甲烷傳感器在礦井甲烷監測中應用的分析

崔富明

（大同煤礦集團北辛窯煤業有限公司， 山西 忻州 036702）

引言

便攜式甲烷監測報警器具有較多的優勢，比如方便攜帶、體積較小等，人們大多將其運用在礦井工作面甲烷濃度的監測。中國擁有龐大的煤炭資源，且開采程度也極為巨大。而在煤炭行業的發展中，瓦斯爆炸是對其造成阻礙的主要因素，隨著安全監測技術的提出與應用，礦井下瓦斯的濃度得到了有效的監測與控制，從而使瓦斯的爆炸率得到了較好的控制。20 世紀80 年代初期，我國積極從國外一些國家引入了先進的安全監測系統，并且相繼研發出了KJ2.KJ4.等多個監控系統，目前這些系統已經被廣泛應用到礦井的生產中。煤礦所運用的監測系統中的傳感器可以對環境、設備等各個參數進行正確的反映。現階段，監控系統中所運用的傳感器主要有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測工作的各種需求。但是，與國外使用的產品相比，我國所使用的傳感器不管是在可靠性、還是在校準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定性，無法滿足客戶的需求[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：敏感部件可以對甲烷或其他的可燃氣體發揮催化效果，促使甲烷可以在部件上部進行無焰燃燒。該過程所釋放的熱量可以使傳感元件的溫度不斷提升，并且監測元件可以依據自身溫度的變化狀況來監測氣體的濃度，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 熱導式

通過運用被檢測氣體與純凈氣體之間存在的導熱系數之差及混合氣體具有的導熱系數與濃度之間的關系，可以將氣體濃度發生變化的規律轉變為電脈沖，從而研制成氣體檢測裝置。在煤礦中，這種甲烷檢測裝置大多用于對高濃度的氣體進行測量。例如，明確排氣管道內部存在的氣體濃度高于瓦斯作業面的檢測。在風力甲烷堵塞的設備中，導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，并且可以對催化元件起到保護作用，避免高濃度的氣體對其產生影響[4]。

甲烷分析儀所運用的導熱原理為：井中空氣所具有的導熱系數將會隨著甲烷濃度的改變而改變，并且對該變化進行檢測，確保甲烷的含量得以明確。但是，很難將氣體所具有的導熱率進行直接測量。一般情況下，可以利用熱敏部件將甲烷在混合氣體內發生改變導致的熱導率變化轉變成為電阻的改變。通過運用測量橋可以將電阻值的改變進行有效的測量。通常，熱部件主要包含兩個類型，分別為熱敏電阻和導線。鉑、鎢、鈀鎢和鈀鉑屬于同一類導線。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及較低的熱慣性。鈀鉑具有較高的抗高溫性和穩定的化學性，但是不具備較高的機械強度，極易發生變形問題的鈀鎢熱敏元件具有較好的機械性能，但是出于高溫的背景下極易發生氧化，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測原理

一部分可燃性氣體在經過相應的燃燒之后會形成相應的熱量，但實際上很難對生成的熱量進行直接檢測，一般都是通過對溫度進行測量。這種測量形式存在較多類型，很容易取得較精確的結果。通常采取電測法來對溫度進行測量。這種方式具有較多的優勢，比如較快的反應速度、較容易的讀數形式等。大量試驗表明，溫度的上升與甲烷的氧化速度呈現出一定的比例，當甲烷濃度小于5%的時候，甲烷發生氧化的速度與其濃度呈現出線性變化。甲烷傳感器可以將甲烷的濃度加以轉變，使其成為信號的輸出裝置，即利用該信號來對甲烷的濃度進行轉換。

3 甲烷傳感器的調試與校正

3.1 零點的調試與校正

在礦井中運用的甲烷傳感器必須開展有效的調試及校正工作，對該設備進行零點校正，確保設備具備較高的精確度。在礦井的新鮮風流中來抽放氣體，將帶校驗的膠管與其氣室的校驗嘴進行連接，并對其進行充氣。將數字萬用表與該設備的輸出信號線相互串聯。當讀數保持1 mA 時，零點并未發生漂移，否則就需要對電位器進行調整。

3.2 靈敏度的調試與校正

在運用甲烷傳感器檢測的時候，一般會出現偏差，因此每周進行一次校正，關鍵作業面應當經常校正，確保測量的精確性。利用標準氣樣來對校驗的靈敏度進行校正。例如，對某個作業面上的甲烷傳感器進行校正，在采用2%的甲烷氣樣來進行校正時，首先需要將數字萬用表與該傳感器的輸出信號相互串聯，對氣體的流量加以控制，以此來對甲烷傳感器的氣室進行充樣，仔細讀取數字表中的電流，采取3 mA 的電流，否則，對電位器進行調整，促使電流實現3 mA[5-6]。

3.3 報警點的調試方法

在礦井下采取報警點，應根據《煤礦安全規程》中的規定來明確報警點，并充分掌握該報警點是如何設定的。例如，當瓦斯的濃度達到了1%時，采用甲烷的標準氣樣來對傳感器的氣室進行充氣，把握流量，將數字萬用表與傳感器輸出線相互串聯，注重觀察，當數字表的數值為2 mA 時，沒有發出報警，應對其電位器進行調整，直至報警。

3.4 必須用標準氣樣校正傳感器

對所有檢測甲烷的設備進行校正，但必須使用標準氣樣來校正，因為對甲烷檢測設備應避免進行校正，由于甲烷檢測設備在檢測時都會出現偏差，如果這些設備進行校正，則偏差將會越來越大，因此，必須采取標準氣樣的校正設備[7]。

4 結語

根據工作的原理，甲烷傳感器可以分為兩種，分別為熱導式和催化燃燒式。在礦井開展的監控中，用來檢測高、低濃度瓦斯的設備分別為熱導式和催化燃燒式。目前，我國現有的技術基本可以滿足使用的要求，但是卻無法達到精確測量，必須積極研制新的產品。