第六章 矿井气体检测仪器仪表及瓦斯监控系统

第六章矿井气体检测仪器仪表及瓦斯监控系统第一节矿井气体检测仪器仪表一、光学甲烷检测仪（一）光学甲烷检测仪的用途光学甲烷检测仪是煤矿井下使用最普遍的便携式仪器之一，使用光学甲烷检测仪既可以测定甲烷（瓦斯）浓度，又可以测定二氧化碳浓度。

按其测量瓦斯浓度的范围分为0%～10%（精度0.01%）和0%～100%（精度0.1%）2种。

它具有携带方便，操作简单，安全可靠，精度高，测量范围大，使用寿命长，坚固耐用等优点。

（二）光学甲烷检测仪的构造及工作原理1.光学甲烷检测仪的构造光学甲烷检测仪有多种型号，我国生产的主要有AQG型和QWJ型，其外形和内部构造基本相同。

现以AQG-1型为例说明其构造。

AQG-1型光学甲烷检测仪从外形看像个矩形盒子，主要由气路、光路和电路三大系统组成，如图6-1所示。

（1）气路系统。

光学甲烷检测仪的气路系统主要由吸气管4、进气管5、水分吸收管9、二氧化碳吸收管11、吸气橡皮球10、气室（包括甲烷室和空气室）22和盘形管30等组成。

其主要部件的作用为：①气室中的甲烷室用于存贮所采气样，空气室则用于存贮新鲜空气。

②水分吸收管内装有硅胶，并与仪器的进气管相连通，其作用是对通过吸收管的气体进行干燥，使水蒸气不能进入甲烷室，能预防仪器故障并使测值准确。

③盘形管（也称毛细管）一端与空气室相通，另一端与仪器所处的环境大气相通，其作用是使测定时空气室内气体压力与甲烷室相同（气压不同会造成误差），同时又能防止环境中有害气体通过盘形管进入空气室，使室内保持有新鲜空气。

（2）光路系统。

光学甲烷检测仪的光路系统如图6-2所示，主要由光源灯泡1、光栅2、聚光镜3、平行平面镜4、折光棱镜5、反射棱镜6、物镜7、测微玻璃8、分划板9、场镜10、目镜11和目镜保护玻璃12组成。

光路系统主要零件的作用为：①光源灯泡是仪器光路系统的光源，其额定电压为1.35 V，具有白色反光面的灯泡效果较好。

②聚光镜的作用是汇集光源发出的光，使其照射范围变窄，亮度增强。

③平行平面镜是产生干涉条纹的重要部件，在图中的a点，它通过反射和折射，将一束光线变为两束平行光线，而在b点，它又再次通过折射和反射，使两束平行光线转向，并使其传播空间发生重叠，从而形成干涉条件，产生干涉条纹。

④折光棱镜的作用是将从空气室中射出的光线经两次反射（每次反射折转90°）使其传播方向折转180°而返回气室。

⑤反射棱镜的作用是将光线转向90°，使其投射到物镜上。

⑥物镜上的光屏用以改善干涉条纹的清晰度，调节物镜前后的距离，可使干涉条纹在分划板上成像清晰。

⑦物镜和目镜等组成目镜组，该组主要起放大作用，使分划板和干涉条纹便于观察。

当分划板刻度线和数字不清晰时，可利用目镜进行调节；干涉条纹不清晰时，有时也可利用目镜组进行调节。

（3）电路系统。

光学甲烷检测仪的电路系统主要由干电池12（1节1号干电池）、光源灯泡16、微读数电门7和光源电门8等组成。

气路、光路和电路三大系统是光学甲烷检测仪的主要组成部分，除此之外，光学甲烷检测仪还包括测微组件和主调螺旋等部件。

测微组件主要由测微玻璃、微读数盘、微调螺旋、照明灯泡等组成，其作用是为了提高读数精度。

2.光学甲烷检测仪的工作原理光学甲烷检测仪的工作原理为：从光源1发出的白光，经光栅2和聚光镜3变成一束细而亮的光束后投射到平行平面镜4上。

在平行平面镜的a点，光束受平行平面镜作用分成两束（实线和虚线各表示一束），实线表示的那一束光线经空气室、折光棱镜5（其作用是使光线转向180°）再次经过空气室后投射到平行平面镜上；虚线表示的那一束光线经过甲烷室、折光棱镜5再次经过甲烷室后也投射到平行平面镜上。

这两束光线经平行平面镜作用在b点汇合成“一束”光线，实际上是这两束光线传播的路径发生了重叠而已。

这两束光线已成为相干光源，会形成干涉现象。

当这两束光线经折射棱镜6（作用是将光线转向90°）投射到物镜7上时，通过目镜11和物镜7等组成的望远镜系统就可看到在物镜7的焦平面上产生的干涉条纹，（白色光特有的干涉条纹，又称光谱）。

干涉条纹由红、绿、黄、黑4种条纹组成，成一定规律分布，其中有两条黑纹比较清楚，左边那一条常被用作黑基准线。

如果在仪器的空气室和甲烷室里都充入同样密度的新鲜空气，并利用分划板和所选的基准线记下这时的干涉条纹的位置，当甲烷室中充入含有甲烷的气体时，干涉条纹就会发生位移（因为甲烷相对于空气来说是光密介质，折射率大，会使通过甲烷室那束光线的光程增大），其位移量与甲烷室的甲烷浓度成正比，利用特制的分划板就可以将干涉条纹的位移量换算成甲烷室的甲烷浓度。

二、便携式甲烷检测仪便携式甲烷自动检测报警仪是一种携带式可连续自动测定环境中甲烷浓度的全电子仪器，具有操作方便、读数直观、工作可靠、体积小、重量轻、维修方便等特点。

1.热催化式（热效式）甲烷自动检测报警仪热催化式（热效式）甲烷自动检测报警仪主要由传感器、电源、放大电路、报警电路、显示电路等部分构成。

其中，黑元件是传感器，白元件是补偿元件，是仪器的主要部分；黑、白两个元件分别接在一个电桥的两个相邻桥臂上，而电桥的另外两个桥臂被分别接入适当电阻，共同组成测量电桥。

当一定的工作电流通过检测元件（黑元件）时，其表面即被加热到一定的温度，而这时当含有甲烷的空气接触到检测元件表面时，便被催化燃烧，放出的热量会使检测元件的温度升高，电阻值增加。

电桥就失去平衡，输出一定的电压。

实验证明，在甲烷浓度低于4%的情况下，电桥输出的电压与甲烷浓度基本上成直线关系，因此可以通过测量电桥输出电压的大小测算出甲烷浓度的数值；当甲烷浓度超过4%时，输出电压就不再与甲烷浓度成正比关系，所以按这种原理制造的甲烷自动检测报警仪只能测低浓度甲烷。

2.热导式甲烷自动检测报警仪热导式甲烷自动检测报警仪与热催化式甲烷自动检测报警仪的构造基本相同，也是由传感器、电源、放大电路、显示及报警电路组成，区别在于两种仪器的传感器工作原理不同。

热导式传感器是根据矿井空气的导热系数随空气中甲烷含量不同成一定规律变化这一性质测量甲烷浓度的。

这种甲烷自动检测报警仪可以检定高浓度甲烷。

3.红外线气体检测仪红外线气体检测仪是一种可以灵活配置的单种气体或多种气体检测仪，它可以配备氧气传感器、可燃气传感器和任选2种有毒气体传感器或任选4种有毒气体传感器或任选单种气体传感器。

它具有非常清晰的大液晶显示屏以及声光报警提示，保证在非常不利的工作环境下也可以检测危险气体并及时提示操作人员预防。

开机或需要时可对显示、电池、传感器、声光报警功能自检。

其技术参数如表6-1所示。

三、一氧化碳检测仪准确地测定一氧化碳浓度，是保证员工生命安全和防止自然发火事故发生的有效手段。

（一）一氧化碳检测仪的种类及结构检测一氧化碳浓度的仪器种类很多，不同的分类方法可以分成不同的种类。

例如，按工作原理可分为化学原理、定电位化学原理、红外线吸收原理、催化燃烧原理、气敏半导体原理、气相色谱原理等；按安装使用方式不同可分为便携式和固定式2种。

1.一氧化碳检定管的结构该仪器用检定管检测井下空气的成分。

它由检定管和吸气装置2部分组成。

（1）检定管的结构。

检定管结构如图6-3所示。

检定管由外壳、堵塞物、保护胶、隔离层及指示胶等组成。

其中外壳是用中性玻璃管加工而成。

堵塞物用的是玻璃丝布、防声棉或耐酸涤纶，它对管内物质起固定作用。

保护胶是用硅胶作载体吸附试剂制成，其用途是除去对指示胶变色有干扰的气体。

隔离层一般用的是有色玻璃粉或其他惰性有色颗粒物质，它对指示胶起界限作用。

指示胶是以活性硅胶为载体吸附化学试剂经加工处理而成。

（2）吸气装置的结构。

吸气装置又称采样器，实质上是一个取样唧筒，其结构如图6-4所示。

它是由铝合金管及气密性良好的活塞所组成。

抽取一次气样为50 mL，在活塞杆上有10等分刻度，并标有吸入试样的毫升数。

采样器的前端有个三通阀，当三通阀把3平放时，是吸取气样位置，如果取样地点采样器不便进入时，可在气样入孔1处接胶管来取气；三通阀把3处于垂直位置时，可将吸入气筒的气样通过检定管插孔2压入检定管；而三通阀把3处于45°位置时，三通阀为关闭状态。

2.一氧化碳测量仪的结构一氧化碳测量仪外形呈扁长方体，外壳采用高强度工程塑料制成。

测量仪壳体与后盖之间通过4个专用沉头螺钉连接成一体。

其结构如图6-5所示，气路的连接如图6-6所示。

图6-5 一氧化碳测量仪的结构（a）一氧化碳测量仪的外部结构；（b）一氧化碳测量仪的内部结构；（c）一氧化碳测量仪电路板组结构3.便携式一氧化碳测量报警仪的结构便携式一氧化碳测量报警仪的结构如图6-7所示。

其外形为长方形，左上部为报警指示灯，右上部为传感器。

正面板左上方为蜂鸣器；中部为三位码显示窗，仪器的右侧中部设有电源开关，下部有一“关合”板，打开它可见调零和调整报警点电位器。

仪器的中下部设有调精度电压器，而在下方则设有一节6F22型叠层方型电池。

（二）一氧化碳检测仪的工作原理1.一氧化碳检定管的工作原理一氧化碳检定管是以活性硅胶为载体，吸附化学试剂碘酸钾和发烟硫酸作为指示胶，当含有一氧化碳的空气通过检定管时，与指示胶反应，有碘生成，沿玻璃管壁形成一个棕色环，随着气流通过，棕色环向前移动，其移动的距离与被测空气中的一氧化碳含量成正比关系，因此当检定管中通过定量空气后，根据色环移动的距离便可测得所测空气中的一氧化碳含量。

2.一氧化碳测量仪的工作原理一氧化碳测量仪采用控制电位电解法实现了对空气中的一氧化碳浓度的测定。

3.便携式一氧化碳测量报警仪的工作原理便携式一氧化碳测量报警仪是应用电化学原理实现大气中一氧化碳气体含量测量和超限自动报警的携带式仪器。

四、便携式氧气检测仪1.便携式氧气检测仪的种类在矿井环境中对氧气含量进行检测具有重要的意义。

可以用来检测氧气含量的方法很多，常用的仪器有数字式氧气浓度计，瓦斯、氧气检测仪等。

2.便携式氧气检测仪的工作原理（1）数字式氧气浓度计的工作原理。

数字式氧气浓度计的外部结构和工作原理如图6-8、图6-9所示。

通过氧气传感元件，将空气中氧气浓度的变化转换成电信号的变化，经输入调节回路、A/D转换器到显示单元显示氧气浓度。

由于透过薄膜的氧气量与氧分压有关，故大气压力对输出电流的大小有影响，当使用地点与校准地点大气压力有较大差异时，特别是在开采深度较大的矿井中测定时，应对其值进行修正。

另外，温度对仪器的指示也有一定影响，需用热敏电阻或其他方法进行补偿。

所以，仪器的使用环境温度范围为0～40 ℃。

（2）瓦斯、氧气检测仪的工作原理。

瓦斯、氧气检测仪的工作原理如图6-10所示。

通过瓦斯和氧气传感元件，将空气中瓦斯和氧气浓度的变化转换成电信号的变化，此信号经信号调整电路和模拟开关切换电路，送至数字显示电路（包括A/D转换器、LED数字显示器）进行显示，经解码电路、控制报警电路实现超限报警。