礦井監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中甲烷傳感器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用

文/秦新華

中國是一個(gè)煤炭大國，開采的煤炭產(chǎn)量很大。而瓦斯爆炸一直是煤炭產(chǎn)業(yè)發(fā)展的絆腳石。礦井安全監(jiān)測(cè)技術(shù)的出現(xiàn)和使用對(duì)瓦斯進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而減少了瓦斯爆炸的發(fā)生概率。20世紀(jì)80年代初，中國從波蘭，法國，德國，英國和美國引入一些安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并先后研制出 KJ2、 KJ4、 KJ8、 KJ10、 KJ13、 KJ19、KJ38、 KJ66、 KJ75、 KJ80、 KJ92 等檢測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)，目前在我國的煤礦已大量使用。礦井監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中傳感器能正確反映測(cè)量環(huán)境和設(shè)備參數(shù)。現(xiàn)在，國內(nèi)煤礦檢測(cè)和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的傳感器主要包括燃?xì)猓谎趸迹L(fēng)速、溫度，氧氣、煙霧、開關(guān)量傳感器。這些傳感器對(duì)煤礦安全監(jiān)測(cè)來說基本夠用。然而，相比較國外的產(chǎn)品，國內(nèi)傳感器在使用年限，校準(zhǔn)周期，可靠性方面仍存在較大差距。一些傳感器（例如甲烷傳感器）的穩(wěn)定性較差，尚不能滿足客戶的需要。

1 甲烷傳感器的分類

1.1 催化燃燒式

催化燃燒式氣體監(jiān)測(cè)原理為：敏感元件對(duì)甲烷或其他可燃?xì)怏w的催化作用，使甲烷在部件上無焰燃燒。釋放熱量以增高傳感元件的溫度，并且監(jiān)測(cè)元件可以根據(jù)其自身的溫度的變化情況來測(cè)量氣體濃度。這種氣體傳感器中所使用的敏感元件是鉑絲催化組分和載體催化組分。

1.2 熱導(dǎo)式

利用被測(cè)氣體與純凈氣體之間的導(dǎo)熱系數(shù)差異以及混合氣體的導(dǎo)熱系數(shù)與濃度之間的關(guān)系，這樣將氣體濃度的變化規(guī)律變成電脈沖，從而制造成氣體檢測(cè)儀器。在煤礦中，導(dǎo)熱甲烷檢測(cè)儀器一般用來測(cè)量高濃度的氣體。 例如，確定排氣管道中的氣體濃度; 高瓦斯工作面的測(cè)定。 在風(fēng)力甲烷阻塞裝置中，導(dǎo)熱元件和載體催化元件組合形成高濃度和低濃度甲烷傳感器，并且可以保護(hù)催化元件免受高濃度氣體的影響。

甲烷分析儀的導(dǎo)熱原理是基于礦井空氣的導(dǎo)熱系數(shù)隨甲烷含量的變化而變化，并且測(cè)量這種變化以達(dá)到確定甲烷含量的目的。 然而，難以直接測(cè)量氣體的導(dǎo)熱率。通常，通過熱敏元件把混合氣體中的甲烷含量的變化引起的熱導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換成電阻值的變化。 使用測(cè)量橋可以容易地測(cè)量電阻值的變化。一般情況，熱元件分成以下兩大類型：導(dǎo)線和熱敏電阻。 鉑，鎢，鉭鎢和鈀絲是一種導(dǎo)線。 熱敏電阻的種類很多，它的特性是較大的溫度系數(shù)和較小的熱慣性。鉑絲具有耐高溫性，且化學(xué)性能穩(wěn)定，但機(jī)械強(qiáng)度低，易變形。鉭鎢熱敏元件機(jī)械性能較好，但在高溫下容易氧化。為了增強(qiáng)其耐高溫性和耐腐蝕性，一些鎢絲是鍍金的或涂有玻璃膜。

2 熱催化監(jiān)測(cè)原理

一定量的可燃性氣體在特定的燃燒后，生成一定的熱量，但實(shí)際上，直接測(cè)量生成的熱量比較困難，一般都是通過溫度的測(cè)量間接進(jìn)行的。溫度的測(cè)量方式多種多樣，很容易得到準(zhǔn)確的結(jié)果。 對(duì)于溫度的測(cè)定，一般采用電測(cè)法。 這種方法具有反應(yīng)快、讀數(shù)容易和指示客觀等優(yōu)點(diǎn)，試驗(yàn)證明溫升與甲烷的氧化速率成比例，當(dāng)濃度低于5%時(shí)，甲烷的氧化速率和濃度線性變化。 甲烷傳感器是將空氣中的甲烷濃度變量轉(zhuǎn)化成一定對(duì)應(yīng)關(guān)系的輸出信號(hào)的裝置，即通過電信號(hào)轉(zhuǎn)換甲烷的濃度值。

3 甲烷傳感器的調(diào)試與校正

3.1 零點(diǎn)的調(diào)試與校正方法

投入井下使用的甲烷傳感器，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行調(diào)試、校正，首先必須對(duì)儀器零點(diǎn)校正，保證儀器的準(zhǔn)確度。 在井下新鮮風(fēng)流中抽放空氣，帶校驗(yàn)?zāi)z管與甲烷傳感器氣室校驗(yàn)嘴連接，進(jìn)行充氣。在甲烷傳感器的輸出信號(hào)線上串聯(lián)使用數(shù)字萬用表。當(dāng)讀數(shù)為1mA時(shí)，零點(diǎn)沒有漂移； 否則，必須調(diào)整電位器。

3.2 靈敏度調(diào)試與校正

使用甲烷傳感器在井下檢測(cè)時(shí)，有時(shí)會(huì)造成誤差，所以每周必須校正一次，重點(diǎn)工作面要經(jīng)常校正，保證儀器測(cè)量的準(zhǔn)確性。校驗(yàn)靈敏度必須用標(biāo)準(zhǔn)氣樣進(jìn)行校正。例如，校正某工作面甲烷傳感器，用標(biāo)準(zhǔn)甲烷氣樣濃度2%校正時(shí)，首先，把數(shù)字萬用表串聯(lián)在甲烷傳感器輸出信號(hào)上，控制氣體流量對(duì)甲烷傳感器氣室充氣樣，注意讀數(shù)字表的電流，對(duì)應(yīng)用3mA電流，否則，調(diào)整電位器，使電流達(dá)到3mA為止。

3.3 報(bào)警點(diǎn)的調(diào)試方法

井下使用報(bào)警點(diǎn)，《煤礦安全規(guī)程》是有明確規(guī)定的，參照規(guī)定確定報(bào)警點(diǎn)，并了解甲烷傳感器報(bào)警點(diǎn)時(shí)如何設(shè)置的。例如，當(dāng)報(bào)警點(diǎn)瓦斯?jié)舛葹?%時(shí)，同樣用甲烷標(biāo)準(zhǔn)氣樣對(duì)傳感器氣室進(jìn)行充氣，控制流量，數(shù)字萬用表串聯(lián)在甲烷傳感器輸出線上，注意觀察，當(dāng)數(shù)字表為2mA時(shí)，不報(bào)警，應(yīng)調(diào)報(bào)警點(diǎn)電位器，直到報(bào)警為止。

3.4 必須用標(biāo)準(zhǔn)氣樣校正傳感器

對(duì)任何檢測(cè)甲烷儀器的校正，必須用標(biāo)準(zhǔn)氣樣進(jìn)行，絕不允許檢測(cè)甲烷儀器相互校正。因?yàn)椋瑱z測(cè)甲烷的儀器在測(cè)量時(shí)都存在誤差。若檢測(cè)瓦斯的儀器相互校正，造成誤差就會(huì)更大。所以，必須用標(biāo)準(zhǔn)氣樣校正傳感器。

4 結(jié)束語

甲烷傳感器按其工作原理分為催化燃燒式和熱導(dǎo)式。在礦井安全監(jiān)控中，用于低濃度瓦斯監(jiān)測(cè)的主要是催化燃燒式，用于高濃度瓦斯監(jiān)測(cè)的主要是熱導(dǎo)式。我國目前的技術(shù)已基本滿足使用的要求，但是離精確測(cè)量還有一定的差距，需要繼續(xù)努力研究開發(fā)新產(chǎn)品。