一種新型甲烷傳感器調校裝置通氣嘴的設計

石躍芳

（山西潞安檢測檢驗中心有限責任公司， 山西 長治 046204）

1 甲烷傳感器現狀分析

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，在應用過程中還必須在煤礦井下進行現場調校。如今，市場上有諸多關于在煤礦井下對甲烷傳感器進行調校的便攜型甲烷傳感器調校設備，這些設備包含有空氣氣樣和標準氣樣的鋼瓶，以及通氣嘴與流量計。其中，具備減壓開關的銅導氣管將空氣氣樣的鋼瓶和標準空氣樣品的鋼瓶相連接；橡膠軟管連接減壓開關的出口和流量計入口以及流量計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 甲烷傳感器調校設備的不足

目前，已有的甲烷傳感器調校設備主要有以下兩方面的不足：第一，調試校正的設備并非一次性使用，如果使用同一個設備第二次調校傳感器的情況下，參照一系列調試校正流程，把流量計與空氣樣品的鋼瓶閥門打開，進行零點調校的時候，甲烷傳感器的顯示會先上升，顯示瓦斯含量的濃度，進而再逐漸下降到零點，該現象表示通進甲烷傳感器的空氣樣品中還混合少量的甲烷，這很有可能會對甲烷傳感器的零點調試校正造成一定的影響。第二，在零點調試校正結束，關閉流量計與空氣樣品的鋼瓶之后，減壓閥的壓力顯示值無法回歸零并維持固定值不變，參照流程將流量計和標準氣樣打開并調校精度，傳感器的顯示值有緩慢上升的趨勢，并且測得反應時間約為兩分鐘，已經超出了中華人民共和國安全生產行業標準AQ 6203—2006《煤礦用低濃度載體催化式甲烷傳感器》中規定的要求，其文件規定傳感器響應時間≤20 s。

當一個監控維護的人員對同一個甲烷傳感器調試校正設備依次完成兩次調試校正的工作時，設備標準的氣體樣本濃度（體積分數）是1.49%，其設備中零點氣體是清潔空氣。依據甲烷傳感器的調試校正流程，第一步應執行零點的調試校正，第二步執行精度的調試校正，第三步再執行二次驗證這一最后環節。通過現場校準試驗得知，在校準之前，傳感器的顯示值始終顯示零，然后監控維護員開始調試校正傳感器，當其依據操作流程往傳感器的氣室中通進清潔空氣，并進行傳感器的零點調試校正之時，甲烷傳感器顯示值產生了一系列的變化過程，先上升到φ（CH4）=0.1%，后降低為零。在對甲烷傳感器進行10 min 的第一次調試校正完成之后，開始對傳感器執行第二次調試校正。試驗結果顯示，第二次調試校正時，在對傳感器調校之前，其顯示值依舊為零，但是在零點調試校正過程中甲烷濃度值出現一個較高的顯示值達到φ（CH4）=0.44%。在這個過程中值得注意的是，監控維護員在使用同一個調試校正設備對兩個以上不同的甲烷傳感器調試校正時，需要注意在精度和零點調校轉換時，必須經過摘卸通氣嘴排出氣體，很明顯，出現以上情況是因為沒有將氣路當中的甲烷全部排出去[2-3]。

1.2 排氣通氣嘴的不足

通過摘卸通氣嘴把氣體排出也有一定的缺點，具體分析如下。

第一，當零點調校時，把流量計和空氣氣樣的鋼瓶閥門打開并往甲烷傳感器的氣室通進零點氣體的環節中，在空氣氣樣的鋼瓶出口至傳感器的氣室涵蓋流量計、減壓閥以及兩節橡膠軟管的氣路充滿著空氣（零點氣體）。然而，當關掉流量計和空氣的氣瓶閥門之后，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，進而當把標準氣樣的氣瓶閥門和流量計打開后，此時甲烷（體積分數）濃度范圍為1%～2%，那么之前保留氣路內的空氣或者是標氣和空氣的混合體，會先被推入傳感器氣室中，此時并非標準氣樣，因此傳感器的顯示值上升比較緩慢。第二，還可能由于打開流量計與空氣瓶閥門后，一開始被推進氣室的為基于第一次精度調試校正的保留于氣路中的空氣和標氣混合氣體，并非真正實際清潔空氣。

基于以上分析可見，如今很多甲烷傳感器的調試校正設備出現問題的原因是氣路中留有與本次調校所需氣樣不同的氣體，為了解決這個問題，首先應考慮怎么把氣路當中保留的氣體在不同的氣樣打開前能夠進行全部排出。然而，還存在一個問題是，目前的甲烷傳感器調試校正設備只有把調試校正設備氣室上的氣嘴卸下，才能成功地把氣路當中保留的氣體在不同的氣樣打開前進行全部排出，可是該做法會出現兩個缺陷：第一，如果在零點調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有害的氣體，此時會產生很多干擾的氣體，很大程度上會降低調試校正完成后傳感器零點的穩定性；第二，在采用現有的調試校正設備進行精度調試校正后，關閉標準氣樣的氣瓶閥門卸下通氣嘴排氣之時，不易掌握排氣的時間長短，假設排氣的時間過短，則會導致氣體無法完全排出，如果排氣的時間過長又會嚴重導致浪費氣體。

2 新型調校裝置通氣嘴的設計分析

2.1 設計背景

本新型設計是基于以下兩個缺陷角度出發，第一是目前的甲烷傳感器調試校正設備在精度調校時會出現反應時間較長的問題；第二當甲烷傳感器被再次使用于零點調校時，其顯示值會產生異常升高的現象。因此，本研究設計一個新型甲烷傳感器調試校正設備通氣嘴。

2.2 技術方案

技術方案內容如下：該新型甲烷傳感器調試校正設備通氣嘴包含以下結構，分別是寬口（連通傳感器的氣室）、窄口（連通流量計的出口）和輸氣管（連接窄口和寬口），輸氣管的側壁外接排氣管。其中，排氣管的一端和輸氣管相連、另一端開著口，排氣管的內部由兩個隔板分成一字型的a、b、c 室（見圖1）。兩隔板都有通氣的孔，a 室是通到輸氣管一端，兩個通氣的孔中間穿著一根操作桿，其中操作桿的中部有設置堵件2（為板狀），操作桿的一端有設置堵件1（為塊狀），堵件1 在輸氣管與a 室中活動，堵件1 與2 間有彈簧相套，在正常狀態中，彈簧作用于堵件1和2，壓緊兩個通氣的孔使其密封。當按壓操作桿到底的時候，寬口那側的輸氣管比窄口那側窄，只有靠近寬口的那側輸氣管被堵件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，遠離堵件1 的操作桿設置有按壓頭，無法進入b 室。其中，輸氣管、窄口和寬口的材質均為硬質塑料。

2.3 方案效果

本研究設計效果內容如下，基于以上的研究設計進一步分析了正常情況下和排氣情況下的具體內容：正常情況下，如果精度和零點調試校正通氣正常，氣流將通過窄口途經寬口和輸氣管，最后排入傳感器的氣室。在精度和零點調試校正完成并關上氣瓶的閥門之后，將操作桿按壓到底，在內外壓力差影響下，氣流方向將會改至通過窄口途經a、b、c 室和輸氣管排到外面。該新型的甲烷傳感器調試校正設備通氣嘴，可以提高傳感器零點調校的精確程度，減短通氣時長，簡便操作，提高調試校正效率，并且整體減少氣體使用量，大大降低所需成本。

2.4 圖示說明

如圖1 所示，在正常狀態下進行精度與零點調試校正通氣時，氣流將通過窄口3 途經寬口1 和輸氣管2，最后進入傳感器的氣室。當精度與零點調試校正結束，并且關上氣瓶的閥門之后，把操作桿6 按壓到底，氣流方向在內外壓力差影響下，改變方向通過窄口3 途經a、b、c 室和輸氣管2 排到外面。

設計實施例排氣狀態見圖2，堵件10 是一個塊狀的零件，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 口的那一邊會被堵件10 的一端堵住，另外一端則沒有完全被堵上，還是有一些空隙存在。

圖1 設計實施例正常狀態下示意圖

圖2 設計實施例排氣狀態下示意圖

3 結論

1）從工藝結構上看，該通氣嘴結構更為完整、工藝流程更加順暢，并使得傳感器調校的準確程度得到顯著提升；

2）從經濟收益的角度，該設計顯著降低了成本和花費，提升了企業的經濟效益；

3）從安全效益的角度，該設計降低了甲烷傳感器運轉過程中的安全隱患，保障了傳感器的正常運轉。