甲烷傳感器在煤礦瓦斯檢測報警中的應(yīng)用

　　煤炭行業(yè)的發(fā)展，為我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)，同時也存在一些問題：煤礦數(shù)量多、分布廣、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，瓦斯氣體較為嚴(yán)重，礦井下瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)給井下人員的安全造成極大威脅;由于煤礦企業(yè)設(shè)備的老化和環(huán)境等因素的影響，瓦斯事故時有發(fā)生;礦井下人員較多，一旦發(fā)生事故，所產(chǎn)生的救援難度較大。

　　甲烷傳感器是煤礦瓦斯檢測中必不可少的設(shè)備。甲烷傳感器可以測量甲烷氣體濃度、溫度等參數(shù)，并將數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)矫旱V井下控制中心。在實際使用過程中，甲烷傳感器必須具有高精度、高穩(wěn)定性、體積小、重量輕、壽命長、安全可靠等特點(diǎn)。

　　一、氣體傳感器分類

　　甲烷傳感器按照檢測原理可以分為催化燃燒式、電化學(xué)式和光學(xué)式三種類型。

　　1.催化燃燒式甲烷傳感器具有良好的抗腐蝕能力，同時也能夠?qū)Ψ蹓m進(jìn)行有效的過濾，使測量精度達(dá)到最高，但它對工作環(huán)境有一定的要求，即必須保證傳感器的清潔。

　　2.電化學(xué)式甲烷傳感器使用的是半導(dǎo)體式甲烷傳感器，它在工作過程中不需要消耗電能，但是對環(huán)境有一定要求。

　　3.光學(xué)式甲烷傳感器檢測范圍較廣，精度也非常高，在日常工作中起到了很好的作用。但它受工作環(huán)境和溫度等因素的影響較大。

　　4.半導(dǎo)體式甲烷傳感器是用來測量甲烷氣體濃度的一種高精度、非接觸的傳感器。它具有以下幾個優(yōu)點(diǎn)：體積小、重量輕、使用壽命長、檢測范圍大、響應(yīng)速度快和輸出信號穩(wěn)定等。但它也有一些缺點(diǎn)：易受溫度影響和干擾氣體的影響。

　　5.半導(dǎo)體氣敏元件是指一種以半導(dǎo)體材料為敏感元件的傳感器。它主要由敏感元件、電子電路和檢測系統(tǒng)組成。敏感元件主要是半導(dǎo)體材料，也可以采用金屬氧化物或金屬-半導(dǎo)體材料，如鉑或鎳等。敏感元件可以用來測量氣體中甲烷和一氧化碳的濃度。但由于它需要將信號轉(zhuǎn)變成電信號，因此其靈敏度和響應(yīng)時間較低，容易受到環(huán)境濕度和溫度的影響。

　　二、氣體傳感器的工作原理

　　甲烷傳感器的工作原理是基于半導(dǎo)體氣體傳感器的。在氣體傳感器中，通過將特定的半導(dǎo)體材料與固定在傳感器表面的氣體分子接觸，然后觀察其發(fā)射出的光和輻射的形式。通過該方法可以檢測出特定氣體。氣體傳感器可以測量甲烷濃度，也可以測量氧氣和一氧化碳濃度，還可以測量甲烷和氧氣之間的比例。通過這些測量，傳感器可以將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電信號。

　　1.工作原理：半導(dǎo)體氣體傳感器是利用半導(dǎo)體氣體傳感器檢測甲烷或氧(二)離子，以測量甲烷或氧(二)離子濃度的傳感器，主要由以下元件組成：擴(kuò)散管電極、金屬氧化物半導(dǎo)體元件、氣室、氣體濃度檢測電路(包括電子電路和電流回路)等。擴(kuò)散管通過將氣體擴(kuò)散到傳感器表面并與電極接觸而被吸收;在金屬氧化物半導(dǎo)體元件的陽極上形成一層氧化物薄膜;在陽極上用兩個電極分別連接甲烷或氧(二)離子濃度檢測電路，以檢測到兩個電流，這兩個電流是被相同電阻隔離的，并由同一負(fù)載進(jìn)行控制。當(dāng)電流流過時，該電阻會產(chǎn)生阻值變化，而該阻值會引起兩個電流之間的差異。因此，我們可以通過測量這個差異來確定甲烷或氧(二)離子濃度。如果用它來檢測甲烷氣體的濃度或氧濃度，則傳感器將得到一個電壓信號。信號通過半導(dǎo)體表面進(jìn)行處理和放大。

　　2.優(yōu)點(diǎn)：半導(dǎo)體氣體傳感器具有非常高的靈敏度、穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和重復(fù)性等優(yōu)點(diǎn)。使用壽命長，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠。

　　3.缺點(diǎn)：對甲烷氣體具有一定程度的選擇性差、可燃性甲烷傳感器價格較貴、對溫度和濕度有一定要求。

　　4.使用方法：根據(jù)需要將傳感器連接到通風(fēng)設(shè)備上，并選擇適當(dāng)數(shù)量的空氣流通區(qū)域進(jìn)行檢測。

　　三、甲烷傳感器使用中應(yīng)注意事項

　　(1)傳感器使用前，必須先檢查電源的電壓是否穩(wěn)定，如不穩(wěn)定，必須把傳感器的電源開關(guān)打開，使其輸出穩(wěn)定電壓。

　　(2)由于甲烷氣體在礦井中容易聚集，在進(jìn)行調(diào)試時，必須在地面上進(jìn)行。

　　(3)為了更好地測量甲烷氣體的濃度，必須根據(jù)實際情況對甲烷傳感器進(jìn)行定期標(biāo)定和調(diào)整。這樣，甲烷傳感器就能更加準(zhǔn)確地測量甲烷氣體的濃度。

　　(4)在瓦斯檢測中，甲烷傳感器可用于檢測瓦斯?jié)舛?。?dāng)煤礦井下有瓦斯氣體時，甲烷傳感器應(yīng)與探測的煤礦瓦斯傳感器保持一定的距離。當(dāng)距離小于300 mm時，當(dāng)甲烷含量超過5%時必須及時報警。

　　(5)礦井中如果存在有毒氣體或一氧化碳，即使不存在瓦斯氣體，也應(yīng)隨時檢測濃度并及時報警。

　　1、工作原理

　　甲烷傳感器主要是由敏感元件和氣室組成。敏感元件是氣體傳感器的核心，它能夠?qū)⒈粶y氣體濃度轉(zhuǎn)換為電信號。氣室則是為了將敏感元件輸出的電信號進(jìn)行放大、整形而設(shè)計的。在氣室的內(nèi)壁涂上一層吸收液，使甲烷氣體吸收到氣室內(nèi)部，形成一個固定的環(huán)形腔，在氣室內(nèi)部表面涂有一層吸收劑，吸收劑與甲烷氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生大量的H2和CH4,兩種氣體在氣室內(nèi)部混合達(dá)到一定濃度時，由探測器進(jìn)行檢測，傳感器便將此信號轉(zhuǎn)化為電信號，并通過單片機(jī)將電信號送至控制器進(jìn)行處理和顯示。通過這種方式，實現(xiàn)對甲烷氣體濃度的檢測。

　　2、產(chǎn)品特點(diǎn)

　　(1)檢測范圍廣，檢測下限低。甲烷傳感器對甲烷氣體的響應(yīng)范圍為0~100% LEL，并且可以實現(xiàn)在線標(biāo)定，精度高。使用壽命長，可達(dá)五年以上。

　　(2)甲烷傳感器體積小、重量輕、成本低。

　　(3)甲烷傳感器不需要對煤礦井下的甲烷氣體進(jìn)行預(yù)處理，只要能夠檢測到煤礦井下的甲烷氣體濃度就可以了，即使在不可靠的煤礦中也可以使用。

　　(4)甲烷傳感器有輸出、模擬信號輸入、RS485輸出等多種方式。無論是使用RS485的方式，還是使用 MODBUS協(xié)議的方式都可以進(jìn)行通訊。

　　(5)甲烷傳感器是一種氣態(tài)傳感器，具有信號穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，非常適合于煤礦井下使用。

　　四、結(jié)語

　　瓦斯爆炸是煤礦最嚴(yán)重的事故之一，由瓦斯引起的爆炸會造成人員傷亡和重大經(jīng)濟(jì)損失。安全是煤礦生產(chǎn)的重中之重，是實現(xiàn)煤礦安全生產(chǎn)、保護(hù)煤礦職工生命和財產(chǎn)安全的關(guān)鍵。因此，應(yīng)加強(qiáng)對瓦斯氣體的檢測和監(jiān)測，保證井下工作人員的安全，及時發(fā)現(xiàn)隱患并采取相應(yīng)措施消除隱患。

甲烷傳感器是監(jiān)測煤礦瓦斯?jié)舛群蜏囟?、壓力、風(fēng)速、風(fēng)量等參數(shù)的主要儀器，隨著計算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的快速發(fā)展，甲烷傳感器已經(jīng)由傳統(tǒng)的模擬器件向數(shù)字化器件發(fā)展，通過對甲烷傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理和顯示，可以實現(xiàn)實時在線監(jiān)測和報警。

近年來，我國煤礦安全形勢日趨嚴(yán)峻，因此必須建立有效的瓦斯管理體系。當(dāng)前采用的一些傳統(tǒng)方法都存在一定弊端：如現(xiàn)場操作人員必須在井下現(xiàn)場操作儀器等方式進(jìn)行檢測和報警;數(shù)據(jù)處理方法滯后于瓦斯管理需要等。