年10月CH INESE JOURNAL SCIENT ICINSTRUM ENT Oct (中国矿业大学江苏徐州221008)摘要本文对新型甲烷检测仪的工作原理、性能特点进行了分析。该仪器与采用传统电桥检 测方法的甲烷检测仪相比, 有稳定性好、灵敏度高、响应速度快、使用寿命长等优点。 关键词热催化传感器甲烷检测仪 甲烷检测仪广泛用于煤矿、石油、化工、冶炼等行业中可燃易爆气体的检测,是一种工矿环 境安全的检测仪器。国内外大多甲烷检测仪采用的传感器为催化燃烧式传感元件, 简称热催化 传感元件, 检测时将热催化传感元件、补偿元件和电阻构成惠斯顿电桥, 施加恒定电压或电流, 使热催化传感元件的初始工作温度为500左右, 检测甲烷气体时, 甲烷气体在热催化传感元 件表面发生氧化放热反应, 使元件温度升高, 阻值增大, 电桥输出不平衡电压,反映被测甲烷气 体的浓度。这种已有上百年应用历史的惠斯顿电桥检测方法简单可靠甲烷检测仪, 但对甲烷检测却带来一 些问题。热催化传感元件的初始工作温度较高, 检测甲烷气体时元件温度还要升高, 研究表明, 热催化传感元件的工作温度越高, 其活性(亦称灵敏度) 变化越大, 使用寿命越短。

而稳定性差, 使用寿命短一直是热催化传感元件长期未能解决的问题。本文介绍的新型检测方法——定压 低温法, 能在检测甲烷气体时, 限制热催化传感元件工作温度的升高幅度, 使之处于较低的工 作温度, 工作环境的改善使稳定性, 使用寿命等性能均得到提高。 仪器主要由检测电路、放大电路和显示电路组成,其关键部分是检测电路, 检测电路应用 定压低温式检测方法, 原理电路示于图1。工作原理是: 基准电压源A 提供基准电压V 和三极管T的自动控制下, 热催化传感元件r1 上的电压等于V 的输入阻抗远远大于r1,流过r1 的电流与流过补偿元件r2 的电流近似相等, 1995-2006Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 检测电路的输出V r1+r2) r2+r1 r1 图1检测电路原理图当检测甲烷气体时, 由于热催化传感 元件 r1 表面气体发生氧化放热反应, r1温度上升阻值增大, 电流 相应减小,变化 的电流经过补偿元件r2, 使输出V 发生相应的变化, 从而达到检测甲烷气体的目的。 在新的甲烷检测方法中, 热催化传感元件 r1 上的电压V 为恒定值,检测信号V 自流过传感元件r1 上的工作电流 随着被测甲烷气体浓度的升高而降低, 限制了热催化传感元件的温升幅 与传统电桥检测方法相比,热催化传感 元件的工作温度较低, 故取名为“定压低温 式”甲烷检测方法。

由于热催化传感元件的骨架是对温度敏感的铂丝材料, 环境温度的变化会使其阻值发生 变化。在传统电桥检测方法中, 补偿元件具有良好的温度补偿作用。下面分析在新型定压低温 检测方法中补偿元件的温度补偿效果。 设热催化传感元件 r1 在环境温度变化下阻值变化 r1, 补偿元件 r2 阻值也要变化 r2, r2)r1+ r2r2)r1 由于补偿元件r2的物理结构与热催化传感元件r1 相同, 其环境温度影响产生的阻值变化率也 相同, 保持不变。由此可知,新型定压低温式甲烷检测方 法同样具有良好的环境温度补偿效果。 2仪器的特点 211检测范围与检测精度 一般甲烷检测仪的检测范围为0～4%CH4, 当甲烷浓度超过4%时, 由于热催化传感元件 温度升得较高, 会出现两种情况, 一是传感元件活性衰减加快, 表现为测值逐渐减小; 二是传感 元件表面“积炭”在高温下燃烧减少,造成传感器活性的暂时增大甲烷检测仪, 表现为测值的偏高, 且不稳 定。新型仪器由于采用定压低温式检测法, 限制了热催化传感元件的温升幅度, 因而检测范围 可以增大到0～5%CH4, 5%CH4 是甲烷气体爆炸临界浓度。 由于热催化传感元件的非线性特性, 定压低温式甲烷检测方法与传统电桥检测方法的输 1995-2006Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 出都呈非线性, 检测误差随着被测甲烷浓度的升高而增大。

目前的甲烷检测仪在0～4%CH4 的检测范围中, 最大相对误差为8%。新型甲烷检测仪设计了简易有效的非线性校正电路, 原理是通过一个增益可控的放大器,使得检测甲烷浓度越高, 放大器增益相应增大, 从而提高 了检测指示精度, 在0～5%CH4 检测范围内最大相对误差可小于5%。 212响应速度 响应速度也是甲烷检测仪的一项重要性能。目前的甲烷检测仪大多采用扩散式采气方式, 被测甲烷气体通过粉末冶金隔爆气室扩散至热催化传感元件表面进行氧化反应, 氧化放热反 应使温度升高才导致传感元件的阻值增大。因此影响甲烷检测仪的响应速度主要有两个因素, 一是隔爆气室阻碍气体扩散的延迟过程, 一是传感元件在表面温度升高时阻值增大的热迟滞 过程。在新型甲烷检测仪中, 由于热催化传感元件的温升较小, 传感元件的热迟滞影响也相应 减小, 反应速度有所加快。 213灵敏度 灵敏度指甲烷检测仪中检测电路在标定甲烷气体下的输出。灵敏度越大,检测电路的后续 电路对检测值的影响越小。热催化传感元件用传统电桥法检测时甲苯报警器, 输出灵敏度取决于传感元件 阻值的增大。用定压低温方法检测时, 工作电流随被测甲烷浓度升高而减小, 由于补偿元件对 温度也很敏感, 电流的减小会使补偿元件的温度下降, 阻值降低, 输出变化量为dV Idr2,定压低温式检测方法由于补偿元件的作用, 使输出灵敏度极大增加,约是传 统电桥检测法输出灵敏度的一倍。

214稳定性 甲烷检测仪的稳定性是指其测值在长时间工作时的变化程度。影响稳定性的因素主要是 热催化传感元件。热催化传感元件在长时间工作中活性逐渐衰减一氧化碳报警器, 被测甲烷气体浓度越高, 感器的活性衰减速度越快。目前大多甲烷检测仪要求每周标定一次,及时修正由于传感器活性 变化造成的误差。研究表明, 热催化传感元件的活性衰减速度与其工作温度有关, 工作温度越 活性衰减速度越快。新型甲烷检测仪采用的定压低温检测法,在相同浓度的甲烷气体中工 作能使传感元件工作在较低的温度,其活性衰减速度减慢甲烷检测仪, 稳定性得到提高。 215传感器的使用寿命 热催化传感元件的使用寿命与稳定性指标密切相关, 稳定性的好坏与传感器活性衰减快 慢有关, 同样, 传感器的使用寿命也是如此, 活性衰减越慢, 传感器使用寿命越长, 反之活性衰 减越快, 传感器使用寿命越短。传感器的使用寿命规定为活性衰减至初始值50%的工作时间。 新型仪器用定压低温检测, 使传感器的活性衰减速度减慢, 延长了传感器的使用寿命。 3主要性能测试比较 研究和试验表明, 新型甲烷检测仪与采用传统电桥检测法的仪器相比, 具有稳定性好, 测范围大,检测精度高, 响应速度快, 传感器使用寿命长等优点。

仪器已通过国家煤矿安全产品 检测中心的检验, 正在煤矿等行业推广应用。 1995-2006Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 测试项目传统甲烷检测仪 新型甲烷检测仪 检测范围 0～4%CH4 0～5%CH4 检测误差 响应时间12s 10s 环境温度试验(0～40) 011%CH4相同 零点漂移(空气中连续工作24 小时) 零点

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