李国均 于仔卓 郁俊 傅冰 何雨夏 李晓晓通讯作者
桂林电子科技大学，广西壮族自治区 桂林 541004
摘要：煤矿产业是我国目前重要的能源产业支柱之一，但同时煤矿行业也是高危行业，瓦斯、水灾、火灾、煤尘等事故都困扰着煤矿的安全生产。为了使煤矿安全生产也出现了各式各样的安全保护装置，其中便携式甲烷检测报警仪就是我国煤矿安全监测设备中重要的仪器之一,其质量和技术性能的高低对矿井提高抗灾能力、保障煤矿安全生产和矿工的生命安全关系重大。因此 ,提高便携式甲烷检测报警仪的质量、改进其性能具有极其重要的现实意义。
本项目就是研究一种便携式热催化甲烷检测报警仪，主要应用于需要检测甲烷（瓦斯）的爆炸性环境中，经过载体热催化元件转换为电信号，在出现甲烷气体超限时（1％CH4）发出声光警报；具有便携智能化、精准高、多功能、寿命长、超小型、声光报警的特点，对于保障公共财产和保障工人生命安全上具有极其突出的社会效益和经济效益。
关键词：气体；传感器；酒精；报警；
一、国内外概况
●国内外背景
（1）实际急需
随着世界各国大力发展石油天然气工业以及煤炭工业,与甲烷泄漏相关的事故日益增加。这使得探测甲烷和燃油在工业区和居民区的管道中泄漏以及甲烷气体在矿井中的积累成为我们所面临的一个重要问题。目前的甲烷检查设备由于体积大、成本高、需要经常校准,不能够满足人们在日常生活中对一些有害气体检测的需求。急需研制集成化、小型化、免维护的新型监测设备, 来解决目前问题，增强人们的安全监测能力，保证石油天然气工业以及煤炭工业工作人员的安全。
（2）必然趋势
煤炭行业是高危行业，瓦斯、顶板、水害、火灾、运输、机电、爆破等事故困扰着煤矿安全生产。自2004年以来，全国煤矿事故起数、死亡人数、百万吨死亡率和重特大事故起数均大幅下降，但重特大事故时有发生，煤矿安全生产形势依然严峻。
自2004年以来，2005年和2013年瓦斯事故死亡人数最多，2015年顶板事故和瓦斯事故死亡人数并列第一，其余9年顶板事故死亡人数最多;12年来，全国煤矿共发生死亡事故20731起，死亡34729人，平均每起事故死亡1.7人煤矿安全。生产最重要的问题就是井下瓦斯泄漏问题,为了安全需要工作人员经常下井检测瓦斯的浓度。因此,甲烷报警仪作为矿下检测瓦斯气体的一种必备仪表,所以甲烷报警仪报警必须准确，既不能误报警也不能漏报警。这就要求定期对甲烷报警仪进行检定工作。而甲烷检测报警仪目前煤矿使用的甲烷检测报警仪种类繁多、原理大同小异,存在着工作时间短、性能不稳定等缺点,特别是仪器的零点和满度的调校误差较大。新型甲烷检测报警仪, 引用热稳定性高的原件，从而兼含了热催化式和热导式和两种检测仪的优点,避免了传统仪器的缺点,具有低成本、低功耗、智能化等优点。新型甲烷检测报警仪得到加强和推广适合煤矿井下个人配带,进行井下瓦斯测量与检测。
（3）国家支持
不少省自治区特别是山西等煤炭大省在省“十三五”规划纲要中明确提出：煤炭行业要重点研究瓦斯治理技术攻关工作，解决瓦斯问题，化工行业要重视产品研发。
国家安全监管总局煤矿安监局印发的《煤炭安全生产“十三五”规划》中指出，目前主要任务之一是推进煤矿安全基础措施建设，提升煤矿安全保证能力。而我们的新型甲烷检测报警仪可以提升煤炭信息化和灾害事故检测预警水平，优化煤矿安全监察力量。
●国外概况
20世纪初，世界各产煤国均先后完成了从传统的光干涉向催化型的过渡。该类仪器以其信号输出易于处理、灵敏度高、响应时间短、受湿度和温度影响小、结构坚固、便于使用、价格低廉等一系列优点，成为目前国内外自动检测瓦斯的主要仪器。但传统催化型瓦斯检测装置的缺点是：测量范围小、易受高浓度瓦斯和硫化物的中毒以及存在零点漂移和灵敏度漂移问题，存在检测不准确及井下校准困难等弊端（每7天校准一次）。各国均在努力需求解决办法。而我们新型便携式热催化甲烷检测报警仪，通过研发新元件及优化系统结构，大大提高了测量准确度及解决了零点容易漂移和灵敏度容易漂移的问题。
二、项目方案
为了本项目的顺利实施，我们团队做了大量的前期准备。搜集了许多最新资料，分析了甲烷检测报警仪的市场情况，也了解了未来市场对甲烷检测报警仪的需求，以及产品定位，策划了大批量生产后的营销方案，并在努力寻求企业合作方洽谈项目中试研究的合作。
技术准备：
自2017年4月起，先查阅、收集、整理了大量的技术资料，进行了调查，形成基本的实施方案，而后成立工作小组，搭建基本的模拟平台，验证了项目中关键技术方案的可行性，突破了许多具体的技术障碍。
目前已经完成原理性的初样的结构设计、安装和部分调试。与其他热催化便携型甲烷检测仪比具有体积小，空间利用率高，模块化的特点。此新型便携式甲烷检测报警仪基本原理示意图如下：
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●关键技术突破
灵敏度调整：
气敏元件对不同种类，不同浓度的气体有不同的电阻值。 因此，在使用气敏元件时，灵敏度的调整是很重要的。 经过反复测试最终使用5000ppm甲烷校准传感器。而新型的MC112型气敏元件的研发能够很极大的改善现有报警器的缺陷。
MC112型气敏元件根据催化燃烧效应的原理工作，由检测元件和补偿元件配对组成电桥的两个臂，遇可燃性气体时检测元件电阻升高，桥路输出电压变量，该电压变量随气体浓度增大而成正比例增大，补偿元件起参比及温度补偿作用。
其优点是
1.桥路输出电压呈线性，
2.响应速度快，
3.具有良好的重复性、选择性，
4.元件工作稳定、可靠
5.抗H2S中毒
此元件的元件外形结构及基本测试电路如图一图二所示。
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元件测试步骤
1、试验装置：
a、试验箱材料为金属或玻璃，不吸附气体，箱体积为每对元件大于1升。
b、推荐红外气体分析仪测量气体浓度。
c、箱内气体应搅拌，但不可直接对着元件。气流速度低于0.5m/s。
d、室外新鲜空气。
e、直流稳压电源。毫伏表阻抗大于100KΩ。
f、每次试验前，用排风扇换气，每分换气量大于10倍箱体积。
g、元件安装在试验箱内，在水平方向，姿态相同。改变姿态将产生不同的热对流。
2、气体浓度调节：
箱内气体浓度用体积法调节，体积法可用下式计算：
V(ml)=V1×c×10^-6×(273+TR)/(273+TC)
V：注入气体体积（ml）
V1：箱内体积（ml）
C：要调节的气体浓度（ppm）
TR：室温（℃）
TC：箱内温度（℃）
3、测量：
A、老化。测量之前，用额定电压通电大于30分钟，如果元件经过长期储存，建议老化5小时以上。
B、测量。预老化后，测量空气中的输出电压Va。试验气体注入试验箱内，令其扩散到全箱，通常需1min以上。测量试验气体中元件的输出电压Vg。气体灵敏度表示为：
S=（Vg-Va）/C。其中：C为气体浓度。
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