熱敏電阻甲烷濃度傳感器的原理及應用研究

吳華建

（中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037）

甲烷，化學方程式是CH4，其是一種簡單的有機物，也是天然氣、沼氣等的主要成分，常被稱為瓦斯。甲烷是一種無色無味的氣體，若濃度較高，就會使空氣的含氧量降低，讓人窒息，引起頭痛、乏力、注意力不集中等癥狀。在煤礦開采過程中，相關人員必須對礦井工作環境的甲烷濃度進行檢測，確定其含量，如果其濃度超過了安全范圍，就需要立即采取措施。對于甲烷的檢測，也逐漸引入了先進的技術，文章研究的就是一種熱敏電阻作為檢測元件的甲烷傳感器，可以提高甲烷檢測的質量。

1 甲烷傳感器

甲烷傳感器在煤礦安全檢測系統中被用于甲烷濃度的檢測，當甲烷的濃度超標的時候，可以自動發出報警（光報警、聲報警），提醒工作人員及時采取措施，保證工作安全。目前煤礦所采用的甲烷傳感器是區域自動化的，具有自動調零的功能，性能穩定、測量的數值準確可靠、操作方便。甲烷傳感器作為一種礦用儀器儀表，必須滿足礦井安全生產相關規定，并且符合礦井下的環境，具有自動調零功能、較強的可靠性、較高的穩定性，并且檢測的精度高、操作方便，同時還需要有較高的抗干擾能力。

在具體的氣體檢測中，甲烷傳感器一般采用載體催化作為檢測原件，產生一個與甲烷的含量成比例的微弱信號，經過多級放大電路放大后產生輸出信號，輸入轉換輸入口，然后將這個模擬信號轉化成數字信號，經過相應處理顯示出來。對于甲烷傳感器的研究，其中發揮主要作用的就是檢測元件。目前，甲烷傳感器正向著智能化的方向發展，其測量井下瓦斯的功能更加可靠、穩定、安全，有助于保證礦井工作的安全。

2 用熱敏電阻作為檢測元件

2.1 熱敏電阻

熱敏電阻屬于敏感元件，具有較高的靈敏度，電阻溫度系數要比金屬大10～100倍甚至更多。作為檢測元件，熱敏電阻可以檢測出10～6℃的溫度變化。而且熱敏電阻的工作范圍比較寬，可以適用于多種工作環境，包括常溫、高溫以及低溫，如低溫的熱敏電阻器件適用于-273～55℃的溫度變化。當前的熱敏電阻器體積非常小，能夠測量出其他溫度計無法測量的空隙，使用起來非常方便；電阻值可以在0.1～100kΩ任意選擇，具有良好的穩定性和過載能力。

2.2 熱敏電阻氣體傳感器

熱敏電阻氣體傳感器是一種用熱敏電阻作為電橋的兩個臂組成測量電橋，在實際使用過程中，一旦接觸到甲烷等可燃性氣體，因為熱導率不同會導致溫度發生變化，進而使電阻值產生變化，讓電橋失去平衡，電橋輸出信號的大小也就可以確定被測氣體的種類和濃度。對于熱敏電阻氣體傳感器的使用，需要提前列出氣體的爆炸濃度和范圍以及爆炸的上限和下限。一般，將在空氣中達到一定濃度、觸及火種可引起燃燒的氣體稱為可燃性氣體。引起爆炸濃度范圍的最小值稱為爆炸下限，最大值稱為爆炸上限。以甲烷傳感器為例，甲烷的臨界溫度為-82.6℃，臨界壓力為4.59MPa，爆炸上限為15.4%（V/V），爆炸下限為5.0%（V/V）。

煤礦井下發生瓦斯爆炸就是一種熱鏈式反應，一定濃度的瓦斯在高溫火源和充足的氧氣下，就會發生燃燒并引發爆炸，化學式為CH4+2O2→CO2+2H2O。一般在煤礦井下發生爆炸，瓦斯爆炸是有一定濃度范圍的，瓦斯爆炸的界限為5%～16%，當濃度低于5%的時候，在遇到明火時不會發生爆炸；當濃度為9.5%的時候，爆炸的威力就會增大。在煤礦井下，因為受到煤塵等的影響，瓦斯爆炸的界限也會變化，所以要避免發生瓦斯爆炸，最主要的還是對其甲烷濃度進行測量。

3 熱敏電阻甲烷濃度傳感器的原理及應用

3.1 熱敏電阻甲烷濃度傳感器檢測

熱敏電阻甲烷濃度傳感器是一種熱催化式甲烷傳感器，在檢測中敏感元件在甲烷無焰燃燒生熱之后，元件的溫度會發生變化，溫度發生變化的時候電阻也會隨之發生變化，這樣就可以測量出電路，并且顯示出甲烷的濃度。其基本原理是將被測量的變化轉換成傳感元件電阻值的變化，再經過轉換電路變成電信號輸出。熱電阻效應是導體或者半導體的電阻值隨著溫度變化而變化的現象，二者有確定的函數關系，通常阻值和溫度的變化呈線性關系。

3.2 熱敏電阻甲烷濃度傳感器工作原理——以KG9701傳感器為例

以KG9701傳感器為例，其是一種智能化的甲烷傳感器，經常被用來檢測煤礦井下低濃度甲烷氣體。該產品能實現連續監測，自動將檢測到的甲烷濃度轉換成標準電信號并送往與之相連的煤礦井下安全檢測系統，實現近程和遠程設備的斷電。KG9701傳感器是一種新型的智能化的甲烷傳感器，外形為長方體、不銹鋼結構，如圖1所示。

圖1 KG9701傳感器

KG9701傳感器的測量范圍是0.00%～4.00%甲烷，其基本的誤差在（0.00～1.00%）±0.1%甲烷、（1.00%～2.00%）±0.2%甲烷、（3.00%～4.00%）±0.3%甲烷。報警設置是0.00%～4.00%甲烷，可以連續調解。斷電設置為0.50%～2.00%甲烷連續可調。

在使用過程中，被檢測的環境中的甲烷以擴散的方式進入氣室腔與熱敏電阻元件發生反應，測量電橋隨機產生與沼氣濃度相應的電信號，信號經過放大送入轉換器，轉換之后送入單片機進行數據處理，然后發往與之相連的井下監控分站直至地面中心站，進而實現全面的監測。

3.3 熱敏電阻甲烷傳感器的使用

對于甲烷傳感器的具體使用，可以分為以下幾個部分。

（1）具體使用。以煤礦井下作為研究對象，分析熱敏電阻甲烷傳感器在煤礦井下的使用。①使用之前需要把井下分站或者斷電儀的專用電纜與本傳感器正確地連接起來，將插頭缺口對插座，嚴格按照相關的顏色標準來進行操作。這就需要相關的工作人員按照操作說明進行操作。②連接完成之后開始零點調校，可以按照操作步驟讓儀器進入工作狀態，預熱20min，在新鮮空氣樣中觀察數字顯示狀態是否為“0”。如果發現有偏差，可以將遙控器對準傳感器的顯示窗，輕輕按動遙控器的選擇鍵，讓小數碼管的顯示為“1”，然后同時按遙控器的上升鍵和下降鍵，完成零點調節。③零點調節之后開始精度調節。把通氣罩插入傳感器氣室外面，通入標準甲烷氣體，濃度在2.00%，氣體流量在200mL/min。這個時候儀器上面顯示的數字應該指示標準甲烷氣體濃度，如果出現偏差，則需要調節。將遙控器對準顯示窗，讓小數管碼顯示為“2”，如果增加，則按上升鍵，反之按下降鍵，顯示值與標準甲烷濃度相對應。④之后進行報警點調節。直接按動遙控器的選擇界面，讓小數管碼顯示“3”，然后分別按上升鍵和下降鍵，調節報警點，其變化的范圍為0.50%～2.50%。⑤斷電點調節。讓小數管碼顯示4，分別按上升鍵和下降鍵實現調節，其變化范圍為0.50%～2.50%。

（2）甲烷傳感器的維護。對于維護，首先是進行自檢，傳感器本身具有自檢功能，在進行自檢的時候，直接將遙控器對準傳感器的顯示窗，按動遙控器上的選擇鍵，標準的是小數管碼顯示“5”，傳感器顯示“2.00”，信號輸出值為600Hz或者300Hz。此外是傳感器一些典型故障的處理，在使用過程中若存在一些故障，比如傳感器顯示“LL”，可能是傳感器內的元件出現斷絲現象，需要進行更換；在自檢過程中傳感器顯示“2.AA”和“2.bb”，是傳感器的測量橋路零點偏移過大，需要硬件調零；報警的時候有光無聲，或者聲音嘶啞，檢查蜂鳴器是否斷線，無斷線則說明故障，需要更換；傳感器接收不到遙控信號，檢查遙控器是否斷電，若有電則更換傳感器線路板數碼管旁的紅外接收頭。

4 結束語

文章對以熱敏電阻作為檢測元件的甲烷濃度傳感器進行研究，首先分析了甲烷傳感器和熱敏電阻檢測元件，然后詳細分析了熱敏電阻，并以KG9701甲烷傳感器為例，分析了其工作原理、具體的使用以及維護。在熱敏電阻甲烷傳感器的實際運用中，工作人員需要認真閱讀使用說明書，嚴格按照相關的操作要求進行。