Датчики метана

Оглавление
Введение.
1. Датчики метана.
1.1 Каталитический датчик.
1.2 Электрохимический датчик.
1.3 Полупроводниковый датчик.
1.4 Точечный инфракрасный датчик.
1.5.Портативные газовые детекторы..
2.Сравнение способов обнаружения газов.
Список литературы..

Введение
Актуальность темы.Ежегодно происходит множество аварий в шахтах всего мира. Для уменьшения трагедий в шахтах, связанных с воспламенением газов, необходимо непрерывно отслеживать концентрацию метана в шахтной атмосфере. Для обнаружения превышений метана в среде шахты используются газоанализаторы. С годами газоанализаторы становятся все точнее и удобнее, а число несчастных случаев в шахтах уменьшается. Однако, далеко не все шахты оборудованы современными газоанализаторами, в связи с их высокой стоимостью.
Большинство трагедий в шахтах происходят из-за взрывов метана. Сконцентрировавшись, в какой либо части шахты, газ, если его вовремя не обнаружить и не принять соответствующие меры по устранению утечки, может легко воспламениться, что повлечет за собой взрыв, а то и серию взрывов с последующим обрушением.
Шахтная атмосфера — это смесь воздуха и газов, которые содержатся в выработках. Шахтная атмосфера включает в себя большое количество составляющих компонентов, таких как: кислород (O2), азот (N), углекислый газ(CO2). В ней могут содержаться вредные для здоровья человека элементы: (окись углерода(CO), оксиды азота(NO,NO2,N2O), сероводород(H2S), различные альдегиды и тд.),а так же взрывчатые вещества: (метан(CH4), водород и тд.). Химический состав атмосферы шахты зависит от геологического фактора, от вида добычи полезных ископаемых а так же от типа добычного оборудования. В результате проведения взрывных работ, работы добычного оборудования и техники содержание кислорода в шахте меньше, чем на дневной поверхности, а содержание CO2 — выше. Для обеспечения безопасного пребывания людей в шахте необходимо предъявлять жесткие требования к шахтной атмосфере.
1. Датчики метана
Один из самых первых детекторов метана был создан Гемфри Дэви в 1815 году. Детектор представлял собой лампу в которой происходил процесс горения керосина, карбида или масла. Поступление кислорода и выход продуктов горения происходили через специальные сетки. Чтобы не произошел взрыв из-за пламени внутри лампы, толщина проволоки, из которой была сделана сеть, расстояние между проволоками сетки а так же теплопроводность металла подбирались таким образом, чтобы пламя не могло выйти за пределы сети, таким образом, обеспечивалась безопасность такого вида детектора метана. При наличии горючих газов в шахтной атмосфере, язык пламени, внутри лампы значительно удлинялся, так же могли наблюдаться хлопки и разного рода вспышки, таким образом, шахтеры понимали, что работать в данных условиях небезопасно. Точность данного устройства была малой, но это был большой шаг для обеспечения безопасной добычи полезных ископаемых подземным способом.

Рис.1.1 Шахтерная лампа (Лампа Дэви)
Стоимость лампы Дэви была высока. Именно поэтому, чтобы обнаружить рудничный газ, многие угольные компании США и Европы использовали обычных канареек. Канарейки – это птицы, которые чувствительны к газам, в том числе метану и угарному газу. Их гибель может происходить от незначительного содержания этих газов в воздухе. Если в горной выработке присутствует газ, то птица перестает петь, начинаются проявляться признаки беспокойства или падает в обморок. Это является сигналом загазованности воздуха, и все работы должны быть прекращены. Канарейка могла прийти в себя, если ее вовремя выносили на свежий воздух, но некоторые птицы все же погибали. Позже стали применять специальные безопасные клетки. При обнаружении газа эти клетки герметично закрывались, а внутрь пускался кислород, что позволяло канарейке выжить. На протяжении нескольких веков британское горное законодательство в обязательном порядке предписывало держать в шахтах канареек для обнаружения газа. Птичек использовали в такой роли до 1986 года, а соответствующая статья оставалась в британских правилах безопасности для горных работ вплоть до 1995 года.
Более чем за два столетия детекторы метана значительно повысили свою точность показаний и безопасность. В настоящее время контроль содержания метана в шахтной атмосфере принципиально может осуществляться с помощью следующих датчиков:
1.1 Каталитический датчик
Данный датчик обладает относительной дешивизной и простотой, однако при его использовании есть вероятность отравления свинцом, хлором и кремнийорганическими соединениями, обладает высоким энергопотреблением. Принцип работы основан на том, что горючий газ, попадая на чувствительный элемент датчика, вступает в каталитическую реакцию, что влечет за собой сгорание газа, но горение происходит без пламени. Такое горение называется беспламенным, это и позволяет использовать его во взрывоопасной среде. В результате реакции происходит выделения большого количества тепла, вследствие этого изменяется сопротивление чувствительного элемента. Измеряя данное сопротивление можно вычислить концентрацию газа.
Принцип действия каталитического датчика основан на прямой зависимости тепла, производимого при сгорании газа, от концентрации этого газа. Изменение сопротивления чувствительного элемента из особо чистой платины пропорционально изменению его температуры.
Если в среде произойдет изменение таких параметров как: температура, влажность или давление, изменится сопротивление как чувствительного, так и компенсирующего элементов. Это дает каталитическому датчику независимость от изменения параметров среды.


Каталитический датчик
Цепь измерительного моста
Они состоят из миниатюрного чувствительного элемента, иногда называемого также шариком, "пеллистором" (Pellistor) или "сигистором" (Siegistor). Последние два являются зарегистрированными торговыми марками серийных устройств. Они изготовлены из электроподогреваемой катушки с платиновой проволокой, на которую сначала нанесена керамическая подложка, например, оксид алюминия, а затем кроющая наружная оболочка из палладиевого или родиевого катализатора, распыленного на подложку из окиси тория.
Действие этого типа датчика основано на том, что при прохождении горючего газа/воздушной смеси по поверхности катализатора возникает горение, и выделяющееся тепло повышает температуру шарика. Это, в свою очередь, ведет к изменению сопротивления платиновой катушки, которое можно измерить, если использовать катушку в качестве температурного датчика в стандартной цепи с измерительным мостом. Изменение сопротивления находится в прямой зависимости от концентрации газа в окружающей среде, его можно отобразить на измерительном инструменте или индикаторе.