浅谈热催化燃烧式甲烷传感器检测瓦斯的适用性

3.2
针对稳定性应注意的适应问题 传感器的工作参数会不同程度受温度、气体浓度
件输出信号不变的能力 。影响元件稳定的因素很多， 最常见的就是温度的影响。就元件本身来说线性度与 工作温度有关，在一定工作温度范围内，元件输出电 压与瓦斯浓度呈线性关系。随甲烷浓度的增加，催化 反应产生的热量也增加，达到一定温度后则引起测量 上限误差偏大，导致传感器稳定性下降。 2.3 响应时间 指瓦斯浓度发生阶跃变化时，电桥输出信号值达 到稳定值 90% 的时间 。 标准中规定了响应时间，连 续式为 20 s，间断式为 6 s。影响催化元件响应时间 的因素主要有两个方面。一是瓦斯通过扩散孔充满气 室并到达元件表面的整个扩散过程所占用的时间。二 是瓦斯在敏感元件上的催化反应产生热量，使温度上 升，并和周围进行热交换；敏感元件上的催化反应产 生热量，使温度上升，并和周围进行热交换，敏感元 件最终达到平衡所需要的时间。响应时间的长短与元 件尺寸、制作工艺及气室设计、通气方式有关。 3 3.1 使用载体催化元件的适应性 针对灵敏度应注意的适应问题 在使用过程中元件的灵敏度会逐渐降低，要根据 实际情况定期采取清洗粉末冶金罩、零点校准、灵敏 度校准等方法校准元件 。 元件的灵敏度与风向 、 风 速、风量有关，当改变传感器位置或环境风速、风量 变化大时，灵敏度发生变化；传感器应放置在垂直于 风向和风量稳定的位置上，特别是校准时也应在模拟 环境下进行。环境必须有充足的氧气。由甲烷燃烧方 程式可知，燃烧 1 moL 甲烷要消耗 2 moL 氧 。 已知 空气中氧浓度为 21% 可定量燃烧 9.5% 甲烷，但甲烷 要完全燃烧产生的 CO2 和 H2O 会阻止甲烷向元件扩 散，故实际上达不到理论值 。一般甲烷要完全燃烧， 其浓度和所需氧的浓度之间要保证 1:5 的关系。当空 气中甲烷浓度超过 10% 时，催化反应热将随瓦斯浓 度继续增加而下降。因此，在煤矿井下使用中，要特 别注意防止瓦斯传感器在缺氧的环境中使用。如：在 盲巷中；在二氧化碳浓度高的巷道中；在回采工作面 因放炮或古塘塌落，大量瓦斯和二氧化碳涌出，氧气 含量降低，瓦斯传感器会因缺氧指示出不正确结果。
Fan Xuemei Abstract： This article introduces the CH4 sensor's structure， principle， technical performance and the factors
affecting its performance，talks the applicability of the supporter catalyst filled element.
Key words：machinery manufacturing；non-metallic materials；polyamide 6；injection molding process
（ 上接第 20 页 ） 内一挂，泵在正常运转时，抽气管道处于负压状态不 会泄漏气体，而排气管道处于正压状态，因此甲烷传 感器应安设在被监测对象的下风流中。 总之，在使用热催化燃烧式甲烷传感器时，要注 意传感器的使用环境，在合适的环境中使用，使其发 挥应有的作用，才能为安全生产作保证。
的影响，尽管在仪器的设计中做了温度变化补偿考 虑，但是在使用中还是应该远离热源，或温度变化频 繁地点。在开采含硫的煤层中存在 H2S 和 SO2 气体， 在爆破作业中也会释放出 SO2 等气体使元件中毒或在 开拓岩巷中煤岩中的有机硅蒸气等使瓦斯传感器传感 头中的载体催化元件失效。降低催化剂活性，严重时 催化剂完全失去活性，这种现象被称为催化剂中毒 。 催化剂中毒分为暂时性中毒和永久性中毒。硫化物和 氯化物中毒一般是暂时性中毒，暂时性中毒后可恢 复 。 Si、 Sn 等中毒是永久性中毒，是不能恢复的 。 因此，在上述工作环境中要特别注意。可在购买传感 头时选用抗中毒元件，也可使用碱性物质和活性碳吸 收剂吸附 H2S、 SO2 等毒性物质并定期更换吸收剂， 防止失效。传感器元件遇高浓度瓦斯的突然涌出会使 、灵敏度提高，出现零点上漂，而 元件突然“激活” 且短时间不能恢复，造成误报数据，特别是在高突矿 井中由于瓦斯突出更应多加注意。 3.3 针对响应时间应注意的适应问题 空气中甲烷浓度低于 9.5% 时，甲烷能够充分燃 烧，反之不能。甲烷浓度越高，载体催化元件的电阻 变化就越小，这就是载体催化元件的双值性 。因此， 在高瓦斯区域中使用传感器必须使用高低浓度能自动 转换的传感器，不然会因瓦斯浓度高于 9.5% 时而传 感器指标输出数据反而小了，造成误判断。仪器校准 必须按使用说明书定期进行。校准wenku.baidu.com器必须规范。校 准流量要和安装地点的风速相吻合，不然会造成很大 的误差值。现场习惯将监控探头甲烷传感器安设在提 料绞车的上方位置，斜巷上下口打点设备 （ 小型隔爆 电器 ） 及打点设备间连接的 127 V 电压的信号电缆 不在监控范围内，再加上传感器监测气体反应时间一 般约在 10 s 多左右，因此监控系统从监测到超限气 体到实现断电控制就存在一定时间的滞后。如果此时 的超限甲烷气体达到爆炸浓度 （ 5% ～ 16% ），沿途经 过的打点信号用的小型隔爆电器设备如有失爆的地 方，或信号电缆护套有被砸破、挤伤，裸露的铜线存 在短路打火情况，都有可能引起瓦斯爆炸，因此必须 予以防范。再如井下抽放泵站内的甲烷传感器安设位 置，有的吊挂在泵体、电机上方，有的干脆就往泵站 (下转第 22 页 ）
间。为了加速吸湿，可以将制品放进水中并控制温度 为 80℃～100℃ ，而后按制品厚度大小决定处理时间 长短，如此，在数小时后即可达吸湿平衡。 4 结论 对聚酰胺 6 进行预热干燥，加工时对料筒温度 、 喷嘴温度、模具温度、注射压力和时间等工艺条件加 以控制，并对制品进行热处理和调湿处理，可大大提 高制品的外观质量、耐磨性、抗冲强度及尺寸稳定性 等综合性能，提高了产品合格率，降低了原料损耗， 对生产实践具有积极的指导意义，并产生一定的经济 效益。
稳压电源式恒流源供电 。 在无瓦斯的新鲜空气中， RD≈RC，调整电桥使之平衡，信号输出端 UAB=0。当 瓦斯进入气室中，在敏感元件 RD 表面上催化燃烧， RD 阻值随温度上升而增加为 RD+ΔRD，而补偿元件 RC 阻值不变，从而电桥失去平衡 。 当采用恒压电源 E 供电时，输出的不平衡电压为： UAB = RD+ΔRD E- E 。 RC＋ （ RD+ΔR） 2 D
图 1 甲烷传感器电气原理
电压值与甲烷浓度之比值。外界环境影响，使用条件 变化及元件自身催化活性下降，都会使敏感元件灵敏 度下降。 影响灵敏度的主要因素：①催化剂衰老；②催化 层形态构造变化； ③ 载体表面积减少； ④ 催化剂中 毒；⑤瓦斯在元件上的内扩散受阻，导致瓦斯浓度变 化时元件不响应。
甲烷 （ 即井下瓦斯的主要成分 ） 催化反应总的化 学反应方程式为：
Wang Zhonghe Abstract：This article introduces the advantages and disadvantages of polyamide 6 ，in view of the problem that a
greater water absorption rate， or a mold shrinkage rate will influence the dimension of products， it also talks about the injection molding process methods.
为了遏制煤矿特大瓦斯事故的发生，煤矿配备了 矿井安全监控系统及便携式甲烷检测报警仪，由于载 体催化元件在低瓦斯浓度的环境下性能比较稳定，零 点漂移小，对瓦斯检测的传感头大多采用载体催化元 件，但也不是什么场所、什么环境都适应。这是因为 催化燃烧式甲烷传感器自身局限性和煤矿井下环境恶 劣、环境气体成分随时都有变化造成的。不能认为安 装了矿井安全监控系统及佩带了便携式报警仪就可发 现和控制瓦斯事故的发生，因此探讨热催化燃烧式甲 烷传感器检测瓦斯的适用性非常必要。 1 甲烷传感器的结构及原理 目前我国使用的甲烷传感器大多是催化燃烧式， 其元件结构是由一个带催化剂的敏感元件 （ 俗称黑元 件 ） 和一个不带催化剂的补偿元件 （ 俗称白元件 ）组 成惠斯顿电桥测量电器，见图 1。
Pt · Pd
——→2H2O+CO2+795.5 kJ CH4+2O2— 图 1 中 RD 为敏感元件 （ 即黑元件 ）， RC 为补偿 元件。将 RD 和 RC 置于同一测量气室中，测量电桥由
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稳定性 指工作条件保持不变时，在规定的一段时间内元
作者简介 王忠和，男， 1971 年 12 月出生， 1991 年山西省轻工业学校 （ 日用化工专业 ） 毕业，现在大同安德固工程塑料制品有限责任公司 工作，助理工程师。
收稿日期：2009-05-09 修回日期：2009-06-23
Brief Talks of Process for Polyamide 6
UAB =K1ΔRD 。
显然，电桥输出电压取决于敏感元件变化量 ΔRD。瓦 斯传感器就是利用这一原理设计的。由此可知，传感 器的灵敏度、准确性和稳定性就取决于敏感元件自身 的稳定性和使用环境影响因素。 2 2.1 甲烷传感器的技术性能及影响其性能的因素 灵敏度 指某一浓度的甲烷在敏感元件上反应时电桥输出
设 RD = RC =R 且远远大于 ΔRD 时， UAB = RD ΔR D E+ E- E = RC＋ （ RD+ΔR） RC＋ （ RD+ΔR） 2 D D E + ΔR D E- E = 2 RC＋ （ RD+ΔR） 2 D ΔR D E = E ΔR D ， RC＋ （ RD+ΔR） RC＋RD D 令 则 K1 = E ， RC＋RD
第3期 （总第 121 期 ） 2009 年 9 月
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浅谈热催化燃烧式甲烷传感器检测瓦斯的适用性
樊雪梅 摘 要 介绍了甲烷传感器的结构及原理、技术性能及影响其性能的因素，探讨了使用载体催化元件的适
应性问题。 关键词 矿井瓦斯；瓦斯检测；热催化燃烧式甲烷传感器 中图分类号 TD712+.55 文献标识码 A 文章编号 1000－4866 （ 2009 ） 03－0019－02
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模具温度对聚酰胺 6 制品性能的影响较大，一般 控制在 60℃～80℃ 。 模具温度高时，制品结晶度高， 耐磨性好；模具温度低，伸长率大，透明性和韧性 好 。 模温过低，厚壁制品各部分冷却速率可能不均 匀，以致制品出现空隙等缺陷。 3 热处理和调湿处理 聚酰胺 6 在成型后还要进行热处理和调湿处理 。 制品脱模后，搁置或退火处理能使它发生收缩，而吸 湿则会引起膨胀，二者相互抵消后，才是制品的最后 尺寸。作为工程零件，要求制品具有一定的尺寸稳定 性，因此为了加速制品脱模后的收缩，最好对制品进 行热处理 。 通常将制品放进烘箱中，在温度 100℃～ 120℃ 下处理一定时间，然后缓慢冷却至室温 。 热处 理还可以收到消除内应力的效果。 为了提高聚酰胺 6 的韧性 、 冲击强度和抗张强 度，还需要进行调湿处理，即将制品放置于相对湿度 为 65% 的大气中一段时间，以使其达到 4% 的吸湿 量。由于这一过程进行缓慢，厚制品往往需要较长时
作者简介 樊雪梅，女，1963 年 9 月出生，1989 年 7 月山西电大毕业，现 在大同煤矿集团公司忻州窑矿工作，助理工程师。
收稿日期：2009-06-12 修回日期：2009-06-30
Brief Talks of the CH4 Sensor's Applicability for Gas Detection