一種新型甲烷傳感器調(diào)校裝置通氣嘴的設(shè)計(jì)

石躍芳

（山西潞安檢測(cè)檢驗(yàn)中心有限責(zé)任公司， 山西 長(zhǎng)治 046204）

1 甲烷傳感器現(xiàn)狀分析

從安全角度考慮，煤礦井下使用的甲烷傳感器除了需要定期檢定/校準(zhǔn)，在應(yīng)用過(guò)程中還必須在煤礦井下進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)校。如今，市場(chǎng)上有諸多關(guān)于在煤礦井下對(duì)甲烷傳感器進(jìn)行調(diào)校的便攜型甲烷傳感器調(diào)校設(shè)備，這些設(shè)備包含有空氣氣樣和標(biāo)準(zhǔn)氣樣的鋼瓶，以及通氣嘴與流量計(jì)。其中，具備減壓開(kāi)關(guān)的銅導(dǎo)氣管將空氣氣樣的鋼瓶和標(biāo)準(zhǔn)空氣樣品的鋼瓶相連接；橡膠軟管連接減壓開(kāi)關(guān)的出口和流量計(jì)入口以及流量計(jì)出口和通氣嘴的窄口；甲烷傳感器的氣室與通氣嘴的寬口相連接[1]。

1.1 甲烷傳感器調(diào)校設(shè)備的不足

目前，已有的甲烷傳感器調(diào)校設(shè)備主要有以下兩方面的不足：第一，調(diào)試校正的設(shè)備并非一次性使用，如果使用同一個(gè)設(shè)備第二次調(diào)校傳感器的情況下，參照一系列調(diào)試校正流程，把流量計(jì)與空氣樣品的鋼瓶閥門(mén)打開(kāi)，進(jìn)行零點(diǎn)調(diào)校的時(shí)候，甲烷傳感器的顯示會(huì)先上升，顯示瓦斯含量的濃度，進(jìn)而再逐漸下降到零點(diǎn)，該現(xiàn)象表示通進(jìn)甲烷傳感器的空氣樣品中還混合少量的甲烷，這很有可能會(huì)對(duì)甲烷傳感器的零點(diǎn)調(diào)試校正造成一定的影響。第二，在零點(diǎn)調(diào)試校正結(jié)束，關(guān)閉流量計(jì)與空氣樣品的鋼瓶之后，減壓閥的壓力顯示值無(wú)法回歸零并維持固定值不變，參照流程將流量計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)氣樣打開(kāi)并調(diào)校精度，傳感器的顯示值有緩慢上升的趨勢(shì)，并且測(cè)得反應(yīng)時(shí)間約為兩分鐘，已經(jīng)超出了中華人民共和國(guó)安全生產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)AQ 6203—2006《煤礦用低濃度載體催化式甲烷傳感器》中規(guī)定的要求，其文件規(guī)定傳感器響應(yīng)時(shí)間≤20 s。

當(dāng)一個(gè)監(jiān)控維護(hù)的人員對(duì)同一個(gè)甲烷傳感器調(diào)試校正設(shè)備依次完成兩次調(diào)試校正的工作時(shí)，設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)的氣體樣本濃度（體積分?jǐn)?shù)）是1.49%，其設(shè)備中零點(diǎn)氣體是清潔空氣。依據(jù)甲烷傳感器的調(diào)試校正流程，第一步應(yīng)執(zhí)行零點(diǎn)的調(diào)試校正，第二步執(zhí)行精度的調(diào)試校正，第三步再執(zhí)行二次驗(yàn)證這一最后環(huán)節(jié)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)試驗(yàn)得知，在校準(zhǔn)之前，傳感器的顯示值始終顯示零，然后監(jiān)控維護(hù)員開(kāi)始調(diào)試校正傳感器，當(dāng)其依據(jù)操作流程往傳感器的氣室中通進(jìn)清潔空氣，并進(jìn)行傳感器的零點(diǎn)調(diào)試校正之時(shí)，甲烷傳感器顯示值產(chǎn)生了一系列的變化過(guò)程，先上升到φ（CH4）=0.1%，后降低為零。在對(duì)甲烷傳感器進(jìn)行10 min 的第一次調(diào)試校正完成之后，開(kāi)始對(duì)傳感器執(zhí)行第二次調(diào)試校正。試驗(yàn)結(jié)果顯示，第二次調(diào)試校正時(shí)，在對(duì)傳感器調(diào)校之前，其顯示值依舊為零，但是在零點(diǎn)調(diào)試校正過(guò)程中甲烷濃度值出現(xiàn)一個(gè)較高的顯示值達(dá)到φ（CH4）=0.44%。在這個(gè)過(guò)程中值得注意的是，監(jiān)控維護(hù)員在使用同一個(gè)調(diào)試校正設(shè)備對(duì)兩個(gè)以上不同的甲烷傳感器調(diào)試校正時(shí)，需要注意在精度和零點(diǎn)調(diào)校轉(zhuǎn)換時(shí)，必須經(jīng)過(guò)摘卸通氣嘴排出氣體，很明顯，出現(xiàn)以上情況是因?yàn)闆](méi)有將氣路當(dāng)中的甲烷全部排出去[2-3]。

1.2 排氣通氣嘴的不足

通過(guò)摘卸通氣嘴把氣體排出也有一定的缺點(diǎn)，具體分析如下。

第一，當(dāng)零點(diǎn)調(diào)校時(shí)，把流量計(jì)和空氣氣樣的鋼瓶閥門(mén)打開(kāi)并往甲烷傳感器的氣室通進(jìn)零點(diǎn)氣體的環(huán)節(jié)中，在空氣氣樣的鋼瓶出口至傳感器的氣室涵蓋流量計(jì)、減壓閥以及兩節(jié)橡膠軟管的氣路充滿著空氣（零點(diǎn)氣體）。然而，當(dāng)關(guān)掉流量計(jì)和空氣的氣瓶閥門(mén)之后，傳感器的氣室與氣瓶的出口之間的壓力差消失了，使得氣路中有空氣停留，進(jìn)而當(dāng)把標(biāo)準(zhǔn)氣樣的氣瓶閥門(mén)和流量計(jì)打開(kāi)后，此時(shí)甲烷（體積分?jǐn)?shù)）濃度范圍為1%～2%，那么之前保留氣路內(nèi)的空氣或者是標(biāo)氣和空氣的混合體，會(huì)先被推入傳感器氣室中，此時(shí)并非標(biāo)準(zhǔn)氣樣，因此傳感器的顯示值上升比較緩慢。第二，還可能由于打開(kāi)流量計(jì)與空氣瓶閥門(mén)后，一開(kāi)始被推進(jìn)氣室的為基于第一次精度調(diào)試校正的保留于氣路中的空氣和標(biāo)氣混合氣體，并非真正實(shí)際清潔空氣。

基于以上分析可見(jiàn)，如今很多甲烷傳感器的調(diào)試校正設(shè)備出現(xiàn)問(wèn)題的原因是氣路中留有與本次調(diào)校所需氣樣不同的氣體，為了解決這個(gè)問(wèn)題，首先應(yīng)考慮怎么把氣路當(dāng)中保留的氣體在不同的氣樣打開(kāi)前能夠進(jìn)行全部排出。然而，還存在一個(gè)問(wèn)題是，目前的甲烷傳感器調(diào)試校正設(shè)備只有把調(diào)試校正設(shè)備氣室上的氣嘴卸下，才能成功地把氣路當(dāng)中保留的氣體在不同的氣樣打開(kāi)前進(jìn)行全部排出，可是該做法會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)缺陷：第一，如果在零點(diǎn)調(diào)試校正之后采取卸下氣室上的通氣嘴排出氣體，那么甲烷傳感器的氣室很容易混入煤礦井中的其他各類(lèi)有害的氣體，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生很多干擾的氣體，很大程度上會(huì)降低調(diào)試校正完成后傳感器零點(diǎn)的穩(wěn)定性；第二，在采用現(xiàn)有的調(diào)試校正設(shè)備進(jìn)行精度調(diào)試校正后，關(guān)閉標(biāo)準(zhǔn)氣樣的氣瓶閥門(mén)卸下通氣嘴排氣之時(shí)，不易掌握排氣的時(shí)間長(zhǎng)短，假設(shè)排氣的時(shí)間過(guò)短，則會(huì)導(dǎo)致氣體無(wú)法完全排出，如果排氣的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)又會(huì)嚴(yán)重導(dǎo)致浪費(fèi)氣體。

2 新型調(diào)校裝置通氣嘴的設(shè)計(jì)分析

2.1 設(shè)計(jì)背景

本新型設(shè)計(jì)是基于以下兩個(gè)缺陷角度出發(fā)，第一是目前的甲烷傳感器調(diào)試校正設(shè)備在精度調(diào)校時(shí)會(huì)出現(xiàn)反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)的問(wèn)題；第二當(dāng)甲烷傳感器被再次使用于零點(diǎn)調(diào)校時(shí)，其顯示值會(huì)產(chǎn)生異常升高的現(xiàn)象。因此，本研究設(shè)計(jì)一個(gè)新型甲烷傳感器調(diào)試校正設(shè)備通氣嘴。

2.2 技術(shù)方案

技術(shù)方案內(nèi)容如下：該新型甲烷傳感器調(diào)試校正設(shè)備通氣嘴包含以下結(jié)構(gòu)，分別是寬口（連通傳感器的氣室）、窄口（連通流量計(jì)的出口）和輸氣管（連接窄口和寬口），輸氣管的側(cè)壁外接排氣管。其中，排氣管的一端和輸氣管相連、另一端開(kāi)著口，排氣管的內(nèi)部由兩個(gè)隔板分成一字型的a、b、c 室（見(jiàn)圖1）。兩隔板都有通氣的孔，a 室是通到輸氣管一端，兩個(gè)通氣的孔中間穿著一根操作桿，其中操作桿的中部有設(shè)置堵件2（為板狀），操作桿的一端有設(shè)置堵件1（為塊狀），堵件1 在輸氣管與a 室中活動(dòng)，堵件1 與2 間有彈簧相套，在正常狀態(tài)中，彈簧作用于堵件1和2，壓緊兩個(gè)通氣的孔使其密封。當(dāng)按壓操作桿到底的時(shí)候，寬口那側(cè)的輸氣管比窄口那側(cè)窄，只有靠近寬口的那側(cè)輸氣管被堵件1（10）堵住，另一端的輸氣管才有間隙。堵件2（5）與彈簧一直位于b 室，遠(yuǎn)離堵件1 的操作桿設(shè)置有按壓頭，無(wú)法進(jìn)入b 室。其中，輸氣管、窄口和寬口的材質(zhì)均為硬質(zhì)塑料。

2.3 方案效果

本研究設(shè)計(jì)效果內(nèi)容如下，基于以上的研究設(shè)計(jì)進(jìn)一步分析了正常情況下和排氣情況下的具體內(nèi)容：正常情況下，如果精度和零點(diǎn)調(diào)試校正通氣正常，氣流將通過(guò)窄口途經(jīng)寬口和輸氣管，最后排入傳感器的氣室。在精度和零點(diǎn)調(diào)試校正完成并關(guān)上氣瓶的閥門(mén)之后，將操作桿按壓到底，在內(nèi)外壓力差影響下，氣流方向?qū)?huì)改至通過(guò)窄口途經(jīng)a、b、c 室和輸氣管排到外面。該新型的甲烷傳感器調(diào)試校正設(shè)備通氣嘴，可以提高傳感器零點(diǎn)調(diào)校的精確程度，減短通氣時(shí)長(zhǎng)，簡(jiǎn)便操作，提高調(diào)試校正效率，并且整體減少氣體使用量，大大降低所需成本。

2.4 圖示說(shuō)明

如圖1 所示，在正常狀態(tài)下進(jìn)行精度與零點(diǎn)調(diào)試校正通氣時(shí)，氣流將通過(guò)窄口3 途經(jīng)寬口1 和輸氣管2，最后進(jìn)入傳感器的氣室。當(dāng)精度與零點(diǎn)調(diào)試校正結(jié)束，并且關(guān)上氣瓶的閥門(mén)之后，把操作桿6 按壓到底，氣流方向在內(nèi)外壓力差影響下，改變方向通過(guò)窄口3 途經(jīng)a、b、c 室和輸氣管2 排到外面。

設(shè)計(jì)實(shí)施例排氣狀態(tài)見(jiàn)圖2，堵件10 是一個(gè)塊狀的零件，輸氣管2 靠近1 口的那一邊比靠近3 的那一邊要窄一些，并且輸氣管2 靠近1 口的那一邊會(huì)被堵件10 的一端堵住，另外一端則沒(méi)有完全被堵上，還是有一些空隙存在。

圖1 設(shè)計(jì)實(shí)施例正常狀態(tài)下示意圖

圖2 設(shè)計(jì)實(shí)施例排氣狀態(tài)下示意圖

3 結(jié)論

1）從工藝結(jié)構(gòu)上看，該通氣嘴結(jié)構(gòu)更為完整、工藝流程更加順暢，并使得傳感器調(diào)校的準(zhǔn)確程度得到顯著提升；

2）從經(jīng)濟(jì)收益的角度，該設(shè)計(jì)顯著降低了成本和花費(fèi)，提升了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益；

3）從安全效益的角度，該設(shè)計(jì)降低了甲烷傳感器運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的安全隱患，保障了傳感器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。