一种差分吸收式光纤瓦斯传感系统

基于差分吸收法,研究了一种光纤瓦斯传感系统.采用双波长参考测量法,选取输出波长为1551nm的分布式反馈半导体激光器作为参考光源,输出波长为1 653nm的激光器作为甲烷气体的吸收峰处光源,通过改变甲烷气体吸收峰处激光器的输出波长,使其扫描到甲烷气体的吸收峰,通过比较吸收峰处和没有吸收峰处的光功率,测得甲烷气体浓度的分辨率达到0.038%.实验结果表明该系统的分辨率高、稳定性好、抗干扰能力强,可用于对煤矿瓦斯气体的检测.     

基于波长扫描的差分吸收光纤煤矿瓦斯传感系统设计

以1330 nm波段的超辐射发光二极管为光源,利用可调谐光纤法珀滤波器为滤光元件,设计了一套光纤煤矿瓦斯传感系统,该系统采用了参考测量方法和差分吸收技术:一路参考光被引出用以消除光源波动的影响:扫描光纤法珀滤波器获得信号光波长和参考光波长,在实现差分吸收测量的同时,避免了不同滤光元件性能差异和中心波长漂移的影响,实验结果表明,所设计的光纤煤矿瓦斯传感系统的最低可探测甲烷浓度为0.15％.     

基于波长扫描的差分吸收光纤煤矿瓦斯传感系统设计

以1 330 nm波段的超辐射发光二极管为光源,利用可调谐光纤法珀滤波器为滤光元件,设计了一套光纤煤矿瓦斯传感系统.该系统采用了参考测量方法和差分吸收技术:一路参考光被引出用以消除光源波动的影响;扫描光纤法珀滤波器获得信号光波长和参考光波长,在实现差分吸收测量的同时,避免了不同滤光元件性能差异和中心波长漂移的影响.实验结果表明,所设计的光纤煤矿瓦斯传感系统的最低可探测甲烷浓度为0.15%.     

基于光谱吸收型光纤传感器的煤矿瓦斯测量技术

甲烷是瓦斯的主要成分,是易燃易爆的气体。介绍了瓦斯的光谱特性以及光谱吸收法测量甲烷气体浓度的原理,给出了光谱吸收型光纤瓦斯气体传感器的主要进展和技术路径,包括差分吸收测量法和谐波吸收测量法。通过分析可看出,光谱吸收型光纤瓦斯传感器以其优良的特性得到了广泛关注,其中差分吸收法的抗干扰能力强,系统可靠性高,具有较强的工程应用价值。     

矿山地震、瓦斯突出、煤岩体破裂——煤矿安全中的科学问题

文章介绍了矿山地震和瓦斯突出等煤矿灾害及成因，并通过若干煤矿瓦斯突出和矿山地震的同震现象，论述了这些灾害在动力过程中的内在关系．这些震例表明，在高瓦斯煤矿，矿山地震与瓦斯突出存在密切的相关．认为较大矿震加上瓦斯的低值延时响应可能是瓦斯突出的预警信号．建立矿震（冲击地压）与瓦斯突出联合监测和预警系统，是维护矿山安全，减轻矿山灾害的重要途径．从矿震定位、震源机制、矿震成因、瓦斯突出条件分析了矿震与瓦斯突出相关的机理．为矿震和瓦斯的联合监测和灾害预警提供了科学依据．进一步介绍了瓦斯流体对矿震的触发作用，尤其超临界流体的特殊性质在矿震发生中的重要作用．     

瓦斯/煤尘爆炸初期复合火焰加速及灾害强化机制分析

为了探明瓦斯/煤尘耦合爆炸灾害强化的产生机制,采用20 L球、高速纹影和PIV对瓦斯/煤尘爆炸初期复合火焰加速特性、压力变化进行了实验研究,并对其爆炸瞬间的流场特征进行了分析。结果表明:相比甲烷/空气爆炸,同一甲烷浓度下,瓦斯/煤尘爆炸初期火焰传播速度稍有降低,焰胞状结构减少,火焰上浮现象几乎消失;马克斯坦长度随甲烷浓度的增大而减小且均为正值,表明爆炸初期复合火焰发展趋于稳定,有利于煤尘粒子参与燃烧反应。甲烷浓度接近最佳当量浓度、煤尘粒径越小或煤尘质量浓度增加接近最佳浓度时能诱发复合火焰加速,导致爆炸威力增强。低浓度瓦斯/煤尘复合体系对煤尘质量浓度的提高更敏感,而随着煤尘浓度的增大,甲烷浓度对瓦斯/煤尘复合体系的影响逐渐降低。初始爆炸强度对瓦斯/煤尘复合体系有重要影响。9%瓦斯/煤尘爆炸体系由于初始爆炸强度高,复合火焰中心负压使多数煤尘粒子做向心运动,火焰前锋周围聚集了大量煤尘粒子,同时在火焰前锋周围形成的大量方向相反的大涡量旋涡,促进了煤尘表面与氧气的快速接触,加剧了燃烧反应。研究结果将为瓦斯/煤尘耦合爆炸灾害防治提供指导。     

基于棱镜气室的光纤甲烷传感系统的研究

综合运用棱镜气室与谐波检测技术,构建了适用于宽广浓度范围内的光纤甲烷检测系统。以大气环境为背景,基于比尔-朗伯(Beer-Lambert)定律在气体弱吸收时的近似表述,利用背景扣除和比值处理技术,实现了常压下甲烷不同浓度水平(0～20%)的检测。利用渐变折射率透镜(GRIN)气室测量了甲烷在不同浓度时的直接吸收谱,结合现有DFB-LD光源选择甲烷2ν₃带的R5支(1 648.212 nm)作为被测吸收峰。在不同浓度气体配置过程中,进行了系统的在线实验,结果表明系统示值与浓度变化间线性良好,而且系统的稳定性和动态响应特性比较理想。该系统可根据不同现场环境的甲烷浓度水平,选择适当强度的吸收线,通过步进电机调节棱镜中线间的距离,进而改变气室内有效吸收光程,拓展了仪器的应用领域,可作为煤矿巷道或天然气管道沿线的瓦斯监测仪器。     

基于光谱吸收的光纤甲烷监测系统在瓦斯抽采中的应用

研究了一种基于光谱吸收的光纤甲烷远程实时在线监测系统,分析了该系统在瓦斯抽采中的应用.该系统以1665nm波长半导体激光器作为光源,以单片机C8051F410为核心处理器,采用锯齿波信号实现了气体激光吸收光谱的波长调制,结合A/D转换电路、通讯电路和显示电路,可进行声光报警、LCD液晶显示等.利用内置参考池对激光波长漂移进行自适应调整,可以实现甲烷吸收线的锁定.该系统已在国内外建立多个示范工程,试验表明,该系统具有很好的稳定性,在0%～100%量程实现了分布式多点甲烷气体浓度的实时在线监测和显示,监测的灵敏度可达ppm量级,在煤矿瓦斯抽采领域具有广泛的应用前景.     

棱镜气室在光纤甲烷检测系统中的应用研究

棱镜气室相较于传统渐变折射率透镜(GRIN)气室在灵敏度调节性及抑制干涉噪声方面优势明显。基于比尔-朗伯(Beer-Lambert)定律在气体弱吸收时的近似表述,以大气环境为背景,利用背景扣除和谐波检测技术,实现了常压下甲烷不同体积分数水平(0~20%)的检测。依据实测的甲烷在不同体积分数时的直接吸收谱,结合现有分布反馈式激光二极管(DFB-LD)光源选择2ν3带的R5支(1648.212 nm)作为被测吸收峰。气体配置过程中的在线实验表明系统示值与体积分数变化间线性关系良好,而且系统的稳定性和动态响应特性理想。该系统可根据不同现场环境的甲烷体积分数水平,通过步进电机调节气室内有效吸收光程,动态调整系统灵敏度,可作为煤矿巷道或天然气管道沿线的瓦斯监测仪器。     

基于ZigBee的煤矿井下甲烷浓度检测系统设计

针对传统煤矿井下甲烷浓度采用工业总线检测方法的不灵活和存在盲点等问题,本文提出了一种基于ZigBee的煤矿井下甲烷浓度检测系统。系统采用ZigBee协议栈构建无线传感器通讯网络,该网络的终端节点感知和采集矿井甲烷的浓度,并将浓度数据通过无线传输至协调器,协调器再经过串口传输到地面的监控中心。详细介绍了检测系统的软硬件设计,并对系统进行了测试验证。     

封闭空间内瓦斯浓度对瓦斯爆炸反应动力学特性的影响

为了研究瓦斯浓度对瓦斯爆炸反应动力学特性的影响,利用定容反应器模型,对不同瓦斯浓度情况下的瓦斯爆炸反应进行了模拟研究。研究结果表明:随着初始瓦斯浓度的增加,瓦斯爆炸的最终温度先升后降,压力逐渐升高;·OH、H·和O·自由基摩尔分数先升后降;残余的CH4摩尔分数缓慢增加,O2摩尔分数缓慢减少至零。瓦斯爆炸的最佳反应浓度比化学计量浓度要高,大约在10%~12%之间,此时爆炸后体系中温度达到最大值。在化学当量比情况下,对甲烷和氧气的消耗、自由基(O·和H·)的生成起促进作用的关键基元反应步为R32、R38、R85、R118、R119、R155、R156、R157;对甲烷和氧气的产生、自由基(O·和H·)的消减起促进作用的关键基元反应步为R53、R158。     

多点瓦斯激光传感技术的研究

以甲烷为主要成分的瓦斯气体有易燃易爆特性,在进行高瓦斯矿采掘时极易发生瓦斯爆炸,实时监测矿井瓦斯浓度是煤矿安全预警的重要任务。利用基于波长调制的可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)的高灵敏度、高选择性、快速响应特点和光纤传感技术的抗电磁干扰、防燃防爆、可远程控制的优点实现了多点瓦斯的实时监测。分析研究了光强变化对气体浓度反演的影响,验证了I2f/I1f的方法能有效的减小监测浓度值的波动,系统瓦斯检测限<0.05%。     

基于可调谐半导体激光吸收光谱的瓦斯监测方法研究

瓦斯爆炸是煤矿安全的主要威胁,对瓦斯气体浓度进行准确、快速、实时监测和预警是治理瓦斯灾害的有效手段。实验研究了近红外半导体激光吸收光谱技术在煤矿瓦斯气体安全检测中的应用。系统光源采用的是1.65μm波长的近红外可调谐DFB激光器,使用了波长调制和二次谐波检测技术,通过光纤进行信号传输。系统检测限低于0.09%,气体浓度的检测速度最高可达到0.02s。研究表明:该技术具有实时、连续、快速、非接触检测的特点;现场无带电部件,具有多点分布式遥测的能力,能够满足煤矿瓦斯安全检测的要求。     

温度与CO气体耦合作用对瓦斯爆炸界限影响实验

针对煤矿火区封闭过程中常发生的瓦斯爆炸问题,运用20 L爆炸装置,实验研究了不同环境温度(25～200℃)和CO浓度(1%～10%,体积分数)条件下瓦斯的爆炸极限和最大爆炸压力。结果表明:单因素可燃性气体CO体积分数升高,瓦斯爆炸上限、下限均下降,爆炸极限范围变宽;温度升高,爆炸上限升高,下限下降;常压条件下,随着温度升高,爆炸上限与初始温度呈二次函数关系变化,爆炸下限与初始温度呈对数关系变化;瓦斯爆炸上限与下限爆炸压力随着初始温度升高均降低,随着CO体积分数升高均升高。多因素高温与CO气体耦合作用下,瓦斯爆炸上限升高,下限下降,瓦斯爆炸危险性增加;初始温度和CO气体对爆炸极限的耦合影响比单一因素的影响大,对爆炸上限的影响更为显著。     

O3对甲烷／空气着火过程的影响

本文基于零维均质着火系统研究了非平衡等离子中臭氧（O3）对甲烷／空气着火过程的影响，并通过化学反应路径分析揭示了O3促进甲烷／空气着火的化学反应机理。研究结果表明，O3促进甲烷／空气着火手要是通过化学反应动力学效应来实现的，热效应的影响十分有限。在不添加O3时，甲基的氧化速率缓慢，从而导致甲烷／空气不易着火；在添加O3...     

燃烧室冷却通道液态甲烷两相充填过程数值模拟

液氧甲烷发动机启动过程中,相比管路充填,液态甲烷充填燃烧室冷却通道存在更加剧烈的非稳态换热和相变过程。通过追踪充填界面,建立一维分相集总参数充填模型,采用满足扩散条件的相变模型和界面换热模型计算低温推进剂两相非稳态传质传热过程。基于燃烧室冷却通道挤压试验系统建立了仿真计算模型,进行了甲烷两相充填过程仿真计算。燃烧室喷注器前腔压力在充填过程中形成类似水击的压力峰,压力峰值为3.5 MPa。仿真结果与甲烷充填燃烧室冷却通道试验结果一致。通过降低冷却通道初始壁面温度和降低甲烷入口初始温度均能有效降低压力峰值。     

基于红外吸收光谱的瓦斯气体浓度检测技术

针对现有矿井瓦斯传感器的缺点,基于红外光谱吸收原理,采用差分吸收技术设计了红外瓦斯气体浓度探测系统。该系统采用单光路吸收气室和单光路双波长探测技术,利用差动放大电路为核心的微弱信号处理电路实现瓦斯浓度输出信号的检测,并采用线性关系式拟合瓦斯浓度和输出电压的关系曲线,实现了对瓦斯浓度的全量程精确探测。实验表明,该系统的测量误差小于2%,具有很高的测量精度,具备了煤矿应用的基础。     

基于Ring-down光学谐振腔的新型瓦斯传感器

提出将光谱吸收型传感技术和Ring-down光学谐振腔理论相结合的设计思路,将吸收光强与气体含量之间的定量关系与Ring-down光学谐振腔理论有机结合起来,设计了基于Ring-down光学谐振腔理论的光学瓦斯(甲烷)气体传感器气体吸收腔,以解决传统瓦斯传感器因为气体的谱宽很窄而难以提高微弱信号检测精度和灵敏度的问题....     

不同驱动力下瓦斯水合物生长过程Raman光谱特征

基于煤矿瓦斯(CH₄∶C₂H₆∶N₂=67.5∶22.5∶10)水合物相平衡曲线开展四种驱动力ΔP水合动力学实验,利用可见显微Raman光谱仪获取水合物生长过程光谱图,根据水合物相中C₂H₆ C-C键伸缩振动特征峰Raman位移确定了4组实验中水合物为sⅡ结构。基于van der Waals与Platteeuw模型获取瓦斯水合物生成过程中水合物相气体组分及水合指数变化规律。研究表明： 驱动力的大小影响水合物的稳定性,随着驱动力的增加,CH₄相比C₂H₆逐渐占据更多的孔穴结构,CH₄在水合物相内比例增加,水合物稳定性越强;瓦斯中N₂,CH₄和C₂H₆进入水合物孔穴优先级可以通过分子与水合物孔穴的直径比进行确定,分析认为在sⅡ水合物结构中小孔穴CH₄优先级最高,大孔穴C₂H₆最高;基于瓦斯水合物稳定性,对水合物生长过程客体分子的物质传递规律进行描述,为瓦斯水合物的微观生长提供理论基础。     

煤矿巷道瓦斯爆炸冲击波与高温气流的关系

 为了给瓦斯爆炸后煤尘二次爆炸的深入研究提供理论依据,应用计算流体力学方法,对煤矿巷道内瓦斯爆炸的瞬态流场进行了数值模拟,得到了冲击波与高温气流流动的时空关系,并借助实验对数值方法进行了验证。研究表明：在瓦斯爆炸后的一定时间内,近场区域和远场的部分区域极有可能引发煤尘二次爆炸。给出了可能发生煤尘二次爆炸的区域随瓦斯区长度的函数关系式,以及远场中峰值温度和峰值超压到达时间的间隔随轴向距离和瓦斯区长度的分布特性。