热敏电阻甲烷浓度传感器的原理及应用研究

吴华建

（中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037）

甲烷，化学方程式是CH4，其是一种简单的有机物，也是天然气、沼气等的主要成分，常被称为瓦斯。甲烷是一种无色无味的气体，若浓度较高，就会使空气的含氧量降低，让人窒息，引起头痛、乏力、注意力不集中等症状。在煤矿开采过程中，相关人员必须对矿井工作环境的甲烷浓度进行检测，确定其含量，如果其浓度超过了安全范围，就需要立即采取措施。对于甲烷的检测，也逐渐引入了先进的技术，文章研究的就是一种热敏电阻作为检测元件的甲烷传感器，可以提高甲烷检测的质量。

1 甲烷传感器

甲烷传感器在煤矿安全检测系统中被用于甲烷浓度的检测，当甲烷的浓度超标的时候，可以自动发出报警（光报警、声报警），提醒工作人员及时采取措施，保证工作安全。目前煤矿所采用的甲烷传感器是区域自动化的，具有自动调零的功能，性能稳定、测量的数值准确可靠、操作方便。甲烷传感器作为一种矿用仪器仪表，必须满足矿井安全生产相关规定，并且符合矿井下的环境，具有自动调零功能、较强的可靠性、较高的稳定性，并且检测的精度高、操作方便，同时还需要有较高的抗干扰能力。

在具体的气体检测中，甲烷传感器一般采用载体催化作为检测原件，产生一个与甲烷的含量成比例的微弱信号，经过多级放大电路放大后产生输出信号，输入转换输入口，然后将这个模拟信号转化成数字信号，经过相应处理显示出来。对于甲烷传感器的研究，其中发挥主要作用的就是检测元件。目前，甲烷传感器正向着智能化的方向发展，其测量井下瓦斯的功能更加可靠、稳定、安全，有助于保证矿井工作的安全。

2 用热敏电阻作为检测元件

2.1 热敏电阻

热敏电阻属于敏感元件，具有较高的灵敏度，电阻温度系数要比金属大10～100倍甚至更多。作为检测元件，热敏电阻可以检测出10～6℃的温度变化。而且热敏电阻的工作范围比较宽，可以适用于多种工作环境，包括常温、高温以及低温，如低温的热敏电阻器件适用于-273～55℃的温度变化。当前的热敏电阻器体积非常小，能够测量出其他温度计无法测量的空隙，使用起来非常方便；电阻值可以在0.1～100kΩ任意选择，具有良好的稳定性和过载能力。

2.2 热敏电阻气体传感器

热敏电阻气体传感器是一种用热敏电阻作为电桥的两个臂组成测量电桥，在实际使用过程中，一旦接触到甲烷等可燃性气体，因为热导率不同会导致温度发生变化，进而使电阻值产生变化，让电桥失去平衡，电桥输出信号的大小也就可以确定被测气体的种类和浓度。对于热敏电阻气体传感器的使用，需要提前列出气体的爆炸浓度和范围以及爆炸的上限和下限。一般，将在空气中达到一定浓度、触及火种可引起燃烧的气体称为可燃性气体。引起爆炸浓度范围的最小值称为爆炸下限，最大值称为爆炸上限。以甲烷传感器为例，甲烷的临界温度为-82.6℃，临界压力为4.59MPa，爆炸上限为15.4%（V/V），爆炸下限为5.0%（V/V）。

煤矿井下发生瓦斯爆炸就是一种热链式反应，一定浓度的瓦斯在高温火源和充足的氧气下，就会发生燃烧并引发爆炸，化学式为CH4+2O2→CO2+2H2O。一般在煤矿井下发生爆炸，瓦斯爆炸是有一定浓度范围的，瓦斯爆炸的界限为5%～16%，当浓度低于5%的时候，在遇到明火时不会发生爆炸；当浓度为9.5%的时候，爆炸的威力就会增大。在煤矿井下，因为受到煤尘等的影响，瓦斯爆炸的界限也会变化，所以要避免发生瓦斯爆炸，最主要的还是对其甲烷浓度进行测量。

3 热敏电阻甲烷浓度传感器的原理及应用

3.1 热敏电阻甲烷浓度传感器检测

热敏电阻甲烷浓度传感器是一种热催化式甲烷传感器，在检测中敏感元件在甲烷无焰燃烧生热之后，元件的温度会发生变化，温度发生变化的时候电阻也会随之发生变化，这样就可以测量出电路，并且显示出甲烷的浓度。其基本原理是将被测量的变化转换成传感元件电阻值的变化，再经过转换电路变成电信号输出。热电阻效应是导体或者半导体的电阻值随着温度变化而变化的现象，二者有确定的函数关系，通常阻值和温度的变化呈线性关系。

3.2 热敏电阻甲烷浓度传感器工作原理——以KG9701传感器为例

以KG9701传感器为例，其是一种智能化的甲烷传感器，经常被用来检测煤矿井下低浓度甲烷气体。该产品能实现连续监测，自动将检测到的甲烷浓度转换成标准电信号并送往与之相连的煤矿井下安全检测系统，实现近程和远程设备的断电。KG9701传感器是一种新型的智能化的甲烷传感器，外形为长方体、不锈钢结构，如图1所示。

图1 KG9701传感器

KG9701传感器的测量范围是0.00%～4.00%甲烷，其基本的误差在（0.00～1.00%）±0.1%甲烷、（1.00%～2.00%）±0.2%甲烷、（3.00%～4.00%）±0.3%甲烷。报警设置是0.00%～4.00%甲烷，可以连续调解。断电设置为0.50%～2.00%甲烷连续可调。

在使用过程中，被检测的环境中的甲烷以扩散的方式进入气室腔与热敏电阻元件发生反应，测量电桥随机产生与沼气浓度相应的电信号，信号经过放大送入转换器，转换之后送入单片机进行数据处理，然后发往与之相连的井下监控分站直至地面中心站，进而实现全面的监测。

3.3 热敏电阻甲烷传感器的使用

对于甲烷传感器的具体使用，可以分为以下几个部分。

（1）具体使用。以煤矿井下作为研究对象，分析热敏电阻甲烷传感器在煤矿井下的使用。①使用之前需要把井下分站或者断电仪的专用电缆与本传感器正确地连接起来，将插头缺口对插座，严格按照相关的颜色标准来进行操作。这就需要相关的工作人员按照操作说明进行操作。②连接完成之后开始零点调校，可以按照操作步骤让仪器进入工作状态，预热20min，在新鲜空气样中观察数字显示状态是否为“0”。如果发现有偏差，可以将遥控器对准传感器的显示窗，轻轻按动遥控器的选择键，让小数码管的显示为“1”，然后同时按遥控器的上升键和下降键，完成零点调节。③零点调节之后开始精度调节。把通气罩插入传感器气室外面，通入标准甲烷气体，浓度在2.00%，气体流量在200mL/min。这个时候仪器上面显示的数字应该指示标准甲烷气体浓度，如果出现偏差，则需要调节。将遥控器对准显示窗，让小数管码显示为“2”，如果增加，则按上升键，反之按下降键，显示值与标准甲烷浓度相对应。④之后进行报警点调节。直接按动遥控器的选择界面，让小数管码显示“3”，然后分别按上升键和下降键，调节报警点，其变化的范围为0.50%～2.50%。⑤断电点调节。让小数管码显示4，分别按上升键和下降键实现调节，其变化范围为0.50%～2.50%。

（2）甲烷传感器的维护。对于维护，首先是进行自检，传感器本身具有自检功能，在进行自检的时候，直接将遥控器对准传感器的显示窗，按动遥控器上的选择键，标准的是小数管码显示“5”，传感器显示“2.00”，信号输出值为600Hz或者300Hz。此外是传感器一些典型故障的处理，在使用过程中若存在一些故障，比如传感器显示“LL”，可能是传感器内的元件出现断丝现象，需要进行更换；在自检过程中传感器显示“2.AA”和“2.bb”，是传感器的测量桥路零点偏移过大，需要硬件调零；报警的时候有光无声，或者声音嘶哑，检查蜂鸣器是否断线，无断线则说明故障，需要更换；传感器接收不到遥控信号，检查遥控器是否断电，若有电则更换传感器线路板数码管旁的红外接收头。

4 结束语

文章对以热敏电阻作为检测元件的甲烷浓度传感器进行研究，首先分析了甲烷传感器和热敏电阻检测元件，然后详细分析了热敏电阻，并以KG9701甲烷传感器为例，分析了其工作原理、具体的使用以及维护。在热敏电阻甲烷传感器的实际运用中，工作人员需要认真阅读使用说明书，严格按照相关的操作要求进行。