第三章 瓦斯检测6-7

1、第三章瓦斯检测 2021-6-23 第三章瓦斯检测 2021-6-23 第三章 瓦斯检测 第一节第一节 矿井空气成分检测方法概述矿井空气成分检测方法概述 第二第二 节节 热导型气体检测热导型气体检测 第三节第三节 载体热催化原理气体检测载体热催化原理气体检测 第四节第四节 光干涉式瓦斯检定仪光干涉式瓦斯检定仪 第三章瓦斯检测 2021-6-23 地面新鲜空气进入井下后，其成分将发生变化，主要表现地面新鲜空气进入井下后，其成分将发生变化，主要表现 为氧气含量减少和掺入了一些有害气体。矿井空气成分检测的为氧气含量减少和掺入了一些有害气体。矿井空气成分检测的 目的是为了确定其成分是否符合目的是为了确

2、定其成分是否符合煤矿安全规程煤矿安全规程的规定。如的规定。如 果不符合，必须采取措施进行处理，保证矿井的安全生产。瓦果不符合，必须采取措施进行处理，保证矿井的安全生产。瓦 斯是指矿井中主要由煤层气构成的以甲烷为主要成分的有害气斯是指矿井中主要由煤层气构成的以甲烷为主要成分的有害气 体，这里单独指甲烷。瓦斯检测就是对矿井空气成分进行检测，体，这里单独指甲烷。瓦斯检测就是对矿井空气成分进行检测， 主要是甲烷的检测。主要是甲烷的检测。 第三章瓦斯检测 2021-6-23 第一节第一节 矿井空气成分检测方法概述矿井空气成分检测方法概述 一、矿井空气成分一、矿井空气成分 （1）有可燃爆炸性气体，如甲烷）

3、有可燃爆炸性气体，如甲烷CH4，乙烯，乙烯C2H4，乙烷，乙烷 C2H6，丙烷，丙烷C3H8, 氢气氢气H2, 乙炔乙炔C2H2等；等； （2）有中毒性气体，如）有中毒性气体，如CO，H2S等；等； （3）窒息性气体，如）窒息性气体，如NH3（氨气），（氨气），N2，CO2等；等； （4）助燃性和维持工作人员呼吸性气体，如）助燃性和维持工作人员呼吸性气体，如O2。 第三章瓦斯检测 2021-6-23 二、矿井空气成分的检测方法二、矿井空气成分的检测方法 （1）在井下采集气样送至地面在实验室进行气体分析在井下采集气样送至地面在实验室进行气体分析，如，如 利用煤矿专用气相色谱仪进行气体分析，其所得

4、到的数据利用煤矿专用气相色谱仪进行气体分析，其所得到的数据 准确度高、检测范围广，但所需时间长，不能很快作出判准确度高、检测范围广，但所需时间长，不能很快作出判 断，因而可能会因不及时采取措施而引起重大事故；断，因而可能会因不及时采取措施而引起重大事故； （2）单体检测仪器单体检测仪器，它能就地检测，速度快，但一般来说，它能就地检测，速度快，但一般来说 精度较低；精度较低； （3）安全监测系统安全监测系统，它能连续、远距离、自动检测矿井空，它能连续、远距离、自动检测矿井空 气成分的变化，并具有报警、断电等功能。气成分的变化，并具有报警、断电等功能。 第三章瓦斯检测 2021-6-23 三、矿井

5、瓦斯气体检测原理三、矿井瓦斯气体检测原理 （1）光干涉式）光干涉式 是利用光波对空气和甲烷折射率不同所产生的光程差，引是利用光波对空气和甲烷折射率不同所产生的光程差，引 起干涉条纹移动来实现对不同甲烷浓度的测定。其优点是准确度高，坚固耐用，起干涉条纹移动来实现对不同甲烷浓度的测定。其优点是准确度高，坚固耐用， 校正容易，高低浓度均可测，还可测二氧化碳浓度；其缺点是浓度指示不直观，校正容易，高低浓度均可测，还可测二氧化碳浓度；其缺点是浓度指示不直观， 受气压温度影响，特别是空气中氧气不足或氮、氧的比例不正常时，要产生误受气压温度影响，特别是空气中氧气不足或氮、氧的比例不正常时，要产生误 差；光学

6、零件加工复杂，成本较高和实现自动检测较困难。差；光学零件加工复杂，成本较高和实现自动检测较困难。 （2）热催化式）热催化式 是利用甲烷在催化元件上的氧化生热引起其电阻的变化来是利用甲烷在催化元件上的氧化生热引起其电阻的变化来 测定甲烷浓度。其优点是元件和仪器的生产成本低，输出信号大，对于测定甲烷浓度。其优点是元件和仪器的生产成本低，输出信号大，对于1CH4 气样，电桥输出可达气样，电桥输出可达15mV以上，处理和显示都比较方便，所以仪器的结构简以上，处理和显示都比较方便，所以仪器的结构简 单；受背景气体和温度变化的影响小；容易实现自动检测。其缺点是探测元件单；受背景气体和温度变化的影响小；容易

7、实现自动检测。其缺点是探测元件 的寿命较短，不能测高浓度甲烷；硫化氢及硅蒸气会引起元件中毒而失效。目的寿命较短，不能测高浓度甲烷；硫化氢及硅蒸气会引起元件中毒而失效。目 前国内外检测甲烷的仪器广泛采用这一原理。前国内外检测甲烷的仪器广泛采用这一原理。 第三章瓦斯检测 2021-6-23 （3）热导式）热导式 是利用甲烷与空气热导率之差来实现甲烷浓度的测定是利用甲烷与空气热导率之差来实现甲烷浓度的测定。其优点是热。其优点是热 导元件和仪器设计制作比较简单，成本低和量程大；可连续检测，有利于发展自动导元件和仪器设计制作比较简单，成本低和量程大；可连续检测，有利于发展自动 遥测。被测气体不发生物理化

8、学变化，读数稳定，元件寿命长。其缺点是测量低浓遥测。被测气体不发生物理化学变化，读数稳定，元件寿命长。其缺点是测量低浓 度甲烷时输出信号小，受气温及背景气体的影响较大。度甲烷时输出信号小，受气温及背景气体的影响较大。 （4）红外吸收式）红外吸收式 是利用甲烷分子能吸收特定波长的红外线是利用甲烷分子能吸收特定波长的红外线(3.2um)来测定甲烷浓来测定甲烷浓 度。其优点是用这一原理的仪器精度高、选择性好，不受其它气体影响、测量范围度。其优点是用这一原理的仪器精度高、选择性好，不受其它气体影响、测量范围 宽，可连续检测。其缺点是由于有光电转换精密结构，制造和保养均较困难，体积宽，可连续检测。其缺点

9、是由于有光电转换精密结构，制造和保养均较困难，体积 大、成本高、耗电多，因此推广使用受到一定限制。大、成本高、耗电多，因此推广使用受到一定限制。 （5）气敏半导体式）气敏半导体式 气敏半导体的种类较多，如氧化锡、氧化锌等烧结型金属氧气敏半导体的种类较多，如氧化锡、氧化锌等烧结型金属氧 化物。这一原理是利用气敏半导体被加热到化物。这一原理是利用气敏半导体被加热到200时，其表面能够吸附甲烷而改变其时，其表面能够吸附甲烷而改变其 电阻值来检测甲烷浓度。其优点是对微量甲烷比较敏感，结构简单、成本低。但当电阻值来检测甲烷浓度。其优点是对微量甲烷比较敏感，结构简单、成本低。但当 浓度大于浓度大于1CH4

10、时，其反应迟钝，选择性和线性均较差，所以很少用于煤矿井下检时，其反应迟钝，选择性和线性均较差，所以很少用于煤矿井下检 测甲烷，而多用于可燃气体的检漏报警。测甲烷，而多用于可燃气体的检漏报警。 第三章瓦斯检测 2021-6-23 （6）声速差式）声速差式 在温度为在温度为22、气压为、气压为101325Pa条件下，声波在甲烷中的传播速条件下，声波在甲烷中的传播速 度为度为432ms，而在清洁空气中为，而在清洁空气中为332 ms。比较这两种速度就可测定高浓度甲烷。比较这两种速度就可测定高浓度甲烷。 其优点是读数不受气压影响。其缺点是不适合测低浓度甲烷，只用来检测矿井抽放其优点是读数不受气压影响。

11、其缺点是不适合测低浓度甲烷，只用来检测矿井抽放 瓦斯管道中的甲烷浓度，对背景气、粉尘及气温变化很敏感。瓦斯管道中的甲烷浓度，对背景气、粉尘及气温变化很敏感。 (7)离子化式离子化式 气体在放射性元素的辐射作用下发生电离，在气体介质中的两个电气体在放射性元素的辐射作用下发生电离，在气体介质中的两个电 极之间便有电流产生。测量空气介质和被测甲烷中的电流大小，便可测出甲烷浓度。极之间便有电流产生。测量空气介质和被测甲烷中的电流大小，便可测出甲烷浓度。 其优点是快速，可以连续自动检测，灵敏度高，测量准确，可测二氧化碳浓度。其其优点是快速，可以连续自动检测，灵敏度高，测量准确，可测二氧化碳浓度。其 缺点

12、是测低浓度甲烷困难，空气湿度对仪器读数有影响，传感器结构复杂。缺点是测低浓度甲烷困难，空气湿度对仪器读数有影响，传感器结构复杂。 除此以外还有压力、容积式，气相色谱及油安全灯等原理的测定仪器，其中油安除此以外还有压力、容积式，气相色谱及油安全灯等原理的测定仪器，其中油安 全灯式是利用燃烧火焰的高度变化来检测甲烷浓度。其优点是结构简单，能测缺氧全灯式是利用燃烧火焰的高度变化来检测甲烷浓度。其优点是结构简单，能测缺氧 状况。其缺点是精度低，需补充燃料，不能测高浓度甲烷，且操作不当时可能引起状况。其缺点是精度低，需补充燃料，不能测高浓度甲烷，且操作不当时可能引起 爆炸。目前在我国基本上已被淘汰，但在

13、国外仍有少数国家在使用。此外，甲烷检爆炸。目前在我国基本上已被淘汰，但在国外仍有少数国家在使用。此外，甲烷检 测仪器按测量范围可分为低浓度测仪器按测量范围可分为低浓度(010)和高浓度和高浓度(10100)两种。两种。 第三章瓦斯检测 2021-6-23 四、气体检测仪器的要求：四、气体检测仪器的要求： 对于可燃气体，仪器可以检测的最小值在允许浓度下对于可燃气体，仪器可以检测的最小值在允许浓度下 限限1/10以下，反应时间以下，反应时间30 s； 对于中毒性气体在允许浓度最小值的对于中毒性气体在允许浓度最小值的1/l0以下，反应时以下，反应时 间间5.56 )数分钟后，元件的活性升高，高浓度甲

14、烷气体消失后，数分钟后，元件的活性升高，高浓度甲烷气体消失后， 元件在几十小时内活性才会逐渐下降到初始值附近，这种现元件在几十小时内活性才会逐渐下降到初始值附近，这种现 象称为元件被浓甲烷激活。象称为元件被浓甲烷激活。 元件的激活特性是元件的一个缺点，被激括的元件在一段时间内输出不稳元件的激活特性是元件的一个缺点，被激括的元件在一段时间内输出不稳 定，使用中需要经常调整。解决的方法基本上是从元件本身以外的电路上采取定，使用中需要经常调整。解决的方法基本上是从元件本身以外的电路上采取 措施：一种方法是采用两套元件，低浓度时使用催化元件，高浓度时使用热导措施：一种方法是采用两套元件，低浓度时使用催

15、化元件，高浓度时使用热导 元件，即采用切换的方法解决；另一种方法是使电路在遇到高浓度甲烷时能自元件，即采用切换的方法解决；另一种方法是使电路在遇到高浓度甲烷时能自 动切断电源供电，使其停止工作，当浓度降到动切断电源供电，使其停止工作，当浓度降到5以下后再自动恢复工作。以下后再自动恢复工作。 第三章瓦斯检测 2021-6-23 (7)反应速度。反应速度。指仪器从接触到被测气体开始，到传感器元 件能正确地指示数据为止所经历的时间。反应速度是工作元 件的一个重要指标。特别是当元件应用到各种运动机械上时， 就更为突出。例如当瓦斯警报断电仪安装在采煤机组、电机 车等设备上时，要求甲烷超限时能迅速切断电源

16、，反应太慢 将使安全仪器失去意义。 第三章瓦斯检测 2021-6-23 反应速度取决于传感器元件本身的时间常数反应速度取决于传感器元件本身的时间常数(即其本身的反应速度即其本身的反应速度) 和待测气体向传感元件扩散的速度（即仪器的气室结构）。和待测气体向传感元件扩散的速度（即仪器的气室结构）。 第三章瓦斯检测 2021-6-23 通过对上式的分析，可以合理地选择元件参数，以提高通过对上式的分析，可以合理地选择元件参数，以提高 工作元件的反应速度。其中，元件的表面积对反应速度影响工作元件的反应速度。其中，元件的表面积对反应速度影响 最为显著，表面积越小反应速度赶快。元件温度超高反应速最为显著，表

17、面积越小反应速度赶快。元件温度超高反应速 度赶快。度赶快。 如果元件暴露在待测气样中，由于甲烷的分子量很小，分如果元件暴露在待测气样中，由于甲烷的分子量很小，分 子运动速度为每秒数百米，其扩散速度是很快的。但元件暴子运动速度为每秒数百米，其扩散速度是很快的。但元件暴 露在井下空气中是不安全的，又容易受到粉尘及其它损害，露在井下空气中是不安全的，又容易受到粉尘及其它损害， 因此必须把元件装入防爆气室中。甲烷要通过阴爆砂网和防因此必须把元件装入防爆气室中。甲烷要通过阴爆砂网和防 尘垫以后才能进入气室，因此元件的反应速度还取决于甲烷尘垫以后才能进入气室，因此元件的反应速度还取决于甲烷 进入气室向元件

18、扩散的速度。进入气室向元件扩散的速度。 第三章瓦斯检测 2021-6-23 气室类型扩散型对流型/s 电流/mA320330340350320330340350 01%4947444221181717 04%5456565724232324 从表从表3-2可以看出，对流型气室比扩散型气室反应速度要快得多，可以看出，对流型气室比扩散型气室反应速度要快得多， 对流型气室存在气体对流流动的通道，气体运动速度快，元件的反应对流型气室存在气体对流流动的通道，气体运动速度快，元件的反应 速度大大加快。速度大大加快。 表表3-2扩散型气室和对流型气室的反应时间对比如表扩散型气室和对流型气室的反应时间对比如表

19、 第三章瓦斯检测 2021-6-23 （8）高浓度甲烷气体的影响。）高浓度甲烷气体的影响。载体热催化元件适应检测爆炸下限以 下浓度范围的可燃性气体，如甲烷浓度在04%浓度范围。当元件接触 高浓度可燃气体时，可能会出现两种不同的情况： 当可燃气体浓度在爆炸范围内时，可燃气体燃烧效果好，产生的当可燃气体浓度在爆炸范围内时，可燃气体燃烧效果好，产生的 热量最高，元件在温度可达热量最高，元件在温度可达13001300左右高温下，催化剂可能会迅速挥左右高温下，催化剂可能会迅速挥 发和烧结，其晶格发生变化，因而载体可能被烧裂。发和烧结，其晶格发生变化，因而载体可能被烧裂。 当可燃气体浓度在爆炸范围上限以上

20、时，由于氧气缺少而可能导当可燃气体浓度在爆炸范围上限以上时，由于氧气缺少而可能导 致可燃气体过剩，形成不完全燃烧的状况。燃烧生成物不是致可燃气体过剩，形成不完全燃烧的状况。燃烧生成物不是CO2和和 H2O，而是，而是CO+C+H2O，不完全燃烧产生的炭粒沉积在多孔的载体和，不完全燃烧产生的炭粒沉积在多孔的载体和 催化剂上，改变了催化剂的组分，因此，灵敏度下降。催化剂上，改变了催化剂的组分，因此，灵敏度下降。 第三章瓦斯检测 2021-6-23 第四节第四节 光干涉式瓦斯检定仪光干涉式瓦斯检定仪 一、原理与结构一、原理与结构 光干涉式瓦斯检定仪是利用光干涉原理，测定甲烷和二氧化碳等多种气体的一种

21、便光干涉式瓦斯检定仪是利用光干涉原理，测定甲烷和二氧化碳等多种气体的一种便 携式检测仪器。携式检测仪器。光干涉式瓦斯检定仪光学系统如图所示。光干涉式瓦斯检定仪光学系统如图所示。 第三章瓦斯检测 2021-6-23 光程是指已折算到真空中的路程，它是光波在某一媒质中所光程是指已折算到真空中的路程，它是光波在某一媒质中所 经历的几何路程与该媒质折射率的乘积。如果以气室经历的几何路程与该媒质折射率的乘积。如果以气室5的各小室的各小室 均充入同样的新鲜空气时的干涉条纹为基准，若在一支气路中均充入同样的新鲜空气时的干涉条纹为基准，若在一支气路中 改变气体的成分、温度或压力等，那么由于折射率改变，光程改变

22、气体的成分、温度或压力等，那么由于折射率改变，光程 和光程差也就会随着改变，这时干涉条纹的位置也会移动一个和光程差也就会随着改变，这时干涉条纹的位置也会移动一个 距离。根据条纹移动的距离，可测算出折射率变化的程度。如距离。根据条纹移动的距离，可测算出折射率变化的程度。如 果使两束光通路的温度、压力相同，而被测气体的化学成分为果使两束光通路的温度、压力相同，而被测气体的化学成分为 已知，则可作为定量分析，这就是光干涉式瓦斯检定仪的原理。已知，则可作为定量分析，这就是光干涉式瓦斯检定仪的原理。 第三章瓦斯检测 2021-6-23 光干涉式瓦斯检定仪就是在气室的中央小气室光干涉式瓦斯检定仪就是在气室

23、的中央小气室(或称做气样室或称做气样室)内吸入一定内吸入一定 浓度的甲烷，而在两侧气室或称空气室中保持新鲜空气并与大气相通，由此产浓度的甲烷，而在两侧气室或称空气室中保持新鲜空气并与大气相通，由此产 生干涉条纹的位移，可以从与甲烷浓度相对应的分划板上读出甲烷在空气中的生干涉条纹的位移，可以从与甲烷浓度相对应的分划板上读出甲烷在空气中的 含量。含量。 仪器的读数能读出小数点以后的数值，是根据玻璃的入射光和出射光平行仪器的读数能读出小数点以后的数值，是根据玻璃的入射光和出射光平行 地错动地错动一个距离的原理，改变测微玻璃的倾角来测定小数。一个距离的原理，改变测微玻璃的倾角来测定小数。 第三章瓦斯检

24、测 2021-6-23 第三章瓦斯检测 2021-6-23 二、光学甲烷检定器的使用 光学甲烷检定器的使用步骤如下： (1)对吸收管内的干燥剂等药品进行检查。 水分吸收管内的干燥剂可以用氯化钙或变色硅胶。变色硅胶为蓝色颗粒状，吸湿后变为 粉红色。吸湿变色后的硅胶经过干燥处理后可以复用。氯化钙CaCl2是极强的干燥剂。 二氧化碳吸收管内装钠石灰又名碱石灰，即氢氧化钙与氢氧化钠(或钾)的混合物。吸收 二氧化碳由粉红色颗粒变为淡黄色。 （2）)对仪器进行气密性检查。先检查吸气橡皮球是否漏气。检查的方法是一只手捏扁 气球压出球内气体，另一手压住球上的胶皮管，如球不膨胀还原，就证明不漏气，否则 可以从气球是否损坏、活塞芯子是否清洁等方面来找原因。 然后对仪器的气样通道进行检查。检查方法与检查吸气球一样，只是把压住吸气球上的 橡皮管改为堵住仪器的进气孔。有条件的可在气样入口与出口处加上约6 864Pa的压差， 若在1min内压力不下降，说明不漏气。否则应对各连接部分分别检查，找出原因进行检 修。 第三章瓦斯检测 20