熱敏電阻甲烷濃度傳感器的原理及應(yīng)用研究

吳華建

（中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037）

甲烷，化學(xué)方程式是CH4，其是一種簡(jiǎn)單的有機(jī)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(wú)色無(wú)味的氣體，若濃度較高，就會(huì)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(guò)程中，相關(guān)人員必須對(duì)礦井工作環(huán)境的甲烷濃度進(jìn)行檢測(cè)，確定其含量，如果其濃度超過(guò)了安全范圍，就需要立即采取措施。對(duì)于甲烷的檢測(cè)，也逐漸引入了先進(jìn)的技術(shù)，文章研究的就是一種熱敏電阻作為檢測(cè)元件的甲烷傳感器，可以提高甲烷檢測(cè)的質(zhì)量。

1 甲烷傳感器

甲烷傳感器在煤礦安全檢測(cè)系統(tǒng)中被用于甲烷濃度的檢測(cè)，當(dāng)甲烷的濃度超標(biāo)的時(shí)候，可以自動(dòng)發(fā)出報(bào)警（光報(bào)警、聲報(bào)警），提醒工作人員及時(shí)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(qū)域自動(dòng)化的，具有自動(dòng)調(diào)零的功能，性能穩(wěn)定、測(cè)量的數(shù)值準(zhǔn)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(chǎn)相關(guān)規(guī)定，并且符合礦井下的環(huán)境，具有自動(dòng)調(diào)零功能、較強(qiáng)的可靠性、較高的穩(wěn)定性，并且檢測(cè)的精度高、操作方便，同時(shí)還需要有較高的抗干擾能力。

在具體的氣體檢測(cè)中，甲烷傳感器一般采用載體催化作為檢測(cè)原件，產(chǎn)生一個(gè)與甲烷的含量成比例的微弱信號(hào)，經(jīng)過(guò)多級(jí)放大電路放大后產(chǎn)生輸出信號(hào)，輸入轉(zhuǎn)換輸入口，然后將這個(gè)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過(guò)相應(yīng)處理顯示出來(lái)。對(duì)于甲烷傳感器的研究，其中發(fā)揮主要作用的就是檢測(cè)元件。目前，甲烷傳感器正向著智能化的方向發(fā)展，其測(cè)量井下瓦斯的功能更加可靠、穩(wěn)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(cè)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(shù)要比金屬大10～100倍甚至更多。作為檢測(cè)元件，熱敏電阻可以檢測(cè)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(huán)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(dāng)前的熱敏電阻器體積非常小，能夠測(cè)量出其他溫度計(jì)無(wú)法測(cè)量的空隙，使用起來(lái)非常方便；電阻值可以在0.1～100kΩ任意選擇，具有良好的穩(wěn)定性和過(guò)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(gè)臂組成測(cè)量電橋，在實(shí)際使用過(guò)程中，一旦接觸到甲烷等可燃性氣體，因?yàn)闊釋?dǎo)率不同會(huì)導(dǎo)致溫度發(fā)生變化，進(jìn)而使電阻值產(chǎn)生變化，讓電橋失去平衡，電橋輸出信號(hào)的大小也就可以確定被測(cè)氣體的種類和濃度。對(duì)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(dá)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(fā)生瓦斯爆炸就是一種熱鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，一定濃度的瓦斯在高溫火源和充足的氧氣下，就會(huì)發(fā)生燃燒并引發(fā)爆炸，化學(xué)式為CH4+2O2→CO2+2H2O。一般在煤礦井下發(fā)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(dāng)濃度低于5%的時(shí)候，在遇到明火時(shí)不會(huì)發(fā)生爆炸；當(dāng)濃度為9.5%的時(shí)候，爆炸的威力就會(huì)增大。在煤礦井下，因?yàn)槭艿矫簤m等的影響，瓦斯爆炸的界限也會(huì)變化，所以要避免發(fā)生瓦斯爆炸，最主要的還是對(duì)其甲烷濃度進(jìn)行測(cè)量。

3 熱敏電阻甲烷濃度傳感器的原理及應(yīng)用

3.1 熱敏電阻甲烷濃度傳感器檢測(cè)

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(cè)中敏感元件在甲烷無(wú)焰燃燒生熱之后，元件的溫度會(huì)發(fā)生變化，溫度發(fā)生變化的時(shí)候電阻也會(huì)隨之發(fā)生變化，這樣就可以測(cè)量出電路，并且顯示出甲烷的濃度。其基本原理是將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成傳感元件電阻值的變化，再經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換電路變成電信號(hào)輸出。熱電阻效應(yīng)是導(dǎo)體或者半導(dǎo)體的電阻值隨著溫度變化而變化的現(xiàn)象，二者有確定的函數(shù)關(guān)系，通常阻值和溫度的變化呈線性關(guān)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(jīng)常被用來(lái)檢測(cè)煤礦井下低濃度甲烷氣體。該產(chǎn)品能實(shí)現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測(cè)，自動(dòng)將檢測(cè)到的甲烷濃度轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)并送往與之相連的煤礦井下安全檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)近程和遠(yuǎn)程設(shè)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(zhǎng)方體、不銹鋼結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 KG9701傳感器

KG9701傳感器的測(cè)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(bào)警設(shè)置是0.00%～4.00%甲烷，可以連續(xù)調(diào)解。斷電設(shè)置為0.50%～2.00%甲烷連續(xù)可調(diào)。

在使用過(guò)程中，被檢測(cè)的環(huán)境中的甲烷以擴(kuò)散的方式進(jìn)入氣室腔與熱敏電阻元件發(fā)生反應(yīng)，測(cè)量電橋隨機(jī)產(chǎn)生與沼氣濃度相應(yīng)的電信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過(guò)放大送入轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換之后送入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，然后發(fā)往與之相連的井下監(jiān)控分站直至地面中心站，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)全面的監(jiān)測(cè)。

3.3 熱敏電阻甲烷傳感器的使用

對(duì)于甲烷傳感器的具體使用，可以分為以下幾個(gè)部分。

（1）具體使用。以煤礦井下作為研究對(duì)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(lái)，將插頭缺口對(duì)插座，嚴(yán)格按照相關(guān)的顏色標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行操作。這就需要相關(guān)的工作人員按照操作說(shuō)明進(jìn)行操作。②連接完成之后開始零點(diǎn)調(diào)校，可以按照操作步驟讓儀器進(jìn)入工作狀態(tài)，預(yù)熱20min，在新鮮空氣樣中觀察數(shù)字顯示狀態(tài)是否為“0”。如果發(fā)現(xiàn)有偏差，可以將遙控器對(duì)準(zhǔn)傳感器的顯示窗，輕輕按動(dòng)遙控器的選擇鍵，讓小數(shù)碼管的顯示為“1”，然后同時(shí)按遙控器的上升鍵和下降鍵，完成零點(diǎn)調(diào)節(jié)。③零點(diǎn)調(diào)節(jié)之后開始精度調(diào)節(jié)。把通氣罩插入傳感器氣室外面，通入標(biāo)準(zhǔn)甲烷氣體，濃度在2.00%，氣體流量在200mL/min。這個(gè)時(shí)候儀器上面顯示的數(shù)字應(yīng)該指示標(biāo)準(zhǔn)甲烷氣體濃度，如果出現(xiàn)偏差，則需要調(diào)節(jié)。將遙控器對(duì)準(zhǔn)顯示窗，讓小數(shù)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(biāo)準(zhǔn)甲烷濃度相對(duì)應(yīng)。④之后進(jìn)行報(bào)警點(diǎn)調(diào)節(jié)。直接按動(dòng)遙控器的選擇界面，讓小數(shù)管碼顯示“3”，然后分別按上升鍵和下降鍵，調(diào)節(jié)報(bào)警點(diǎn)，其變化的范圍為0.50%～2.50%。⑤斷電點(diǎn)調(diào)節(jié)。讓小數(shù)管碼顯示4，分別按上升鍵和下降鍵實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)，其變化范圍為0.50%～2.50%。

（2）甲烷傳感器的維護(hù)。對(duì)于維護(hù)，首先是進(jìn)行自檢，傳感器本身具有自檢功能，在進(jìn)行自檢的時(shí)候，直接將遙控器對(duì)準(zhǔn)傳感器的顯示窗，按動(dòng)遙控器上的選擇鍵，標(biāo)準(zhǔn)的是小數(shù)管碼顯示“5”，傳感器顯示“2.00”，信號(hào)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(guò)程中若存在一些故障，比如傳感器顯示“LL”，可能是傳感器內(nèi)的元件出現(xiàn)斷絲現(xiàn)象，需要進(jìn)行更換；在自檢過(guò)程中傳感器顯示“2.AA”和“2.bb”，是傳感器的測(cè)量橋路零點(diǎn)偏移過(guò)大，需要硬件調(diào)零；報(bào)警的時(shí)候有光無(wú)聲，或者聲音嘶啞，檢查蜂鳴器是否斷線，無(wú)斷線則說(shuō)明故障，需要更換；傳感器接收不到遙控信號(hào)，檢查遙控器是否斷電，若有電則更換傳感器線路板數(shù)碼管旁的紅外接收頭。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章對(duì)以熱敏電阻作為檢測(cè)元件的甲烷濃度傳感器進(jìn)行研究，首先分析了甲烷傳感器和熱敏電阻檢測(cè)元件，然后詳細(xì)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(hù)。在熱敏電阻甲烷傳感器的實(shí)際運(yùn)用中，工作人員需要認(rèn)真閱讀使用說(shuō)明書，嚴(yán)格按照相關(guān)的操作要求進(jìn)行。