基于无源激光甲烷传感器的营运隧道瓦斯监控装置及系统的制作方法

本发明涉及隧道安全监测领域，具体地，涉及一种基于无源激光甲烷传感器的营运隧道瓦斯监控装置及系统。

背景技术：

甲烷密度小于空气密度，通过隧道衬砌渗透到隧道内部空间的甲烷会向隧道的顶部空间运移；铁路隧道一般进出口都有一定高差，可形成一定自然风压，隧道内在无列车通行时一般有自然风流流过，但风向、风速都随隧道两端的温度、湿度等气候条件随时变化(当中间有通风竖井时情况更为复杂)，完全不可控，极端情况下可出现风流静止状态；有列车通行时形成活塞通风，风速较大，积存在隧道顶部空间的甲烷会随活塞通风的气流流动，列车通行时间较短，当隧道较长时，甲烷气体难以随列车活塞通风完全排除洞外，另自然通风风向与列车活塞通风不一致时，自然通风还会对甲烷气体的排除产生阻碍作用。自然风压的强弱、列车的通行间隔时间、活塞通风次数、涌入隧道的绝对瓦斯涌出量综合决定了营运隧道中瓦斯浓度和积存量。存在很多不可控因数，综合考量，对于建设过程之中存在高瓦斯风险的铁路隧道营运，一般都会安装瓦斯监控系统和机械通风设备，以备不时之需。

营运隧道的瓦斯监控一般采用煤矿安全监控系统。通常存在以下问题难以克服：

1、常规矿用激光甲烷传感器安装于顶部以下20-30cm(可能的层流空间)，传感器本身需供电(电压一般为5v)，给传感器供电的本安电源都设计有几级保护措施，但极端情况下还是有都可能产生火花引起瓦斯燃烧或爆炸(比如强电串入、雷击等击穿电器元件)。

2、高铁顶部的接触网电压等级为25kv，会产生很强的电磁场，而激光甲烷传感器安装于顶部以下20-30cm，其自身及其485通讯线路会受到强烈电磁干扰，难免造成与上位机通讯中断故障。

3、常规矿用激光甲烷传感器将检测元器件、信号处理电路、电源电路、信号输出电路、显示电路、报警信号等部件集为一体，故障机率较高，将之安装到隧道顶部，遇故障检修、维护极为不便。铁路封闭运行，进出隧道时间较长；隧道高度达10m以上，必须专用设施。

4、按照《铁路隧道瓦斯技术规范》，隧道机械通风并不是随时开启，只是当隧道内任一甲烷传感器检测到甲烷浓度达到一高限值，启动风机，当甲烷浓度降低到一低限值，停止风机。现有煤矿监控系统并不具备这种联动功能。

5、对于一条铁路线路，其隧道可能较多，总是呈线性状态，隧道基本都是无人值守，隧道内并不需要就地显示、报警，而是需要在调度指挥中心实时掌握瓦斯浓度、设备运行状态等信息。

技术实现要素：

本发明提供了一种基于无源激光甲烷传感器的营运隧道瓦斯监控装置及系统，解决了现有的煤矿安全监控系统的不足，提高了隧道瓦斯监控系统的安全性，增强了其通信抗干扰性。

为实现上述发明目的，本申请提供了基于无源激光甲烷传感器的营运隧道瓦斯监控装置，所述装置包括：

光纤激光甲烷采样头、激光发生器、信号处理电路及单片机、电源电路、风机开停传感器、485通讯分站、485总线、控制器、光纤网络、上位机及其软件；激光发生器产生特定波长的激光并通过过分光器送给多个光纤激光甲烷采样头，光纤激光甲烷采样头用于进行甲烷含量信息采集，并将采集到的甲烷含量信息传递给信号处理电路及单片机；信号处理电路及单片机经滤波、放大、a/d转换后的数字信号送给微处理器根据预设的算法进行信号处理，得出甲烷浓度，将甲烷浓度结果通过485总线、光纤网络上传至上位机，上位机根据甲烷浓度通过软件判断是否需要开、停风机，下发指令由控制器自动开、停风机操作；电源电路用于对激光发生器和信号处理电路进行供电。

其中，光纤激光甲烷传感器件包括：激光发生器和甲烷采样头，甲烷采样头安装在隧道内顶部预设的甲烷聚集区域；激光发生器与甲烷采样头通过光纤进行连接；激光发生器、信号处理及控制电路、电源电路安装在隧道外或隧道内的非甲烷聚集区域。控制器安装在靠近风机的485总线上，风机开停传感器安装在风机电源线路上。

其中，本装置的原理为：将激光发生器放置在隧道外或隧道低处的专用洞室，只是将传感头安装在隧道顶部，避免了火花引起瓦斯燃烧或爆炸的问题，激光发生器与传感头之间采用光纤连接，避免了磁场对通讯的干扰，在可能积存甲烷的隧道顶部空间，甲烷传感头为无源工作状态，完全杜绝自身产生电火花，从而避免引起瓦斯燃烧或爆炸。

进一步的，无源激光甲烷传感器、风机开停传感器、控制器及处理系统具体包括：

无源激光甲烷传感器及处理系统；无源激光甲烷传感器用于检测安装位置的甲烷浓度；风机开停传感器用于检测风机的开停状态；上位机负责展示甲烷浓度信息和风机状态，并根据预设阈值判断是否开停风机，下发指令；控制器用于通过风机启动开关的二次回路启停风机。

进一步的，信号处理电路、信号输出电路、电源电路与激光发生器集成为一体。激光甲烷传感头寿命长达5年，利用合适的微功率激光能被不同浓度的甲烷所吸收原理而设计，不需要校正，也不会出现故障，安装后可直至寿命终结再进行更换。而存在小概率故障的激光发生器、信号处理电路、电源电路、信号输出电路、显示电路、报警信号等部件安装在隧道外或隧道低处的专用洞室，检修、维护方便。

进一步的，隧道内的非甲烷聚集区域开设有洞室，激光发生器、信号处理电路、电源电路、485通讯分站安装在洞室内。

进一步的，所述光纤激光甲烷传感器件为多通道光纤激光甲烷传感器件，每个激光发生器对应多个甲烷传感器。

进一步的，所述装置包括多个光纤激光甲烷传感器件，多个光纤激光甲烷传感器件均匀分布在隧道内顶部预设的甲烷聚集区域。

进一步的，所述装置还包括控制器，所述控制器用于基于光纤激光甲烷传感器件检测到的甲烷含量对隧道内的通风系统的开闭进行操作。

进一步的，当隧道内任一光纤激光甲烷传感器件检测到甲烷浓度超过阈值时，控制器接通风机启动的二次回路，启动风机，当甲烷浓度降低阈值以下后，断开风机启动的二次回路，停止风机。实现了监控装置与通风系统的联动。

本申请还提供了一种基于无源激光甲烷传感器的营运隧道瓦斯监控系统，所述系统包括若干前面所述的基于无源激光甲烷传感器的营运隧道瓦斯监控装置，每个基于无源激光甲烷传感器的隧道瓦斯监控装置分别对应一条线路的多个隧道。

进一步的，所述系统还包括：2个服务器，系统采用2芯铁路系统专用通讯光缆实现通讯传输，在系统通讯线路的起点和终点各设置一台服务器同时运行，并通过公网实现服务器数据的互补。当通讯线路出现中断，不影响整个系统的运行。

进一步的，基于无源激光甲烷传感器的营运隧道瓦斯监控系统，在铁路工务调度中心实时展示甲烷浓度情况及风机开闭状态，服务器根据设置的相关责任人，自动将瓦斯浓度超过阈值报警信息，风机开闭状态，故障状态等通过手机短信推送至相关责任人：相关责任人还可通过手机app登陆服务器查看甲烷浓度、风机开停状态等信息。

本申请提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

1、本申请传感头及其传输光缆无源，完全杜绝自身产生电火花，从而引起瓦斯燃烧或爆炸；不受电磁干扰，提高了安全性和通信能力。

2、激光甲烷传感头寿命长，不需要校正，也不会出现故障，其他容易损坏的部件安装在隧道外或隧道低处的专用洞室，检修、维护方便。

3、实现隧道内甲烷浓度与机械通风设备联动。

4、在线路的起点和终点各设置一台服务器，同时运行，并通过公网实现服务器数据的互补，从而保证即或一处传输线路异常中断，系统依然正常运行。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；

图1是本申请中基于无源激光甲烷传感器的营运隧道瓦斯监控系统框架结构示意图；

图2是本申请中隧道内系统安装分布示意图；

图3是本申请中系统网络连接示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

请参考图1，本申请提供了基于无源激光甲烷传感器的营运隧道瓦斯监控装置，图1(系统框架结构示意图)为本发明的结构示意图。图中：服务器1和服务器2分别设置在铁路线路两端的调度指挥中心；线路上可多个隧道；每个隧道可安装多个分站、多个激光甲烷模块、多个风机开停传感器、多个可编程逻辑控制器。

请参考图2，图2(隧道内系统安装分布示意图)表明了隧道设备位置分布和传输线缆位置，图2中3-隧道，4-风机，5-无源甲烷传感头，6-洞室，k-风机开停传感器，m-激光甲烷模块，d-断电仪，f-综合分站。图3表明了系统服务器数据库通过公网实现数据互补。

采用多通道光纤激光甲烷传感器件，将激光发生器放置在隧道外或隧道低处的专用洞室，只是将传感头安装在隧道顶部，激光发生器与传感头之间采用光纤连接(激光发生器对传感头为1对多)，信号处理电路、电源电路、信号输出电路、显示电路等部件与激光发生器集为一体，安装在隧道外或隧道低处的专用洞室，在可能积存甲烷的隧道顶部空间，甲烷传感头为无源工作状态，完全杜绝自身产生电火花，从而引起瓦斯燃烧或爆炸。

激光甲烷传感头及其传输光纤完全无源，不受电磁干扰。激光甲烷传感头寿命长达5年，利用合适的微功率激光能被不同浓度的甲烷所吸收原理而设计，不需要校正，也不会出现故障，安装后可直至寿命终结再进行更换。而存在小概率故障的激光发生器、信号处理电路、电源电路、信号输出电路、显示电路等部件安装在隧道外或隧道低处的专用洞室，检修、维护方便。

在系统的485总线上设计一种逻辑可编程控制器，输出一通或断信号，当隧道内任一甲烷传感器检测到甲烷浓度达到一高限值，接通风机启动的二次回路，启动风机，当甲烷浓度降低到一低限值，断开风机启动的二次回路，停止风机。对于一条铁路线路，其隧道可能较多，总是呈线性状态，采用环网交换功能实现传输线路的备份并不可取，本方案计划采用2芯铁路系统专用通讯光缆实现通讯传输，为保证不因传输线路意外中断而导致数据无法上传，在线路的起点和终点各设置一台服务器，同时运行，并通过公网实现服务器数据的互补，从而保证即或一处传输线路异常中断，系统依然正常运行。本系统可用于地铁的高瓦斯营运隧道，也可用于公路隧道，只是公路隧道无专用的通讯光缆，可改为4g\5g公网传输。

在新建成贵铁路观音山隧道安装该系统1套，连续15天实测瓦斯浓度，经对比，瓦斯浓度数据在允许误差范围内；经试验，能实现瓦斯浓度超限自动启动风机，瓦斯浓度降低到一定值，风机自动停止。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作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发明范围的所有变更和修改。

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