甲烷传感器工作特性分析与故障模式研究

王一蒙

(哈尔滨师范大学物理与电子工程学院, 哈尔滨150000)

甲烷传感器工作特性分析与故障模式研究

王一蒙

(哈尔滨师范大学物理与电子工程学院, 哈尔滨150000)

介绍了甲烷传感器的工作原理及在煤矿安全监测中的重要作用,分析了甲烷传感器的工作特性,深入的研究了甲烷传感器的四种常见故障模式即恒增益、恒偏差、显著突变与常值输出,为甲烷传感器的有效应用与故障诊断工作提供了可靠的理论支持。

甲烷传感器; 故障模式; 工作特性; 载体催化元件

1 引言

甲烷传感器是将空气中的甲烷浓度变量转换成有一定对应关系的输出信号的装置,它是煤矿等场所的重要的安全仪器。对于安全监测系统的可靠性来讲,传感器起主要决定作用。载体催化元件,又称担体(support)式甲烷传感器在我国煤矿井下安全监测系统中被广泛使用。但由于井下环境比较恶劣,潮湿、粉尘现象比较明显导致传感器灵敏度和线性度时常发生下降情况传感器故障经常发生。因此对甲烷传感器的工作特性进行分析,对甲烷传感器故障模式及危害有充分认识,对于提高监测系统的安全具有极其重要的意义。

2 甲烷检测的基本原理

目前煤矿井下甲烷检测的手段有很多,主要方法有气敏半导体原理及载体催化元件原理方法、红外激光光谱原理法、热导率原理方法、光学原理方法、超声波原理法方法。利用这些方法制成甲烷测量仪器或多或少都存在着某些缺点,在安全监测系统中,上述方法在甲烷浓度定量测量中均未得到广泛应用。国内安全监测系统中的甲烷和其它可燃性气体的检测最常用的是载体催化型仪器。它使用的是一种热效式甲烷传感器,载体催化元件(以下简称元件)。MJC4T系列煤矿甲烷检测用载体催化元件是具有自主知识产权的新研制的产品。本产品黑元件的不但具有临界反应温度低、活性极高等特点,而且在催化选择性上具有一定良好性能,在催化剂方面将传统的甲烷燃烧催化剂使用新型催化剂来代替。并且具有重量轻(每个元件的重量为0.7 mg)、体积小(标准体形为一个长0.8 mm、直径0.5 mm的圆柱体)、性能稳定以及消耗功率小等优点。目前这种载体催化型甲烷传感器在国内外自动检测矿井甲烷中被广泛使用,这种传感器就的元件的构造如图1所示。

甲烷与氧气在催化剂的作用下产生化学反应即强烈氧化燃烧,并且这种燃烧是无焰式燃烧放出热能。载体催化型(support)甲烷传感器检测甲烷浓度的原理如图2所示。

测量电桥如图2所示。电桥中存在两种载体催化元件即黑元件和白元件,它们结构、大小等都是相同的,唯一的区别在于元件的表面是否存在催化剂。没有催化剂的白元件T2作用是在温度变化时始终保持电桥的平衡状态,为温度补偿元件。带有催化剂的黑元件T1作为工作元件即用于测量空气中的甲烷浓度。在测量仪器工作之前调整变阻器W2,使检流记显示为0,电桥处于平衡状态。

当测量电桥接通电源工作时在电流加热下,可以使元件加热到420℃左右。若在工作元件表面甲烷与氧气发生氧化反应而放出热量,这时元件因吸收大部分反应的热量后自身的温度升高。造成元件中的铂丝阻值的变化即元件的温度与铂丝阻值是成正比的,ΔT将引起电阻ΔR增量变化。这种变化将产生一个与甲烷浓度成正比的输出信号,电桥不再处于平衡状态。这样便可检测出被检测环境的甲烷浓度。如果把获得的信号放大或变换成适当形式便可传输到远处实现甲烷浓度的遥测或者把推动操作设备实现甲烷浓度的自动控制。

在矿井下受环境大气成分、湿度、温度、气压等因素的影响下传感器的测量值是有差别的。实践证明气压变化缓慢或者少量的气压变化时对于载体催化仪器的测量结果影响不大,可以忽略不计。另外载体催化仪器测量也不受湿度、温度的影响。

3 甲烷传感器工作特性

元件的工作特性可用下列的动态方程来描述即在当工作电流一定时,甲烷浓度变化元件的输出也跟着变化。

(1)式中KC为放大系数,ΔC为元件的时间常数。再做一步拉普拉斯变换,得其对应的传递函数如下。

由上式可知甲烷浓度随时间的变化规律能够获取后,元件的响应也就知道了。

实际的煤矿井下环境的环境中甲烷浓度存在着缓慢的变化,一般是数十分钟到数小时为一个变化周期。在变化周期时间的设定上假设是10分钟,则变化率是:

通过计算(ωτ)2远小于1即元件的时间常数为数秒钟于是

相位角,此时就是元件的放大系数。

甲烷浓度变化很快时(ωτ)2远小于1,当然在煤矿井下中这种情况比较特殊。因此,对迅速变化的甲烷浓度,元件不能给出正确的响应。

在被测的矿井等环境中,当甲烷浓度迅速增加以后又迅速减少则甲烷的总浓度变化不大即迅速的周期性变化至多只存在很小的空间范围。这对煤矿井下甲烷检测的影响并不大。若对于甲烷浓度在较大范围内升高,则传感器的反应速度由元件本身的时间常数和环境甲烷向元件扩散的速度决定。

4 甲烷传感器的故障模式及其影响

甲烷传感器在安全监测系统中已广泛使用,通过在使用过程中对它多年观察,甲烷传感器出现的主要故障模式有输出值恒增益、恒偏差、显著突变和为常数等。具体都表现在其输出数值上的变化。令yout是传感器正常时应该输入的信号,yin是甲烷传感器的实际输出浓度。

4.1 恒增益

恒增益是一种故障输出模式现象,它是指在长期湿度较高的工作环境中,甲烷传感器对空气中甲烷浓度进行检测时需要与被测混合气体接触,由于甲烷传感器的阻抗比较大,因此被测混合气体对检测结果影响很大,在传感器的增益值上会产生很大的变化。故障模式为:

式中β为增益比例系数,β＞0时为增函数,β＜0时为减函数。恒增益故障会使甲烷传感器测量的甲烷数据不准确,进而影响到煤矿安全监测系统预定的监测目标。

4.2 恒偏差

输出信号随温度漂移,主要是受风速气流影响或气温变化,导致黑白元件本身的输出发生变化。甲烷传感器将会产生缓慢的漂移现象,造成甲烷传感器输出的数据出现恒偏差的现象即令偏差数值为Δy。故障模式为:

(8)式中Δy为偏差量。恒偏差故障将会导致监测系统的误报警,严重影响煤矿企业正常的安全生产。

4.3 显著突变

由于甲烷传感器的内阻一般都会很高,即使外界干扰作用时间比较短也容易影响其正常工作。这时在故障输出模式上体现出来的现象为显著突变。这种状况会造成系统极为不稳定的运行,在监测系统上显示的数据结果不正确,造成数据严重失真。对煤矿安全监测系统的监测质量也很难保证。故障模式为:

(9)式中α为突变值。

4.4 常值输出

常值输出是指甲烷安全监测系统在监测时,传感器的数据始终以常值C输出,监测工作几乎无效。而造成这种情况的原因主要是传感器表面的敏感膜失效,由于传感器表面受到煤矿井下矿尘等的影响,在其表面上形成了污垢,使传感器工作失效。从而导致煤矿甲烷安全监测系统对甲烷数据的监测失控。故障模式为:

(10)式中C为常数。

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TD712+.55

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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,研究方向为物理学,电话:15124527007。