甲烷傳感器工作特性分析與故障模式研究

王一蒙

(哈爾濱師范大學物理與電子工程學院, 哈爾濱150000)

甲烷傳感器工作特性分析與故障模式研究

王一蒙

(哈爾濱師范大學物理與電子工程學院, 哈爾濱150000)

介紹了甲烷傳感器的工作原理及在煤礦安全監測中的重要作用,分析了甲烷傳感器的工作特性,深入的研究了甲烷傳感器的四種常見故障模式即恒增益、恒偏差、顯著突變與常值輸出,為甲烷傳感器的有效應用與故障診斷工作提供了可靠的理論支持。

甲烷傳感器; 故障模式; 工作特性; 載體催化元件

1 引言

甲烷傳感器是將空氣中的甲烷濃度變量轉換成有一定對應關系的輸出信號的裝置,它是煤礦等場所的重要的安全儀器。對于安全監測系統的可靠性來講,傳感器起主要決定作用。載體催化元件,又稱擔體(support)式甲烷傳感器在我國煤礦井下安全監測系統中被廣泛使用。但由于井下環境比較惡劣,潮濕、粉塵現象比較明顯導致傳感器靈敏度和線性度時常發生下降情況傳感器故障經常發生。因此對甲烷傳感器的工作特性進行分析,對甲烷傳感器故障模式及危害有充分認識,對于提高監測系統的安全具有極其重要的意義。

2 甲烷檢測的基本原理

目前煤礦井下甲烷檢測的手段有很多,主要方法有氣敏半導體原理及載體催化元件原理方法、紅外激光光譜原理法、熱導率原理方法、光學原理方法、超聲波原理法方法。利用這些方法制成甲烷測量儀器或多或少都存在著某些缺點,在安全監測系統中,上述方法在甲烷濃度定量測量中均未得到廣泛應用。國內安全監測系統中的甲烷和其它可燃性氣體的檢測最常用的是載體催化型儀器。它使用的是一種熱效式甲烷傳感器,載體催化元件(以下簡稱元件)。MJC4T系列煤礦甲烷檢測用載體催化元件是具有自主知識產權的新研制的產品。本產品黑元件的不但具有臨界反應溫度低、活性極高等特點,而且在催化選擇性上具有一定良好性能,在催化劑方面將傳統的甲烷燃燒催化劑使用新型催化劑來代替。并且具有重量輕(每個元件的重量為0.7 mg)、體積小(標準體形為一個長0.8 mm、直徑0.5 mm的圓柱體)、性能穩定以及消耗功率小等優點。目前這種載體催化型甲烷傳感器在國內外自動檢測礦井甲烷中被廣泛使用,這種傳感器就的元件的構造如圖1所示。

甲烷與氧氣在催化劑的作用下產生化學反應即強烈氧化燃燒,并且這種燃燒是無焰式燃燒放出熱能。載體催化型(support)甲烷傳感器檢測甲烷濃度的原理如圖2所示。

測量電橋如圖2所示。電橋中存在兩種載體催化元件即黑元件和白元件,它們結構、大小等都是相同的,唯一的區別在于元件的表面是否存在催化劑。沒有催化劑的白元件T2作用是在溫度變化時始終保持電橋的平衡狀態,為溫度補償元件。帶有催化劑的黑元件T1作為工作元件即用于測量空氣中的甲烷濃度。在測量儀器工作之前調整變阻器W2,使檢流記顯示為0,電橋處于平衡狀態。

當測量電橋接通電源工作時在電流加熱下,可以使元件加熱到420℃左右。若在工作元件表面甲烷與氧氣發生氧化反應而放出熱量,這時元件因吸收大部分反應的熱量后自身的溫度升高。造成元件中的鉑絲阻值的變化即元件的溫度與鉑絲阻值是成正比的,ΔT將引起電阻ΔR增量變化。這種變化將產生一個與甲烷濃度成正比的輸出信號,電橋不再處于平衡狀態。這樣便可檢測出被檢測環境的甲烷濃度。如果把獲得的信號放大或變換成適當形式便可傳輸到遠處實現甲烷濃度的遙測或者把推動操作設備實現甲烷濃度的自動控制。

在礦井下受環境大氣成分、濕度、溫度、氣壓等因素的影響下傳感器的測量值是有差別的。實踐證明氣壓變化緩慢或者少量的氣壓變化時對于載體催化儀器的測量結果影響不大,可以忽略不計。另外載體催化儀器測量也不受濕度、溫度的影響。

3 甲烷傳感器工作特性

元件的工作特性可用下列的動態方程來描述即在當工作電流一定時,甲烷濃度變化元件的輸出也跟著變化。

(1)式中KC為放大系數,ΔC為元件的時間常數。再做一步拉普拉斯變換,得其對應的傳遞函數如下。

由上式可知甲烷濃度隨時間的變化規律能夠獲取后,元件的響應也就知道了。

實際的煤礦井下環境的環境中甲烷濃度存在著緩慢的變化,一般是數十分鐘到數小時為一個變化周期。在變化周期時間的設定上假設是10分鐘,則變化率是:

通過計算(ωτ)2遠小于1即元件的時間常數為數秒鐘于是

相位角,此時就是元件的放大系數。

甲烷濃度變化很快時(ωτ)2遠小于1,當然在煤礦井下中這種情況比較特殊。因此,對迅速變化的甲烷濃度,元件不能給出正確的響應。

在被測的礦井等環境中,當甲烷濃度迅速增加以后又迅速減少則甲烷的總濃度變化不大即迅速的周期性變化至多只存在很小的空間范圍。這對煤礦井下甲烷檢測的影響并不大。若對于甲烷濃度在較大范圍內升高,則傳感器的反應速度由元件本身的時間常數和環境甲烷向元件擴散的速度決定。

4 甲烷傳感器的故障模式及其影響

甲烷傳感器在安全監測系統中已廣泛使用,通過在使用過程中對它多年觀察,甲烷傳感器出現的主要故障模式有輸出值恒增益、恒偏差、顯著突變和為常數等。具體都表現在其輸出數值上的變化。令yout是傳感器正常時應該輸入的信號,yin是甲烷傳感器的實際輸出濃度。

4.1 恒增益

恒增益是一種故障輸出模式現象,它是指在長期濕度較高的工作環境中,甲烷傳感器對空氣中甲烷濃度進行檢測時需要與被測混合氣體接觸,由于甲烷傳感器的阻抗比較大,因此被測混合氣體對檢測結果影響很大,在傳感器的增益值上會產生很大的變化。故障模式為:

式中β為增益比例系數,β＞0時為增函數,β＜0時為減函數。恒增益故障會使甲烷傳感器測量的甲烷數據不準確,進而影響到煤礦安全監測系統預定的監測目標。

4.2 恒偏差

輸出信號隨溫度漂移,主要是受風速氣流影響或氣溫變化,導致黑白元件本身的輸出發生變化。甲烷傳感器將會產生緩慢的漂移現象,造成甲烷傳感器輸出的數據出現恒偏差的現象即令偏差數值為Δy。故障模式為:

(8)式中Δy為偏差量。恒偏差故障將會導致監測系統的誤報警,嚴重影響煤礦企業正常的安全生產。

4.3 顯著突變

由于甲烷傳感器的內阻一般都會很高,即使外界干擾作用時間比較短也容易影響其正常工作。這時在故障輸出模式上體現出來的現象為顯著突變。這種狀況會造成系統極為不穩定的運行,在監測系統上顯示的數據結果不正確,造成數據嚴重失真。對煤礦安全監測系統的監測質量也很難保證。故障模式為:

(9)式中α為突變值。

4.4 常值輸出

常值輸出是指甲烷安全監測系統在監測時,傳感器的數據始終以常值C輸出,監測工作幾乎無效。而造成這種情況的原因主要是傳感器表面的敏感膜失效,由于傳感器表面受到煤礦井下礦塵等的影響,在其表面上形成了污垢,使傳感器工作失效。從而導致煤礦甲烷安全監測系統對甲烷數據的監測失控。故障模式為:

(10)式中C為常數。

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10.3969/j.issn.1671-4733.2015.02.003

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王一蒙(1993-),男,安徽淮南人,研究方向為物理學,電話:15124527007。