瓦斯监测监控技术

浅谈瓦斯监测监控技术
摘要：矿井瓦斯爆炸作为严重威胁矿井安全生产和煤矿工人生命安全的元凶之一，受到了各个矿务局、各级政府乃至中央的高度重视，瓦斯浓度监测成为保证煤矿安全的重要措施。

为此，煤炭科研机构和高校研发了基于各种原理的瓦斯浓度传感器。

本文主要介绍四种常用的瓦斯传感器，包括：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。

关键词：瓦斯传感器监测监控
矿井瓦斯是井下以甲烷为主的各种气体的总称。

它的主要来源是从煤体和井巷围岩中涌出，其次是来自开采过程中的各种有害气体。

瓦斯气体的主要成分是甲烷（ch4），其主要危害性也来自于甲烷，因此，从狭义来讲，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，是一种无毒、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程度最高，危险系数最大，发生频率最高，造成损失最严重的灾害之一。

其爆炸后产生的高温高压，能造成人员伤亡、巷道和机电设备严重损坏；爆炸后产生的大量的co气体，是瓦斯爆炸引起人员伤亡的最重要的原因。

瓦斯燃烧、爆炸的发生要具备3个条件:①瓦斯要达到一定浓度:
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要有充足的氧气：氧气浓度要大于12%；③要有高温火源：温度高于650- 750℃。

由此我们不难看出，要想预防、遏制瓦斯爆炸事故的发生，对瓦斯气体进行监测监控成为当前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当前煤矿中使用较广泛、应用较普遍的瓦斯检测仪器，是煤矿用来监视矿井瓦斯动态的有效工具。

载体热催化型瓦斯检测仪的基本检测原理是: 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，当铂丝通过一定的电流且元件处于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，实现对瓦斯的检测。

其基本测量电路是：图中的r2为敏感元件，r1为补偿元件(它与r2为同一材料只是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，通过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，从而导致电桥失去平衡。

根据实验数据和物理公式的推导，我们可以发现电桥输出电压与瓦斯浓度成正比，工作中的影响因素：
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，电流通过铂丝后，使元件温
度升高，达到工作温度。

同时，铂丝也是热敏电阻，在工作温度下，由于补偿元件的作用，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，由催化作用引起的化学反应提供一个附加热量△q，引起工作元件有一温升△t，增量△t使工作元件与补偿元件温度不同,因而工作元件有电阻变化△r，从而电桥失去平衡,产生一个与△t成比例的输出信号。

铂丝的纯度直接影响着△r的大小，也就影响输出灵敏度。

此外，铂丝纯度直接影响元件的稳定性。

当铂丝纯度较差时，铂丝含有的杂质可能在高温工作过程中缓慢地挥发出来，如果某些杂质对催化剂pt、pd等金属有毒性，则会引起催化剂部分中毒而输出活性下降。

此外，铂丝变形、脆裂等引起裂纹或掉渣也会引起输出活性波动。

②三氧化二铝影响
al2o3是一种应用广泛的载体材料，当它在高温空气中工作时，由于其晶型的不断转化，仍然存在热稳定性问题。

经过900°c焙烧后，元件载体实际上不是单一晶型的al2o3，一般以k-al2o3为主，也有部分a和c型al2o3成分。

伴随着al2o3的晶型变化，比表面积、孔结构等一系列特性将发生变化，这必然会引起输出活性变化。

因此，设法提高al2o3的热稳定性，对提高元件的工作稳定性有很大意义。

③催化剂的影响
催化剂是影响元件长期工作稳定性的主要方面，多年来甲烷传
感器的研究，大多集中在改进催化剂的配方和工艺，并取得了很大的进步。

目前有价值的研究是利用双金属催化剂（又称合金催化剂）来提高催化剂的稳定性。

研究结果表明：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，可以形成稳定性较好的合金催化剂。

稀土元素含有丰富的5d空轨道，提供了催化作用的电子转移站，对甲烷氧化反应具有明显的助催化作用，能显著提高反应的稳定性。

同时，pt、pd催化剂在载体上的良好的分散度，对提高稳定性意义重大。

加入某些稀土元素，将提高保持pt、pd良好分散度的能力，提高工作稳定性。

二、光干涉瓦斯传感器
其基本原理为：利用瓦斯与空气对光线的折射率不同而制成。

工作原理是：当甲烷室与空气室同时充入空气时，两束光所经过的光程相同，则干涉条纹不产生移动。

如改变在甲烷室中的气体成分、温度或压力，则因折射率改变，光程也随之改变，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。

测量这个移动量，便可测定空气中的甲烷含量。

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，分别通过空气室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，一同进入反射棱镜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不存在仪器中毒、失效或高浓度甲烷激活问题；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，几乎没有损耗部件，如不考虑机械损伤，可以认为寿命是无限的⑤采用传统的光干涉原理测量瓦斯浓度，利用光电耦合器转换成电信号方面有明显优点。

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，并通过物理解吸可连续重复使用，具有先进性和新颖性，为研究开发矿用光干涉瓦斯传感器打下了基础。

缺点：①受温度影响较大：这是因为温度对气体的密度有影响，导致了气体折射率改变；②受气压影响：仪器的毛细管部分就是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：因各种气体都有自己的折射率，只要它们与被测气体同时存在，就会对测量结果产生干扰；⑤瓦斯浓度指示不直观，不能连续测量；⑥瓦斯浓度超限时，不能自动报警。

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基本吸附材料，使甲烷吸附氧化时引起其电学特性(例如电导率)发生变化，用以检测瓦斯浓度。

主要氧化物半导体材料有氧化锡、氧化锌、氧化钛、氧化钴、氧化镁等。

相对其它类型的甲烷传感器，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。

根据半导体变化的物理性质可以分为电阻式和非电阻式两种。

sno2是目前广泛用于对有毒气体及可燃性气体(如甲烷)进行检测的氧化物半导体气敏材料。

sno2系列气敏元件有烧结型薄膜型和厚膜型三种，其中烧结型应用最广泛性。

根据加热方式，分为直接加热式和旁热式两种。

纯sno2气敏材料一般很少使用。

通过在半导体内添加pt、pd、au等贵金属能有效地提高元件的灵敏度和响应时间。

催化剂不同，有利于不同的吸附试样，从而具有选择性。

有科学家在利用溶胶——凝胶法制备sno2薄膜的过程中，发现薄膜在掺锇(os)后明显地提高了灵敏度，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。

当光通过某种介质时，利用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，波长分别为3.433，6.522，3.312和7.58μｍ。

在近红外区，有许多泛频带和组合带。

例如，甲烷气体在1.33和1.67μｍ附近，都有较强的吸收.通过hitran 数据库可以查得甲烷在1.33，1.67和3.31μｍ处的线型强度之比为：1:8:100。

可见，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。

其总体由以下四部分
1光学部分：
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部分组成。

测量热电探头和参考热电探头均由热电敏感元件和滤光片组成，只有目标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。

现在我们一般采用两路探测信号进行对比，一路测量信号（mea），一路参考信号（ref）。

2前置放大电路
由于红外探测器输出的信号很微弱，a/d芯片无法处理，而且也容易被噪声淹没。

因此必须经过放大后才能对其进行处理。

3滤波电路
滤波电路的作用是对前置放大级的输出信号进行粗略的
滤波处理，去掉频率低于基频而高于二次频的噪声信号。

可以认为带通滤波器是由高通滤波器和低通滤波串联而成，两者覆盖的通带就提供了一个带通响应。

4报警及显示
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口控制声报警方式和光报警方式，实际应用时，可以通过软件设置选择其中一种报警方式，也可以两种都选择。

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
通过对以上四种瓦斯传感器的分析介绍，我们可以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进行横向与纵向的比较，如下述表格：
六、瓦斯传感器未来的发展
综合以上各种检测方法, 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自己的优缺点。

对各种主要技术指标，同种检测方法难以同时满足测量需求，因此，往往多种传感器配合使用。

瓦斯传感器的未来研究方向除了在传统的半导体气敏材料氧化锡、氧化锌、氧化钛、氧化钴、氧化镁中掺杂一些元素外，同时进一步研制和开发红外、光纤等新型瓦斯传感器, 应用新材料、新工艺和新技术，对瓦斯传感器的机理做更深入地研究，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、价格低廉、寿命长等特点。

随着科技的进一步发展和计算机技术、网络技术、通信技术等高科技手段更大广泛的应用，测量准确，携带方便，精度高，制作简易，维护方便，价格低廉耐用的新型传感器必将成为未来的发展趋势。

参考文献：
[1]李树刚等《安全监测监控》。

中国矿业大学出版社
[2]洪卫东.煤矿瓦斯检测方法的技术分析。

淮南职业技术学院学报.2010.4
[3] 刘海波.浅谈催化法瓦斯检测.科技信息.2010.33期
[4] 江丙友等.瓦斯检测传感器概述. 山西焦煤科技.2008.5
[5]张雷等. 基于红外光谱吸收原理的红外瓦斯传感器的实验.煤炭学报.2006.8
[6] 龚孟君. 影响瓦斯传感器稳定性的原因及改善途径.煤矿自动化.1996.2
[7] 王汝琳.矿井瓦斯传感器的近代研究方法及方向.煤矿自动化.1998.4
[8]林枫等. 红外吸收型瓦斯传感器的研究. 激光与光电子学进展.2004.7
[9] 付华等, 瓦斯传感器检测方法研究. 煤矿机电.2008.1
[10] 杨国庆等.我国煤矿瓦斯监控系统现状及发展.2008.9。