一种井下气体检测装置及方法

技术领域

本申请涉及光学测试装置技术领域，特别涉及一种井下气体检测装置及方法。

背景技术

在煤矿开采过程中事故频发，其中煤炭自燃发火是煤炭行业灾害的主要诱因，能否实施快速、准确地监测煤矿气体，对煤矿安全隐患进行早期预警，减少事故带来的伤亡与财产损失具有重大意义。煤矿井下特征气体具有致灾性与预警性，致灾性气体主要为甲烷、一氧化碳与二氧化碳，预警性是指气体的浓度及变化速率与事故之间的对应关系，预警性气体主要有氧气、氮气、乙烷、丙烷、正丁烷、乙烯、丙烯等。因此，煤炭自燃发火特征气体的种类有氧气、氮气、六氟化硫、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷、异丁烷、乙烯、丙烯。

目前，对于气体进行检测的方法主要有气相色谱法、电化学法、红外光谱法。气相色谱法具备重复性好、分析结果准确等优点，但是分析速度慢，无法应用在实时性要求高的场合。电化学法具备成本低、开发难度低等优点，可以对井下多种气体进行检测，但是对分子结构相近的气体进行检测时，易出现交叉干扰，无法准确预测气体浓度。红外光谱法具备分析速度快、分析种类多、维护成本、可在易燃易爆环境下工作，但是对于非极性分子的气体，由于在红外区间，气体的吸收率很低，无法对其进行定量分析。

因此，如何研制一套井下气体检测装置，并能对井下的气体进行快速准确的分析，是本领域的研究人员亟需解决的关键问题。

发明内容

本申请实施例提供了一种井下气体检测装置及方法，用以解决现有技术中单一检测技术存在的问题。

一方面，本申请实施例提供了一种井下气体检测装置，包括：

标准气体罐，用于存储标准气体；

电化学传感器阵列，与标准气体罐以及井下气体源连接，电化学传感器阵列用于对井下气体源输入的气体中的一部分进行浓度检测，获得相应的电压信号；

光谱仪，与标准气体罐以及井下气体源连接，光谱仪用于对井下气体源输入的气体中的另一部分进行浓度检测，获得相应的光谱数据；

数据分析处理单元，用于对电压信号和光谱数据进行分析，确定井下气体源输入的气体的浓度；

气相色谱仪，与井下气体源连接，气相色谱仪用于对井下气体源输入的气体进行浓度检测，由数据分析处理单元对气相色谱仪确定的气体浓度与根据电压信号和光谱数据确定的气体浓度进行比较，当比较误差超过误差阈值时，通过标准气体对电化学传感器阵列和光谱仪进行校准。

另一方面，本申请实施例还提供了一种井下气体检测方法，包括：

利用电化学传感器阵列对井下气体源输入的气体中的一部分进行浓度检测，获得相应的电压信号；

利用光谱仪用于对井下气体源输入的气体中的另一部分进行浓度检测，获得相应的光谱数据；

对电压信号和光谱数据进行分析，确定井下气体源输入的气体的浓度；

利用气相色谱仪对井下气体源输入的气体进行浓度检测；

对气相色谱仪确定的气体浓度与根据电压信号和光谱数据确定的气体浓度进行比较，当比较误差超过误差阈值时，通过标准气体对电化学传感器阵列和光谱仪进行校准。

本申请中的一种井下气体检测装置及方法，具有以下优点：

通过电化学法与红外光谱法分别对井下的极性与非极性的气体进行检测，通过气相色谱仪分析结果定期对传感器及红外光谱仪自动校准，有利于提高煤矿气体的检测种类与检测准确度，并且能够自动对井下气体进行检测，实现无人值守。

附图说明

为了更清楚地说明本申请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申请的一些实施例，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为本申请实施例提供的一种井下气体检测装置的组成示意图；

图2为本申请实施例提供的一种井下气体检测方法的流程图；

图3为本申请实施例提供的电压信号与浓度之间的拟合曲线图；

图4为本申请实施例提供的煤矿井下气体中不同成分在0.05％浓度下的吸光度光谱。

附图标号说明：1-第一气阀，2-第二气阀，3-背景气体罐，4-标准气体罐，5-气泵，6-除尘除湿装置，7-第一气体流量计，8-第二气体流量计，9-第三气阀，10-三通阀门，11-参数检测传感器，12-四通阀，13-电化学传感器阵列，14-气体池，15-光谱仪，16-气相色谱仪，17-第四气阀，18-第五气阀，19-第六气阀，20-工控机，21-数据分析处理单元，22-显示报警单元，23-数据库，24-服务器。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

图1为本申请实施例提供的一种井下气体检测装置的结构示意图。本申请实施例提供了一种井下气体检测装置，包括：

标准气体罐4，用于存储标准气体；

电化学传感器阵列13，与标准气体罐4以及井下气体源连接，电化学传感器阵列13用于对井下气体源输入的气体中的一部分进行浓度检测，获得相应的电压信号；

光谱仪15，与标准气体罐4以及井下气体源连接，光谱仪15用于对井下气体源输入的气体中的另一部分进行浓度检测，获得相应的光谱数据；

数据分析处理单元21，用于对电压信号和光谱数据进行分析，确定井下气体源输入的气体的浓度；

气相色谱仪16，与井下气体源连接，气相色谱仪16用于对井下气体源输入的气体进行浓度检测，由数据分析处理单元21对气相色谱仪16确定的气体浓度与根据电压信号和光谱数据确定的气体浓度进行比较，当比较误差超过误差阈值时，通过标准气体对电化学传感器阵列13和光谱仪15进行校准。

示例性地，标准气体罐4中存储的标准气体的浓度已知，且可以采用多个标准气体罐4分别存储多种不同浓度的标准气体。标准气体可以采用浓度较低的氧气、氮气、六氟化硫、一氧化碳、二氧化碳混合形成，例如，可以配置各组分气体的浓度为0.005％、0.01％等。

在本申请的实施例中，气相色谱仪16定时启动，例如每24小时启动一次，启动后将会当前输入的井下气体进行浓度检测，得到相应的色谱数据，数据分析处理单元21根据色谱数据确定气体浓度，然后计算该气体浓度与根据电压信号和光谱数据确定的气体浓度的误差，将该比较误差与预先设定的误差阈值进行比较，判断比较误差是否超过误差阈值，如果超过，说明电化学传感器阵列13和光谱仪15存在较大的误差，需要进行校准操作，否则不需要校准。对电化学传感器阵列13和光谱仪15进行校准时，将已知浓度的标准气体同时输入电化学传感器阵列13和光谱仪15，电化学传感器阵列13和光谱仪15对标准气体检测后产生相应的电压信号和光谱数据，数据分析处理单元21根据其确定测定浓度，然后将该测定浓度与已知浓度进行比较，确定电化学传感器阵列13和光谱仪15的误差，在测定误差的基础上根据该误差修正即可。由于标准气体的浓度有多种，因此可以采用不同浓度的标准气体对电化学传感器阵列13和光谱仪15进行多次校准，以提高电化学传感器阵列13和光谱仪15的准确性。

本申请中的光谱仪15为红外光谱仪，其能够检测甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷、异丁烷、乙烯、丙烯等分子结构近似的气体。电化学传感器阵列，用于检测氧气、氮气、六氟化硫、一氧化碳、二氧化碳等对称性或气体交叉干扰不明显的气体，相应地，电化学传感器阵列13包括氧气传感器、氮气传感器、六氟化硫传感器、一氧化碳传感器和二氧化碳传感器。上述电化学传感器阵列13和光谱仪15均可以设置在井下，而气相色谱仪16则可以设置在地面上，其通过束管与井下气体源连接。

本申请采用不同的检测方法可以解决红外光谱无法对非极性分子气体检测、电化学传感器法对分子结构相近气体检测交叉干扰严重问题，有利于提高煤矿井下气体的检测种类与检测准确度，气相色谱仪16定期启动可以对光谱仪15及电化学传感器阵列13进行校准。

进一步地，每个电化学传感器均具有相应的调理电路，在电化学传感器获得电信号后将由调理电路对电信号进行调理处理，包括对电信号的放大、滤波和模数转换等，形成数字信号形式的电压信号，然后通过串口或者其它通讯方式发送给数据分析处理单元21。

在一种可能得实施例中，还包括背景气体罐3，背景气体罐3与电化学传感器阵列13、光谱仪15以及气相色谱仪16分别连接，用于向电化学传感器阵列13、光谱仪15以及气相色谱仪16提供背景气体。

示例性地，背景气体用于降低光谱仪15的基线干扰。背景气体可以选择性价比较高的等对称性分子气体，浓度为100％，例如氦气、氮气。

进一步地，背景气体罐3、标准气体罐4的出口均与第一气体流量计7连接，除尘除湿装置6的出口与第二气体流量计8连接，工控机20可以读取第一气体流量计7与第二气体流量计8的流量数据。

在一种可能得实施例中，井下气体源通过四通阀12分别与电化学传感器阵列13、光谱仪15以及气相色谱仪16连接，井下气体源和四通阀12之间设置有除尘除湿装置8，除尘除湿装置8用于对井下气体源输入的气体进行除尘和除湿。

示例性地，井下气体源和除尘除湿装置6之间还设置有气泵5，该气泵5用于将井下气体输送至除尘除湿装置6中，进而逐步向后输送。

在一种可能得实施例中，还包括工控机20，标准气体罐4的出口、除尘除湿装置8和四通阀12之间、电化学传感器阵列13的出口、光谱仪15的出口以及气相色谱仪16的出口分别设置有气阀，工控机20与数据分析处理单元21以及每个气阀均电连接。

示例性地，工控机20与气阀、气泵5、光谱仪15、电化学传感器阵列13、气相色谱仪16均电连接，负责气路的控制、光谱数据的获取、电压信号的获取、色谱数据的获取以及将各项数据传输至数据分析处理单元21。

在本申请的实施例中，工控机20可以控制光谱仪15的参数，例如波数分辨率、扫描起始波数、扫描结束波数、扫描次数、光谱类型等，以自动获取光谱数据，并将获取的光谱数据通过TCP协议发送给数据分析处理单元21，数据分析处理单元21通过基线校正、变量选择、输入-输出模型获得甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷、异丁烷、乙烯、丙烯等分子结构近似的气体浓度。

具体地，在进行正式的浓度检测前，需要进行标定实验。在标定实验时，获取每个浓度对应的电压值，利用样条拟合、多项式等曲线拟合方法，可以为每个电化学传感器建立电压值与浓度之间的函数。

如图3所示，在标定实验获得浓度与电压值数据后，分别利用二次多项式、四次多项式、三次样条方法拟合浓度与电压值之间的函数表达式，选择预测结果最好的方法确定最终的电压值与浓度之间的函数。例如，选择四次多项式来对SF

将六氟化硫传感器获得的电压v

如图4所示，在通过光谱仪15获取井下气体的吸光度光谱数据后，采用基线校正方法对吸光度数据进行基线校正，以避免基线漂移对分析结果的影响。然后依据甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷、异丁烷、乙烯、丙烯的特征吸收峰，选择特征谱线。假设甲烷的特征谱线记作f

应理解，甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷、异丁烷、乙烯、丙烯的特征谱线可以是单个波数或多个波数的谱线代数组合。例如甲烷的特征谱线f

f

式中，A

获得气体的特征谱线后，可以按照如下公式得到各成分的气体浓度：

C

C

C

C

C

C

C

式中：C

f＝[f

C＝b×f

式中C为甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷、异丁烷、乙烯、丙烯的浓度向量。

进一步地，背景气体罐3的出口设置有第一气阀1，标准气体罐4的出口设置有第二气阀2，除尘除湿装置6和四通阀12之间设置有第三气阀9，电化学传感器阵列13、光谱仪15以及气相色谱仪16的出口分别设置有第四气阀17、第五气阀18和第六气阀19，工控机20与数据分析处理单元21、第一气阀1、第二气阀2、第三气阀9、第四气阀17、第五气阀18、第六气阀19、气泵5、第一气体流量计7、第二气体流量计8、电化学传感器阵列13、红外光谱仪15及气相色谱仪16分别电连接，各个气阀均具有驱动能力，即仅需要输入控制指令即可执行相应的动作。

工控机20发出控制信号打开第一气阀1、第四气阀17、第五气阀18、第六气阀19，关闭第二气阀2、第三气阀3，此时背景气体会通过气路流入至气体池14、电化学传感器阵列13以及气相色谱仪16中，以此计算背景气体的浓度值。当分析结果与背景气体浓度值一致时，记录此刻时间为t

V＝(t

式中，S

当需要对井下气体进行定量分析时，工控机20发出控制信号，关闭第一气阀1、第二气阀2，打开第三气阀9，工控机20控制气泵5工作，此时读取第二气体流量计8的气体流速，记作v

式中，S

在一种可能得实施例中，四通阀12内部设置有参数检测传感器11，参数检测传感器11用于对井下气体源输入的气体的环境参数进行检测，数据分析处理单元21根据电压信号和光谱数据确定的气体浓度后，还利用环境参数对气体浓度进行修正。

示例性地，参数检测传感器11也与工控机20电连接。环境参数可以采用温度、湿度、气压，该参数检测传感器11内置处理器，可以将环境参数发送给工控机20，工控机20再将状态参数发送给数据分析单元处理21，数据分析处理单元21可以依据环境参数对井下煤矿气体的浓度进行修正。

进一步地，参数检测传感器11可以为温度、湿度、压力传感器，温度、湿度传感器可以选型为SHT11，其响应时间为8秒，压力传感器可以选型为CPS120，其响应时间小于1秒。由于气路中各个组分的浓度受到温度、压力影响，因此经过温度和压力补偿后能够将井下气体的浓度统一至标况状态下，使得检测结果更具有实际意义。

在一种可能得实施例中，光谱仪15内部具有气体池14，气体池14用于存储标准气体或井下气体源输入的气体，气体池14内部设置有锥形凸起结构。

示例性地，气体池14具有一个进气口和出气口，进气口与四通阀12相连，出气口与第五气阀18相连，电化学传感器阵列13的进气口与四通阀12相连，出气口与第四气阀17相连，气相色谱仪16的进气口与四通阀12相连，出气口与第六气阀19相连，经过检测的气体可以通过束管排除至地面安全区域。

气体池14可以根据红外光谱仪光路结构制作成双锥形结构，与直筒式圆柱形结构相比，可以大幅减小气体池的体积，使得气体更快充满气体池14。进一步地，为了使得光谱仪15的光源有效通过气体池14，可以选用在红外区间透光率高的窗片，该窗片可以采用溴化钾、硒化锌等材料制成。

在井下气体流入到气体池14之前，需要持续通入背景气体，等待背景气体充满气体池14，然后再连续扫描背景气体的光谱，获得背景气体的背景光谱，接着选择背景光谱噪声小、无基线漂移的光谱作为待保存的背景光谱。获取背景气体的光谱后，可以对井下气体样品进行扫描，可以获得井下气体吸光度光谱。

在一种可能得实施例中，还包括数据库23和服务器24，数据库23用于存储数据分析处理单元21产生的数据，数据分析处理单元21还将电压信号、光谱数据以及根据电压信号和光谱数据确定的气体浓度上传至服务器24。

示例性地，数据库23可以存储在与数据分析处理单元21电连接的存储单元中，该数据库23可以对数据分析处理单元21产生的各种数据进行存储，同时数据分析处理单元21可以将光谱数据、电压信号、色谱数据上传至服务器24，供远端监控使用。

在一种可能得实施例中，还包括显示报警单元22，数据分析处理单元21将根据电压信号和光谱数据确定的气体浓度与浓度阈值进行比较，并根据比较结果控制显示报警单元22产生提醒信息。

示例性地，显示报警单元22与数据分析处理单元21连接，当数据分析处理单元21得到浓度数据后，可以由显示报警单元22对浓度数据进行显示，并将各个成分的浓度数据与相应的阈值进行比较，当浓度数据超过相应的阈值时，可以由报警器发出报警，以对井下人员进行提醒，并将实时的浓度数据上传至总监控室。

本申请实施例还提供了一种井下气体检测方法，如图2所示，该方法包括以下步骤：

S200，利用电化学传感器阵列13对井下气体源输入的气体中的一部分进行浓度检测，获得相应的电压信号；

S210，利用光谱仪15用于对井下气体源输入的气体中的另一部分进行浓度检测，获得相应的光谱数据；

S220，对电压信号和光谱数据进行分析，确定井下气体源输入的气体的浓度；

S230，利用气相色谱仪16对井下气体源输入的气体进行浓度检测；

S240，对气相色谱仪16确定的气体浓度与根据电压信号和光谱数据确定的气体浓度进行比较，当比较误差超过误差阈值时，通过标准气体对电化学传感器阵列13和光谱仪15进行校准。

具体地，可以由工控机20首先控制第一气阀1、第四气阀17、第五气阀18、第六气阀19打开，以使背景气体罐4中存储的背景气体输送至气体池14、电化学传感器阵列13、气相色谱仪16的气路中，然后控制光谱仪15及电化学传感器阵列13工作，完成一次背景气体采样工作。

当背景气体采样工作完成后，可以由工控机20控制第一气阀1、第二气阀2关闭，并打开气泵5以及第三气阀9，以使井下气体进入并充满气体池14以及电化学传感器阵列13的气路中，然后控制光谱仪15及电化学传感器阵列13工作，完成一次井下气体的采样工作。

当需要对电化学传感器阵列13进行校准时，可以由工控机20控制第一气阀1、第三气阀9关闭，第四气阀17、第五气阀18开启，以使标准气体进入并充满气体池14以及电化学传感器阵列13的气路中，然后控制电化学传感器阵列13工作，完成一次标准气体的采样工作。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。