洪衛(wèi)東

(淮南職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 安徽淮南 232001)

煤礦瓦斯檢測方法的技術(shù)分析

洪衛(wèi)東

(淮南職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 安徽淮南 232001)

甲烷是瓦斯的主要成分,其濃度在一定范圍內(nèi)遇明火就會發(fā)生爆炸,給礦井安全帶來巨大隱患;針對幾種煤礦瓦斯檢測方法(接觸燃燒氣敏法、半導(dǎo)體氣敏法、光干涉法、紅外光譜法、氣相色譜法、光纖法等)進(jìn)行了技術(shù)分析;并提出了瓦斯傳感器未來研究方向。

煤礦; 瓦斯; 傳感器; 檢測方法; 技術(shù)分析

一 概況

在煤礦的開采中,煤層中往往會涌出礦井瓦斯。礦井瓦斯是多種可燃、可爆氣體的總稱,其主要成分是甲烷。當(dāng)它體積占空氣的5%～15%時,遇明火就會發(fā)生爆炸,給礦井帶來隱患。瓦斯傳感器主要是監(jiān)測礦井瓦斯情況,其布置必須嚴(yán)格遵照《煤礦安全規(guī)程》的有關(guān)規(guī)定。甲烷傳感器在煤礦安全檢測系統(tǒng)中用于煤礦井巷、采掘工作面、采空區(qū)、回風(fēng)巷道、機(jī)電峒室、抽放瓦斯的管道與現(xiàn)場與瓦斯排放點等處連續(xù)監(jiān)測甲烷濃度,當(dāng)甲烷濃度超限時,能自動發(fā)出聲、光報警,可供煤礦井下作業(yè)人員,甲烷檢測人員,井下管理人員等隨身攜帶使用,也可供上述場所固定使用。當(dāng)前,對瓦斯的檢測方法有接觸燃燒氣敏法、半導(dǎo)體氣敏法、光干涉法、紅外光譜法、氣相色譜法、光纖法、電化學(xué)檢測法、微生物傳感器等。

瓦斯傳感器的一般工作原理為:瓦斯傳感器產(chǎn)生的低電壓信號,需通過放大器放大,再經(jīng)信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換器、由單片機(jī)進(jìn)行運算、處理,驅(qū)動發(fā)光數(shù)碼管顯示甲烷的濃度。同時經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換,所檢測的甲烷濃度值也被轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電流量和頻率量信號,由電纜傳輸給關(guān)聯(lián)設(shè)備。常用的應(yīng)用方式有:指針式表頭、數(shù)字式表頭(隨身攜帶使用)、單片機(jī)控制(用于固定場所)。

二 常用煤礦瓦斯傳感器

檢測氣體的成分有許多方法,但從裝置和價格方面來看,常用的有接觸燃燒方式、半導(dǎo)體傳感方式(半導(dǎo)體氣敏法)和光干涉法。

1 接觸燃燒氣敏法

接觸燃燒氣敏法是利用甲烷在催化元件表面燃燒時,元件溫度升高引起鉑絲電阻變化,由電阻和瓦斯?jié)舛染€性關(guān)系瓦斯?jié)舛取?/p>

瓦斯檢測電路如圖1所示,F1是檢測元件。F2是補償元件,補償元件內(nèi)部結(jié)構(gòu)與檢測元件內(nèi)部結(jié)構(gòu)完全相同,但外殼要密封,其作用是補償可燃性氣體接觸燃燒以外的環(huán)境溫度、電源電壓變化等因素所引起的偏差。由于電池VCC供電,在新鮮空氣(無瓦斯)中,RF1=RF2,調(diào)整Rp使電橋平衡,輸出端電壓U=0;在有瓦斯的環(huán)境中,F1表面發(fā)生無焰催化燃燒引起溫度上升,其阻值隨之增加,而F2阻值不變,橋式電路不再平衡,產(chǎn)生電位差U。電橋輸出信號的大小在一定范圍內(nèi)與可燃性氣體的濃度線性相關(guān),由此可用來檢測甲烷氣體。這種傳感器的優(yōu)點是:在一定范圍內(nèi)(一般不超過4%)輸出的電信號與瓦斯?jié)舛瘸烧?靈敏度高,受溫度和潮濕度影響小,價格低。其缺點是:其測量范圍小,催化元件壽命短(一般為1年),易受硫化物、鹵化物、硅氧基化合物等物質(zhì)的中毒影響和高濃度瓦斯激活,使用一段時間后,零點產(chǎn)生漂移,靈敏度下降,因此每隔一段時間就要用標(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)行零點和靈敏度的校正。同時,煤礦環(huán)境中高粉塵、高濕度的環(huán)境加速了催化傳感器的老化,嚴(yán)重制約著對瓦斯的有效、準(zhǔn)確檢測。

圖1 瓦斯檢測電路

2 半導(dǎo)體氣敏法

半導(dǎo)體氣敏法是以氧化物半導(dǎo)體為基本吸附材料,使甲烷吸附氧化時引起其電學(xué)特性(例如電導(dǎo)率)發(fā)生變化,用以檢測瓦斯?jié)舛?。主要氧化物半?dǎo)體材料有氧化錫、氧化鋅、氧化鈦、氧化鈷、氧化鎂、γ-氧化鐵等。相對其它類型的甲烷傳感器,氧化物半導(dǎo)體傳感器成本很低,人們更熱衷于對其的研究,根據(jù)半導(dǎo)體變化的物理性質(zhì)可以分為電阻式和非電阻式兩種。

SnO2是目前廣泛用于對有毒氣體及可燃性氣體(如甲烷)進(jìn)行檢測的氧化物半導(dǎo)體氣敏材料。SnO2系列氣敏元件有燒結(jié)型、薄膜型和厚膜型三種,燒結(jié)型應(yīng)用最廣泛性。根據(jù)加熱方式,分為直接加熱式和旁熱式兩種。電路檢測技術(shù)方法基本成熟,而研究最活躍的在半導(dǎo)體材料SnO2上下功夫,如采用摻雜技術(shù)、表面修飾技術(shù)、納米技術(shù)以及互補倍增和新工藝等。純SnO2氣敏材料一般很少使用。通過在半導(dǎo)體內(nèi)添加Pt、Pd、Au等貴金屬能有效地提高元件的靈敏度和響應(yīng)時間。催化劑不同,導(dǎo)致有利于不同的吸附試樣,從而具有選擇性。A.Licciulli等利用溶膠一凝膠法制備SnO2薄膜的過程中,發(fā)現(xiàn)薄膜在摻鋨(Os)后明顯地提高了靈敏度,降低了工作溫度。彭士元用氣相反應(yīng)法將Pt和氧化銫混合摻雜在SnO2薄膜中,提高了元件對甲烷的選擇性。易家寶在催化層(AL2O3和Pt)和敏感層(SnO2)之間再涂覆一層致密的α-AL2O3隔離層來阻止鉑的轉(zhuǎn)移,發(fā)現(xiàn)器件的穩(wěn)定性有了很大的提高,但元件對甲烷靈敏度有所降低。孫良彥等使用元件的表面修飾技術(shù),結(jié)果表明摻雜了的材料在真空干燥環(huán)境的活性最高。吳興惠等提出了一種提高氧化物半導(dǎo)體氣敏元件靈敏度的方法原理,此法可實現(xiàn)靈敏度的倍增,即互補倍增原理。

總的來說,目前敏感材料的研究存在的主要問題是靈敏度高、選擇性好、穩(wěn)定性好、工作溫度常溫化、能耗低、響應(yīng)恢復(fù)時間短難以同時滿足。

3 光干涉法

采用光干涉法,可以測定甲烷、二氧化碳以及某些其他氣體的濃度。光干涉瓦檢儀是利用光在不同空氣中的折射率不同的光學(xué)原理,通過測量不同瓦斯含量的空氣與不含瓦斯空氣的折射率的變化來確定瓦斯?jié)舛取９獬?光線所通過的路程×光線所通過的介質(zhì)折射率,如果以光干型儀器的兩個器室都充入同樣的新鮮空氣所產(chǎn)生的干涉條紋為基準(zhǔn),那么,當(dāng)在氣樣室中改變氣體的化學(xué)成分、溫度、壓力時,因折射率的變化,光程和光程差也隨著變化,這時干涉條紋便發(fā)生移動,根據(jù)干涉條紋移動量的大小,可測知氣樣室中氣體折射率的變化。如果兩個氣樣室中的溫度、壓力相同,而氣體的化學(xué)成分又已知,則干涉條紋的位移量與測氣體的濃度成正比關(guān)系,由此,可知氣樣濃度。

光干涉瓦檢儀的優(yōu)點主要表現(xiàn)在:儀器攜帶方便,使用和維護(hù)簡單,安全可靠。能夠由人為控制操作,測點選取可根據(jù)操作者的判斷,對可疑點進(jìn)行測定,測點活動性太強(qiáng);不存在儀器中毒、失效或高濃度甲烷激活問題;測量范圍大,具有足夠的精度。其測量范圍為0～l0%(精度0.01%)和0～l00% (精度0.1%)兩種類型;壽命長。除電池和燈泡外,幾乎沒有損耗部件,如不考慮機(jī)械損傷,可以認(rèn)為壽命是無限的;可以根據(jù)干涉條紋間距大小,粗劣估計儀器測量精度的可靠性。其缺點主要表現(xiàn)在:受溫度影響較大。這是因為溫度對氣體的密度有影響,導(dǎo)致了氣體折射率改變;受氣壓影響。儀器的毛細(xì)管部分就是為消除此影響而設(shè)計的;耐振性較差。光學(xué)部件稍有移動則影響準(zhǔn)確度;檢測選擇性較差。因各種氣體都有自己的折射率,只要它們與被測氣體同時存在,就會對測量結(jié)果產(chǎn)生干擾;需選用合適的干燥劑。這是因為常常出現(xiàn)電池接觸片銹蝕和儀器本體短路。還出現(xiàn)因堵塞氣路和污染瓦斯室而引起的零點漂移故障。

當(dāng)前,我國煤礦普遍采用光干涉式瓦斯檢測器,基于其諸多優(yōu)點,在井下得到廣泛采用。但《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定,現(xiàn)煤礦普遍使用的光干涉式甲烷測定器凡新制造、使用中和維修后的必須強(qiáng)制檢定和校準(zhǔn)。

三 新型煤礦瓦斯傳感器

1 紅外光譜法

紅外光譜法是基于不同化合物在光譜作用下由于振動和旋轉(zhuǎn)變化表現(xiàn)不同的吸收峰。測量吸收光譜可知氣體類型。測量吸收強(qiáng)度,可知氣體濃度。每種氣體都有自己的吸收光譜。紅外甲烷傳感器應(yīng)用的是甲烷氣體在光波波長3.33 um處有一個極強(qiáng)的吸收峰,而雜質(zhì)氣體(水,CO2)在此處無明顯吸收,從而達(dá)到測量的目的。

歐美等發(fā)達(dá)國家多年來一直在研究將紅外吸收光譜技術(shù)應(yīng)用于甲烷檢測,在2004年推出了煤礦用紅外甲烷傳感器。光源的選擇直接影響紅外甲烷傳感器靈敏度等性能。以分布反饋量子阱激光器為光源在靈敏度、選擇性、分辨率和響應(yīng)時間上具有一定優(yōu)勢。趙海山以室溫半導(dǎo)體激光器為為基礎(chǔ)研制的便攜式中紅外敏感器。差分吸收技術(shù)是將光源發(fā)出的光束分成兩路,一路經(jīng)過被測氣體為信號光,另一路未經(jīng)被測氣體為參考光。安宇鵬等以1 665 nm分布反饋(DFB)激光器為光源,使用雙光路差分吸收光譜技術(shù)(DAS)測量甲烷濃度的檢測系統(tǒng),使用雙光路差分吸收光譜技術(shù)能有效抑制由于光源光強(qiáng)變化、探測器零點漂移等因素所引起的測量不準(zhǔn)確。

此外,張帆等采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立紅外甲烷傳感器溫度校正模型,可以對溫度引起的非線性誤差進(jìn)行自動校正。于東波報道,他們開發(fā)的GJG10H紅外甲烷傳感器已在很多煤礦使用,其技術(shù)上的創(chuàng)新主要表現(xiàn)在:采用自行研制的雙敏感元件,差動補償信號處理等技術(shù),實現(xiàn)全量程甲烷濃度的檢測;采用丙綸微孔通氣濾膜作為產(chǎn)品防塵、防潮保護(hù)膜,解決了煤礦氣體傳感器防塵防水問題;采用程序升壓方法抑制激勵光源,降低了起動電流;采用自吸式氣體交換方法,實現(xiàn)了被測氣體快速交換,提高了響應(yīng)速度;采用單光束雙波長,光學(xué)窄帶濾波技術(shù),提高了甲烷檢測精度。

可以說,紅外傳感器在煤礦中的使用,標(biāo)志著甲烷傳感器的更新?lián)Q代。解決了現(xiàn)有礦用瓦斯檢測傳感器存在響應(yīng)速度慢,選擇性差,測量精度低、受硫化氫氣體的干擾大,高濃度瓦斯易造成中毒而無法恢復(fù),使用壽命短,標(biāo)定周期短的缺陷。

2 光纖法

光纖氣體檢測技術(shù)是一種以光信號為載體、以光纖為信號傳輸通道的高靈敏度的氣體檢測技術(shù)。對于光纖甲烷檢測技術(shù),一個重要的遙測甲烷的方法是測量它的吸收譜,差分吸收技術(shù)和波長調(diào)制技術(shù)增加了其可操作性,現(xiàn)在大部分的努力在于提高靈敏度上。

吸收原理表現(xiàn)在,被測氣體的吸收過程中,不同的氣體物質(zhì)有不同的吸收峰帶,即由于分子結(jié)構(gòu)和能量分布的差異各顯示出不同的吸收譜,它決定了氣體光吸收測量法的選擇性、鑒別性和氣體濃度的唯一確定性。

差分吸收技術(shù)用以提高精度被廣泛采用,差分吸收法可采用單波長雙光路法實現(xiàn),也可用雙波長單光路法實現(xiàn)。國外早就提出采用LED作光源的差分檢測方式。王玉田等先采用基于普通1.331 μm的LED光源的差分吸收式光纖甲烷氣體傳感方法,其方案中的光源波動和雙光路差異影響了測量精度。后采用SLED作光源,同時改進(jìn)差分吸收檢測方式以提高靈敏度。張玲娟利用分時差分式虛擬光纖甲烷模糊檢測儀得到,對于濃度變化率為時變值的情況,系統(tǒng)工作穩(wěn)定,響應(yīng)速度較快,平均響應(yīng)時間約1.6 s;最小可檢測濃度可達(dá)0.01%。二次諧波檢測技術(shù)是光纖檢測技術(shù)的又一種檢測方法,采用分布反饋式半導(dǎo)體激光器作為光源,通過光源調(diào)制實現(xiàn)氣體濃度的諧波檢測,利用二次諧波與一次諧波的比值來消除由光源的不穩(wěn)定和變化所引起的檢測誤差。王玉田等采用峰值波長為1.331μm的分布反饋式半導(dǎo)體激光器(DFB LD)作為光源DFB LD調(diào)制技術(shù)實現(xiàn)甲烷氣體濃度的諧波檢測,靈敏度和穩(wěn)定性明顯提高,可以檢測的靈敏度達(dá)10 ×10-6,為甲烷爆炸下限的0.02%,但光源價格昂貴。闞瑞峰等采用可調(diào)諧二極管激光吸收光譜(TDLAS)諧波探測技術(shù),發(fā)現(xiàn)自平衡二次諧波探測優(yōu)于直接二次諧波探測,取得了低于6.5 ppm的探測限。此外,窄帶譜線吸收型光纖技術(shù)、差頻光傳感器光纖技術(shù)等也正在探索中。

正是由于光纖氣體傳感器具有優(yōu)秀的遠(yuǎn)距離監(jiān)控、抗電磁干擾和中毒、易燃易爆環(huán)境。還具有高靈敏度,響應(yīng)速度快,動態(tài)范圍大,且耐高溫、高壓,結(jié)構(gòu)簡單,體積小,重量輕,耗能少等優(yōu)點。吸引了眾多科技工作者從事這方面的研究。

3 氣相色譜法

氣相色譜法是一種分離分析檢測瓦斯?jié)舛鹊姆椒?。色譜分析要求對污染氣體進(jìn)行采樣、處理、難以進(jìn)行實時探測分析。氣相色譜法是從1952年才迅速發(fā)展的一種古老而年輕的分離分析方法?；诓煌镔|(zhì)物化性質(zhì)的差異,在固定相(色譜柱)和流動相(載氣)構(gòu)成的兩相體系中具有不同的分配系數(shù)(或吸附性能),當(dāng)兩相作相對運動時,這些物質(zhì)隨流動相一起遷移,并在兩相間進(jìn)行反復(fù)多次的分配(吸附-脫附或溶解-析出),使得那些分配系數(shù)只有微小差別的物質(zhì),在遷移速度上產(chǎn)生了很大的差別,經(jīng)過一段時間后,各組分之間達(dá)到了彼此的分離。被分離的物質(zhì)依次通過檢測裝置,給出每個物質(zhì)的信息,一般是一個色譜峰。通過出峰的時間和峰面積,可以對被分離物質(zhì)進(jìn)行定性和定量分析。通過橋式電路可檢測出瓦斯?jié)舛?。如張翔等用氣相色譜法在優(yōu)化條件下對厭氧發(fā)酵氣進(jìn)行測試,測試時間短,準(zhǔn)確度高,回收率大于95%,分離效果、重復(fù)性好,變異系數(shù)小于2%。馬時申等運用氣相色譜的原理建立了一套工程上可用的氣象色譜儀,具有好的選擇性和靈敏度。分析下限(φ)為5×10-6,精密度好于3%,與標(biāo)準(zhǔn)值相差±5%。

氣相色譜法具有高效能、高選擇性、高靈敏度、分析速度快、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點,但其儀器笨重,難以進(jìn)行實時、在線觀測。

四 未來瓦斯傳感器的發(fā)展

綜合各種檢測方法,各有自己的優(yōu)缺點,對各種主要技術(shù)指標(biāo),同種檢測方法難以同時滿足。瓦斯傳感器的未來研究方向除了在傳統(tǒng)的半導(dǎo)體氣敏材料氧化錫、氧化鋅、氧化鈦、氧化鈷、氧化鎂、γ-氧化鐵中摻雜一些元素外,同時研制和開發(fā)紅外、光纖等新型瓦斯傳感器,應(yīng)用新材料、新工藝和新技術(shù),對瓦斯傳感器的機(jī)理做進(jìn)一步研究,使瓦斯傳感器更加小型化和智能化,具有性能穩(wěn)定、使用方便、價格低廉、壽命長等特點。今后采用計算機(jī)技術(shù)實現(xiàn)瓦斯傳感器的智能化研制開發(fā)新型仿生瓦斯傳感器(仿生電子鼻)是未來瓦斯傳感器發(fā)展的主要方向?？傊?隨著科學(xué)不斷進(jìn)步,甲烷傳感器逐漸走向小型化、智能化,應(yīng)不斷推出新的技術(shù)方法來解決遇到的新的技術(shù)問題,為煤炭安全生產(chǎn)作出貢獻(xiàn)。

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TD712+.55

A

1671-4733(2010)04-0025-04

DO I:10.3969/j.issn.1671-4733.2010.04.009

2010-12-19

安徽省自然科學(xué)基金項目(項目編號:2003kj009zc)

洪衛(wèi)東(1972-),男,安徽宿松人,講師,碩士,從事教學(xué)工作,電話:0554-6656921。