一种新型甲烷传感器调校装置通气嘴的设计

2020-10-16石跃芳

机械管理开发 2020年10期

石跃芳

（山西潞安检测检验中心有限责任公司，山西长治 046204）

1 甲烷传感器现状分析

从安全角度考虑，煤矿井下使用的甲烷传感器除了需要定期检定/校准，在应用过程中还必须在煤矿井下进行现场调校。如今，市场上有诸多关于在煤矿井下对甲烷传感器进行调校的便携型甲烷传感器调校设备，这些设备包含有空气气样和标准气样的钢瓶，以及通气嘴与流量计。其中，具备减压开关的铜导气管将空气气样的钢瓶和标准空气样品的钢瓶相连接；橡胶软管连接减压开关的出口和流量计入口以及流量计出口和通气嘴的窄口；甲烷传感器的气室与通气嘴的宽口相连接[1]。

1.1 甲烷传感器调校设备的不足

目前，已有的甲烷传感器调校设备主要有以下两方面的不足：第一，调试校正的设备并非一次性使用，如果使用同一个设备第二次调校传感器的情况下，参照一系列调试校正流程，把流量计与空气样品的钢瓶阀门打开，进行零点调校的时候，甲烷传感器的显示会先上升，显示瓦斯含量的浓度，进而再逐渐下降到零点，该现象表示通进甲烷传感器的空气样品中还混合少量的甲烷，这很有可能会对甲烷传感器的零点调试校正造成一定的影响。第二，在零点调试校正结束，关闭流量计与空气样品的钢瓶之后，减压阀的压力显示值无法回归零并维持固定值不变，参照流程将流量计和标准气样打开并调校精度，传感器的显示值有缓慢上升的趋势，并且测得反应时间约为两分钟，已经超出了中华人民共和国安全生产行业标准AQ 6203—2006《煤矿用低浓度载体催化式甲烷传感器》中规定的要求，其文件规定传感器响应时间≤20 s。

当一个监控维护的人员对同一个甲烷传感器调试校正设备依次完成两次调试校正的工作时，设备标准的气体样本浓度（体积分数）是1.49%，其设备中零点气体是清洁空气。依据甲烷传感器的调试校正流程，第一步应执行零点的调试校正，第二步执行精度的调试校正，第三步再执行二次验证这一最后环节。通过现场校准试验得知，在校准之前，传感器的显示值始终显示零，然后监控维护员开始调试校正传感器，当其依据操作流程往传感器的气室中通进清洁空气，并进行传感器的零点调试校正之时，甲烷传感器显示值产生了一系列的变化过程，先上升到φ（CH4）=0.1%，后降低为零。在对甲烷传感器进行10 min 的第一次调试校正完成之后，开始对传感器执行第二次调试校正。试验结果显示，第二次调试校正时，在对传感器调校之前，其显示值依旧为零，但是在零点调试校正过程中甲烷浓度值出现一个较高的显示值达到φ（CH4）=0.44%。在这个过程中值得注意的是，监控维护员在使用同一个调试校正设备对两个以上不同的甲烷传感器调试校正时，需要注意在精度和零点调校转换时，必须经过摘卸通气嘴排出气体，很明显，出现以上情况是因为没有将气路当中的甲烷全部排出去[2-3]。

1.2 排气通气嘴的不足

通过摘卸通气嘴把气体排出也有一定的缺点，具体分析如下。

第一，当零点调校时，把流量计和空气气样的钢瓶阀门打开并往甲烷传感器的气室通进零点气体的环节中，在空气气样的钢瓶出口至传感器的气室涵盖流量计、减压阀以及两节橡胶软管的气路充满着空气（零点气体）。然而，当关掉流量计和空气的气瓶阀门之后，传感器的气室与气瓶的出口之间的压力差消失了，使得气路中有空气停留，进而当把标准气样的气瓶阀门和流量计打开后，此时甲烷（体积分数）浓度范围为1%～2%，那么之前保留气路内的空气或者是标气和空气的混合体，会先被推入传感器气室中，此时并非标准气样，因此传感器的显示值上升比较缓慢。第二，还可能由于打开流量计与空气瓶阀门后，一开始被推进气室的为基于第一次精度调试校正的保留于气路中的空气和标气混合气体，并非真正实际清洁空气。

基于以上分析可见，如今很多甲烷传感器的调试校正设备出现问题的原因是气路中留有与本次调校所需气样不同的气体，为了解决这个问题，首先应考虑怎么把气路当中保留的气体在不同的气样打开前能够进行全部排出。然而，还存在一个问题是，目前的甲烷传感器调试校正设备只有把调试校正设备气室上的气嘴卸下，才能成功地把气路当中保留的气体在不同的气样打开前进行全部排出，可是该做法会出现两个缺陷：第一，如果在零点调试校正之后采取卸下气室上的通气嘴排出气体，那么甲烷传感器的气室很容易混入煤矿井中的其他各类有害的气体，此时会产生很多干扰的气体，很大程度上会降低调试校正完成后传感器零点的稳定性；第二，在采用现有的调试校正设备进行精度调试校正后，关闭标准气样的气瓶阀门卸下通气嘴排气之时，不易掌握排气的时间长短，假设排气的时间过短，则会导致气体无法完全排出，如果排气的时间过长又会严重导致浪费气体。

2 新型调校装置通气嘴的设计分析

2.1 设计背景

本新型设计是基于以下两个缺陷角度出发，第一是目前的甲烷传感器调试校正设备在精度调校时会出现反应时间较长的问题；第二当甲烷传感器被再次使用于零点调校时，其显示值会产生异常升高的现象。因此，本研究设计一个新型甲烷传感器调试校正设备通气嘴。

2.2 技术方案

技术方案内容如下：该新型甲烷传感器调试校正设备通气嘴包含以下结构，分别是宽口（连通传感器的气室）、窄口（连通流量计的出口）和输气管（连接窄口和宽口），输气管的侧壁外接排气管。其中，排气管的一端和输气管相连、另一端开着口，排气管的内部由两个隔板分成一字型的a、b、c 室（见图1）。两隔板都有通气的孔，a 室是通到输气管一端，两个通气的孔中间穿着一根操作杆，其中操作杆的中部有设置堵件2（为板状），操作杆的一端有设置堵件1（为块状），堵件1 在输气管与a 室中活动，堵件1 与2 间有弹簧相套，在正常状态中，弹簧作用于堵件1和2，压紧两个通气的孔使其密封。当按压操作杆到底的时候，宽口那侧的输气管比窄口那侧窄，只有靠近宽口的那侧输气管被堵件1（10）堵住，另一端的输气管才有间隙。堵件2（5）与弹簧一直位于b 室，远离堵件1 的操作杆设置有按压头，无法进入b 室。其中，输气管、窄口和宽口的材质均为硬质塑料。

2.3 方案效果

本研究设计效果内容如下，基于以上的研究设计进一步分析了正常情况下和排气情况下的具体内容：正常情况下，如果精度和零点调试校正通气正常，气流将通过窄口途经宽口和输气管，最后排入传感器的气室。在精度和零点调试校正完成并关上气瓶的阀门之后，将操作杆按压到底，在内外压力差影响下，气流方向将会改至通过窄口途经a、b、c 室和输气管排到外面。该新型的甲烷传感器调试校正设备通气嘴，可以提高传感器零点调校的精确程度，减短通气时长，简便操作，提高调试校正效率，并且整体减少气体使用量，大大降低所需成本。