王一蒙

(哈爾濱師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院, 哈爾濱150000)

甲烷傳感器工作特性分析與故障模式研究

王一蒙

(哈爾濱師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院, 哈爾濱150000)

介紹了甲烷傳感器的工作原理及在煤礦安全監(jiān)測(cè)中的重要作用,分析了甲烷傳感器的工作特性,深入的研究了甲烷傳感器的四種常見(jiàn)故障模式即恒增益、恒偏差、顯著突變與常值輸出,為甲烷傳感器的有效應(yīng)用與故障診斷工作提供了可靠的理論支持。

甲烷傳感器; 故障模式; 工作特性; 載體催化元件

1 引言

甲烷傳感器是將空氣中的甲烷濃度變量轉(zhuǎn)換成有一定對(duì)應(yīng)關(guān)系的輸出信號(hào)的裝置,它是煤礦等場(chǎng)所的重要的安全儀器。對(duì)于安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性來(lái)講,傳感器起主要決定作用。載體催化元件,又稱擔(dān)體(support)式甲烷傳感器在我國(guó)煤礦井下安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中被廣泛使用。但由于井下環(huán)境比較惡劣,潮濕、粉塵現(xiàn)象比較明顯導(dǎo)致傳感器靈敏度和線性度時(shí)常發(fā)生下降情況傳感器故障經(jīng)常發(fā)生。因此對(duì)甲烷傳感器的工作特性進(jìn)行分析,對(duì)甲烷傳感器故障模式及危害有充分認(rèn)識(shí),對(duì)于提高監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的安全具有極其重要的意義。

2 甲烷檢測(cè)的基本原理

目前煤礦井下甲烷檢測(cè)的手段有很多,主要方法有氣敏半導(dǎo)體原理及載體催化元件原理方法、紅外激光光譜原理法、熱導(dǎo)率原理方法、光學(xué)原理方法、超聲波原理法方法。利用這些方法制成甲烷測(cè)量?jī)x器或多或少都存在著某些缺點(diǎn),在安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中,上述方法在甲烷濃度定量測(cè)量中均未得到廣泛應(yīng)用。國(guó)內(nèi)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的甲烷和其它可燃性氣體的檢測(cè)最常用的是載體催化型儀器。它使用的是一種熱效式甲烷傳感器,載體催化元件(以下簡(jiǎn)稱元件)。MJC4T系列煤礦甲烷檢測(cè)用載體催化元件是具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新研制的產(chǎn)品。本產(chǎn)品黑元件的不但具有臨界反應(yīng)溫度低、活性極高等特點(diǎn),而且在催化選擇性上具有一定良好性能,在催化劑方面將傳統(tǒng)的甲烷燃燒催化劑使用新型催化劑來(lái)代替。并且具有重量輕(每個(gè)元件的重量為0.7 mg)、體積小(標(biāo)準(zhǔn)體形為一個(gè)長(zhǎng)0.8 mm、直徑0.5 mm的圓柱體)、性能穩(wěn)定以及消耗功率小等優(yōu)點(diǎn)。目前這種載體催化型甲烷傳感器在國(guó)內(nèi)外自動(dòng)檢測(cè)礦井甲烷中被廣泛使用,這種傳感器就的元件的構(gòu)造如圖1所示。

甲烷與氧氣在催化劑的作用下產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)即強(qiáng)烈氧化燃燒,并且這種燃燒是無(wú)焰式燃燒放出熱能。載體催化型(support)甲烷傳感器檢測(cè)甲烷濃度的原理如圖2所示。

測(cè)量電橋如圖2所示。電橋中存在兩種載體催化元件即黑元件和白元件,它們結(jié)構(gòu)、大小等都是相同的,唯一的區(qū)別在于元件的表面是否存在催化劑。沒(méi)有催化劑的白元件T2作用是在溫度變化時(shí)始終保持電橋的平衡狀態(tài),為溫度補(bǔ)償元件。帶有催化劑的黑元件T1作為工作元件即用于測(cè)量空氣中的甲烷濃度。在測(cè)量?jī)x器工作之前調(diào)整變阻器W2,使檢流記顯示為0,電橋處于平衡狀態(tài)。

當(dāng)測(cè)量電橋接通電源工作時(shí)在電流加熱下,可以使元件加熱到420℃左右。若在工作元件表面甲烷與氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)而放出熱量,這時(shí)元件因吸收大部分反應(yīng)的熱量后自身的溫度升高。造成元件中的鉑絲阻值的變化即元件的溫度與鉑絲阻值是成正比的,ΔT將引起電阻ΔR增量變化。這種變化將產(chǎn)生一個(gè)與甲烷濃度成正比的輸出信號(hào),電橋不再處于平衡狀態(tài)。這樣便可檢測(cè)出被檢測(cè)環(huán)境的甲烷濃度。如果把獲得的信號(hào)放大或變換成適當(dāng)形式便可傳輸?shù)竭h(yuǎn)處實(shí)現(xiàn)甲烷濃度的遙測(cè)或者把推動(dòng)操作設(shè)備實(shí)現(xiàn)甲烷濃度的自動(dòng)控制。

在礦井下受環(huán)境大氣成分、濕度、溫度、氣壓等因素的影響下傳感器的測(cè)量值是有差別的。實(shí)踐證明氣壓變化緩慢或者少量的氣壓變化時(shí)對(duì)于載體催化儀器的測(cè)量結(jié)果影響不大,可以忽略不計(jì)。另外載體催化儀器測(cè)量也不受濕度、溫度的影響。

3 甲烷傳感器工作特性

元件的工作特性可用下列的動(dòng)態(tài)方程來(lái)描述即在當(dāng)工作電流一定時(shí),甲烷濃度變化元件的輸出也跟著變化。

(1)式中KC為放大系數(shù),ΔC為元件的時(shí)間常數(shù)。再做一步拉普拉斯變換,得其對(duì)應(yīng)的傳遞函數(shù)如下。

由上式可知甲烷濃度隨時(shí)間的變化規(guī)律能夠獲取后,元件的響應(yīng)也就知道了。

實(shí)際的煤礦井下環(huán)境的環(huán)境中甲烷濃度存在著緩慢的變化,一般是數(shù)十分鐘到數(shù)小時(shí)為一個(gè)變化周期。在變化周期時(shí)間的設(shè)定上假設(shè)是10分鐘,則變化率是:

通過(guò)計(jì)算(ωτ)2遠(yuǎn)小于1即元件的時(shí)間常數(shù)為數(shù)秒鐘于是

相位角,此時(shí)就是元件的放大系數(shù)。

甲烷濃度變化很快時(shí)(ωτ)2遠(yuǎn)小于1,當(dāng)然在煤礦井下中這種情況比較特殊。因此,對(duì)迅速變化的甲烷濃度,元件不能給出正確的響應(yīng)。

在被測(cè)的礦井等環(huán)境中,當(dāng)甲烷濃度迅速增加以后又迅速減少則甲烷的總濃度變化不大即迅速的周期性變化至多只存在很小的空間范圍。這對(duì)煤礦井下甲烷檢測(cè)的影響并不大。若對(duì)于甲烷濃度在較大范圍內(nèi)升高,則傳感器的反應(yīng)速度由元件本身的時(shí)間常數(shù)和環(huán)境甲烷向元件擴(kuò)散的速度決定。

4 甲烷傳感器的故障模式及其影響

甲烷傳感器在安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中已廣泛使用,通過(guò)在使用過(guò)程中對(duì)它多年觀察,甲烷傳感器出現(xiàn)的主要故障模式有輸出值恒增益、恒偏差、顯著突變和為常數(shù)等。具體都表現(xiàn)在其輸出數(shù)值上的變化。令yout是傳感器正常時(shí)應(yīng)該輸入的信號(hào),yin是甲烷傳感器的實(shí)際輸出濃度。

4.1 恒增益

恒增益是一種故障輸出模式現(xiàn)象,它是指在長(zhǎng)期濕度較高的工作環(huán)境中,甲烷傳感器對(duì)空氣中甲烷濃度進(jìn)行檢測(cè)時(shí)需要與被測(cè)混合氣體接觸,由于甲烷傳感器的阻抗比較大,因此被測(cè)混合氣體對(duì)檢測(cè)結(jié)果影響很大,在傳感器的增益值上會(huì)產(chǎn)生很大的變化。故障模式為:

式中β為增益比例系數(shù),β＞0時(shí)為增函數(shù),β＜0時(shí)為減函數(shù)。恒增益故障會(huì)使甲烷傳感器測(cè)量的甲烷數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確,進(jìn)而影響到煤礦安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)預(yù)定的監(jiān)測(cè)目標(biāo)。

4.2 恒偏差

輸出信號(hào)隨溫度漂移,主要是受風(fēng)速氣流影響或氣溫變化,導(dǎo)致黑白元件本身的輸出發(fā)生變化。甲烷傳感器將會(huì)產(chǎn)生緩慢的漂移現(xiàn)象,造成甲烷傳感器輸出的數(shù)據(jù)出現(xiàn)恒偏差的現(xiàn)象即令偏差數(shù)值為Δy。故障模式為:

(8)式中Δy為偏差量。恒偏差故障將會(huì)導(dǎo)致監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的誤報(bào)警,嚴(yán)重影響煤礦企業(yè)正常的安全生產(chǎn)。

4.3 顯著突變

由于甲烷傳感器的內(nèi)阻一般都會(huì)很高,即使外界干擾作用時(shí)間比較短也容易影響其正常工作。這時(shí)在故障輸出模式上體現(xiàn)出來(lái)的現(xiàn)象為顯著突變。這種狀況會(huì)造成系統(tǒng)極為不穩(wěn)定的運(yùn)行,在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上顯示的數(shù)據(jù)結(jié)果不正確,造成數(shù)據(jù)嚴(yán)重失真。對(duì)煤礦安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)質(zhì)量也很難保證。故障模式為:

(9)式中α為突變值。

4.4 常值輸出

常值輸出是指甲烷安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)時(shí),傳感器的數(shù)據(jù)始終以常值C輸出,監(jiān)測(cè)工作幾乎無(wú)效。而造成這種情況的原因主要是傳感器表面的敏感膜失效,由于傳感器表面受到煤礦井下礦塵等的影響,在其表面上形成了污垢,使傳感器工作失效。從而導(dǎo)致煤礦甲烷安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)甲烷數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)失控。故障模式為:

(10)式中C為常數(shù)。

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1671-4733(2015)02-0011-03

10.3969/j.issn.1671-4733.2015.02.003

2015-04-10

王一蒙(1993-),男,安徽淮南人,研究方向?yàn)槲锢韺W(xué),電話:15124527007。