气体传感器在煤矿安全生产中的应用

2014-09-15

天津职业院校联合学报 2014年11期

(天津市冶金职业技术学院，天津 300400)

瓦斯爆炸是煤矿安全生产的隐患之一，当瓦斯浓度在5%至16%，氧气浓度大于12%，遇明火就会引起爆炸。瓦斯爆炸产生的高温高压使爆燃气体向外冲击扬起大量煤尘并使之参与爆炸产生更大的破坏力。瓦斯爆炸造成人员伤亡、巷道和器材设施损毁，给家庭带来沉重灾难，给国民经济带来巨大损失。所以，瓦斯的防治必须加以重视。

一、气体传感器的分类和工作原理

瓦斯的主要成份是甲烷(CH4)是无色无味无嗅可燃的气体，由于实际当中混有有一定量的硫氧化物等其他成分，使其具有一定刺激性气味。1964年，利用气体在电极上的氧化还原反应研制出的第一个气敏传感器问世，自此后气体传感器飞速发展，主要应用于有毒气体和可燃烧气体泄漏检测，环境检测等。我国从80年代初开始研究气体传感器，当前各国研究的主要方向是提高气体传感器的敏感程度和在恶劣环境中的工作时间以及智能化等。

1.气体传感器的分类

所谓气体传感器是将被测气体的浓度转换为与其成一定关系电量的输出装置或器件。气体传感器是化学传感器的一大门类，气体传感器从结构上可分为干式和湿式两种。干式气体传感器是指构成气体传感器的材料为固体；而利用水溶液或电解液感知待测气体的传感器称为湿式传感器。气体传感器按气敏特性细分又可分为半导体气体传感器、接触燃烧式气体传感器、电化学气体传感器、红外吸收型气体传感器、声波气体传感器、高分子气体传感器等等。上述诸多传感器中用途最为广泛的是半导体气敏传感器(约占总体气体传感器60%以上)。它可应用于一氧化碳气体、瓦斯气体、煤气、呼气中乙醇的检测等。

2.半导体气体传感器的工作原理

半导体气体传感器的工作原理依据的是金属氧化物半导体陶瓷气敏材料与被测气体接触时，由于气体的吸附作用使得气敏材料本身的电阻值发生改变这一特性。它将气体种类及其与浓度有关的信息转换成电信号，通过检测该电信号的强弱来获得待测气体在监测环境中存在的相关信息，进而达到检测、监控、报警的目的。其具体的变化原理可描述如下：半导体气敏材料表面吸附有气体时，则半导体和吸附的气体之间会有电子的施受发生，吸附分子将向器件释放电子，而形成正离子吸附，载流子增多，使半导体电阻值下降。使用简单的电路就可将电阻的变化转化为与该气体浓度相对应的电压信号。任何半导体气敏元件内部均有加热丝，一方面用来烧灼元件表面油垢或污物，其次是用来加速元件对被测气体的吸、脱作用，加热温度一般为200～400℃。图1是气敏传感器的外形及其基本测量电路。F到F为加热电阻，为气敏元件提供必要的工作温度。A到B为气敏元件的电阻值，当环境中被测气体的浓度发生变化时，该电阻的阻值相应改变。

由于半导体气体传感器具有灵敏度高、响应快、使用寿命长和成本低等特点，广泛应用于有毒有害、易燃易爆气体的检测、控制和报警等。

二、气体传感器在预防煤矿瓦斯爆炸中的应用

气体传感器要达到在煤矿生产中预防瓦斯爆炸的目的应该或必须满足如下的条件：a)能够检测爆炸、或有害气体允许浓度，并能及时给出报警、显示和控制信号。b)对与被测气体一方共存的气体或物质不敏感。c)长期性稳定性好。d)响应迅速，重复性好。e)维护方便价格便宜。

1.SnO2半导体传感器

常用的瓦斯敏感传感器主要有SnO2半导体传感器，属表面敏感型。SnO2粉末经烧结(烧结温度700～900°C)制成烧结体敏感元件。元件采用Pt-Ir丝作为加热器，铂电极和加热丝埋没其中，SnO2以直径0.001～0.05？m的晶粒组成约1？m以下砂粒状颗粒的形式存于其中。

SnO2系列气敏元件有烧结型、薄膜型和厚膜型三种。根据加热方式，分为直接加热式和旁热式两种。旁热式因测量极与加热丝分开，加热丝不与气敏元件接触，避免了回路间的相互影响，保持了材料结构的稳定而应用广泛。

2.矿井瓦斯超限报警电路的组成和工作原理

(1)电路组成

矿井瓦斯超限报警电路主要组成为：直流稳压电源电路(供给加热的电压必须稳定否则导致加热器的温度随电源电压变化影响检测的准确性)、传感器及设定电压电路、比较放大电路、风扇控制及报警电路。可以看出、将瓦斯浓度经传感器变换成电压信号与设定电压进行比较是该报警电路的关键所在。本报警装置中所用的气敏传感器为TGS813属N型半导体类气体传感器，其主要成分是二氧化锡烧结体，气体浓度的检测范围为500-10000ppm。其加热器电压5V±0.2V；加热器电阻30±3欧姆，TGS传感器的灵敏度(电阻比)：0.6±0.05且灵敏度特性只随四季的温湿度变化而呈周期性变化，并没有单调变化的趋势，这一点说明TGS气体传感器有很长的使用寿命。

(2)工作原理

稳定直流电压供给传感器的加热电路和检测电路。气体传感器将检测的气体浓度转换为电压信号后加在电压比较器的同相输入端与加在反相输入端的设定电压进行比较。气敏传感器信号采集电路如图2所示，图中RS为气敏传感器电阻，R1为参考电阻采用电阻分压形式获取气体浓度信号U0。R2、R3分压得到设定电压U。调节R3可改变设定电压值，改变报警阈值。电压跟随器能够有效的隔离前后电路，使测量电路前后级之间互不影响提高检测的准确性。为降低环境温度、湿度对气体转换电路的影响，R1、R2可用热敏电阻、湿敏电阻。

当可燃性气体浓度较低时，传感器的输出电压小于设定电压，电压比较器输出低电平，不能使三极管导通，风扇驱动和报警电路不工作。而当可燃性气体浓度超标时，传感器的输出电压大于电压设定值，电压比较器输出高电平，该信号经三极管放大电路放大，使驱动控制回路接通，使风扇自动打开的同时也使音响报警电路发出报警信号。传感器驱动及报警电路如图3所示，图3中的U0为与气体浓度相关的加在电压比较器同相端的电压信号。U为加在电压比较器反相端的设定电压信号(与图2中的输出信号对应)，音响报警电路由与非门组成的多谐振荡器完成。K为控制驱动风扇工作的线圈。