專利名稱：煤礦瓦斯監測裝置和監測方法
技術領域：
本發明涉及環境監測領域，尤其涉及一種煤礦瓦斯監測裝置和監測方法。
背景技術：
我國是世界上第一煤炭生產大國和消費大國，全國大小煤礦觀000多處，國有重點煤礦中，高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井約占一半。瓦斯是煤礦安全生產的最大危害。全國煤礦重特大安全事故不斷發生，新中國成立以來，煤礦共發生22起一次死亡百人以上事故， 其中20起為瓦斯(煤塵)事故，事故起數和死亡人數，分別占91%、93%。，給人民生命財產帶來了巨大損失，在國內外造成嚴重影響。提高對煤礦作業場所瓦斯氣體的監測檢測水平和早期預警能力，是當前煤礦安全生產中的緊迫需求。目前我國普遍采用的煤礦瓦斯監測設備主要有兩類，一類基于傳統的催化燃燒方法，另一類主要采用紅外光譜技術。基于催化燃燒技術的瓦斯監測設備存在較多缺點，如工作穩定性差，測量精度低，讀數易漂移，使用壽命短、需要頻繁校準等。此外，當被測氣體含鹵化物、硫、磷、砷等時會造成傳感器的永久性或暫時性中毒，造成傳感器的徹底損壞。這類設備一方面精度差、使用不方便，另一方面長期使用維護成本較高；基于紅外光譜技術的設備通常采用鎢絲或鎳鉻絲等發光元件作為光源，并用帶通干涉濾光片對檢測器的接收波長加以選擇，帶來光譜分辨率較低的缺陷。由于光譜分辨率低，測量易受到背景中其它氣體的干擾，從而降低了測量的準確度與測量重復性。由于煤礦環境惡劣、含濕量大，被測氣體中水蒸氣和二氧化碳濃度會嚴重影響紅外氣體探測器的測量準確度。這是紅外技術在煤礦瓦斯監測中存在的一個嚴重缺點。通過對現有技術的研究，發明人發現，這種采用催化燃燒及紅外光譜技術的煤礦瓦斯監測方案中，因穩定性差，且易受到樣品氣體中水蒸氣、粉塵等其它因素的干擾，造成了煤礦瓦斯監測的精確度較低，誤報警率高。

發明內容
為解決上述技術問題，本發明的目的在于提供一種煤礦瓦斯監測的裝置和監測方法，以在對煤礦瓦斯濃度進行監測時，減小水蒸氣、粉塵和二氧化碳等其它因素的干擾，提高煤礦瓦斯監測的精確度。為實現上述目的，本發明提供了如下技術方案—種煤礦瓦斯監測裝置，包括激光器、信號探測器、激光器控制模塊、信號處理模塊、數據分析模塊和樣品室；所述激光器控制模塊連接到所述激光器，用于驅動所述激光器向所述樣品室中的樣品氣體發射特定波長的激光；所述信號探測器，用于獲取通過所述樣品室中樣品氣體的透射信號，并將所述透射信號發送到所述信號處理模塊；所述信號處理模塊，用于將所述透射信號轉換為待測氣體吸收光譜；
所述數據分析模塊，用于分析所述待測氣體吸收光譜，得到待測氣體的信息。優選的，所述信號處理模塊包括信號放大單元，用于放大所述信號探測器獲取到的透射信號；信號解調單元，用于解調放大后的透射信號，得到待測氣體吸收光譜。優選的，所述裝置還包括鎖相放大電路，用于從待測氣體吸收光譜中獲取倍頻信號曲線；所述數據分析模塊通過分析所述倍頻信號的峰值得到待測氣體的信息。優選的，所述裝置還包括顯示模塊，連接到所述數據分析模塊，用于顯示監測到的待測氣體的信息。優選的，所述樣品室為單一樣品室或多次反射樣品室。優選的，所述激光器為半導體分布反饋式激光器或半導體垂直腔面發射激光器。優選的，所述激光控制模塊包括溫度控制單元，連接到所述激光器，用于控制所述激光器的工作溫度；電流控制單元，連接到所述激光器，用于調制通過所述激光器的電流。優選的，測量煤礦瓦斯濃度時，所述特定波長為1310nm 1345nm、1630 1700nm、2150nm 2450nm 或 3130nm 3500nm 區域中
的任意波長。相應于上述煤礦瓦斯監測裝置，本發明還提供了一種煤礦瓦斯監測方法，包括向樣品室發射出特定激光束；接收通過所述樣品室中樣品氣體的透射信號；將所述透射信號轉換為待測氣體吸收光譜；分析所述待測氣體吸收光譜得到待測氣體的信息。優選的，將所述透射信號轉換為待測氣體吸收光譜，包括將所述透射信號由光信號轉換為電信號；放大所述透射信號，并解調放大后的透射信號，得到待測氣體吸收光譜。本發明還提供了另一種煤礦瓦斯監測方法，包括將低頻鋸齒波和高頻正弦波疊加后驅動激光器向樣品室發射特定激光束；獲取通過所述樣品室中待測氣體的包含高頻信息的透射信號；將所述透射信號轉換為待測氣體吸收光譜；獲取吸收光譜譜線中的倍頻信號曲線；分析所述倍頻信號的峰值得到待測氣體的信息。優選的，所述分析所述倍頻信號的峰值得到待測氣體的信息之前，還包括實時獲取樣品室的壓力和溫度值；根據所獲取到的壓力和溫度值修正所述倍頻信號曲線。應用本發明實施例所提供的技術方案，所提供的煤礦瓦斯監測裝置和監測方法中，采用激光替代了現有技術中的紅外光作為光源，由于激光具有優異的單色性，可選取單一的氣體吸收光譜譜線作為測量的目標，因此本發明提供的煤礦瓦斯監測方案不會受到水分、粉塵等其它因素的影響，能夠提高對煤礦瓦斯監測的精確度。此外，激光器與紅外線發射器相比，具有高可靠性、高穩定性、不會漂移、不需頻繁的定位和校準等優點。


為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。圖1為本發明實施例一中提供的氣體檢測裝置的結構示意圖；圖2為本發明實施例一中提供的直接吸收譜線和調制吸收譜線示意圖；圖3為本發明實施例二中提供的煤礦瓦斯監測方法的流程示意圖；圖4為本發明實施例三中提供的煤礦瓦斯監測方法的流程示意圖。
具體實施例方式現有技術中所通常采用的紅外光譜技術的煤礦瓦斯監測方案中，因紅外線易受到樣品氣體中水蒸氣、粉塵和二氧化碳等其它因素的干擾，造成了煤礦瓦斯監測的精確度較低。為解決本發明實施例提供了一種煤礦瓦斯監測裝置，其特征在于，包括激光器、 信號探測器、激光器控制模塊、信號處理模塊、數據分析模塊和樣品室；所述激光器控制模塊連接到所述激光器，用于驅動所述激光器向所述樣品室中的樣品氣體發射特定波長的激光束；所述信號探測器，用于獲取通過所述樣品室中樣品氣體的透射信號，并將所述透射信號發送到所述信號處理模塊；所述信號處理模塊，用于將所述透射信號轉換為待測氣體吸收光譜；所述數據分析模塊，用于分析所述待測氣體吸收光譜，得到待測氣體的信息。基于上述煤礦瓦斯監測裝置，本發明實施例還提供了一種煤礦瓦斯監測方法，包括向樣品室發射出特定激光束；接收通過所述樣品室中樣品氣體的透射信號；將所述透射信號轉換為待測氣體吸收光譜；分析所述待測氣體吸收光譜得到待測氣體的信息。基于上述煤礦瓦斯監測裝置，本發明實施例還提供了另一種煤礦瓦斯監測方法， 其特征在于，包括將低頻鋸齒波和高頻正弦波疊加后驅動激光器向樣品室發射特定激光束；獲取通過所述樣品室中待測氣體的包含高頻信息的透射信號；將所述透射信號轉換為待測氣體吸收光譜；獲取吸收光譜譜線中的倍頻信號曲線；分析所述倍頻信號的峰值得到待測氣體的信息。本發明具體實施例提供的煤礦瓦斯監測裝置和監測方法，采用激光替代了現有技術中的紅外光作為光源，由于激光具有優異的單色性，可選取單一的氣體吸收光譜譜線作為測量的目標，因此本發明提供的煤礦瓦斯監測方案不會受到水分、粉塵等其它因素的影響，能夠提高對待測氣體監測的精確度。此外，激光器與紅外線發射器相比，具有高可靠性、 高穩定性、不會漂移、不需頻繁的定位和校準等優點。以上是本申請的核心思想，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例， 而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。實施例一
圖1為本發明實施例一提供的氣體檢測裝置的一種結構示意圖，該裝置包括激光器101、信號探測器102、激光器控制模塊103、信號處理模塊104、數據分析模塊105和樣品室106。所述激光器控制模塊103連接到所述激光器101，用于驅動所述激光器101向所述樣品室106中的樣品氣體發射特定波長的激光。所述激光器101可以為可調諧二極管激光器，具體的可以為半導體分布反饋式激光器或半導體垂直腔面發射激光器。所述樣品室106中通入樣品氣體。所述樣品室106可以為單一樣品室或多次反射樣品室，所述多次反射樣品室具體可以為兩次反射樣品室、Herriott型或White型多次反射樣品室。采用多次反射樣品室，可以提高測試路徑的長度，提高測量精度和靈敏度。所述激光器控制模塊103，可以通過改變激光器的操作溫度和通過電流，來驅動激光器調制發射特定波長、頻率和波形的激光，其中通常所采用的波形可以為鋸齒波、三角波和正弦波。所述激光器控制模塊具體可以包括溫度控制單元103a，連接到所述激光器， 用于控制所述激光器的工作溫度；電流控制單元103b，連接到所述激光器，用于調制通過所述激光器的電流，激光器輸入電流的調整，不僅可以改變激光器的輸出頻率，同時調制激光器的輸出波長掃描待測氣體的吸收光譜譜線。通過激光器控制模塊103控制激光器101 在特定的波長范圍內連續調諧，使待測氣體在該特定波長范圍內具有吸收譜線。以當待測氣體為甲烷為例，所述特定波長可以為1310nm 1345nm、1630 1700nm、2150nm 2450nm 或 3130nm 3500nm 區域中
的任意波長。具體的，可以選擇任意但不局限于以下波長值中的任意一個作為甲烷氣體的監測波長1312. 7nm、1314. 2nm、1314. 6nm、1316. 4nm、1318. 3nm、1320. 2nm、1324. Onm、 1325. 9nm、1327. 8nm、1329. 6nm、1331. 6nm、1337. lnm、1339. lnm、1340. 8nm、1341. Onm、 1343. Onm、1630. 5nm、1632. 9nm、635. 4nm、1637.7nm、1640.4nm、1642.9nm、1645.5nm、 1648. 2nm、1652. 0nm、1653. 7nm、1656. 5nm、1659. 4nm、1662. 3nm、1666. 0nm、1671. 4nm、 1674. 5nm、1677. 6nm、1680. 8nm、1684. Onm、1687. 3nm、1690. 7nm、1694. Onm、1697. 4nm。本發明實施例所提供的技術方案，不僅可以適用于煤礦瓦斯的檢測，而且適用于如二氧化碳，一氧化碳，氧氣，硫化氫，氨氣等其它氣體的檢測。相應于某種待測氣體，可以對應的選擇相應的特定波長，在此不再贅述。所述信號探測器102，用于獲取通過所述樣品室中406樣品氣體的透射信號，并將所述透射信號發送到所述信號處理模塊104。所述信號探測器102可以將所述透射信號由光信號轉換為電信號。所述信號處理模塊104，用于將所述透射信號轉換為待測氣體吸收光譜。為了提高煤礦瓦斯監測結果的精準度，在將透射信號轉換為待測氣體吸收光譜之前，還可以放大所述透射信號，因此，所述信號處理模塊具體可以包括信號放大單元104a，用于放大所述信號探測器獲取到的透射信號；信號解調單元104b，用于解調放大后的透射信號，得到待測氣體吸收光譜。所述數據分析模塊105，用于分析所述待測氣體吸收光譜，得到待測氣體的信息。
此外，如圖1所示，本實施例提供的煤礦瓦斯監測裝置還可以包括顯示模塊107， 連接到所述數據分析模塊105，用于顯示監測到的待測氣體的信息。本發明實施例所提供的氣體檢測裝置可采用直接吸收光譜技術或調制吸收光譜技術實現氣體監測。當采用直接吸收光譜技術實現氣體監測時，所述數據分析模塊可基于如下方式得到待檢測氣體的濃度基于朗伯-比耳定律(Beer-Lambert’s law)的原理，朗伯-比耳定律描述了當單色光穿過均勻氣體介質時透射光強和入射光強的關系。朗伯-比耳定律參見公式1
權利要求
1.一種煤礦瓦斯(甲烷)監測裝置，其特征在于，包括激光器、信號探測器、激光器控制模塊、信號處理模塊、數據分析模塊和樣品室；所述激光器控制模塊連接到所述激光器，用于驅動所述激光器向所述樣品室中的樣品氣體發射特定波長的激光；所述信號探測器，用于獲取通過所述樣品室中樣品氣體的透射信號，并將所述透射信號發送到所述信號處理模塊；所述信號處理模塊，用于將所述透射信號轉換為待測氣體吸收光譜； 所述數據分析模塊，用于分析所述待測氣體吸收光譜，得到待測氣體的信息。
2.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述信號處理模塊包括 信號放大單元，用于放大所述信號探測器獲取到的透射信號；信號解調單元，用于解調放大后的透射信號，得到待測氣體吸收光譜。
3.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，還包括鎖相放大電路，用于從待測氣體吸收光譜中獲取倍頻信號曲線； 所述數據分析模塊通過分析所述倍頻信號的峰值得到待測氣體的信息。
4.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，還包括顯示模塊，連接到所述數據分析模塊，用于顯示監測到的待測氣體的信息。
5.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于 所述樣品室為單一樣品室或多次反射樣品室。
6.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于所述激光器為半導體分布反饋式激光器或半導體垂直腔面發射激光器。
7.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述激光控制模塊包括 溫度控制單元，連接到所述激光器，用于控制所述激光器的工作溫度； 電流控制單元，連接到所述激光器，用于調制通過所述激光器的電流。
8.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，當測量煤礦瓦斯時，所述特定波長為 1310nm 1345nm、1630 1700nm、2150nm 2450nm 或 3130nm 3500nm 區域中的任意波長。
9.一種煤礦瓦斯監測方法，其特征在于，包括 向樣品室發射出特定激光束；接收通過所述樣品室中樣品氣體的透射信號； 將所述透射信號轉換為待測氣體吸收光譜； 分析所述待測氣體吸收光譜得到待測氣體的信息。
10.根據權利要求9所述的方法，其特征在于，將所述透射信號轉換為待測氣體吸收光譜，包括將所述透射信號由光信號轉換為電信號；放大所述透射信號，并解調放大后的透射信號，得到待測氣體吸收光譜。
11.一種煤礦瓦斯監測方法，其特征在于，包括將低頻鋸齒波和高頻正弦波疊加后驅動激光器向樣品室發射特定激光束； 獲取通過所述樣品室中待測氣體的包含高頻信息的透射信號； 將所述透射信號轉換為待測氣體吸收光譜；獲取吸收光譜譜線中的倍頻信號曲線； 分析所述倍頻信號的峰值得到待測氣體的信息。
12.根據權利要求11所述的方法，其特征在于，所述分析所述倍頻信號的峰值得到待測氣體的信息之前，還包括實時獲取樣品室的壓力和溫度值；根據所獲取到的壓力和溫度值修正所述倍頻信號曲線。
全文摘要
本發明公開了一種煤礦瓦斯監測裝置和監測方法，所述裝置包括激光器、信號探測器、激光器控制模塊、信號處理模塊、數據分析模塊和樣品室；所述激光器控制模塊連接到所述激光器，用于驅動所述激光器向所述樣品室中的樣品氣體發射特定波長的激光；所述信號探測器，用于獲取通過所述樣品室中樣品氣體的透射信號，并將所述透射信號發送到所述信號處理模塊；所述信號處理模塊，用于將所述透射信號轉換為待測氣體吸收光譜；所述數據分析模塊，用于分析所述待測氣體吸收光譜，得到待測氣體的信息。該監測方案不會受到水分、粉塵等其它因素的影響，能夠提高對煤礦瓦斯監測的精確度。
文檔編號G01N21/35GK102346133SQ201010246258
公開日2012年2月8日 申請日期2010年8月6日 優先權日2010年8月6日
發明者周欣 申請人:北京大方科技有限責任公司