甲烷傳感器在礦井甲烷監(jiān)測(cè)中應(yīng)用的分析

崔富明

（大同煤礦集團(tuán)北辛窯煤業(yè)有限公司， 山西 忻州 036702）

引言

便攜式甲烷監(jiān)測(cè)報(bào)警器具有較多的優(yōu)勢(shì)，比如方便攜帶、體積較小等，人們大多將其運(yùn)用在礦井工作面甲烷濃度的監(jiān)測(cè)。中國(guó)擁有龐大的煤炭資源，且開(kāi)采程度也極為巨大。而在煤炭行業(yè)的發(fā)展中，瓦斯爆炸是對(duì)其造成阻礙的主要因素，隨著安全監(jiān)測(cè)技術(shù)的提出與應(yīng)用，礦井下瓦斯的濃度得到了有效的監(jiān)測(cè)與控制，從而使瓦斯的爆炸率得到了較好的控制。20 世紀(jì)80 年代初期，我國(guó)積極從國(guó)外一些國(guó)家引入了先進(jìn)的安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并且相繼研發(fā)出了KJ2.KJ4.等多個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)，目前這些系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到礦井的生產(chǎn)中。煤礦所運(yùn)用的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的傳感器可以對(duì)環(huán)境、設(shè)備等各個(gè)參數(shù)進(jìn)行正確的反映?，F(xiàn)階段，監(jiān)控系統(tǒng)中所運(yùn)用的傳感器主要有CO、溫度、煙霧等多種類型。這些傳感器基本可以滿足礦井安全監(jiān)測(cè)工作的各種需求。但是，與國(guó)外使用的產(chǎn)品相比，我國(guó)所使用的傳感器不管是在可靠性、還是在校準(zhǔn)期或是在使用期限方面都存在較大的差距，一部分傳感器不具備較好的穩(wěn)定性，無(wú)法滿足客戶的需求[1-3]。

1 甲烷傳感器的分類

1.1 催化燃燒式

該形式的工作原理為：敏感部件可以對(duì)甲烷或其他的可燃?xì)怏w發(fā)揮催化效果，促使甲烷可以在部件上部進(jìn)行無(wú)焰燃燒。該過(guò)程所釋放的熱量可以使傳感元件的溫度不斷提升，并且監(jiān)測(cè)元件可以依據(jù)自身溫度的變化狀況來(lái)監(jiān)測(cè)氣體的濃度，這類氣體傳感器所采用的敏感元件主要是載體催化和鉑妊催化兩種組分。

1.2 熱導(dǎo)式

通過(guò)運(yùn)用被檢測(cè)氣體與純凈氣體之間存在的導(dǎo)熱系數(shù)之差及混合氣體具有的導(dǎo)熱系數(shù)與濃度之間的關(guān)系，可以將氣體濃度發(fā)生變化的規(guī)律轉(zhuǎn)變?yōu)殡娒}沖，從而研制成氣體檢測(cè)裝置。在煤礦中，這種甲烷檢測(cè)裝置大多用于對(duì)高濃度的氣體進(jìn)行測(cè)量。例如，明確排氣管道內(nèi)部存在的氣體濃度高于瓦斯作業(yè)面的檢測(cè)。在風(fēng)力甲烷堵塞的設(shè)備中，導(dǎo)熱及催化的部件相互組合以成為一種高低濃度的甲烷傳感器，并且可以對(duì)催化元件起到保護(hù)作用，避免高濃度的氣體對(duì)其產(chǎn)生影響[4]。

甲烷分析儀所運(yùn)用的導(dǎo)熱原理為：井中空氣所具有的導(dǎo)熱系數(shù)將會(huì)隨著甲烷濃度的改變而改變，并且對(duì)該變化進(jìn)行檢測(cè)，確保甲烷的含量得以明確。但是，很難將氣體所具有的導(dǎo)熱率進(jìn)行直接測(cè)量。一般情況下，可以利用熱敏部件將甲烷在混合氣體內(nèi)發(fā)生改變導(dǎo)致的熱導(dǎo)率變化轉(zhuǎn)變成為電阻的改變。通過(guò)運(yùn)用測(cè)量橋可以將電阻值的改變進(jìn)行有效的測(cè)量。通常，熱部件主要包含兩個(gè)類型，分別為熱敏電阻和導(dǎo)線。鉑、鎢、鈀鎢和鈀鉑屬于同一類導(dǎo)線。熱敏電阻存在較多的類型，它所具有的性能主要為較大的溫度系數(shù)及較低的熱慣性。鈀鉑具有較高的抗高溫性和穩(wěn)定的化學(xué)性，但是不具備較高的機(jī)械強(qiáng)度，極易發(fā)生變形問(wèn)題的鈀鎢熱敏元件具有較好的機(jī)械性能，但是出于高溫的背景下極易發(fā)生氧化，為了使耐腐性及抗高溫性不斷提升，一部分鎢絲大多是鍍金的或者刷有玻璃膜。

2 催化燃燒式甲烷傳感器監(jiān)測(cè)原理

一部分可燃性氣體在經(jīng)過(guò)相應(yīng)的燃燒之后會(huì)形成相應(yīng)的熱量，但實(shí)際上很難對(duì)生成的熱量進(jìn)行直接檢測(cè)，一般都是通過(guò)對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)量。這種測(cè)量形式存在較多類型，很容易取得較精確的結(jié)果。通常采取電測(cè)法來(lái)對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)量。這種方式具有較多的優(yōu)勢(shì)，比如較快的反應(yīng)速度、較容易的讀數(shù)形式等。大量試驗(yàn)表明，溫度的上升與甲烷的氧化速度呈現(xiàn)出一定的比例，當(dāng)甲烷濃度小于5%的時(shí)候，甲烷發(fā)生氧化的速度與其濃度呈現(xiàn)出線性變化。甲烷傳感器可以將甲烷的濃度加以轉(zhuǎn)變，使其成為信號(hào)的輸出裝置，即利用該信號(hào)來(lái)對(duì)甲烷的濃度進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

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

在礦井中運(yùn)用的甲烷傳感器必須開(kāi)展有效的調(diào)試及校正工作，對(duì)該設(shè)備進(jìn)行零點(diǎn)校正，確保設(shè)備具備較高的精確度。在礦井的新鮮風(fēng)流中來(lái)抽放氣體，將帶校驗(yàn)的膠管與其氣室的校驗(yàn)嘴進(jìn)行連接，并對(duì)其進(jìn)行充氣。將數(shù)字萬(wàn)用表與該設(shè)備的輸出信號(hào)線相互串聯(lián)。當(dāng)讀數(shù)保持1 mA 時(shí)，零點(diǎn)并未發(fā)生漂移，否則就需要對(duì)電位器進(jìn)行調(diào)整。

3.2 靈敏度的調(diào)試與校正

在運(yùn)用甲烷傳感器檢測(cè)的時(shí)候，一般會(huì)出現(xiàn)偏差，因此每周進(jìn)行一次校正，關(guān)鍵作業(yè)面應(yīng)當(dāng)經(jīng)常校正，確保測(cè)量的精確性。利用標(biāo)準(zhǔn)氣樣來(lái)對(duì)校驗(yàn)的靈敏度進(jìn)行校正。例如，對(duì)某個(gè)作業(yè)面上的甲烷傳感器進(jìn)行校正，在采用2%的甲烷氣樣來(lái)進(jìn)行校正時(shí)，首先需要將數(shù)字萬(wàn)用表與該傳感器的輸出信號(hào)相互串聯(lián)，對(duì)氣體的流量加以控制，以此來(lái)對(duì)甲烷傳感器的氣室進(jìn)行充樣，仔細(xì)讀取數(shù)字表中的電流，采取3 mA 的電流，否則，對(duì)電位器進(jìn)行調(diào)整，促使電流實(shí)現(xiàn)3 mA[5-6]。

3.3 報(bào)警點(diǎn)的調(diào)試方法

在礦井下采取報(bào)警點(diǎn)，應(yīng)根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》中的規(guī)定來(lái)明確報(bào)警點(diǎn)，并充分掌握該報(bào)警點(diǎn)是如何設(shè)定的。例如，當(dāng)瓦斯的濃度達(dá)到了1%時(shí)，采用甲烷的標(biāo)準(zhǔn)氣樣來(lái)對(duì)傳感器的氣室進(jìn)行充氣，把握流量，將數(shù)字萬(wàn)用表與傳感器輸出線相互串聯(lián)，注重觀察，當(dāng)數(shù)字表的數(shù)值為2 mA 時(shí)，沒(méi)有發(fā)出報(bào)警，應(yīng)對(duì)其電位器進(jìn)行調(diào)整，直至報(bào)警。

3.4 必須用標(biāo)準(zhǔn)氣樣校正傳感器

對(duì)所有檢測(cè)甲烷的設(shè)備進(jìn)行校正，但必須使用標(biāo)準(zhǔn)氣樣來(lái)校正，因?yàn)閷?duì)甲烷檢測(cè)設(shè)備應(yīng)避免進(jìn)行校正，由于甲烷檢測(cè)設(shè)備在檢測(cè)時(shí)都會(huì)出現(xiàn)偏差，如果這些設(shè)備進(jìn)行校正，則偏差將會(huì)越來(lái)越大，因此，必須采取標(biāo)準(zhǔn)氣樣的校正設(shè)備[7]。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)工作的原理，甲烷傳感器可以分為兩種，分別為熱導(dǎo)式和催化燃燒式。在礦井開(kāi)展的監(jiān)控中，用來(lái)檢測(cè)高、低濃度瓦斯的設(shè)備分別為熱導(dǎo)式和催化燃燒式。目前，我國(guó)現(xiàn)有的技術(shù)基本可以滿足使用的要求，但是卻無(wú)法達(dá)到精確測(cè)量，必須積極研制新的產(chǎn)品。