瓦斯瓦斯,浅谈瓦斯监测监控技术

：矿井瓦斯爆炸威胁矿井安全生产和煤矿工人生命安全的元凶，受到了矿务局、政府乃至的，瓦斯浓度监测保证煤矿安全的措施。为此，煤炭科研机构和高校研发了基于原理的瓦斯浓度传感器。四种常用的瓦斯传感器，：载体热催化瓦斯传感器，光干涉瓦斯传感器，气敏半导体瓦斯传感器，红外吸收法瓦斯传感器。并比较了其优缺点。
词：瓦斯传感器监测监控
矿井瓦斯是井下以甲烷为主的气体的总称。它的来源是以煤体和井巷围岩中涌出，是来自开采有害气体。瓦斯气体的成分是甲烷（CH4），其危害性也来自于甲烷，，以狭义来讲，矿井瓦斯所指即为甲烷气体。
甲烷俗称沼气，密度是空气的0.554倍，是无毒、无色、无味的易燃易爆气体，通常条件下其爆炸的下限为5%，上限为16%。
我国高瓦斯含量的矿井占全国统配煤矿总数的46%， 瓦斯爆炸是矿井中危害最高，危险系数最大，发生频率最高，造成损失最的灾害。其爆炸后产生的高温高压，能造成人员伤亡、巷道和机电设备损坏；爆炸后产生的大量的CO气体，是瓦斯爆炸人员伤亡的最的理由。
瓦斯燃烧、爆炸的发生要3个条件:①瓦斯要达到浓度: 一般情况下瓦斯爆炸浓度为5% -16%，瓦斯浓度低于5% 只能燃烧、大于16%既不燃烧也不爆炸；②要有的氧气：氧气浓度要大于12%；③要有高温火源：温度高于650- 750℃。不难，预防、瓦斯爆炸事故的发生，对瓦斯气体监测监控煤矿安全工作的热点话题。

一、载体热催化法瓦斯传感器

载体热催化型瓦斯检测仪器是煤矿中使用较广泛、运用较的瓦斯检测仪器，是煤矿用来监视矿井瓦斯动态的工具。载体热催化型瓦斯检测仪的检测原理是: 元件内部以铂丝为核心，外部以氧化铝为载体，载体上涂有催化剂，当铂丝的电流且元件含有瓦斯的气体中时，表面会产生无焰燃烧，使铂丝因温度升高而增加，对瓦斯的检测。其测量电路是：
图r2为敏感元件，r1为补偿元件(它与r2为同一其表面未涂催化剂不参与催化反应)，在无瓦斯的新鲜空气中，r2r1调整电桥使之平衡，信号输出端电压U_AB=0。当风流中有瓦斯时，在敏感元件r2表面发生催化燃烧，r2阻值随温度上升而增加为r2+△r2，而补偿元件r1阻值不变，以而导致电桥失去平衡。实验数据和物理公式的推导，电桥输出电压与瓦斯浓度成正比，工作影响因素：
①丝纯度和机械强度的影响
铂丝是元件的骨架，又是发热体，电流铂丝后，使元件温度升高，达到工作温度。，铂丝热敏电阻，在工作温度下，补偿元件的作用，电桥在不含甲烷的空气中输出为零。当被测气体中含有甲烷时，由催化作用的化学反应附加热量△Q，工作元件有一温升△T，增量△T使工作元件与补偿元件温度不同,工作元件有电阻变化△R，以而电桥失去平衡,产生与△T成比例的输出信号。铂丝的纯度影响着△R的大小，也就影响输出灵敏度。，铂丝纯度影响元件的稳定性。当铂丝纯度较差时，铂丝含有的杂质可能在高温工作中地挥发出来，某些杂质对催化剂Pt、Pd等金属有毒性，则会催化剂中毒而输出活性下降。，铂丝变形、脆裂等裂纹或掉渣也会输出活性波动。
②三氧化二铝影响
Al2O3是运用广泛的载体，当它在高温空气中工作时，其晶型的不断转化，仍然有着热稳定性理由。经过900°C焙烧后，元件载体实际上单一晶型的Al2O3，一般以k-Al2O3为主，也有A和C型Al2O3成分。伴Al2O3的晶型变化，比表面积、孔结构等一系列特性将发生变化，这必定教育论文会输出活性变化。，设法提高Al2O3的热稳定性，对提高元件的工作稳定性有很大作用小学数学教学论文。
③催化剂的影响
催化剂是影响元件长期工作稳定性的，多年来甲烷传感器的探讨，在改善催化剂的配方和工艺，并了很大的进步。有价值的探讨是双金属催化剂（又称合金催化剂）来提高催化剂的稳定性。探讨结果：在Pt、Pd等贵金属催化剂中加入稀土元素，经过合适的工艺处理，形成稳定性较好的合金催化剂。稀土元素含有的5d空轨道，了催化作用的电子转移站，对甲烷氧化反应具有显著的助催化作用，能提高反应的稳定性。，Pt、Pd催化剂在载体上的良好的度，对提高稳定性作用小学数学教学论文重大。加入某些稀土元素，将提高保持Pt、Pd良好度的能力，提高工作稳定性。

二、光干涉瓦斯传感器

其原理为：瓦斯与空气对光线的折射率不同而制成。工作原理是：当甲烷室与空气室充入空气时，两束光所经过的光程相同，则干涉条纹不产生移动。如转变初中数学教学论文在甲烷室气体成分、温度或压力，则因折射率转变初中数学教学论文，光程也随之转变初中数学教学论文，干涉条纹便会发生移动。当两室温度和压力相等时，干涉条纹的移动量与甲烷浓度成正比。测量移动量，便可测定空气甲烷含量。
实验仪器如图：由光源1发出的光，经聚光镜2和狭缝3到达平面镜4，并经其反射与折射形成两束光，空气室5和甲烷室6，再经折射棱镜7折射后，两束光经平面镜4反射，一同反射棱镜8，再反射给望远镜系统9。在物镜的焦平面上产生干涉条纹。
优点：①仪器携带方便，性能稳定，使用和维护简单，安全可靠。②不有着仪器中毒、失效或高浓度甲烷激活理由；③高低浓度均可测量，量程有0-10%CH4（精度0。01%）和0-100%CH4(精度0。1%)④寿命长，除电池和灯泡外，几乎损耗部件，如不考虑机械损伤，寿命是无限的⑤传统的光干涉原理测量瓦斯浓度，光电耦合器转换成电信号有显著优点。⑥选用半导体激光器代替白炽灯光源及用光电池构成栅状接收器，提高了检测精度。⑦用分子筛代替传统氯化钙吸收CO2和水蒸汽，消除其对检测后果影响，并物理解吸可连续使用，具有先进性和新颖性，为探讨开发矿用光干涉瓦斯传感器打下了。
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缺点：①受温度影响：温度对气体的密度有影响，导致了气体折射率转变初中数学教学论文；②受气压影响：仪器的毛细管为消除此影响而设计的；③耐振性较差：光学部件稍有移动则影响准确度；④检测选择性较差：因气体都有的折射率，只要它们与被测气体有着，就会对测量结果产生干扰；⑤瓦斯浓度指示不直观， 连续测量；⑥瓦斯浓度超限时，自动报警。

三、气敏半导体瓦斯传感器

气敏半导体法是以氧化物半导体为吸附，使甲烷吸附氧化时其电学特性(电导率)发生变化，用以检测瓦斯浓度。氧化物半导体有氧化锡、氧化锌、氧化钛、氧化钴、氧化镁等。相对类型的甲烷传感器，气敏半导体传感器制造简单、使用方便、成本低，但也有元件的稳定性和选择性差，对气体的分辨力弱的缺点。半导体变化的物理性质分为电阻式和非电阻式两种。
SnO2是广泛用于对有毒气体及可燃性气体(如甲烷)检测的氧化物半导体气敏。SnO2系列气敏元件有烧结型薄膜型和厚膜型三种，烧结型运用最广泛性。加热方式，分为加热式和旁热式两种。纯SnO2气敏一般很少使用。在半导体内添加Pt、Pd、Au等贵金属能地提高元件的灵敏度和响应时间。催化剂不同，于不同的吸附试样，以而具有选择性。有科学家在溶胶——凝胶法制备SnO2薄膜的中，薄膜在掺锇(Os)后显著地提高了灵敏度，降低了工作温度。

四、红外光谱系数法

光谱吸收式光纤气体传感器是基于分子振动和转动吸收谱与光源发光光谱的一致性原理。当光某种介质时，介质对光吸收而使光衰减这一特性研制成吸收型气体感器。甲烷分子具有四种固有的振动方式，相应产生四个基频，波长为3.433，6.522，3.312和7.58μｍ。在近红外区，有泛频带和组合带。，甲烷气体在1.33和1.67μｍ附近，都有较强的吸收.HITRAN数据库查得甲烷在1.33，1.67和3.31μｍ处的线型强度之比为：1:8:100。，甲烷在中红外区域的吸收线强度远远超过在近红外区域的吸收线强度。
其由四
1光学：
红外吸收气体传感器由红外光源、采样气室、滤光片和红外探测器四组成。测量热电探头和热电探头均由热电敏感元件和滤光片组成，气体的吸收光谱才能穿越测量热电探头滤波片并被热电敏感元件吸收转化成电信号。热电探头产生的信号依赖于气体吸收红外光谱后入射辐射的变化。现在一般两路探测信号比较，一路测量信号（MEA），一路信号（REF）。
2前置放大电路
红外探测器输出的信号很微弱，A/D芯片处理，也被噪声淹没。经过放大后才能对其处理。
3滤波电路
滤波电路的作用是对前置放大级的输出信号粗略的
滤波处理，去掉频率低于基频而高于二次频的噪声信号。带通滤波器是由高通滤波器和低通滤波串联而成，覆盖的通带就了带通响应。
4报警及
报警电路由NPN三极管、蜂鸣器、LED和限流电阻组成。由单片机的两个I/O口制约小学语文教学论文声报警方式和光报警方式，实际运用时，软件设置选择报警方式，也两种都选择。当瓦斯浓度超出设定范围时，由声光报警装置提醒井下工作人员。

五、四种瓦斯传感器的比较

对四种瓦斯传感器的浅析，对载体热催化瓦斯传感器、光干涉法瓦斯传感器、气敏半导体瓦斯传感器、红外吸收法瓦斯传感器四类横向与纵向的比较，如下述表格：

六、瓦斯传感器未来的进展

综合检测策略教学论文, 载体热催化瓦斯传感器、光干涉法瓦斯传感器、气敏半导体瓦斯传感器、红外吸收法瓦斯传感器各有的优缺点。对技术指标，同种检测策略教学论文测量需求，，多种传感器配合使用。瓦斯传感器的未来探讨方向除了在传统的半导体气敏氧化锡、氧化锌、氧化钛、氧化钴、氧化镁中掺杂元素外，研制和开发红外、光纤等新型瓦斯传感器, 运用新、新工艺和新技术，对瓦斯传感器的机理做更深入地探讨，使瓦斯传感器更加小型化和智能化，具有性能稳定、使用方便、低廉、寿命长等特点。科技的进展和计算机技术、网络技术、通信技术等高科技手段更大广泛的运用，测量准确，携带方便，精度高，制作简易，维护方便，低廉耐用的新型传感器必将未来的进展走势。
文献：
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