甲烷传感器在矿井甲烷监测中应用的分析

崔富明

（大同煤矿集团北辛窑煤业有限公司， 山西 忻州 036702）

引言

便携式甲烷监测报警器具有较多的优势，比如方便携带、体积较小等，人们大多将其运用在矿井工作面甲烷浓度的监测。中国拥有庞大的煤炭资源，且开采程度也极为巨大。而在煤炭行业的发展中，瓦斯爆炸是对其造成阻碍的主要因素，随着安全监测技术的提出与应用，矿井下瓦斯的浓度得到了有效的监测与控制，从而使瓦斯的爆炸率得到了较好的控制。20 世纪80 年代初期，我国积极从国外一些国家引入了先进的安全监测系统，并且相继研发出了KJ2.KJ4.等多个监控系统，目前这些系统已经被广泛应用到矿井的生产中。煤矿所运用的监测系统中的传感器可以对环境、设备等各个参数进行正确的反映。现阶段，监控系统中所运用的传感器主要有CO、温度、烟雾等多种类型。这些传感器基本可以满足矿井安全监测工作的各种需求。但是，与国外使用的产品相比，我国所使用的传感器不管是在可靠性、还是在校准期或是在使用期限方面都存在较大的差距，一部分传感器不具备较好的稳定性，无法满足客户的需求[1-3]。

1 甲烷传感器的分类

1.1 催化燃烧式

该形式的工作原理为：敏感部件可以对甲烷或其他的可燃气体发挥催化效果，促使甲烷可以在部件上部进行无焰燃烧。该过程所释放的热量可以使传感元件的温度不断提升，并且监测元件可以依据自身温度的变化状况来监测气体的浓度，这类气体传感器所采用的敏感元件主要是载体催化和铂妊催化两种组分。

1.2 热导式

通过运用被检测气体与纯净气体之间存在的导热系数之差及混合气体具有的导热系数与浓度之间的关系，可以将气体浓度发生变化的规律转变为电脉冲，从而研制成气体检测装置。在煤矿中，这种甲烷检测装置大多用于对高浓度的气体进行测量。例如，明确排气管道内部存在的气体浓度高于瓦斯作业面的检测。在风力甲烷堵塞的设备中，导热及催化的部件相互组合以成为一种高低浓度的甲烷传感器，并且可以对催化元件起到保护作用，避免高浓度的气体对其产生影响[4]。

甲烷分析仪所运用的导热原理为：井中空气所具有的导热系数将会随着甲烷浓度的改变而改变，并且对该变化进行检测，确保甲烷的含量得以明确。但是，很难将气体所具有的导热率进行直接测量。一般情况下，可以利用热敏部件将甲烷在混合气体内发生改变导致的热导率变化转变成为电阻的改变。通过运用测量桥可以将电阻值的改变进行有效的测量。通常，热部件主要包含两个类型，分别为热敏电阻和导线。铂、钨、钯钨和钯铂属于同一类导线。热敏电阻存在较多的类型，它所具有的性能主要为较大的温度系数及较低的热惯性。钯铂具有较高的抗高温性和稳定的化学性，但是不具备较高的机械强度，极易发生变形问题的钯钨热敏元件具有较好的机械性能，但是出于高温的背景下极易发生氧化，为了使耐腐性及抗高温性不断提升，一部分钨丝大多是镀金的或者刷有玻璃膜。

2 催化燃烧式甲烷传感器监测原理

一部分可燃性气体在经过相应的燃烧之后会形成相应的热量，但实际上很难对生成的热量进行直接检测，一般都是通过对温度进行测量。这种测量形式存在较多类型，很容易取得较精确的结果。通常采取电测法来对温度进行测量。这种方式具有较多的优势，比如较快的反应速度、较容易的读数形式等。大量试验表明，温度的上升与甲烷的氧化速度呈现出一定的比例，当甲烷浓度小于5%的时候，甲烷发生氧化的速度与其浓度呈现出线性变化。甲烷传感器可以将甲烷的浓度加以转变，使其成为信号的输出装置，即利用该信号来对甲烷的浓度进行转换。

3 甲烷传感器的调试与校正

3.1 零点的调试与校正

在矿井中运用的甲烷传感器必须开展有效的调试及校正工作，对该设备进行零点校正，确保设备具备较高的精确度。在矿井的新鲜风流中来抽放气体，将带校验的胶管与其气室的校验嘴进行连接，并对其进行充气。将数字万用表与该设备的输出信号线相互串联。当读数保持1 mA 时，零点并未发生漂移，否则就需要对电位器进行调整。

3.2 灵敏度的调试与校正

在运用甲烷传感器检测的时候，一般会出现偏差，因此每周进行一次校正，关键作业面应当经常校正，确保测量的精确性。利用标准气样来对校验的灵敏度进行校正。例如，对某个作业面上的甲烷传感器进行校正，在采用2%的甲烷气样来进行校正时，首先需要将数字万用表与该传感器的输出信号相互串联，对气体的流量加以控制，以此来对甲烷传感器的气室进行充样，仔细读取数字表中的电流，采取3 mA 的电流，否则，对电位器进行调整，促使电流实现3 mA[5-6]。

3.3 报警点的调试方法

在矿井下采取报警点，应根据《煤矿安全规程》中的规定来明确报警点，并充分掌握该报警点是如何设定的。例如，当瓦斯的浓度达到了1%时，采用甲烷的标准气样来对传感器的气室进行充气，把握流量，将数字万用表与传感器输出线相互串联，注重观察，当数字表的数值为2 mA 时，没有发出报警，应对其电位器进行调整，直至报警。

3.4 必须用标准气样校正传感器

对所有检测甲烷的设备进行校正，但必须使用标准气样来校正，因为对甲烷检测设备应避免进行校正，由于甲烷检测设备在检测时都会出现偏差，如果这些设备进行校正，则偏差将会越来越大，因此，必须采取标准气样的校正设备[7]。

4 结语

根据工作的原理，甲烷传感器可以分为两种，分别为热导式和催化燃烧式。在矿井开展的监控中，用来检测高、低浓度瓦斯的设备分别为热导式和催化燃烧式。目前，我国现有的技术基本可以满足使用的要求，但是却无法达到精确测量，必须积极研制新的产品。