【文章內容簡介】 指瓦斯?jié)舛劝l(fā)生階躍變化時，電橋輸出信號值90%的時間。井下瓦斯檢測要求實時性強、響應時間短。標準中規(guī)定了響應時間，連續(xù)式為20s，間斷式為6s。影響催化元件響應時間的因素主要有兩個方面，一是在瓦斯通過擴散孔（燒結金屬孔）充滿氣室并到達元件表面的整個擴散過程所占用的時間；二是瓦斯在敏感元件上的催化反應產生熱量，使溫度上升，并和周圍進行熱交換，敏感元件最終達到平衡所需要的時間。響應時間的長短與元件尺寸、制作工藝及氣室設計、通氣方式有關。3．使用載體催化元件應注意的問題在討論載體催化元件性能的時，已認識到元件存在的缺點和使用的局限性。要解決這些問題，一方面要有針對性地采取相應的改進措施；另一方面要掌握元件特性，做到正確合理使用。（1）元件激活及校準上面已經介紹，經常在高濃度瓦斯中工作會造成元件激活，是元件靈敏度、穩(wěn)定性變壞。出現(xiàn)激活現(xiàn)象后，要及時用新鮮空氣校準零點，用甲烷標準氣樣校準精度。在高濃度瓦斯涌出區(qū)域使用的傳感器，最好采用高、低濃度瓦斯傳感器，它在高濃度瓦斯條件下具有自動保護低濃度測量催化元件的功能。（2）缺氧影響由于缺氧，元件接觸到高濃度瓦斯是會出現(xiàn)“雙值”現(xiàn)象。當空氣中甲烷濃度查過10%時，催化反應熱將隨瓦斯?jié)舛壤^續(xù)增加而下降；當甲烷濃度繼續(xù)增加而下降；當甲烷濃度高達80%90%時，元件反應的輸出信號值相當于2%1%時信號值。因此，在使用中要特別注意避免因雙值性而做出錯誤判斷。有的瓦斯檢測儀還能同時測氧；有的儀器把檢測元件和補償元件設計成非同步升溫，出現(xiàn)“雙值”現(xiàn)象時有所指示。這些都能較好解決雙值性問題。（3）儀器校準校準是要選擇合適的流量。因為進入檢測氣室的氣體流量與催化元件靈敏度有直接關系。注入氣室的流量的大小要根據氣室結構容積而定。制造廠一般都給出了校準儀器應通入氣室的流量值。需要指出的是，對于擴散式儀器而言，這一流量應與儀器在井下安放地點的風速相吻合，否則將會帶來較大的測量誤差。光學式亦稱為光干涉式。利用光干涉檢測原理，可以檢測多種氣體濃度，在煤礦中主要是測定甲烷。光干涉式瓦斯檢定器，已經在煤礦中使用了半個多世紀，在日本、前蘇聯(lián)、德國及中國都得到了普遍使用。光干涉式瓦斯傳感器主要用于監(jiān)測煤礦井下環(huán)境氣體中的甲烷濃可以連續(xù)自動地將井下甲烷濃度轉換成標準電信號輸送給關聯(lián)設備,并具有就地顯示甲烷濃度值,、風電瓦斯閉鎖裝置配套,適宜在煤礦的采掘工作面、回風巷道等地點固定使用。應用光干涉原理來測量甲烷濃度,克服了載體催化元件式甲烷傳感器使用壽命短、易中毒、穩(wěn)定性差等缺點,采用嵌入式控制系統(tǒng)對信號進行多重技術處理和分析,使用壽命超過三年。具有性能穩(wěn)定、壽命長、測量精確、相應速度快、結構堅固、易使用維護等特點，但它也存在一些缺點，如受缺氧影響，選擇性較差；受溫度與氣壓影響而產生誤差等，在使用中要根據其特點給予修正。主要技術指標:測量范圍：（0～100）%分化板分辨率：5%刻度盤量程：（0～10）%基本誤差：177。3%刻度盤分辨率：%燈泡電壓/電流：防爆型式：ExibⅠ電池形式：2R20鋅錳電池外形尺寸：22513570 mm重量： kg利用被測氣體與純金氣體的熱導率差異及混合氣體熱導率與濃度的關系，把氣體濃度變化量轉變?yōu)橄鄳碾娦盘枺蓸嫵蔁釋絺鞲衅?。惹到是氣體分析方法是一種基本的方法。在煤礦中，惹到是瓦斯監(jiān)測儀器主要用于測定高濃度瓦斯。例如，瓦斯抽到管道中瓦斯?jié)舛鹊臏y定；高瓦斯工作面用的高低濃度瓦斯傳感器。風電瓦斯閉鎖裝置中，把熱導元件和載體催化元件合用，構成高低濃度瓦斯傳感器，并可保護催化元件免受高濃度瓦斯沖擊。目前已有采用半導體熱敏電阻的儀器，可以檢測爆炸下限瓦斯。在檢測器內部有兩個測量元件：一個參比室和一個測量室，兩個元件的內部張緊著細鉑絲，在參比室內密封著參比氣體，而測量時可以進入待測的可燃性氣體。兩個鉑絲與外部定值電阻結合形成電橋回路，恒定電流分別流過各鉑絲使之發(fā)熱。在不存在可燃氣體的時候，這個回路是平衡的，因此產生零數(shù)值，一旦測量室中的待測組分中發(fā)生濃度變化，則測量室中的熱導率會隨之變動，從而使測量室鉑絲的溫度發(fā)生變化。將這種溫度變化以電阻值變化的形式提取出來，就可以計算出來被側氣體的濃度。熱導式瓦斯監(jiān)測儀器具有測量范圍寬、功率小的優(yōu)點，也不存在載體催化元件受高濃度瓦斯沖擊產生激活及中毒問題，使用壽命長。但也存在一些問題，使用中應注意。（1） 選擇性差由檢測原理知，多元混合氣體的熱導率是各種氣體成分熱導率之和。如果混合氣體中存在二氧化碳和氣體，將嚴重干擾瓦斯?jié)舛葴y量值。其中，受二氧化碳影響，使示值降低；受水蒸氣影響，使示值增加。因此，使用熱導式瓦斯監(jiān)測儀器也要出去二氧化碳和水蒸氣。（2） 環(huán)境溫度變化的影響環(huán)境溫度會影響儀器零點穩(wěn)定性和靈敏度。一方面，氣體熱導率隨溫度增加而增加；另一方面，氣室壁溫度也影響熱絲電阻變化。為保證測量精度，必須保持其實溫度恒定。（3） 流速變化的影響氣室內的熱交換取決于熱導、熱對流和熱輻射。當熱絲溫度不高時，主要與前二項有關，對流影響隨氣室尺寸增加而增加。在實際使用中，要注意流速變化對測值的影響。.半導體期敏元件種類較多，可按表面型及體型分類。表面型主要是氧化鋅一類金屬氧化物半導體，在較低溫度下吸附被測氣體，并改變半導體表面電位及電導率。因為半導體與氣體之間的相互作用局限于半導體表面，稱為表面型半導體氣敏元件。體型是利用氣體與半導體作用，使半導體內部晶格缺陷變化，導致半導體電導率變化。因為使半導體體內性能發(fā)生變化，故稱為體型半導體氣敏元件。后者一般是易還原的金屬氧化物半導體。在高溫時，表面型半導體將發(fā)生體內晶格缺陷變化，例如以二氧化銻為主要材料的燒結氣敏元件，工作溫度為700度時，可以檢測可燃性氣體。半導式氣敏元件亦可按電阻式和非電阻式分類。當氣體接觸到半導體時，半導體發(fā)生變化，利用這種現(xiàn)象的元件稱為電阻式；否則，為非電阻式。當氣體接觸到金屬氧化物場效應管或金屬半導體結型二級管時，前者的閾值電壓變化，后者的整流特性變化。利用這種現(xiàn)象構成檢測氣體濃度的敏感元件即為非電阻式。用于檢測瓦斯的半導體氣敏元件主要是表面電阻型半導體。表面電阻型半導體的材料最具代表性的是氧化鋅，電阻型半導體氣敏元件通常都需要加熱，鉑絲通電可加熱元件，使元件維持在300度左右。當元件接觸到還原性氣體時，氣體吸附，吸附分子在表面擴散，失去其功能。吸附分子奪取電子而變成負離子吸附，氧化鋅是N型半導體，負離子吸附使半導體表面自由電子濃度降低，電導率下降，電阻上升。吸附分子材料釋放電子，成為正離子吸附，由于向半導體表面輸送電子，元件表面自由電子增加，電導率上升，使半導體電阻下降。在沒有瓦斯時，元件表面吸附氧為負離子吸附，電阻上升；在有瓦斯時，出現(xiàn)正離子吸附，元件表面自由電子增加，電阻下降。通過電橋檢測電阻變化量可以檢測氣體濃度。甲烷不具備電子供給特性，必須發(fā)生離解化學吸附反應，才能放出電子。上述離解反應需要活化作用，所以在半導體中應加入少量的催化劑。半導體氣敏元件具有靈敏度高、能耗少、壽命長等優(yōu)點，不存在載體催化元件中毒影響等問題。但也存在嚴重缺點，一是選擇性差，尤其是受水蒸氣影響嚴重，雖然通過添加某些材料或改變反應溫度可以適當提高氣體檢測選擇性，但作用不大；二是線性測量范圍窄，在煤礦是測量1%CH4以下瓦斯。由于存在上述問題，目前在煤礦使用較少。 1. 光纖瓦斯傳感器在20世紀90年代光纖傳感技術成為十分引人注目的高技術傳感分支，光纖傳感器是利用吸收光譜型氣體傳感原理，在性能上完全不同于傳統(tǒng)的瓦斯傳感器，其獨特的特點是：（1）靈敏度高、響應速度快、動態(tài)范圍大、防電磁干擾、防爆防燃、不中毒等；（2）光纖傳輸耗損小，可長距離傳輸，適用于遠距離測量；（3）光纖體積小、重量輕、可彎曲、化學性質穩(wěn)定，具有很好的抗電磁干擾和電絕緣性，可在危險的特殊環(huán)境下也能工作。光纖傳感器易于組成光纖傳感網絡，可實現(xiàn)多功能、智能化的要求，采用多路復用技術，可降低系統(tǒng)成本。一般的光纖傳感系統(tǒng)由光源、信號傳輸線、傳感器件、光電轉換及信號處理四部分組成，光作為載波經入射光纖傳輸?shù)綒馐?，光波的某些特性參量在傳感頭內被外界物理參量所控制，含有被調制信息的光波經出射光纖輸出到光電轉換部分，經解調后就能得到被測物理量的大小和狀態(tài)，即與瓦斯?jié)舛扔嘘P的模擬電壓信號。信號采集與處理部分是將模擬信號不失真地轉換為數(shù)字信號，利用檢測器在數(shù)字域進一步對信號加工處理和計算，在顯示屏上顯示氣體的濃度。這類傳感器是基于壓電材料表面吸附氣體時壓電效應發(fā)生變化的原理制成的。壓電材料有多晶材料和單晶材料。用壓電材料可以制成壓電晶體振子。吸附氣體時，壓電振子振蕩頻率減少，其頻率變化量與吸附氣體質量（即氣體濃度）成正比。如果將振子和振蕩電路連接，通過檢測其頻率變化，就可以確定氣體濃度。利用壓電晶體檢測氣體濃度還處于探索階段，關鍵技術是選擇吸附待測氣體的膜。目前，還尚未出現(xiàn)檢測CH4儀器。由于這類傳感器具有檢測靈敏度高、堅固耐用、易采用微電子制造技術實現(xiàn)小型化、低功耗等特點，隨著選擇性吸附材料的開發(fā)，將來可能在煤礦氣體檢測中得到應用。壓電晶體氣體傳感器的缺點主要是難以克服水蒸氣影響，需要對溫度和濕度變化進行補償。為傳送正確的氣體分子量，需要選擇正確的薄膜及毛管的孔徑尺寸?？讖匠叽鐟軌蛟试S(一)工作原理電化學傳感器通過與被測氣體發(fā)生反應并產生與氣體濃度成正比的電信號來工作。典型的電化學傳感器由傳感電極（或工作電極）和反電極組成，并由一個薄電解層隔開。 氣體首先通過微小的毛管型開孔與傳感器發(fā)生反應，然后是憎水屏障，最終到達電極表面。采用這種方法可以允許適量氣體與傳感電極發(fā)生反應，以形成充分的電信號，同時防止電解質漏出傳感器。穿過屏障擴散的氣體與傳感電極發(fā)生反應，傳感電極可以采用氧化機理或還原機理。這些反應由針對被測氣體而設計的電極材料進行催化。 通過電極間連接的電阻器，與被測氣濃度成正比的電流會在正極與負極間流動。測量該電流即可確定氣體濃度。由于該過程中會產生電流，電化學傳感器又常被稱為電流氣體傳感器或微型燃料電池。 在實際中，由于電極表面連續(xù)發(fā)生電化發(fā)應，傳感電極電勢并不能保持恒定，在經過一段較長時間后，它會導致傳感器性能退化。為改善傳感器性能，人們引入了參考電極。參考電極安裝在電解質中，與傳感電極鄰近。固定的穩(wěn)定恒電勢作用于傳感電極。參考電極可以保持傳感電極上的這種固定電壓值。參考電極間沒有電流流動。氣體分子與傳感電極發(fā)生反應，同時測量反電極，測量結果通常與氣體濃度直接相關。施加于傳感電極的電壓值可以使傳感器針對目標氣體。(二)組成電化學傳感器包含以下主要元件：；B. 電極；C. 電解質；D. 過濾器。以下介紹電化傳感器的一些共同特性： 1．在三電極傳感器上，通常由一個跳線來連接工作電極和參考電極。如果在儲存過程中將其移除， 則傳感器需要很長時間來保持穩(wěn)定并準備使用。某些傳感器要求電極之間存在偏壓，而且在這種情況下，傳感器在出廠時帶有九伏電池供電的電子電路。傳感器穩(wěn)定需要30分鐘至24小時，并需要三周時間來繼續(xù)保持穩(wěn)定。2．多數(shù)有毒氣體傳感器需要少量氧氣來保持功能正常。傳感器背面有一個通氣孔以達到該目的。建議在使用非氧氣背景氣應用場合中與制造商執(zhí)行復檢。3．傳感器內電池的電解質是一種水溶劑，用憎水屏障予以隔離，憎水屏障具有防止水溶劑泄漏的作用。然而，和其它氣體分子一樣，水蒸汽可以穿過憎水屏障。在大濕度條件下，長時間暴露可能導致過量水分蓄積并導致泄漏。在低潮濕條件下，傳感器可能燥結。設計用于監(jiān)控高濃度氣體的傳感器具有較低孔率屏障以限制通過的氣體分子量，因此它不受濕度影響。第三章 煤礦瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)基于氣體傳感器的甲烷氣體監(jiān)測系統(tǒng)主要由氣體傳感器、單片機、數(shù)據存儲器以及LED顯示器以及RS—485通訊接口等部分組成。采用單片機AT89S52構成煤礦氣體監(jiān)測系統(tǒng)的核心部分，根據氣體傳感器及測量的信號，實現(xiàn)對CH4的成分識別和濃度測量。使用按鍵面板輸入外部命令。采用ATMEL公司的DataFlash存儲器AT24CO2存儲設定的參數(shù)及大量的測量數(shù)據。通過8只8段LED數(shù)碼管顯示氣體濃度:也可以在PC機控制模式下，采用RS—485協(xié)議，實現(xiàn)數(shù)據遠傳。 系統(tǒng)硬件原理框圖一. 系統(tǒng)特點，監(jiān)控標準及新版的煤礦安全規(guī)程。2．監(jiān)控軟件選用最新的Windows2000為平臺進行開發(fā)，操作簡單， 功能強大，界面美觀，具有語音報警功能3．特有的軟件容錯糾錯技術，提高了系統(tǒng)的可靠性。4．經濟型系統(tǒng)采用差分平衡式無地線傳輸方式，保證數(shù)據傳輸質量，符合歐洲工業(yè)標準，具有極強的抗干擾能力。5．全隔離分站，由大容量不間斷電源供電,分站采集控制電路與輸入、輸出電路在電氣上徹底隔離，提高了運行的可靠性。1． 系統(tǒng)可采集瓦斯、風速、負壓、一氧化碳、溫度等模擬量以及開停、風門、饋電等開關量。2． 系統(tǒng)可實現(xiàn)風、電、瓦斯閉鎖功能。3． 系統(tǒng)同時具有自動控制功能和手動控制功能。4． 系統(tǒng)具有故障報警和故障統(tǒng)計功能。5． 停電后系統(tǒng)可工作2小時以上。6． 井口瓦斯數(shù)據實時顯示；不僅可使“煤礦安全員”也可讓每位下井煤礦員工自覺對瓦斯安全進行有效的監(jiān)督和警視。7． 網絡功能。