監測系統。

2、技術方案：如圖1所示，本實用新型一種基于TDLAS的分布式光纖甲烷監測系統，它從功能邏輯上可分為檢測主機、傳輸層和多個檢測終端三部分，三者之間的位置連接關系在于：檢測主機位于井上，是整個監測系統的核心，用于產生檢測激光，匯總、展示檢測數據和控制檢測終端；檢測終端位于井下，用于持續地、不間斷地對甲烷氣體濃度進行檢測，支持與檢測主機數據互通和根據檢測主機要求調整工作方式；傳輸層用于井上檢測主機和井下檢測終端的數據交互和檢測激光的傳輸工作。

所述檢測主機，如圖2所示，它由人機交互、激光發生和數據交互三種模塊組成，三者之間的關系在于：該人機交互模塊用于接收用戶輸入和展示檢測終端返回結果；該激光發生模塊用于產生1653nm的檢測激光；該數據交互模塊用于匯總檢測結果，處理用戶輸入數據。整個檢測主機提供三種數據接口，分別是與用戶數據交互接口，與上位機數據交互接口和與傳輸層數據交互接口。其中與用戶數據交互接口提供濃度數據查詢和接收用戶輸入兩種功能；與上位機數據交互接口提供濃度數據查詢和上位機數據接收兩種功能；與傳輸層數據交互接口提供用戶數據、頻率信息傳輸和井下濃度數據收集功能。

所述傳輸層，由檢測激光傳輸和數據傳輸兩部分組成，兩者之間相互獨立，分別用于傳遞激光和傳遞數據。如圖3和圖4所示，該檢測激光通過傳輸層單模單光纖傳遞到井下，再利用多路分光器進行分割后傳遞到各個檢測終端。該數據傳輸利用預定的通訊協議進行，本實用新型設計了兩種數據傳輸方案，分別是RS485總線方式（圖3）和CAN總線方式（圖4）。

所述檢測終端，如圖5所示，由氣體檢測模塊、報警顯示模塊和控制模塊三部分組成，三者之間的關系在于：該氣體檢測模塊用于檢測氣體中甲烷的濃度含量，為檢測主機和報警顯示模塊提供數據；該報警顯示模塊用于顯示甲烷濃度實時數據和控制聲光報警設備；該控制模塊用于接收主機或人工控制數據，對檢測終端進行調整。

3、工作流程：