礦井監測系統中甲烷傳感器的設計和應用

文/秦新華

中國是一個煤炭大國，開采的煤炭產量很大。而瓦斯爆炸一直是煤炭產業發展的絆腳石。礦井安全監測技術的出現和使用對瓦斯進行監測，從而減少了瓦斯爆炸的發生概率。20世紀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測系統，并先后研制出 KJ2、 KJ4、 KJ8、 KJ10、 KJ13、 KJ19、KJ38、 KJ66、 KJ75、 KJ80、 KJ92 等檢測監控系統，目前在我國的煤礦已大量使用。礦井監測系統中傳感器能正確反映測量環境和設備參數。現在，國內煤礦檢測和監測系統的傳感器主要包括燃氣，一氧化碳，風速、溫度，氧氣、煙霧、開關量傳感器。這些傳感器對煤礦安全監測來說基本夠用。然而，相比較國外的產品，國內傳感器在使用年限，校準周期，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

催化燃燒式氣體監測原理為：敏感元件對甲烷或其他可燃氣體的催化作用，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，并且監測元件可以根據其自身的溫度的變化情況來測量氣體濃度。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 熱導式

利用被測氣體與純凈氣體之間的導熱系數差異以及混合氣體的導熱系數與濃度之間的關系，這樣將氣體濃度的變化規律變成電脈沖，從而制造成氣體檢測儀器。在煤礦中，導熱甲烷檢測儀器一般用來測量高濃度的氣體。 例如，確定排氣管道中的氣體濃度; 高瓦斯工作面的測定。 在風力甲烷阻塞裝置中，導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，并且可以保護催化元件免受高濃度氣體的影響。

甲烷分析儀的導熱原理是基于礦井空氣的導熱系數隨甲烷含量的變化而變化，并且測量這種變化以達到確定甲烷含量的目的。 然而，難以直接測量氣體的導熱率。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率的變化轉換成電阻值的變化。 使用測量橋可以容易地測量電阻值的變化。一般情況，熱元件分成以下兩大類型：導線和熱敏電阻。 鉑，鎢，鉭鎢和鈀絲是一種導線。 熱敏電阻的種類很多，它的特性是較大的溫度系數和較小的熱慣性。鉑絲具有耐高溫性，且化學性能穩定，但機械強度低，易變形。鉭鎢熱敏元件機械性能較好，但在高溫下容易氧化。為了增強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 熱催化監測原理

一定量的可燃性氣體在特定的燃燒后，生成一定的熱量，但實際上，直接測量生成的熱量比較困難，一般都是通過溫度的測量間接進行的。溫度的測量方式多種多樣，很容易得到準確的結果。 對于溫度的測定，一般采用電測法。 這種方法具有反應快、讀數容易和指示客觀等優點，試驗證明溫升與甲烷的氧化速率成比例，當濃度低于5%時，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化成一定對應關系的輸出信號的裝置，即通過電信號轉換甲烷的濃度值。

3 甲烷傳感器的調試與校正

3.1 零點的調試與校正方法

投入井下使用的甲烷傳感器，應對其進行調試、校正，首先必須對儀器零點校正，保證儀器的準確度。 在井下新鮮風流中抽放空氣，帶校驗膠管與甲烷傳感器氣室校驗嘴連接，進行充氣。在甲烷傳感器的輸出信號線上串聯使用數字萬用表。當讀數為1mA時，零點沒有漂移； 否則，必須調整電位器。

3.2 靈敏度調試與校正

使用甲烷傳感器在井下檢測時，有時會造成誤差，所以每周必須校正一次，重點工作面要經常校正，保證儀器測量的準確性。校驗靈敏度必須用標準氣樣進行校正。例如，校正某工作面甲烷傳感器，用標準甲烷氣樣濃度2%校正時，首先，把數字萬用表串聯在甲烷傳感器輸出信號上，控制氣體流量對甲烷傳感器氣室充氣樣，注意讀數字表的電流，對應用3mA電流，否則，調整電位器，使電流達到3mA為止。

3.3 報警點的調試方法

井下使用報警點，《煤礦安全規程》是有明確規定的，參照規定確定報警點，并了解甲烷傳感器報警點時如何設置的。例如，當報警點瓦斯濃度為1%時，同樣用甲烷標準氣樣對傳感器氣室進行充氣，控制流量，數字萬用表串聯在甲烷傳感器輸出線上，注意觀察，當數字表為2mA時，不報警，應調報警點電位器，直到報警為止。

3.4 必須用標準氣樣校正傳感器

對任何檢測甲烷儀器的校正，必須用標準氣樣進行，絕不允許檢測甲烷儀器相互校正。因為，檢測甲烷的儀器在測量時都存在誤差。若檢測瓦斯的儀器相互校正，造成誤差就會更大。所以，必須用標準氣樣校正傳感器。

4 結束語

甲烷傳感器按其工作原理分為催化燃燒式和熱導式。在礦井安全監控中，用于低濃度瓦斯監測的主要是催化燃燒式，用于高濃度瓦斯監測的主要是熱導式。我國目前的技術已基本滿足使用的要求，但是離精確測量還有一定的差距，需要繼續努力研究開發新產品。