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（1.上海大屯能源股份有限公司江苏分公司综机管理中心 江苏 徐州 221611；2.太重煤机有限公司 山西 太原 030032）
[摘 要]TDLAS技术指的是利用二极管激光器的波长特性，扫描待测气体，从而获得待测气体特征曲线进而获得气体的浓度信息。介绍了瓦斯的远程遥测技术的系统构成，理论基础。讨论了气体的远程遥测技术在采煤机瓦斯保护模块上应用的可行性与必要性。
[关键词]可调谐半导体激光吸收光谱 气体远程遥测 瓦斯保护
中图分类号：TQ517.5 文献标识码：TQ 文章编号：1009―914X（2013）34―0534―02
1.引言
電气系统的瓦斯保护是煤矿安全的一个极其重要的项目。现阶段主要是通过将瓦斯传感器接入电气系统的控制回路中，当瓦斯含量超标时切断电气系统的供电。
采煤机的机载瓦斯传感器只能监测采煤机当前所处位置的瓦斯含量，且具有一定的延时性。尤其在煤层条件差矸石多的环境下高速运转的煤机滚筒与矸石剧烈碰撞很容易产生火花。采用气体的遥测技术对煤机行进方向瓦斯浓度进行提前监控可有效的预防采煤机工作过程中瓦斯事故的发生。
2.系统的必要性与可行性
2.1 煤矿瓦斯检测的原理
煤矿常用的瓦斯检测仪器按其原理分主要有：光干涉型、催化型、热导型、气敏半导体型。
光干涉型瓦斯检测仪易受氧气和二氧化碳含量的影响，也容易因温度和气压等影响产生误差。
催化性瓦斯检测装置是通过甲烷与氧气在载体催化剂作用下在元件表面发生热反应，使得元件温度升高电阻增大，通过测量电阻的增量进而测得甲烷的浓度。此类装置的测量范围偏小，容易受高浓度瓦斯和硫化物的中毒且存在零点和灵敏度漂移的问题。
热导型的瓦斯检测装置测得信号很小，且仪器受加工精度影响很大，对瓦斯浓度的反应不准确，很容易受水蒸气和氧气浓度的影响。
气敏半导体型是利用某些金属氧化物在特定的温度下吸附不同气体后电阻率将发生大幅度变化原理制成的。具有灵敏度高、能耗少、寿命长等优点，但其选择性很差，受水蒸气影响严重，且线性测量范围窄。
基于TDLAS的气体检测技术检测灵敏度高、检测下限低，通常能够达到ppbv～pptv级；探测范围宽、响应速度快、检测种类多，十分适合气体的大范围在线监测；监测成本和维护费用较之其它技术相对也不高。
2.2 采煤机瓦斯远程检测的必要性
瓦斯从煤、岩层涌出的形式主要有三种：
①缓慢、均匀、持久地从煤、岩暴露面和采落的煤炭中涌出，此种方式是矿内瓦斯的主要来源。
②在压力状态下的瓦斯，大量、迅速地从裂隙中喷出，即瓦斯喷出。
③短时间内煤、岩与瓦斯一起突然由煤层或岩层内喷出，即煤、岩和瓦斯突出。
在不发生瓦斯喷出与突出的情况下，采煤机工作面的瓦斯含量一般处在一个稳定或者缓慢变化的状态，在此条件下普通的机载瓦斯传感装置在不考虑其本身的延时性的条件下基本上能满足瓦斯的检测要求。而对于后两种突发性、短时间的瓦斯含量上升的状况则不适用。采煤机在运转过程中，尤其是在矸石比较多的煤层中行进时，滚筒与矸石剧烈碰撞，很容易产生火花。在瓦斯含量突变或者瓦斯浓度分布不均匀的情况下，机载瓦斯检测装置很难起到保护作用。通过瓦斯遥测技术对采煤机行进前方瓦斯浓度进行测量可有效的避免上述情况下事故的发生。
3.系统原理
4.系统结构
上图为系统的结构简图，根据TDLAS波长调制原理，在DSP的控制下，将叠加了高频正弦信号的锯齿波输入到控制激光器的激光电源上，使激光器输出调制光。调制光通过待测气体后射到反射靶后发生漫反射，漫反射光线经接收望远镜收集，传送到信号处理单元中的光探测器，并由探测器把光信号转换为电信号。探测器输出的电信号进入锁相放大器，被正弦信号的二倍频信号解调就得到与被测气体浓度相关的二次谐波信号的幅值。该二次谐波信号的幅值经DSP进行A/D采样后，经过背景扣除、浓度反演和累加平均等数据处理，便可精确计算出CH4的浓度。当所计算出的浓度超过其设定值时，气体检测单元会给采煤机的plc控制系统传送一个模拟量信号，plc立即动作切断采煤机的供电回路。
5.总结
以上研究表明采煤机机载瓦斯遥测装置具有其必要性，TDLAS 和二次谐波检测技术可以以相对简单的系统对气体浓度进行高速高精度测量，可实现遥测甲烷气体浓度的目的。能最大程度上预防瓦斯事故的发生。
参考文献
[1] Santon A，Hovde C. Near-infrared diode lasers measure greenhousegases [J]. Laser Focus World，1992，8：117-120.
[2] Sachse G W，Browell E，Airborne lasers accurately measure greenhouse gases [J]. Laser Focus World，1922.4：73-74.
[3] 韩小磊.基于TDLAS的天然气泄漏检测技术研究[D].北京：中国石油大学，2009.HAN X L. Study of technique for natural gas leak detection [D]. Beijing：China University of Petroleum，2009.
[4] 阚瑞峰，刘文清.可调谐二极管激光吸收光谱法测量环境空气中的甲烷含量[J].物理学报：2005，54（04）：1927-1930.
[5] 董凤[7]忠.可调谐二极管吸收光谱技术及其在大气质量检测中的应用[J].量子电子学报，2005，22（3）：316-318.DONG F ZH. TDLAS and its applications in the air quality testing [J]. Chinese Journal of Quantum Electronics，2005，22（3）：316-318.
[摘 要]TDLAS技术指的是利用二极管激光器的波长特性，扫描待测气体，从而获得待测气体特征曲线进而获得气体的浓度信息。介绍了瓦斯的远程遥测技术的系统构成，理论基础。讨论了气体的远程遥测技术在采煤机瓦斯保护模块上应用的可行性与必要性。
[关键词]可调谐半导体激光吸收光谱 气体远程遥测 瓦斯保护
中图分类号：TQ517.5 文献标识码：TQ 文章编号：1009―914X（2013）34―0534―02
1.引言
電气系统的瓦斯保护是煤矿安全的一个极其重要的项目。现阶段主要是通过将瓦斯传感器接入电气系统的控制回路中，当瓦斯含量超标时切断电气系统的供电。
采煤机的机载瓦斯传感器只能监测采煤机当前所处位置的瓦斯含量，且具有一定的延时性。尤其在煤层条件差矸石多的环境下高速运转的煤机滚筒与矸石剧烈碰撞很容易产生火花。采用气体的遥测技术对煤机行进方向瓦斯浓度进行提前监控可有效的预防采煤机工作过程中瓦斯事故的发生。
2.系统的必要性与可行性
2.1 煤矿瓦斯检测的原理
煤矿常用的瓦斯检测仪器按其原理分主要有：光干涉型、催化型、热导型、气敏半导体型。
光干涉型瓦斯检测仪易受氧气和二氧化碳含量的影响，也容易因温度和气压等影响产生误差。
催化性瓦斯检测装置是通过甲烷与氧气在载体催化剂作用下在元件表面发生热反应，使得元件温度升高电阻增大，通过测量电阻的增量进而测得甲烷的浓度。此类装置的测量范围偏小，容易受高浓度瓦斯和硫化物的中毒且存在零点和灵敏度漂移的问题。
热导型的瓦斯检测装置测得信号很小，且仪器受加工精度影响很大，对瓦斯浓度的反应不准确，很容易受水蒸气和氧气浓度的影响。
气敏半导体型是利用某些金属氧化物在特定的温度下吸附不同气体后电阻率将发生大幅度变化原理制成的。具有灵敏度高、能耗少、寿命长等优点，但其选择性很差，受水蒸气影响严重，且线性测量范围窄。
基于TDLAS的气体检测技术检测灵敏度高、检测下限低，通常能够达到ppbv～pptv级；探测范围宽、响应速度快、检测种类多，十分适合气体的大范围在线监测；监测成本和维护费用较之其它技术相对也不高。
2.2 采煤机瓦斯远程检测的必要性
瓦斯从煤、岩层涌出的形式主要有三种：
①缓慢、均匀、持久地从煤、岩暴露面和采落的煤炭中涌出，此种方式是矿内瓦斯的主要来源。
②在压力状态下的瓦斯，大量、迅速地从裂隙中喷出，即瓦斯喷出。
③短时间内煤、岩与瓦斯一起突然由煤层或岩层内喷出，即煤、岩和瓦斯突出。
在不发生瓦斯喷出与突出的情况下，采煤机工作面的瓦斯含量一般处在一个稳定或者缓慢变化的状态，在此条件下普通的机载瓦斯传感装置在不考虑其本身的延时性的条件下基本上能满足瓦斯的检测要求。而对于后两种突发性、短时间的瓦斯含量上升的状况则不适用。采煤机在运转过程中，尤其是在矸石比较多的煤层中行进时，滚筒与矸石剧烈碰撞，很容易产生火花。在瓦斯含量突变或者瓦斯浓度分布不均匀的情况下，机载瓦斯检测装置很难起到保护作用。通过瓦斯遥测技术对采煤机行进前方瓦斯浓度进行测量可有效的避免上述情况下事故的发生。
3.系统原理
4.系统结构
上图为系统的结构简图，根据TDLAS波长调制原理，在DSP的控制下，将叠加了高频正弦信号的锯齿波输入到控制激光器的激光电源上，使激光器输出调制光。调制光通过待测气体后射到反射靶后发生漫反射，漫反射光线经接收望远镜收集，传送到信号处理单元中的光探测器，并由探测器把光信号转换为电信号。探测器输出的电信号进入锁相放大器，被正弦信号的二倍频信号解调就得到与被测气体浓度相关的二次谐波信号的幅值。该二次谐波信号的幅值经DSP进行A/D采样后，经过背景扣除、浓度反演和累加平均等数据处理，便可精确计算出CH4的浓度。当所计算出的浓度超过其设定值时，气体检测单元会给采煤机的plc控制系统传送一个模拟量信号，plc立即动作切断采煤机的供电回路。
5.总结
以上研究表明采煤机机载瓦斯遥测装置具有其必要性，TDLAS 和二次谐波检测技术可以以相对简单的系统对气体浓度进行高速高精度测量，可实现遥测甲烷气体浓度的目的。能最大程度上预防瓦斯事故的发生。
参考文献
[1] Santon A，Hovde C. Near-infrared diode lasers measure greenhousegases [J]. Laser Focus World，1992，8：117-120.
[2] Sachse G W，Browell E，Airborne lasers accurately measure greenhouse gases [J]. Laser Focus World，1922.4：73-74.
[3] 韩小磊.基于TDLAS的天然气泄漏检测技术研究[D].北京：中国石油大学，2009.HAN X L. Study of technique for natural gas leak detection [D]. Beijing：China University of Petroleum，2009.
[4] 阚瑞峰，刘文清.可调谐二极管激光吸收光谱法测量环境空气中的甲烷含量[J].物理学报：2005，54（04）：1927-1930.
[5] 董凤[7]忠.可调谐二极管吸收光谱技术及其在大气质量检测中的应用[J].量子电子学报，2005，22（3）：316-318.DONG F ZH. TDLAS and its applications in the air quality testing [J]. Chinese Journal of Quantum Electronics，2005，22（3）：316-318.