一种甲烷浓度检测系统的制作方法

本发明涉及气体浓度检测领域，尤其涉及一种甲烷浓度检测系统。

背景技术：

随着智能化在采矿行业的普及，采矿行业的各项工作都已实施智能化。瓦斯作为煤矿五大自然灾害之一，瓦斯突出对煤矿的安全生产造成极大危险，因此如何智能检测瓦斯是现代采矿急需解决的问题。

矿井下瓦斯的主要成分是甲烷(ch4)，是重要的工业原料和生活日常的燃气，在空气中极易发生爆炸，是煤矿事故中的首要危害，在大气中爆炸的下限为5.3％，上限为15％，同时被认为是温室效应最主要的气体之一。因此井下甲烷浓度实时监测是一项重大安全问题。目前检测甲烷气体浓度的方法有半导体型、接触燃烧型、电化学型和光学型等类型；这些类型的检测装置检测准确度、灵敏度低，响应缓慢、容易受到电磁干扰、耐腐蚀性差、可靠性低。

技术实现要素：

本发明旨在解决上述现有技术存在的问题之一，本发明的目的在于提出一种甲烷浓度检测方法的检测系统，该检测系统检测准确度、灵敏度高，响应迅速、抗电磁干扰、耐腐蚀、防爆、可靠性高以及可远程操控。

为了实现上述目的，根据本发明的一种甲烷浓度检测系统，

包括：

光源，设置在地面上，用于产生光信号；

设置在矿井下的多个个光纤，多个光纤之间彼此并联连接且形成第一耦接点和第二耦接点，其中第一耦接点通过光缆与所述光源相耦接；

多个光纤光栅，与所述光纤相对应设置，且与对应的光纤相连接；

光纤光栅解调器，其通过光缆与所述第二耦接点相耦接；以及

计算机，与所述光纤光栅解调器相耦接，用于根据接收的所述光信号计算所述矿井下甲烷的浓度；

其中，第一耦接点和第二耦接点均设置光纤耦合器。

具体地，由光源产生光信号，光信号沿着光缆传播至第一耦合点处的光纤耦合器，光信号沿着多个光纤传播至第二耦合点处的光纤耦合器，然后沿着光缆输送至光纤光栅解调器，最后由光纤光栅解调器将数据输送至计算机处；当矿井下光纤光栅所处的检测位置甲烷气体浓度发生变化时，光纤光栅的折射率发生变化改变光信号的折射方向从而形成新的光信号，新的光信号通过光缆传输至地面的光纤光栅解调器内，由光纤光栅解调器对新的光信号进行解调并传输到计算机中，由计算机通过折射率的变化推算出矿井下甲烷气体的浓度；该检测系统检测准确度、灵敏度高，响应迅速、抗电磁干扰、耐腐蚀、防爆、可靠性高以及可远程操控。

在本发明的一个示例中，还包括：

测试盒，所述测试盒内部限定出测试腔室，所述测试腔室套设在所述光纤光栅的外侧；

其中，所述测试盒上设有与测试腔室相连通的第一通气口和第二通气口，且所述第一通气口和所述第二通气口上均安装有过滤器。

在本发明的一个示例中，

所述第一通气口和所述第二通气口处均安装有过滤器。

在本发明的一个示例中，

还包括：

具有导气腔室且两端敞开的导气管道，所述导气管道位于所述测试腔室内且导气腔室套设在所述光纤光栅的外侧，所述导气管道的两端分别与第一通气口处的过滤器和第二通气口处的过滤器相连通。

在本发明的一个示例中，

所述导气管道包括：

第一半管道，所述第一半管道具有第一半管腔和第一连接孔；

第二半管道，所述第二半管道具有第二半管腔和第二连接孔；

所述第一半管道和所述第二半管道通过连接第一连接孔和第二连接孔的紧固件彼此连接，使得所述第一半管腔和所述第二半管腔对应共同形成所述导气腔室。

在本发明的一个示例中，

还包括定位机构，所述定位机构包括：

定位块，所述定位块形成在所述第一半管道上；

定位槽，所述定位槽形成在所述第二半管道上且配合在所述定位块上。

在本发明的一个示例中，所述第一通气口和所述第二通气口设置在所述测试腔室的相对侧且彼此设置在远离对方的一侧。

在本发明的一个示例中，所述光纤穿设于所述测试盒的测试腔室，且与所述测试盒之间通过密封圈密封连接。

在本发明的一个示例中，还包括：

多个报警器，与多个光纤一一对应，且耦接在所述光纤光栅与所述第二耦接点之间。

在本发明的一个示例中，所述光纤光栅通过氢氟酸腐蚀其表面制作而成。

下文中将结合附图对实施本发明的最优实施例进行更加详尽的描述，以便能容易理解本发明的特征和优点。

附图说明

图1为根据本发明实施例的甲烷气体浓度检测系统结构示意图；

图2为根据本发明实施例的测试盒与光纤连接的结构示意图；

图3为根据本发明实施例的导气管道的结构示意图；

图4为根据本发明实施例的甲烷气体浓度检测方法流程图。

附图标记：

检测系统100；

光源10；

光纤20；

光纤光栅30；

光纤光栅解调器40；

计算机50；

光纤耦合器60；

测试盒70；

第一通气口71；

第二通气口72；

导气管道73；

导气腔室73a；

第一半管道731；

定位块7311；

第一半孔7312；

第一半管腔731a；

第一连接孔731b；

第一连接端面731c；

第二半管道732；

定位槽7321；

第二半孔7322；

第二半管腔732a；

第二连接孔732b；

第二连接端面732c；

紧固件733；

测试腔室70a；

过滤器80；

报警器90；

光缆110；

第一耦接点a；

第二耦接点b。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

参考附图提供以下描述，以助于对权利要求所限定的本发明的各种实施例的全面理解。其包含各种特定的细节以助于该理解，但这些细节应当被视为仅是示范性的。相应地，本领域普通技术人员将认识到，在不背离由随附的权利要求所限定的本发明的范围的情况下，可以对本文所描述的各种实施例做出变化和改进。此外，为了清楚和简洁起见，可能省略对熟知的功能和构造的描述。

对本领域技术人员显而易见的是，提供对本发明的各种实施例的下列描述，仅是为了解释的目的，而不是为了限制由随附的权利要求所限定的本发明。

本发明中所使用的术语集仅是为了描述特定实施例的目的，而并非意在限制本发明。单数的表述包含复数的表述，除非在其间存在语境、方案上的显著差异。

除非另有限定，本文中所使用的全部术语(包含技术术语与科学术语)具有与本申请所属的技术领域的普通技术人员所通常理解的相同含义。还应理解的是，术语(比如常用词典中限定的那些术语)，应解释为具有与相关领域和本说明书的上下文中一致的含义，并且不应以理想化或过于形式化的意义来解释，除非在本文中明确地这样限定。

为了实现上述目的，根据本发明的一种甲烷浓度检测系统100，如图1～图3所示，

包括：

光源10，设置在地面上，用于产生光信号；

设置在矿井下的多个个光纤20，多个光纤20之间彼此并联连接且形成第一耦接点a和第二耦接点b，其中第一耦接点a通过光缆110与所述光源10相耦接；

多个光纤光栅30，与所述光纤20相对应设置，且与对应的光纤20相连接；

光纤光栅解调器40，其通过光缆110与所述第二耦接点b相耦接；以及

计算机50，与所述光纤光栅解调器40相耦接，用于根据接收的所述光信号计算所述矿井下甲烷的浓度；

其中，第一耦接点a和第二耦接点b均设置光纤耦合器60。

可以理解的是，由光源10产生光信号，光信号沿着光缆110传播至第一耦合点处的光纤耦合器60，光信号沿着多个光纤20传播至第二耦合点处的光纤耦合器60，然后沿着光缆110输送至光纤光栅解调器40，最后由光纤光栅解调器40将数据输送至计算机50处；当矿井下光纤光栅30所处的检测位置甲烷气体浓度发生变化时，光纤光栅30的折射率发生变化改变光信号的折射方向从而形成新的光信号，新的光信号通过光缆110传输至地面的光纤光栅解调器40内，由光纤光栅解调器40对新的光信号进行解调并传输到计算机50中，由计算机50通过折射率的变化推算出矿井下甲烷气体的浓度；该检测系统检测准确度、灵敏度高，响应迅速、抗电磁干扰、耐腐蚀、防爆、可靠性高以及可远程操控。需要指出的是，地面上的甲烷气体浓度为已知量，预先存储于计算机中。

在本发明的一个示例中，还包括：

测试盒70，所述测试盒70内部限定出测试腔室70a，所述测试腔室70a套设在所述光纤光栅30的外侧；

其中，所述测试盒70上设有与测试腔室70a相连通的第一通气口71和第二通气口72；

将光纤光栅30设置在测试盒70内可以使光纤光栅30更加准确地对矿井下的甲烷气体进行检测，而且可以对光纤光栅30起到保护作用，为光纤光栅30提高矿井下检测场所。

在本发明的一个示例中，

所述第一通气口71和所述第二通气口72处均安装有过滤器80；

通过设置过滤器80可以将矿井下气体中的二氧化碳、粉尘等杂质过滤掉，从而避免杂质影响光纤光栅30测量的精度。

在本发明的一个示例中，

还包括：

具有导气腔室73a且两端敞开的导气管道73，所述导气管道73位于所述测试腔室内且导气腔室73a套设在所述光纤光栅的外侧，所述导气管道73的两端分别与第一通气口处的过滤器和第二通气口处的过滤器相连通；

通过设置导气管道73可以使得矿井下空气和甲烷的混合气体由第一通气口或第二通气口进入导气管道73内，并由位于导气管道73内的光纤光栅对混合气体进行检测，通过设置导气管道73可以便于混合气体的流动，而且可以减小光纤光栅的检测空间，使得光纤光栅检测更加准确。

在本发明的一个示例中，

所述导气管道73包括：

第一半管道731，所述第一半管道731具有第一半管腔731a和第一连接孔731b；

第二半管道732，所述第二半管道732具有第二半管腔732a和第二连接孔732b；

所述第一半管道731和所述第二半管道732通过连接第一连接孔731b和第二连接孔732b的紧固件733彼此连接，使得所述第一半管腔731a和所述第二半管腔732a对应共同形成所述导气腔室73a；

具体地，第一半管道731具有第一连接端面731c，第二半管道732具有第二连接端面732c，且所述第一连接端面731c和第二连接端面732c均为平面，通过紧固件733可以使得第一连接端面731c和第二连接端面732c相互贴合；这里紧固件733可以为螺栓、螺钉、铆钉等。

更加具体地，在第一半管道731上的两侧设有第一半孔7312，在与第二半管道732与所述第一半管道731的第一半孔7312相对的位置设置第二半孔7322，由第一半孔7312和第二半孔7322共同形成通孔，所述通孔适于与所述光纤20配合；为了提高导气腔室73a的密封性，在通孔与光纤20之间还套设有密封圈。

在本发明的一个示例中，

还包括定位机构，所述定位机构包括：

定位块7311，所述定位块7311形成在所述第一半管道731上；

定位槽7321，所述定位槽7321形成在所述第二半管道732上且配合在所述定位块7311上；

具体地，所述第一半管道731的第一连接端面731c的外周沿处设有凹部，所述凹部沿着第一半管道731周向间隔设置，且相邻的两个凹部形成所述定位块7311；所述第二半管道732的第二连接端面732c的外周处设有凸部，所述凸部沿着所述第二半管道732的周向间隔设置且相邻的两个凸部形成所述定位槽7321。

所述凹部与所述第一半管道731一体成型，且所述凹部通过沿着所述第一半管道731的外周沿一部分形成；所述凸部与所述第二半管道732一体成型。

更加具体地，定位槽7321沿着第一连接端面731c的周向间隔设置，定位块7311沿着第二连接端面732c的周向间隔设置，且定位块7311与定位槽7321一一对应，通过设置定位机构可以便于导气管道73的安装与连接。

可以理解的是，由于测试盒70设于所述导气管道73的外侧，可以对光纤光栅30、导气管道73起到保护作用，为了便于安装和拆卸，测试盒73的结构可以与所述导气管道73类似，在光纤20穿过这里不再赘述。

在本发明的一个示例中，还包括：

多个报警器90，与多个光纤20一一对应，且耦接在所述光纤光栅30与所述第二耦接点b之间；

也就是说，多个光纤20中的每一路均设置一个报警器90，从而当并联的多个光纤光栅30中的一个检测到检测点的甲烷气体浓度大于甲烷气体预设浓度时，会由与该光纤光栅30串联的报警器90进行报警提示；

具体地，当矿井下光纤光栅30所处的检测位置甲烷气体浓度发生变化时，光纤光栅30的折射率发生变化改变光信号的折射方向从而形成新的光信号，新的光信号通过光缆110传输至地面的光纤光栅解调器40内，由光纤光栅解调器40将折射率的变化的矿井下甲烷气体浓度信号传到计算机50中，由计算机50将甲烷气体浓度信号反馈给报警器90，其中，当甲烷气体浓度大于甲烷气体预设浓度时，报警器90产生报警。该检测系统检测准确度、灵敏度高，响应迅速、抗电磁干扰、耐腐蚀、防爆、可靠性高以及可远程操控。

在本发明的一个示例中，所述光纤20穿设于所述测试盒70的测试腔室70a，且与所述测试盒70之间通过密封圈密封连接；

具体地，在测试盒70上设有在一条直线上的第一穿设孔和第二穿设孔，在第一穿设孔和第二穿设孔内均设有密封圈，所述光纤20依次穿过所述第一穿设孔和所述第二穿设孔的密封圈，通过设置密封圈可以防止矿井下的气体由光纤20与测试盒70的连接处进入测试腔室70a内，即防止杂质由第一穿设孔和第二穿设孔进入测试腔室70a，从而影响光纤光栅30测量的精确性。

在本发明的一个示例中，所述第一通气口71和所述第二通气口72设置在所述测试腔室70a的相对侧且彼此远离对方，即所述第一通气口71和所述第二通气口72设置在所述测试腔室70a的相对侧且彼此错开，使得矿井下空气由第一通气口71进入测试腔室70a内后必经过光纤光栅30，然后由第二通气口72排出，或者由第二通气口72进入测试腔室70a内，然后由第一通气口71排出；这样由测试盒70形成的测试腔室70a内的甲烷气体浓度与矿井下的甲烷气体浓度高度一致。

在本发明的一个示例中，所述光纤光栅30通过氢氟酸腐蚀光纤光栅30表面制作而成，例如，制作后直径为800nm的微纳光纤光栅30灵敏度可达993nm/riu，相比于包层蚀刻的光纤光栅30灵敏度增加了10倍。相比于加工前具有灵敏度高、耐腐蚀、防爆和易远程操控等特点。

根据本发明的一种甲烷浓度检测方法，如图4所示，包括如下步骤：

s10：获得地面上的空气与甲烷气体混合的折射率；

s20：通过光纤光栅30检测光纤光栅30在矿井下空气与甲烷气体混合的折射率；

s30：根据矿井下空气与甲烷气体混合的折射率与地面上空气与甲烷气体混合的折射率的变化计算出矿井下甲烷气体的浓度。

具体地，本发明是根据光纤光栅30分别在地面和煤矿井下波长的变化量来推导出甲烷气体由地面到煤矿井下的折射率的变化，根据折射率的变化测定井下甲烷浓度是否超标，在井下不同位置预定不同的甲烷浓度报警值。

具体地的计算原理如下：

均匀周期的光纤光栅30中心波长(布拉格波长)满足：

λb＝2neffλ(1)

式中：λb为光纤中心波长，neff为有效折射率，λ光栅周期。

由(1)式可知，中心波长是随neff和λ改变的。光纤光栅30所处外界介质的折射率发生变化，可导致光纤光栅30纤芯的有效折射率neff发生变化。波长漂移的幅度δλb与纤芯有效折射率的改变量δneff的关系为

δλb＝2δneffλ(2)

根据式(2)以及波长和折射率的关系可以推导出：

δλb＝2λ·kn·δn1＝k·δn1(3)

式中:δn1为环境包层的折射率变化量；k为微纳光纤光栅30的谐振波长随环境折射率变化的灵敏度。k是栅格周期λ和有效折射率随环境包层折射率变化的灵敏度kn的函数。当某种已知待测液体和气体的浓度发生变化时，其折射率也会发生改变，一般情况下与其质量浓度c呈线性变化。设折射率变量δn1与浓度变量δc之间的系数为kc，则

δn1＝kc·δc(4)

式中：kc取决于气体的种类，且

所以(4)变为：

根据在矿井下各个位置的甲烷报警浓度的不同，将各处的甲烷浓度报警值设置准确，根据空气和甲烷的混合折射率：

c1na+c2nb＝nc(6)

c1+c2＝1(7)

式中：na为空气折射率，nb为甲烷折射率，nc是混合后的气体折射率，c1为空气浓度，c2为甲烷浓度。

当甲烷浓度测试警报器放在地面时，设定甲烷与空气的变化基点，甲烷浓度c2为0.02％，c1为99.8％，甲烷和空气的浓度是生产设备过程中，为了让设备精准度更高预先调试的数据，不随设备一同进入井下，则在地面时，混合空气的折射率nc1为：

0.02％nb+99.98％na＝nc1(8)

甲烷浓度测试警报器放置井下，当甲烷浓度过高，警报器鸣笛时的折射率nc2为：

c2nb+c1na＝nc2(9)

那么变化的折射率δn1＝nc2-nc1

δn1＝c2nb+c1na-0.02％nb-99.98％na

δn1＝(c2-0.02％)(nb-na)

在本发明的一个示例中，根据以下公式计算矿井下所述甲烷气体浓度：

式中，c2为矿井下甲烷气体浓度；δλb为波长飘移的幅度；k为栅格周期λ和有效折射率随环境包层折射率变化的灵敏度kn的函数；0.02％为地面上甲烷气体的浓度。

在本发明的一个示例中，还包括：

当检测到矿井下甲烷气体浓度大于甲烷气体预设浓度值时产生报警，也就是说，甲烷气体预设浓度值为矿井下甲烷气体安全临界值，当计算出的甲烷气体浓度大于甲烷气体预设浓度值时，会产生报警以提示矿井下的安全作业。

在本发明的一个示例中，所述步骤s20包括：

通过光纤光栅30同时对矿井下多个检测点进行检测，当其中一个检测点处的甲烷气体浓度大于甲烷气体预设浓度时，均会产生报警；

具体地，在矿井下设置多个检测点可以更加准确地检测矿井下的甲烷气体浓度，只要其中一个检测点处的甲烷气体浓度大于甲烷气体浓度预设值，就会产生报警，从而使得矿井下的报警更加安全可靠。

以上所述仅是本发明的示范性实施方式，而非用于限制本发明的保护范围，本发明的保护范围由所附的权利要求确定。

本领域技术人员可以理解的是，上文中描述的本发明的多个实施例中的各个特征可以相应地省去、添加或者以任意方式组合。并且，本领域技术人员能够想到的简单变换方式以及对现有技术做出适应性和功能性的结构变换的方案，都属于本发明的保护范围。

虽然已经参考各种实施例示出和描述了本发明，但本领域技术人员应当理解的是，可以在其中做出形式和细节上的各种改变，而不背离由随附的权利要求所限定的本发明的范围。