矿井监测系统中甲烷传感器的设计和应用

文/秦新华

中国是一个煤炭大国，开采的煤炭产量很大。而瓦斯爆炸一直是煤炭产业发展的绊脚石。矿井安全监测技术的出现和使用对瓦斯进行监测，从而减少了瓦斯爆炸的发生概率。20世纪80年代初，中国从波兰，法国，德国，英国和美国引入一些安全监测系统，并先后研制出 KJ2、 KJ4、 KJ8、 KJ10、 KJ13、 KJ19、KJ38、 KJ66、 KJ75、 KJ80、 KJ92 等检测监控系统，目前在我国的煤矿已大量使用。矿井监测系统中传感器能正确反映测量环境和设备参数。现在，国内煤矿检测和监测系统的传感器主要包括燃气，一氧化碳，风速、温度，氧气、烟雾、开关量传感器。这些传感器对煤矿安全监测来说基本够用。然而，相比较国外的产品，国内传感器在使用年限，校准周期，可靠性方面仍存在较大差距。一些传感器（例如甲烷传感器）的稳定性较差，尚不能满足客户的需要。

1 甲烷传感器的分类

1.1 催化燃烧式

催化燃烧式气体监测原理为：敏感元件对甲烷或其他可燃气体的催化作用，使甲烷在部件上无焰燃烧。释放热量以增高传感元件的温度，并且监测元件可以根据其自身的温度的变化情况来测量气体浓度。这种气体传感器中所使用的敏感元件是铂丝催化组分和载体催化组分。

1.2 热导式

利用被测气体与纯净气体之间的导热系数差异以及混合气体的导热系数与浓度之间的关系，这样将气体浓度的变化规律变成电脉冲，从而制造成气体检测仪器。在煤矿中，导热甲烷检测仪器一般用来测量高浓度的气体。 例如，确定排气管道中的气体浓度; 高瓦斯工作面的测定。 在风力甲烷阻塞装置中，导热元件和载体催化元件组合形成高浓度和低浓度甲烷传感器，并且可以保护催化元件免受高浓度气体的影响。

甲烷分析仪的导热原理是基于矿井空气的导热系数随甲烷含量的变化而变化，并且测量这种变化以达到确定甲烷含量的目的。 然而，难以直接测量气体的导热率。通常，通过热敏元件把混合气体中的甲烷含量的变化引起的热导率的变化转换成电阻值的变化。 使用测量桥可以容易地测量电阻值的变化。一般情况，热元件分成以下两大类型：导线和热敏电阻。 铂，钨，钽钨和钯丝是一种导线。 热敏电阻的种类很多，它的特性是较大的温度系数和较小的热惯性。铂丝具有耐高温性，且化学性能稳定，但机械强度低，易变形。钽钨热敏元件机械性能较好，但在高温下容易氧化。为了增强其耐高温性和耐腐蚀性，一些钨丝是镀金的或涂有玻璃膜。

2 热催化监测原理

一定量的可燃性气体在特定的燃烧后，生成一定的热量，但实际上，直接测量生成的热量比较困难，一般都是通过温度的测量间接进行的。温度的测量方式多种多样，很容易得到准确的结果。 对于温度的测定，一般采用电测法。 这种方法具有反应快、读数容易和指示客观等优点，试验证明温升与甲烷的氧化速率成比例，当浓度低于5%时，甲烷的氧化速率和浓度线性变化。 甲烷传感器是将空气中的甲烷浓度变量转化成一定对应关系的输出信号的装置，即通过电信号转换甲烷的浓度值。

3 甲烷传感器的调试与校正

3.1 零点的调试与校正方法

投入井下使用的甲烷传感器，应对其进行调试、校正，首先必须对仪器零点校正，保证仪器的准确度。 在井下新鲜风流中抽放空气，带校验胶管与甲烷传感器气室校验嘴连接，进行充气。在甲烷传感器的输出信号线上串联使用数字万用表。当读数为1mA时，零点没有漂移； 否则，必须调整电位器。

3.2 灵敏度调试与校正

使用甲烷传感器在井下检测时，有时会造成误差，所以每周必须校正一次，重点工作面要经常校正，保证仪器测量的准确性。校验灵敏度必须用标准气样进行校正。例如，校正某工作面甲烷传感器，用标准甲烷气样浓度2%校正时，首先，把数字万用表串联在甲烷传感器输出信号上，控制气体流量对甲烷传感器气室充气样，注意读数字表的电流，对应用3mA电流，否则，调整电位器，使电流达到3mA为止。

3.3 报警点的调试方法

井下使用报警点，《煤矿安全规程》是有明确规定的，参照规定确定报警点，并了解甲烷传感器报警点时如何设置的。例如，当报警点瓦斯浓度为1%时，同样用甲烷标准气样对传感器气室进行充气，控制流量，数字万用表串联在甲烷传感器输出线上，注意观察，当数字表为2mA时，不报警，应调报警点电位器，直到报警为止。

3.4 必须用标准气样校正传感器

对任何检测甲烷仪器的校正，必须用标准气样进行，绝不允许检测甲烷仪器相互校正。因为，检测甲烷的仪器在测量时都存在误差。若检测瓦斯的仪器相互校正，造成误差就会更大。所以，必须用标准气样校正传感器。

4 结束语

甲烷传感器按其工作原理分为催化燃烧式和热导式。在矿井安全监控中，用于低浓度瓦斯监测的主要是催化燃烧式，用于高浓度瓦斯监测的主要是热导式。我国目前的技术已基本满足使用的要求，但是离精确测量还有一定的差距，需要继续努力研究开发新产品。