【文章內(nèi)容簡介】 。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了響應(yīng)時間，連續(xù)式為20s，間斷式為6s。影響催化元件響應(yīng)時間的因素主要有兩個方面，一是在瓦斯通過擴散孔（燒結(jié)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(yīng)產(chǎn)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(yīng)時間的長短與元件尺寸、制作工藝及氣室設(shè)計、通氣方式有關(guān)。3．使用載體催化元件應(yīng)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(yīng)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(zhǔn)上面已經(jīng)介紹，經(jīng)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(zhǔn)零點，用甲烷標(biāo)準(zhǔn)氣樣校準(zhǔn)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(dāng)空氣中甲烷濃度查過10%時，催化反應(yīng)熱將隨瓦斯?jié)舛壤^續(xù)增加而下降；當(dāng)甲烷濃度繼續(xù)增加而下降；當(dāng)甲烷濃度高達80%90%時，元件反應(yīng)的輸出信號值相當(dāng)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(shè)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(zhǔn)校準(zhǔn)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(guān)系。注入氣室的流量的大小要根據(jù)氣室結(jié)構(gòu)容積而定。制造廠一般都給出了校準(zhǔn)儀器應(yīng)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(yīng)與儀器在井下安放地點的風(fēng)速相吻合，否則將會帶來較大的測量誤差。光學(xué)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(jīng)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(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號輸送給關(guān)聯(lián)設(shè)備,并具有就地顯示甲烷濃度值,、風(fēng)電瓦斯閉鎖裝置配套,適宜在煤礦的采掘工作面、回風(fēng)巷道等地點固定使用。應(yīng)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(shù)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(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)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(chǎn)生誤差等，在使用中要根據(jù)其特點給予修正。主要技術(shù)指標(biāo):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(dǎo)率差異及混合氣體熱導(dǎo)率與濃度的關(guān)系，把氣體濃度變化量轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號，可構(gòu)成熱導(dǎo)式傳感器。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(fēng)電瓦斯閉鎖裝置中，把熱導(dǎo)元件和載體催化元件合用，構(gòu)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(dǎo)體熱敏電阻的儀器，可以檢測爆炸下限瓦斯。在檢測器內(nèi)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(nèi)部張緊著細鉑絲，在參比室內(nèi)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(jié)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(chǎn)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(dǎo)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(cè)氣體的濃度。熱導(dǎo)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(chǎn)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(yīng)注意。（1） 選擇性差由檢測原理知，多元混合氣體的熱導(dǎo)率是各種氣體成分熱導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(nèi)的熱交換取決于熱導(dǎo)、熱對流和熱輻射。當(dāng)熱絲溫度不高時，主要與前二項有關(guān)，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(dǎo)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(dǎo)體，在較低溫度下吸附被測氣體，并改變半導(dǎo)體表面電位及電導(dǎo)率。因為半導(dǎo)體與氣體之間的相互作用局限于半導(dǎo)體表面，稱為表面型半導(dǎo)體氣敏元件。體型是利用氣體與半導(dǎo)體作用，使半導(dǎo)體內(nèi)部晶格缺陷變化，導(dǎo)致半導(dǎo)體電導(dǎo)率變化。因為使半導(dǎo)體體內(nèi)性能發(fā)生變化，故稱為體型半導(dǎo)體氣敏元件。后者一般是易還原的金屬氧化物半導(dǎo)體。在高溫時，表面型半導(dǎo)體將發(fā)生體內(nèi)晶格缺陷變化，例如以二氧化銻為主要材料的燒結(jié)氣敏元件，工作溫度為700度時，可以檢測可燃性氣體。半導(dǎo)式氣敏元件亦可按電阻式和非電阻式分類。當(dāng)氣體接觸到半導(dǎo)體時，半導(dǎo)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(dāng)氣體接觸到金屬氧化物場效應(yīng)管或金屬半導(dǎo)體結(jié)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(gòu)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(dǎo)體氣敏元件主要是表面電阻型半導(dǎo)體。表面電阻型半導(dǎo)體的材料最具代表性的是氧化鋅，電阻型半導(dǎo)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(dāng)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(dǎo)體，負離子吸附使半導(dǎo)體表面自由電子濃度降低，電導(dǎo)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(dǎo)體表面輸送電子，元件表面自由電子增加，電導(dǎo)率上升，使半導(dǎo)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(xué)吸附反應(yīng)，才能放出電子。上述離解反應(yīng)需要活化作用，所以在半導(dǎo)體中應(yīng)加入少量的催化劑。半導(dǎo)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(yīng)溫度可以適當(dāng)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(shù)成為十分引人注目的高技術(shù)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(yīng)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(xué)性質(zhì)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(wǎng)絡(luò)，可實現(xiàn)多功能、智能化的要求，采用多路復(fù)用技術(shù)，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(zhuǎn)換及信號處理四部分組成，光作為載波經(jīng)入射光纖傳輸?shù)綒馐?，光波的某些特性參量在傳感頭內(nèi)被外界物理參量所控制，含有被調(diào)制信息的光波經(jīng)出射光纖輸出到光電轉(zhuǎn)換部分，經(jīng)解調(diào)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(guān)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(zhuǎn)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(yīng)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(zhì)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(guān)鍵技術(shù)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(shù)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(yīng)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?yīng)能夠允許(一)工作原理電化學(xué)傳感器通過與被測氣體發(fā)生反應(yīng)并產(chǎn)生與氣體濃度成正比的電信號來工作。典型的電化學(xué)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(yīng)，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(yīng)，以形成充分的電信號，同時防止電解質(zhì)漏出傳感器。穿過屏障擴散的氣體與傳感電極發(fā)生反應(yīng)，傳感電極可以采用氧化機理或還原機理。這些反應(yīng)由針對被測氣體而設(shè)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(chǎn)生電流，電化學(xué)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(yīng)，傳感電極電勢并不能保持恒定，在經(jīng)過一段較長時間后，它會導(dǎo)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(zhì)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(yīng)，同時測量反電極，測量結(jié)果通常與氣體濃度直接相關(guān)。施加于傳感電極的電壓值可以使傳感器針對目標(biāo)氣體。(二)組成電化學(xué)傳感器包含以下主要元件：；B. 電極；C. 電解質(zhì)；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(zhǔn)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(yīng)用場合中與制造商執(zhí)行復(fù)檢。3．傳感器內(nèi)電池的電解質(zhì)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(dǎo)致過量水分蓄積并導(dǎo)致泄漏。在低潮濕條件下，傳感器可能燥結(jié)。設(shè)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(shè)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(jù)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(gòu)成煤礦氣體監(jiān)測系統(tǒng)的核心部分，根據(jù)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(shè)定的參數(shù)及大量的測量數(shù)據(jù)。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(jù)遠傳。 系統(tǒng)硬件原理框圖一. 系統(tǒng)特點，監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)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(shù)，提高了系統(tǒng)的可靠性。4．經(jīng)濟型系統(tǒng)采用差分平衡式無地線傳輸方式，保證數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量，符合歐洲工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，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(fēng)速、負壓、一氧化碳、溫度等模擬量以及開停、風(fēng)門、饋電等開關(guān)量。2． 系統(tǒng)可實現(xiàn)風(fēng)、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(jù)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(wǎng)絡(luò)功能。 下面介紹其主要組成部分以及它們實現(xiàn)的功能。，