甲烷气体浓度多点监测系统的研究与应用_孙黎波.pdf
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1、2082023 年第 5 期收稿日期 2022-10-17作者简介 孙黎波(1989),男,湖南桃园人,2016 年毕业于太原理工大学机械工程专业,专科,助理工程师,研究方向:机电工程。孙黎波:甲烷气体浓度多点监测系统的研究与应用孙黎波:甲烷气体浓度多点监测系统的研究与应用甲烷气体浓度多点监测系统的研究与应用孙黎波(西山煤电大数据中心,山西 太原 030053)摘 要 针对甲烷气体浓度多点变化的问题,以 TDLAS 检测气体浓度原理为依据搭建仿真系统,通过洛伦兹线型的气体吸收函数进行试验分析。基于 ZigBee 无线传输技术设计多个节点,并将监测点与上位机建立通信,实时上传并反馈甲烷浓度数据,
2、掌握井下情况。为了测试平台功能的稳定性及实用性,通过现场仿真,模拟 100 个监测节点的状态。结果证明,甲烷气体浓度多点监测系统有很强的实用价值,能有效提高矿井的安全性。关键词 甲烷气体浓度;多点监测系统;ZigBee 无线传输技术中图分类号 TD712+.3 文献标识码 B doi:10.3969/j.issn.1005-2801.2023.05.066Research and Application of Multipoint Monitoring System for Methane Gas ConcentrationSun Linbo(Xishan Coal Electricity B
3、ig Data Center,Shanxi Taiyuan 030053)Abstract:In view of the issue of multipoint changes in methane gas concentration,a simulation system is built based on the principle of TDLAS detection of gas concentration,and the Lorentz linetype function is used to fit the gas absorption rate.By using ZigBee w
4、ireless transmission technology,multiple nodes are designed,communication way between each monitoring point and the upper computer is established,and real-time methane concentration data is uploaded and fed back to grasp the underground situation.In order to test the stability and practicality of th
5、e platforms functionality,the status of 100 monitoring nodes was simulated through on-site simulation.The results show that the multipoint monitoring system for methane gas concentration has strong practical value and can effectively improve the safety of mines.Key words:methane gas concentration;mu
6、ltipoint monitoring system;ZigBee wireless transmission technology1 基本概况西山煤电的井下生产环境复杂,延伸面广,气体弥漫在空气中多个点浓度各不相同。随着气体在空气中的流动,各点的浓度也在发生改变。当甲烷气体的浓度高于 5%,低于 16%时,就会发生爆炸。考虑到此安全问题,企业生产中必须严格把瓦斯浓度控制在4%以下1-2。为了保证生产稳定向前推进,监测系统就要具有良好的可扩展性,而随着开采工作的进行,只监测单个点的气体浓度是不能满足当下需求的。要实时监控多个点的甲烷浓度,需设计甲烷浓度多点监测系统。该系统工作前提是要确定甲烷的
7、浓度范围,然后采用高灵敏度的传感器,合理有效地设置传感器的节点。这样既能全面监测井下环境,又能及时有效地反映井下甲烷浓度变化,反馈监测数据。2 TDLAS 直接吸收法仿真根据系统气体的吸收率对系统检测的影响进行仿真模拟,将 TDLAS 直接吸收光谱法运用于气体检测系统。由信号发生、气体吸收、信号接收三个模块搭建仿真系统,通过特定波长的激光穿过气体样品后,对气体吸收率会产生一定的影响。在进行拟合时,气体浓度与光的吸收率之间存在一定的函数关系,直接影响系统检测的灵敏度。合适的吸收线型函数是有效降低成本,提高工作效率的关键。2.1 信号发生模块通过调节电流和温度可以改变半导体激光器输出波长,相比温度
8、调节,电流调节激光器输出波长2092023 年第 5 期孙黎波:甲烷气体浓度多点监测系统的研究与应用孙黎波:甲烷气体浓度多点监测系统的研究与应用的方法更简单准确。通常情况下,在设计 TDLAS气体检测系统时,需要将激光器的温度保持在一个相对稳定的范围,通过电流来调整激光的输出波长,这使得它与待测量的气体的吸收线处于同一频率。当激光的波长由电流控制时,激光器的强度会随着时间的推移而变化。在实际模拟仿真中,我们将不考虑激光的温度效应,仅通过构建一个锯齿波来模拟激光的输出波长。基于真实条件下的激光电流和光强度之间的对应关系,按照正比关系,用同样的波形模拟激光的输出光强度。2.2 气体吸收模块气体监测
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