红外甲烷传感器与催化甲烷传感器性能比较研究

［３］ 于东波． 红外甲烷传感器在煤矿安全中 的作用．劳动保护，２００８（３）．
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科技创新导报 Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｈｅｒａｌｄ
科技创新导报 ２０１０ ＮＯ．１７ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｈｅｒａｌｄ
研 究 报 告
红外甲烷传感器与催化甲烷传感器性能比较研究
卓邦远 吕贤帝 刘海波 （ 安 徽 宝 龙 电 器 有 限 公 司 安 徽 宿 州 ２ ３ ４ ０ ０ ０ ）
摘 要：本文通过对采用红外技术设计的ＧＪＧ４（Ａ）红外甲烷传感器与采用催化元件设计市场主流甲烷传感器进行了井下实验对比的研究，
块石护坡路基由于其孔隙性大，空气 可 在 其 中 自 由 流 动 或 受 迫 流 动 。当 暖 季 表 面受热后，热空气上升，块石中仍能维持较 低 温 度 ， 块 石 中 的 对 流 换 热 向 上 。因 此 ， 传 入地中的热量较少。寒季时， 冷空气沿孔隙 下渗，对流换热向下，较多的冷量可以传入 地 基 中 。块 石 的 热 传 导 量 在 寒 季 和 暖 季 可 能大体相等，但导热在整个热传输过程中 占的比重较小，而对流传热占主要成分，所 以块石护坡路基的综合效果是冷量输入大 于热量输入。另 外， 块石护坡路基内以其较 大的空隙和较强的自由对流使得冬夏冷热 空气由于空气密度差异而不断发生冷量交 换和热量屏蔽，其结果有利于保护多年冻 土。
中 图 分 类 号 ：ＴＰ２１２．９
文 献 标 识 码 ：Ａ
文 章 编 号 ：１６７４－０９８Ｘ（２０１０）０６（ｂ）－００１０－０２
１ 测量原理
热催化瓦斯传感器，其工作原理是利 用可燃气体在催化剂的作用下进行无焰燃 烧，产生热量，使元件电阻因温度升高而发 生变化，通过惠斯顿电桥进行瓦斯和电信 号的转换，测出甲烷的浓度。
参考文献
［１］ 殷 惠 光 ， 王 文 顺 ． 人 工 冻 结 土 体 冻 胀 规 律分析［Ｊ］．彭城职业大学学报，２００４（２）．
［２］ 覃 英 宏 ， 张 建 明 ， 郑 波 ， 曲 广 周 ． 基 于 连 续介质热力学的冻土中未冻水含量与 温度的关系［Ｊ］．青岛大学学报（工程技 术版），２００８（１）．
为了观测地温及变形，分别在路中心、 左 路 肩 、左 侧 路 基 坡 脚 、右 路 肩 、右 侧 路 基 坡脚设置观测元件，同时为了研究热棒工 作的有效半径，在两根热棒间的土路肩上 设置测温孔。通过目前的观测数据来看， 热 棒的短期冷却路基效果是非常明显的，在 技术和理论上都是可行的，它不但可降低 土体的温度，提高冻土本身强度，而且也可 以有效地防止冻胀和融沉。不 过， 热棒的使 用性能也受到众多因素的影响，特别是 红外甲烷传感器与ＫＧ９７０１热催化甲烷传
图１ ＧＪＧ４（Ａ）红外甲烷传感器测量曲线图
图２ ＫＧ９７０１甲烷传感器测量曲线图 表１ 响应时间实验比较
感器挂在一起，在监控中心截取８月１３日 ００：００——８月１８日０９：２７时间段甲烷测量曲 线如图１和图２所示。
ｔ（０．２５～０．３３）＝３．１ｓ ｔ（０．２８～０．４１）＝４．１ｓ ｔ（０．３１～０．４２）＝５．７ｓ ｔ（０．２５～０．３０）＝３．７ｓ 由于两传感器测量的准确性基本一 致，根据现场瓦斯浓度忽高忽低的特性可 知，当瓦斯浓度升高时反应较快的传感器 所达到的最大值应高于反应速度较慢的传
图３ 甲烷浓度测量对比图
得出利用红外技术原理设计甲烷测量传感器和传统催化元件设计的甲烷测量传感器具有响应时间快，反映灵敏，标校周期长，稳定性高，
维护费用低的优点，成功解决了现有矿用瓦斯检测传感器存在响应速度慢，选择性差，测量精度低、受硫化氢气体的干扰大，高浓度瓦斯
易造成中毒而无法恢复，使用寿命短，标定周期短的缺陷。
关键词： 红外 催化 传感器
碎石路基以碎石作为路基填料，和块 石护坡路基降温基本原理一样，是基于多 孔介质中空气自然对流原理，利用天然冷 源使碎石路基温度场持续降低，从而达到 多年冻土区路基稳定。 ３．３ 通风管路基
通风管路基主要由路基土体和通风管 构 成 。埋 置 于 路 基 土 体 中 的 通 风 管 应 与 当 地风向的主导方向一致，距地面的高度不 能 过 小 。通 风 路 基 是 一 积 极 保 护 冻 土 的 工 程措施，其工作原理是在寒冷季节，冷空气 有较大的密度，在自重和风的作用下将管 中的热空气挤出，并不断将周围土体中的 热量带走，达到保护地基土冻结状态的目 的。
两种传感器在０．１２％～０．３０％的瓦斯环 境中均能恒定显示相同示数，说明在此测 量段测量的准确性基本一致。以下ｔ（０．２５～ ０．３３）表示两传感器显示相同示数０．２５时开 始，当瓦斯浓度升高时，ＧＪＧ４（Ａ）红外甲烷 传感器显示０．３３时开始计时，但浓度继续 升高，当ＫＧ９７０１传感器也显示０．３３示数时 的 时 间 。实 测 记 录 如 下：
４ 结语
如上所述各种稳定冻土路基的措施， 都是近几年才发展起来的新型路基型式， 对提高路基路面使用品种和使用寿命起到 积 极 有 效 作 用 。各 种 方 法 在 保 护 冻 土 原 理 及效果上有所差异，究竟在何种地质及气 候条件下，使用何种路基型式更合理，仍需 要经过多年的长期观测进行深入研究后才 能做出更好的结论。
红外甲烷传感器，由于红外光谱与物 质分子的转动、振动等运动状态有关， 当这 种运动分子的电偶极矩发生变化时，就与 入射红外辐射的交变电场发生耦合，使辐 射的能量转移到分子上，从而使其出现能
级跃迁，这样就产生了物质对红外辐射的 吸 收 。３．２３μ ｍ 波 长 的 红 外 光 穿 过 气 室 时， 气室中的样品具有较强的吸收，通过对气 体吸收前的红外辐射能量和被气体吸收后 的红外能量的测量，根据Ｌａｍｂｅｒｔ—Ｂｅｅｒ（朗 伯—比尔）定律，可计算出被测气体的浓 度。
５ 结语
从ＧＪＧ４（Ａ）红外甲烷传感器与市场主 流ＸＸＸ甲烷传感器现场使用比较结果来 看 ， 红 外 传 感 器 的 连 续 使 用 时 间 、反 应 速 率 、测 量 精 度 和 测 量 稳 定 性 都 高 于 传 统 的 催 化 原 理 的 传 感 器 。并 能 够 解 决 现 有 矿 用 瓦斯监控传感器存在的响应速度慢，选择 性 差 ， 测 量 精 度 低 、使 用 寿 命 短 ， 标 定 周 期 短 的 缺 陷 。红 外 甲 烷 传 感 器 产 品 在 煤 矿 瓦 斯监控系统应用，将会有效增强煤矿瓦斯
通风管路基在冬季有大量冷空气流 通， 起到降低路基温度、为冻土路基储藏冷 量的效果。可到了夏季， 通风管也成了热空 气的流通通道，这样对保护冻土非常不利。 因此需要在通风管两侧设置空气开关，在 冬季的时候，由于热胀冷缩原理，开关自动 打开，冷空气可在管内自由流动，而到了夏 季，通风管关闭，阻止外部热空气进入管 内。 ３．４ 热棒路基
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３ ． ２ 块石护坡与碎石路基 在多年冻土区修筑公路工程，块石护
坡路基和碎石路基是保护冻土的有效方法 之一， 属于主动保护冻土的方法。块石层在 寒季的当量导热系数是的５～１０倍甚至更 多，因此，块石层可有效地提高路基下地基 的蓄冷量，保护冻土效果明显优于导热系 数不随温度变化的各类保温材料。
（上接１０页） 感 器 所 达 到 的 最 大 值 。见 表 １ ， 从 表 １ 数 据 可 知ＧＪＧ４（Ａ）红外甲烷传感器比ＫＧ９７０１甲烷 传感器响应时间快。
传感器相比，测量数据准确，调校周期长， 具有很高的稳定性和可维护性，减少了维 修工的工作量，节省了大量人工成本和标 气成本。
４ 稳定性比较
研 究 报 告
结期长短对其影响显著，若冻结期短，融化 期长，热棒形成的冻结核尚未在一个冬季 来临之前就全部融化，那么就失去了热棒 的应用价值，一般来说，在寒冷的某高原， 热 棒 的 应 用 有 着 重 要 意 义 。如 要 对 热 棒 冷 却路基进行模拟、分析和评价， 还需建立在 长期观测数据基础上进行，因此相信通过 几年后的现场观测，许多研究工作将会得 到顺利开展。
通风管路基在某铁路上已铺筑了试验 段，而某公路在整治过程中因没有将原有 路基挖除，因此尚未铺筑试验段，室内试验
已进行，其中包括采风口设计试验等，由于 通风路基的良好降温效果，在以后多年冻 土新建公路中将是一种很有使用前途的路 基型式。
需要指出的是，通风管在设置高度上 要高出地面一定距离，如果高度过低将会 使水流进入通风管，影响降温性能，并导致 一 定 的 沉 降 变 形 。同 时 在 通 风 管 路 基 设 计 时，可将通风管进风口和出风口设置不同 高度，以便让自然冷气或制冷空气易于流 动，达到较好的制冷效果。
监控系统的可靠性和快速反应能力，提高 煤矿安全管理水平，减少煤矿井下瓦斯事 故，对提高煤矿安全生产具有重要的作用。
参考文献
［１］ 李文江，胡洋，李涛．基于红外技术的甲 烷检测系统设计．煤矿安全，２００８（１１）．
［２］ 吕 玉 祥 ， 赵 根 爱 ． 基 于 光 谱 吸 收 法 的 甲 烷气体传感器的研究．光学与光电技 术．２００６，４（５）．
现场把ＧＪＧ４（Ａ）红外甲烷传感器与 ＸＸＸ传感器放在同一位置，在试验３个月的 时间内没有对ＧＪＧ４（Ａ）型红外甲烷传感器 进行过标校，而ＸＸＸ传感器每周标定一次。 在近３个月的试运行阶段中，ＧＪＧ４（Ａ）也没 有出现过一次上传大数等误码现象，测量 甲烷浓度与运行时间关系如图３所示，从图 线可以看出：ＧＪＧ４（Ａ）型红外甲烷传感器， 同每周调校一次的ＫＧ９７０１型低浓度甲烷
从图１ 、图２ 看出， 瓦 斯 的 浓 度 随 时 间 的 波动频率图１比图２大，因井下的瓦斯浓度 实时都发生变化，这说明ＧＪＧ４（Ａ）红外甲烷 传感器比ＫＧ９７０１甲烷传感器测量更灵敏。