专利名称：煤矿瓦斯监测装置和监测方法
技术领域：
本发明涉及环境监测领域，尤其涉及一种煤矿瓦斯监测装置和监测方法。
背景技术：
我国是世界上第一煤炭生产大国和消费大国，全国大小煤矿观000多处，国有重点煤矿中，高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井约占一半。瓦斯是煤矿安全生产的最大危害。全国煤矿重特大安全事故不断发生，新中国成立以来，煤矿共发生22起一次死亡百人以上事故， 其中20起为瓦斯(煤尘)事故，事故起数和死亡人数，分别占91%、93%。，给人民生命财产带来了巨大损失，在国内外造成严重影响。提高对煤矿作业场所瓦斯气体的监测检测水平和早期预警能力，是当前煤矿安全生产中的紧迫需求。目前我国普遍采用的煤矿瓦斯监测设备主要有两类，一类基于传统的催化燃烧方法，另一类主要采用红外光谱技术。基于催化燃烧技术的瓦斯监测设备存在较多缺点，如工作稳定性差，测量精度低，读数易漂移，使用寿命短、需要频繁校准等。此外，当被测气体含卤化物、硫、磷、砷等时会造成传感器的永久性或暂时性中毒，造成传感器的彻底损坏。这类设备一方面精度差、使用不方便，另一方面长期使用维护成本较高；基于红外光谱技术的设备通常采用钨丝或镍铬丝等发光元件作为光源，并用带通干涉滤光片对检测器的接收波长加以选择，带来光谱分辨率较低的缺陷。由于光谱分辨率低，测量易受到背景中其它气体的干扰，从而降低了测量的准确度与测量重复性。由于煤矿环境恶劣、含湿量大，被测气体中水蒸气和二氧化碳浓度会严重影响红外气体探测器的测量准确度。这是红外技术在煤矿瓦斯监测中存在的一个严重缺点。通过对现有技术的研究，发明人发现，这种采用催化燃烧及红外光谱技术的煤矿瓦斯监测方案中，因稳定性差，且易受到样品气体中水蒸气、粉尘等其它因素的干扰，造成了煤矿瓦斯监测的精确度较低，误报警率高。

发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种煤矿瓦斯监测的装置和监测方法，以在对煤矿瓦斯浓度进行监测时，减小水蒸气、粉尘和二氧化碳等其它因素的干扰，提高煤矿瓦斯监测的精确度。为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案—种煤矿瓦斯监测装置，包括激光器、信号探测器、激光器控制模块、信号处理模块、数据分析模块和样品室；所述激光器控制模块连接到所述激光器，用于驱动所述激光器向所述样品室中的样品气体发射特定波长的激光；所述信号探测器，用于获取通过所述样品室中样品气体的透射信号，并将所述透射信号发送到所述信号处理模块；所述信号处理模块，用于将所述透射信号转换为待测气体吸收光谱；
所述数据分析模块，用于分析所述待测气体吸收光谱，得到待测气体的信息。优选的，所述信号处理模块包括信号放大单元，用于放大所述信号探测器获取到的透射信号；信号解调单元，用于解调放大后的透射信号，得到待测气体吸收光谱。优选的，所述装置还包括锁相放大电路，用于从待测气体吸收光谱中获取倍频信号曲线；所述数据分析模块通过分析所述倍频信号的峰值得到待测气体的信息。优选的，所述装置还包括显示模块，连接到所述数据分析模块，用于显示监测到的待测气体的信息。优选的，所述样品室为单一样品室或多次反射样品室。优选的，所述激光器为半导体分布反馈式激光器或半导体垂直腔面发射激光器。优选的，所述激光控制模块包括温度控制单元，连接到所述激光器，用于控制所述激光器的工作温度；电流控制单元，连接到所述激光器，用于调制通过所述激光器的电流。优选的，测量煤矿瓦斯浓度时，所述特定波长为1310nm 1345nm、1630 1700nm、2150nm 2450nm 或 3130nm 3500nm 区域中
的任意波长。相应于上述煤矿瓦斯监测装置，本发明还提供了一种煤矿瓦斯监测方法，包括向样品室发射出特定激光束；接收通过所述样品室中样品气体的透射信号；将所述透射信号转换为待测气体吸收光谱；分析所述待测气体吸收光谱得到待测气体的信息。优选的，将所述透射信号转换为待测气体吸收光谱，包括将所述透射信号由光信号转换为电信号；放大所述透射信号，并解调放大后的透射信号，得到待测气体吸收光谱。本发明还提供了另一种煤矿瓦斯监测方法，包括将低频锯齿波和高频正弦波叠加后驱动激光器向样品室发射特定激光束；获取通过所述样品室中待测气体的包含高频信息的透射信号；将所述透射信号转换为待测气体吸收光谱；获取吸收光谱谱线中的倍频信号曲线；分析所述倍频信号的峰值得到待测气体的信息。优选的，所述分析所述倍频信号的峰值得到待测气体的信息之前，还包括实时获取样品室的压力和温度值；根据所获取到的压力和温度值修正所述倍频信号曲线。应用本发明实施例所提供的技术方案，所提供的煤矿瓦斯监测装置和监测方法中，采用激光替代了现有技术中的红外光作为光源，由于激光具有优异的单色性，可选取单一的气体吸收光谱谱线作为测量的目标，因此本发明提供的煤矿瓦斯监测方案不会受到水分、粉尘等其它因素的影响，能够提高对煤矿瓦斯监测的精确度。此外，激光器与红外线发射器相比，具有高可靠性、高稳定性、不会漂移、不需频繁的定位和校准等优点。


为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本发明实施例一中提供的气体检测装置的结构示意图；图2为本发明实施例一中提供的直接吸收谱线和调制吸收谱线示意图；图3为本发明实施例二中提供的煤矿瓦斯监测方法的流程示意图；图4为本发明实施例三中提供的煤矿瓦斯监测方法的流程示意图。
具体实施例方式现有技术中所通常采用的红外光谱技术的煤矿瓦斯监测方案中，因红外线易受到样品气体中水蒸气、粉尘和二氧化碳等其它因素的干扰，造成了煤矿瓦斯监测的精确度较低。为解决本发明实施例提供了一种煤矿瓦斯监测装置，其特征在于，包括激光器、 信号探测器、激光器控制模块、信号处理模块、数据分析模块和样品室；所述激光器控制模块连接到所述激光器，用于驱动所述激光器向所述样品室中的样品气体发射特定波长的激光束；所述信号探测器，用于获取通过所述样品室中样品气体的透射信号，并将所述透射信号发送到所述信号处理模块；所述信号处理模块，用于将所述透射信号转换为待测气体吸收光谱；所述数据分析模块，用于分析所述待测气体吸收光谱，得到待测气体的信息。基于上述煤矿瓦斯监测装置，本发明实施例还提供了一种煤矿瓦斯监测方法，包括向样品室发射出特定激光束；接收通过所述样品室中样品气体的透射信号；将所述透射信号转换为待测气体吸收光谱；分析所述待测气体吸收光谱得到待测气体的信息。基于上述煤矿瓦斯监测装置，本发明实施例还提供了另一种煤矿瓦斯监测方法， 其特征在于，包括将低频锯齿波和高频正弦波叠加后驱动激光器向样品室发射特定激光束；获取通过所述样品室中待测气体的包含高频信息的透射信号；将所述透射信号转换为待测气体吸收光谱；获取吸收光谱谱线中的倍频信号曲线；分析所述倍频信号的峰值得到待测气体的信息。本发明具体实施例提供的煤矿瓦斯监测装置和监测方法，采用激光替代了现有技术中的红外光作为光源，由于激光具有优异的单色性，可选取单一的气体吸收光谱谱线作为测量的目标，因此本发明提供的煤矿瓦斯监测方案不会受到水分、粉尘等其它因素的影响，能够提高对待测气体监测的精确度。此外，激光器与红外线发射器相比，具有高可靠性、 高稳定性、不会漂移、不需频繁的定位和校准等优点。以上是本申请的核心思想，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例， 而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例一
图1为本发明实施例一提供的气体检测装置的一种结构示意图，该装置包括激光器101、信号探测器102、激光器控制模块103、信号处理模块104、数据分析模块105和样品室106。所述激光器控制模块103连接到所述激光器101，用于驱动所述激光器101向所述样品室106中的样品气体发射特定波长的激光。所述激光器101可以为可调谐二极管激光器，具体的可以为半导体分布反馈式激光器或半导体垂直腔面发射激光器。所述样品室106中通入样品气体。所述样品室106可以为单一样品室或多次反射样品室，所述多次反射样品室具体可以为两次反射样品室、Herriott型或White型多次反射样品室。采用多次反射样品室，可以提高测试路径的长度，提高测量精度和灵敏度。所述激光器控制模块103，可以通过改变激光器的操作温度和通过电流，来驱动激光器调制发射特定波长、频率和波形的激光，其中通常所采用的波形可以为锯齿波、三角波和正弦波。所述激光器控制模块具体可以包括温度控制单元103a，连接到所述激光器， 用于控制所述激光器的工作温度；电流控制单元103b，连接到所述激光器，用于调制通过所述激光器的电流，激光器输入电流的调整，不仅可以改变激光器的输出频率，同时调制激光器的输出波长扫描待测气体的吸收光谱谱线。通过激光器控制模块103控制激光器101 在特定的波长范围内连续调谐，使待测气体在该特定波长范围内具有吸收谱线。以当待测气体为甲烷为例，所述特定波长可以为1310nm 1345nm、1630 1700nm、2150nm 2450nm 或 3130nm 3500nm 区域中
的任意波长。具体的，可以选择任意但不局限于以下波长值中的任意一个作为甲烷气体的监测波长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。本发明实施例所提供的技术方案，不仅可以适用于煤矿瓦斯的检测，而且适用于如二氧化碳，一氧化碳，氧气，硫化氢，氨气等其它气体的检测。相应于某种待测气体，可以对应的选择相应的特定波长，在此不再赘述。所述信号探测器102，用于获取通过所述样品室中406样品气体的透射信号，并将所述透射信号发送到所述信号处理模块104。所述信号探测器102可以将所述透射信号由光信号转换为电信号。所述信号处理模块104，用于将所述透射信号转换为待测气体吸收光谱。为了提高煤矿瓦斯监测结果的精准度，在将透射信号转换为待测气体吸收光谱之前，还可以放大所述透射信号，因此，所述信号处理模块具体可以包括信号放大单元104a，用于放大所述信号探测器获取到的透射信号；信号解调单元104b，用于解调放大后的透射信号，得到待测气体吸收光谱。所述数据分析模块105，用于分析所述待测气体吸收光谱，得到待测气体的信息。
此外，如图1所示，本实施例提供的煤矿瓦斯监测装置还可以包括显示模块107， 连接到所述数据分析模块105，用于显示监测到的待测气体的信息。本发明实施例所提供的气体检测装置可采用直接吸收光谱技术或调制吸收光谱技术实现气体监测。当采用直接吸收光谱技术实现气体监测时，所述数据分析模块可基于如下方式得到待检测气体的浓度基于朗伯-比耳定律(Beer-Lambert’s law)的原理，朗伯-比耳定律描述了当单色光穿过均勻气体介质时透射光强和入射光强的关系。朗伯-比耳定律参见公式1
权利要求
1.一种煤矿瓦斯(甲烷)监测装置，其特征在于，包括激光器、信号探测器、激光器控制模块、信号处理模块、数据分析模块和样品室；所述激光器控制模块连接到所述激光器，用于驱动所述激光器向所述样品室中的样品气体发射特定波长的激光；所述信号探测器，用于获取通过所述样品室中样品气体的透射信号，并将所述透射信号发送到所述信号处理模块；所述信号处理模块，用于将所述透射信号转换为待测气体吸收光谱； 所述数据分析模块，用于分析所述待测气体吸收光谱，得到待测气体的信息。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述信号处理模块包括 信号放大单元，用于放大所述信号探测器获取到的透射信号；信号解调单元，用于解调放大后的透射信号，得到待测气体吸收光谱。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括锁相放大电路，用于从待测气体吸收光谱中获取倍频信号曲线； 所述数据分析模块通过分析所述倍频信号的峰值得到待测气体的信息。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括显示模块，连接到所述数据分析模块，用于显示监测到的待测气体的信息。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于 所述样品室为单一样品室或多次反射样品室。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述激光器为半导体分布反馈式激光器或半导体垂直腔面发射激光器。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述激光控制模块包括 温度控制单元，连接到所述激光器，用于控制所述激光器的工作温度； 电流控制单元，连接到所述激光器，用于调制通过所述激光器的电流。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，当测量煤矿瓦斯时，所述特定波长为 1310nm 1345nm、1630 1700nm、2150nm 2450nm 或 3130nm 3500nm 区域中的任意波长。
9.一种煤矿瓦斯监测方法，其特征在于，包括 向样品室发射出特定激光束；接收通过所述样品室中样品气体的透射信号； 将所述透射信号转换为待测气体吸收光谱； 分析所述待测气体吸收光谱得到待测气体的信息。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，将所述透射信号转换为待测气体吸收光谱，包括将所述透射信号由光信号转换为电信号；放大所述透射信号，并解调放大后的透射信号，得到待测气体吸收光谱。
11.一种煤矿瓦斯监测方法，其特征在于，包括将低频锯齿波和高频正弦波叠加后驱动激光器向样品室发射特定激光束； 获取通过所述样品室中待测气体的包含高频信息的透射信号； 将所述透射信号转换为待测气体吸收光谱；获取吸收光谱谱线中的倍频信号曲线； 分析所述倍频信号的峰值得到待测气体的信息。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述分析所述倍频信号的峰值得到待测气体的信息之前，还包括实时获取样品室的压力和温度值；根据所获取到的压力和温度值修正所述倍频信号曲线。
全文摘要
本发明公开了一种煤矿瓦斯监测装置和监测方法，所述装置包括激光器、信号探测器、激光器控制模块、信号处理模块、数据分析模块和样品室；所述激光器控制模块连接到所述激光器，用于驱动所述激光器向所述样品室中的样品气体发射特定波长的激光；所述信号探测器，用于获取通过所述样品室中样品气体的透射信号，并将所述透射信号发送到所述信号处理模块；所述信号处理模块，用于将所述透射信号转换为待测气体吸收光谱；所述数据分析模块，用于分析所述待测气体吸收光谱，得到待测气体的信息。该监测方案不会受到水分、粉尘等其它因素的影响，能够提高对煤矿瓦斯监测的精确度。
文档编号G01N21/35GK102346133SQ201010246258
公开日2012年2月8日 申请日期2010年8月6日 优先权日2010年8月6日
发明者周欣 申请人:北京大方科技有限责任公司