气体传感器在煤矿安全生产中的应用

寂静天花板

气体传感器技术在国家重点支持发展下有了较快的进展，气体传感器在工业生产、家庭安全、环境监测等领域起到了越来越重要的作用。气体传感器的工作原理，从瓦斯爆炸的原理、危害入手，分析了气敏传感器在预防煤矿瓦斯爆炸中的重要作用，设计了预防煤矿瓦斯爆炸的报警电路。
# _7 N! P6 ^% w% T瓦斯爆炸是煤矿安全生产的隐患之一，当瓦斯浓度在5%至16%，氧气浓度大于12%，遇到火就会引起爆炸，瓦斯爆炸产生的高温高压使爆炸气体向外冲击扬起大量的煤尘并使之参与爆炸，产生更大的破坏力。瓦斯爆炸造成人员伤亡、器材设施损毁，给家庭带来沉重灾难，给国家经济带来巨大损失。所以瓦斯爆炸的预防必须加以重视。
; n t* B) N( g& ]5 A9 R气体传感器的工作原理和分类
7 p t6 s( H' N/ x瓦斯的主要成分是甲烷（CH4），是无色无味可燃的气体，由于当中混有一定量的硫氧化物等其他成分，使其具有一定刺激性气味。自60年代我国利用气体在电极上氧化还原反应研制出的第一个气敏传感器问世，自此后气体传感器飞速发展，安全应用于有毒有害气体和可燃烧气体泄漏检测，环境检测等。
! I* j7 C0 v- `# r5 {- v+ b我国从80年代初开始深入研究气体传感器，当前各国研究的主要方向是提高气体传感器的敏感程度和在恶劣环境中的工作时间以及智能化等。
! Z0 M6 J8 [* X) y所谓气体传感器是将被测气体的浓度转换为与其成一定关系量输出的装置或器件。气体传感器是化学传感器的一大分类，气体传感器从结构上可分为干式和湿式两种。干式气体传感器是指构成气体传感器的材料为固体；而利用水溶液或电解液感知待测气体的传感器称为湿式传感器。气体传感器按气敏特性细分又可分为半导体气体传感器、接触燃烧式气体传感器、化学气体传感器、红外吸收型气体传感器、声波气体传感器、高分子气体传感器等等。
红外甲烷传感器工作原理
红外甲烷传感器是利用甲烷3.33μm波长的红外光有一极强的吸收峰，而杂质气体中影响较大的水蒸气和二氧化碳则并无明显吸收这个光谱特性，来实现甲烷气体检测。测量气体分子的光吸收谱是气体种类辨别和气体气分子浓度测定的有效手段。煤矿红外甲烷传感器所采用的光谱气体传感器技术，正是基于甲烷（CH4）分子振动/转动吸收特征谱或复合吸收谱线与发光点源发射谱间的光谱一致性。当红外光通过待测气体时，甲烷对3.33μm波长的红外光有一极强的吸收峰，正是这个光谱特性，实现了甲烷气体的检测。
; t9 X2 l. u0 j3 v" P A红外甲烷传感器的技术创新
红外甲烷传感器技术上的创新，表现在一下几个方面。
1 L! w) D }% l4 O; Q3 [, N采用了双敏感元件， 补偿信号处理， 实现了0-100全量程甲烷浓度测试。
以丙纶微孔通气滤膜作为煤矿红外甲烷传感器防尘、防潮保护膜，很好的解决了煤矿气体传感器呼吸防尘防水问题。丙纶微孔薄膜是一种特殊的新材料，膜表面0.456cm2有90多亿个微孔，微孔直径0.2-3μm，即使最小的粉尘颗粒也难以通过薄膜。这种材料采用特殊工艺复合而成，具有极强的化学稳定性，表面及其光滑，极易清理灰尘，不易老化，透气性能好，拒油拒水。适用于煤矿高浓度、高湿度的含尘气体以及高附着性的粉尘环境。由于多层微孔通气膜可实现表面过滤，粉尘不会渗透到内部，滤网由此还杜绝了堵死现象。
3 M, B; `; x, D& m& N2 V6 a4 I" `采用了程序升压方法抑制激励光源启动电流时红外甲烷传感器启动电流控制在150mA内。将红外光谱吸收法测量甲烷浓度，由于电路复杂，元器件多，主要是发光器件功耗大，上电时光源会呈现低阻状态，系统启动电流大，国内同类产品的启动电流一般不小于250mA，这对于设备供电能力提出了更大的要求。我们选择恒流电源供电方式，来解决启动电流大问题。在上电之前，电源输出一个低电压给发光元件，使发光元件的初始电流保持恒定，之后顺序升高供电电压，直到正常供电。实践证明，这种方法可有效抑制设备的启动电流。
, ~2 Q v# E) t" ~9 o% ?* g A* I采用了自吸气体交换方法，提高了气体快速交换速度。白光电源在实现调制过程中，由于电源发光产生热量，在周期性开关时形成气室内气流的微小震荡，提高了气室气体交互能力。
% B& e' h' ~, a& b9 e$ n2 U& T采用了小型气室温度补偿方法，提高了设备温度使用范围。温度对红外气体分析有较大影响，且是复杂的非线性关系，必须对红外气体传感器因温度变化引起的测量误差进行实时核正。由于温度对红外气体分析的影响很难建立机理模型，必须通过试验来取得数据进行建模，首先建立特定温度下甲烷浓度值与红外甲烷传感器输出的浓度电压之间的数值关系，然后再建立温度与红外甲烷传感器输出的浓度电压之间的关系。经过长时间的试验，确定温度补偿的数学模型；可有效保证传感器的测量精度。
, d5 U+ z: H# B B8 i: T/ A9 n. v红外甲烷传感器采用双CP控制方式，系统运行稳定可靠，为了提高测量的精度，必须对测量信号进行非线性补偿，同时还要根据测量传感器的温度环境进行温度补偿。我们采用一个专门的DSP进行前级信号处理，同时使用一个独立的CP完成报警、设定、遥控、输出等功能，这样即解决了运算量大的问题，同时也使前级的模拟信号传输距离缩短，避免了模拟信号传输过程带来的干扰。
小结
红外甲烷传感器适用于高硫煤矿及其他复杂气体含量的煤矿，很好的解决了这些煤矿一直以来存在的难题。传统煤矿瓦斯监测设备由于其测量原理的限制，在高硫煤矿几乎无法使用，一些高硫煤矿因此不安装煤矿瓦斯监测系统，对安全生产造成了极大的隐患。红外甲烷传感器不受任何气体的影响，不仅可以在高硫含量的煤矿中使用，也可以在其他更加复杂的气体环境中稳定可靠的工作，从根本上解决了复杂气体环境下瓦斯监测的难题。
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巧克力的花絮

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wywy110

随着煤炭生意的不行这个行业在国内的日子很不好过现在