氣體傳感器在煤礦安全生產中的應用

寂靜天花板

氣體傳感器技術在國家重點支持發展下有了較快的進展，氣體傳感器在工業生產、家庭安全、環境監測等領域起到了越來越重要的作用。氣體傳感器的工作原理，從瓦斯爆炸的原理、危害入手，分析了氣敏傳感器在預防煤礦瓦斯爆炸中的重要作用，設計了預防煤礦瓦斯爆炸的報警電路。
# S# Q, a8 k, C; i( q! q瓦斯爆炸是煤礦安全生產的隱患之一，當瓦斯濃度在5%至16%，氧氣濃度大于12%，遇到火就會引起爆炸，瓦斯爆炸產生的高溫高壓使爆炸氣體向外沖擊揚起大量的煤塵并使之參與爆炸，產生更大的破壞力。瓦斯爆炸造成人員傷亡、器材設施損毀，給家庭帶來沉重災難，給國家經濟帶來巨大損失。所以瓦斯爆炸的預防必須加以重視。
- l! N3 M* \& ?0 A氣體傳感器的工作原理和分類
$ Z2 {& U/ u0 B: Y7 J/ {6 E瓦斯的主要成分是甲烷（CH4），是無色無味可燃的氣體，由于當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氣味。自60年代我國利用氣體在電極上氧化還原反應研制出的第一個氣敏傳感器問世，自此后氣體傳感器飛速發展，安全應用于有毒有害氣體和可燃燒氣體泄漏檢測，環境檢測等。
% S6 ?% V5 t5 X3 J) a! O% \我國從80年代初開始深入研究氣體傳感器，當前各國研究的主要方向是提高氣體傳感器的敏感程度和在惡劣環境中的工作時間以及智能化等。
所謂氣體傳感器是將被測氣體的濃度轉換為與其成一定關系量輸出的裝置或器件。氣體傳感器是化學傳感器的一大分類，氣體傳感器從結構上可分為干式和濕式兩種。干式氣體傳感器是指構成氣體傳感器的材料為固體；而利用水溶液或電解液感知待測氣體的傳感器稱為濕式傳感器。氣體傳感器按氣敏特性細分又可分為半導體氣體傳感器、接觸燃燒式氣體傳感器、化學氣體傳感器、紅外吸收型氣體傳感器、聲波氣體傳感器、高分子氣體傳感器等等。
7 p( a0 s( E9 x' B  B紅外甲烷傳感器工作原理
紅外甲烷傳感器是利用甲烷3.33μm波長的紅外光有一極強的吸收峰，而雜質氣體中影響較大的水蒸氣和二氧化碳則并無明顯吸收這個光譜特性，來實現甲烷氣體檢測。測量氣體分子的光吸收譜是氣體種類辨別和氣體氣分子濃度測定的有效手段。煤礦紅外甲烷傳感器所采用的光譜氣體傳感器技術，正是基于甲烷（CH4）分子振動/轉動吸收特征譜或復合吸收譜線與發光點源發射譜間的光譜一致性。當紅外光通過待測氣體時，甲烷對3.33μm波長的紅外光有一極強的吸收峰，正是這個光譜特性，實現了甲烷氣體的檢測。
/ ^; Y9 e5 N/ T% E8 f+ l紅外甲烷傳感器的技術創新
: _' i9 O- r4 |0 \" U紅外甲烷傳感器技術上的創新，表現在一下幾個方面。
, R7 Z/ C% I5 s* }* d' z) Y采用了雙敏感元件， 補償信號處理， 實現了0-100全量程甲烷濃度測試。
以丙綸微孔通氣濾膜作為煤礦紅外甲烷傳感器防塵、防潮保護膜，很好的解決了煤礦氣體傳感器呼吸防塵防水問題。丙綸微孔薄膜是一種特殊的新材料，膜表面0.456cm2有90多億個微孔，微孔直徑0.2-3μm，即使最小的粉塵顆粒也難以通過薄膜。這種材料采用特殊工藝復合而成，具有極強的化學穩定性，表面及其光滑，極易清理灰塵，不易老化，透氣性能好，拒油拒水。適用于煤礦高濃度、高濕度的含塵氣體以及高附著性的粉塵環境。由于多層微孔通氣膜可實現表面過濾，粉塵不會滲透到內部，濾網由此還杜絕了堵死現象。
; Y' ]) C6 a+ ~4 P4 D9 @, d采用了程序升壓方法抑制激勵光源啟動電流時紅外甲烷傳感器啟動電流控制在150mA內。將紅外光譜吸收法測量甲烷濃度，由于電路復雜，元器件多，主要是發光器件功耗大，上電時光源會呈現低阻狀態，系統啟動電流大，國內同類產品的啟動電流一般不小于250mA，這對于設備供電能力提出了更大的要求。我們選擇恒流電源供電方式，來解決啟動電流大問題。在上電之前，電源輸出一個低電壓給發光元件，使發光元件的初始電流保持恒定，之后順序升高供電電壓，直到正常供電。實踐證明，這種方法可有效抑制設備的啟動電流。
采用了自吸氣體交換方法，提高了氣體快速交換速度。白光電源在實現調制過程中，由于電源發光產生熱量，在周期性開關時形成氣室內氣流的微小震蕩，提高了氣室氣體交互能力。
4 M& V- P4 w5 w! v$ G# g采用了小型氣室溫度補償方法，提高了設備溫度使用范圍。溫度對紅外氣體分析有較大影響，且是復雜的非線性關系，必須對紅外氣體傳感器因溫度變化引起的測量誤差進行實時核正。由于溫度對紅外氣體分析的影響很難建立機理模型，必須通過試驗來取得數據進行建模，首先建立特定溫度下甲烷濃度值與紅外甲烷傳感器輸出的濃度電壓之間的數值關系，然后再建立溫度與紅外甲烷傳感器輸出的濃度電壓之間的關系。經過長時間的試驗，確定溫度補償的數學模型；可有效保證傳感器的測量精度。
2 w! c; N0 `  y6 T紅外甲烷傳感器采用雙CP控制方式，系統運行穩定可靠，為了提高測量的精度，必須對測量信號進行非線性補償，同時還要根據測量傳感器的溫度環境進行溫度補償。我們采用一個專門的DSP進行前級信號處理，同時使用一個獨立的CP完成報警、設定、遙控、輸出等功能，這樣即解決了運算量大的問題，同時也使前級的模擬信號傳輸距離縮短，避免了模擬信號傳輸過程帶來的干擾。
小結
- q0 }- w( m: |( r6 N/ j紅外甲烷傳感器適用于高硫煤礦及其他復雜氣體含量的煤礦，很好的解決了這些煤礦一直以來存在的難題。傳統煤礦瓦斯監測設備由于其測量原理的限制，在高硫煤礦幾乎無法使用，一些高硫煤礦因此不安裝煤礦瓦斯監測系統，對安全生產造成了極大的隱患。紅外甲烷傳感器不受任何氣體的影響，不僅可以在高硫含量的煤礦中使用，也可以在其他更加復雜的氣體環境中穩定可靠的工作，從根本上解決了復雜氣體環境下瓦斯監測的難題。
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巧克力的花絮

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wywy110

隨著煤炭生意的不行這個行業在國內的日子很不好過現在