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年10月CH INESE JOURNAL SCIENT ICINSTRUM ENT Oct (中國(guó)礦業(yè)大學(xué)江蘇徐州221008)摘要本文對(duì)新型甲烷檢測(cè)儀的工作原理、性能特點(diǎn)進(jìn)行了分析。該儀器與采用傳統(tǒng)電橋檢 測(cè)方法的甲烷檢測(cè)儀相比, 有穩(wěn)定性好、靈敏度高、響應(yīng)速度快、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。 關(guān)鍵詞熱催化傳感器甲烷檢測(cè)儀 甲烷檢測(cè)儀廣泛用于煤礦、石油、化工、冶煉等行業(yè)中可燃易爆氣體的檢測(cè),是一種工礦環(huán) 境安全的檢測(cè)儀器。國(guó)內(nèi)外大多甲烷檢測(cè)儀采用的傳感器為催化燃燒式傳感元件, 簡(jiǎn)稱熱催化 傳感元件, 檢測(cè)時(shí)將熱催化傳感元件、補(bǔ)償元件和電阻構(gòu)成惠斯頓電橋, 施加恒定電壓或電流, 使熱催化傳感元件的初始工作溫度為500左右, 檢測(cè)甲烷氣體時(shí), 甲烷氣體在熱催化傳感元 件表面發(fā)生氧化放熱反應(yīng), 使元件溫度升高, 阻值增大, 電橋輸出不平衡電壓,反映被測(cè)甲烷氣 體的濃度。這種已有上百年應(yīng)用歷史的惠斯頓電橋檢測(cè)方法簡(jiǎn)單可靠甲烷檢測(cè)儀, 但對(duì)甲烷檢測(cè)卻帶來(lái)一 些問(wèn)題。熱催化傳感元件的初始工作溫度較高, 檢測(cè)甲烷氣體時(shí)元件溫度還要升高, 研究表明, 熱催化傳感元件的工作溫度越高, 其活性(亦稱靈敏度) 變化越大, 使用壽命越短。

而穩(wěn)定性差, 使用壽命短一直是熱催化傳感元件長(zhǎng)期未能解決的問(wèn)題。本文介紹的新型檢測(cè)方法——定壓 低溫法, 能在檢測(cè)甲烷氣體時(shí), 限制熱催化傳感元件工作溫度的升高幅度, 使之處于較低的工 作溫度, 工作環(huán)境的改善使穩(wěn)定性, 使用壽命等性能均得到提高。 儀器主要由檢測(cè)電路、放大電路和顯示電路組成,其關(guān)鍵部分是檢測(cè)電路, 檢測(cè)電路應(yīng)用 定壓低溫式檢測(cè)方法, 原理電路示于圖1。工作原理是: 基準(zhǔn)電壓源A 提供基準(zhǔn)電壓V 和三極管T的自動(dòng)控制下, 熱催化傳感元件r1 上的電壓等于V 的輸入阻抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于r1,流過(guò)r1 的電流與流過(guò)補(bǔ)償元件r2 的電流近似相等, 1995-2006Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 檢測(cè)電路的輸出V r1+r2) r2+r1 r1 圖1檢測(cè)電路原理圖當(dāng)檢測(cè)甲烷氣體時(shí), 由于熱催化傳感 元件 r1 表面氣體發(fā)生氧化放熱反應(yīng), r1溫度上升阻值增大, 電流 相應(yīng)減小,變化 的電流經(jīng)過(guò)補(bǔ)償元件r2, 使輸出V 發(fā)生相應(yīng)的變化, 從而達(dá)到檢測(cè)甲烷氣體的目的。 在新的甲烷檢測(cè)方法中, 熱催化傳感元件 r1 上的電壓V 為恒定值,檢測(cè)信號(hào)V 自流過(guò)傳感元件r1 上的工作電流 隨著被測(cè)甲烷氣體濃度的升高而降低, 限制了熱催化傳感元件的溫升幅 與傳統(tǒng)電橋檢測(cè)方法相比,熱催化傳感 元件的工作溫度較低, 故取名為“定壓低溫 式”甲烷檢測(cè)方法。

由于熱催化傳感元件的骨架是對(duì)溫度敏感的鉑絲材料, 環(huán)境溫度的變化會(huì)使其阻值發(fā)生 變化。在傳統(tǒng)電橋檢測(cè)方法中, 補(bǔ)償元件具有良好的溫度補(bǔ)償作用。下面分析在新型定壓低溫 檢測(cè)方法中補(bǔ)償元件的溫度補(bǔ)償效果。 設(shè)熱催化傳感元件 r1 在環(huán)境溫度變化下阻值變化 r1, 補(bǔ)償元件 r2 阻值也要變化 r2, r2)r1+ r2r2)r1 由于補(bǔ)償元件r2的物理結(jié)構(gòu)與熱催化傳感元件r1 相同, 其環(huán)境溫度影響產(chǎn)生的阻值變化率也 相同, 保持不變。由此可知,新型定壓低溫式甲烷檢測(cè)方 法同樣具有良好的環(huán)境溫度補(bǔ)償效果。 2儀器的特點(diǎn) 211檢測(cè)范圍與檢測(cè)精度 一般甲烷檢測(cè)儀的檢測(cè)范圍為0～4%CH4, 當(dāng)甲烷濃度超過(guò)4%時(shí), 由于熱催化傳感元件 溫度升得較高, 會(huì)出現(xiàn)兩種情況, 一是傳感元件活性衰減加快, 表現(xiàn)為測(cè)值逐漸減小; 二是傳感 元件表面“積炭”在高溫下燃燒減少,造成傳感器活性的暫時(shí)增大甲烷檢測(cè)儀, 表現(xiàn)為測(cè)值的偏高, 且不穩(wěn) 定。新型儀器由于采用定壓低溫式檢測(cè)法, 限制了熱催化傳感元件的溫升幅度, 因而檢測(cè)范圍 可以增大到0～5%CH4, 5%CH4 是甲烷氣體爆炸臨界濃度。 由于熱催化傳感元件的非線性特性, 定壓低溫式甲烷檢測(cè)方法與傳統(tǒng)電橋檢測(cè)方法的輸 1995-2006Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 出都呈非線性, 檢測(cè)誤差隨著被測(cè)甲烷濃度的升高而增大。

目前的甲烷檢測(cè)儀在0～4%CH4 的檢測(cè)范圍中, 最大相對(duì)誤差為8%。新型甲烷檢測(cè)儀設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)易有效的非線性校正電路, 原理是通過(guò)一個(gè)增益可控的放大器,使得檢測(cè)甲烷濃度越高, 放大器增益相應(yīng)增大, 從而提高 了檢測(cè)指示精度, 在0～5%CH4 檢測(cè)范圍內(nèi)最大相對(duì)誤差可小于5%。 212響應(yīng)速度 響應(yīng)速度也是甲烷檢測(cè)儀的一項(xiàng)重要性能。目前的甲烷檢測(cè)儀大多采用擴(kuò)散式采氣方式, 被測(cè)甲烷氣體通過(guò)粉末冶金隔爆氣室擴(kuò)散至熱催化傳感元件表面進(jìn)行氧化反應(yīng), 氧化放熱反 應(yīng)使溫度升高才導(dǎo)致傳感元件的阻值增大。因此影響甲烷檢測(cè)儀的響應(yīng)速度主要有兩個(gè)因素, 一是隔爆氣室阻礙氣體擴(kuò)散的延遲過(guò)程, 一是傳感元件在表面溫度升高時(shí)阻值增大的熱遲滯 過(guò)程。在新型甲烷檢測(cè)儀中, 由于熱催化傳感元件的溫升較小, 傳感元件的熱遲滯影響也相應(yīng) 減小, 反應(yīng)速度有所加快。 213靈敏度 靈敏度指甲烷檢測(cè)儀中檢測(cè)電路在標(biāo)定甲烷氣體下的輸出。靈敏度越大,檢測(cè)電路的后續(xù) 電路對(duì)檢測(cè)值的影響越小。熱催化傳感元件用傳統(tǒng)電橋法檢測(cè)時(shí)甲苯報(bào)警器, 輸出靈敏度取決于傳感元件 阻值的增大。用定壓低溫方法檢測(cè)時(shí), 工作電流隨被測(cè)甲烷濃度升高而減小, 由于補(bǔ)償元件對(duì) 溫度也很敏感, 電流的減小會(huì)使補(bǔ)償元件的溫度下降, 阻值降低, 輸出變化量為dV Idr2,定壓低溫式檢測(cè)方法由于補(bǔ)償元件的作用, 使輸出靈敏度極大增加,約是傳 統(tǒng)電橋檢測(cè)法輸出靈敏度的一倍。

214穩(wěn)定性 甲烷檢測(cè)儀的穩(wěn)定性是指其測(cè)值在長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)的變化程度。影響穩(wěn)定性的因素主要是 熱催化傳感元件。熱催化傳感元件在長(zhǎng)時(shí)間工作中活性逐漸衰減一氧化碳報(bào)警器, 被測(cè)甲烷氣體濃度越高, 感器的活性衰減速度越快。目前大多甲烷檢測(cè)儀要求每周標(biāo)定一次,及時(shí)修正由于傳感器活性 變化造成的誤差。研究表明, 熱催化傳感元件的活性衰減速度與其工作溫度有關(guān), 工作溫度越 活性衰減速度越快。新型甲烷檢測(cè)儀采用的定壓低溫檢測(cè)法,在相同濃度的甲烷氣體中工 作能使傳感元件工作在較低的溫度,其活性衰減速度減慢甲烷檢測(cè)儀, 穩(wěn)定性得到提高。 215傳感器的使用壽命 熱催化傳感元件的使用壽命與穩(wěn)定性指標(biāo)密切相關(guān), 穩(wěn)定性的好壞與傳感器活性衰減快 慢有關(guān), 同樣, 傳感器的使用壽命也是如此, 活性衰減越慢, 傳感器使用壽命越長(zhǎng), 反之活性衰 減越快, 傳感器使用壽命越短。傳感器的使用壽命規(guī)定為活性衰減至初始值50%的工作時(shí)間。 新型儀器用定壓低溫檢測(cè), 使傳感器的活性衰減速度減慢, 延長(zhǎng)了傳感器的使用壽命。 3主要性能測(cè)試比較 研究和試驗(yàn)表明, 新型甲烷檢測(cè)儀與采用傳統(tǒng)電橋檢測(cè)法的儀器相比, 具有穩(wěn)定性好, 測(cè)范圍大,檢測(cè)精度高, 響應(yīng)速度快, 傳感器使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。

儀器已通過(guò)國(guó)家煤礦安全產(chǎn)品 檢測(cè)中心的檢驗(yàn), 正在煤礦等行業(yè)推廣應(yīng)用。 1995-2006Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 測(cè)試項(xiàng)目傳統(tǒng)甲烷檢測(cè)儀 新型甲烷檢測(cè)儀 檢測(cè)范圍 0～4%CH4 0～5%CH4 檢測(cè)誤差 響應(yīng)時(shí)間12s 10s 環(huán)境溫度試驗(yàn)(0～40) 011%CH4相同 零點(diǎn)漂移(空氣中連續(xù)工作24 小時(shí)) 零點(diǎn)

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