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1、精品论文风流对催化传感器响应速度的影响1李雪花，王虎，李晓, 于增强 中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏徐州(221008) E-mail：摘要: 催化传感器的响应速度是快速监测矿井瓦斯突变状态的主要指标。本文研究矿井风 流对催化传感器响应速度的影响，可为催化传感器的现场安装提供科学的依据。研究表明, 传感器进气口和风流方向之间的夹角以及风流速度是影响传感器动态响应速度的重要因素。风流有利于被测甲烷气体向传感器表面的扩散,促进甲烷在催化传感器表面的反应，从而影响传感器的动态响应，使催化传感器的响应速度得到提高。实验证明，传感器和风流夹角以 及风流速度对传感器的响应时间的影响达到3-5秒。关键
2、词:催化传感器；风流；响应速度矿井下的空气沿井巷流动称之为风流。其风流形式有固定边界的风流，如井筒、巷道 及管道中的风流；还有自由风流，它没有固定边界，当空气由巷道流进宽大的硐室时，其风 流边界不是巷道壁，而是和风流同一相态的介质。在巷道中多为紊流，在采空区等渗风地段 多为层流风流1。在矿井生产中,瓦斯检测是极为重要的环节，瓦斯传感器的动态响应速度是 瓦斯检测的一个重要性能指标，对煤矿安全环境监测具有重要的意义2。快速准确地检测矿 井环境的瓦斯有利于及时监测矿井瓦斯的突变状态，及时发出告警信号，减少或避免瓦斯爆 炸事故。近年来，不少研究人员致力于催化传器的制备方法的研究，为提高传感器的灵敏度、
3、 稳定性等特性提供了有效途径，但对影响催化传感器响应速度因素的研究不多。目前,我国煤矿大量使用的瓦斯检测传感器都是载体催化传感器,采用传统电桥检测方法 3。催化传感器检测瓦斯的工作原理是瓦斯气体通过检测仪器的进气口，以扩散方式接触传 感器的表面，在催化剂的作用下发生氧化反应，输出检测信号4。扩散速度越快，传感器的 响应速度越快。因此催化传感器进气口与风流的相对位置的不同，会影响瓦斯气体向传感器 扩散的速度，从而影响传感器的动态响应特性。本文将通过实验研究其影响规律,为合理使 用催化传感器提供依据。1. 实验装置及测试电路11 实验装置实验装置如图1所示图1 实验装置示意图1本课题得到国家863
4、计划资助项目（2007AA06Z114）矿井采场瓦斯分布无线检测技术的研究，国家自然科 学基金资助项目（NO.50534050）瓦斯传感技术和预警系统，教育部科技创新工程重大项目培育资金项目资 助（706029）瓦斯突出信息获取的资助。- 1 -实验气样为压力5MP以上的1%瓶装甲烷气体，气体通过导管和衡压阀进入长方体储气室，衡压阀保证了储气室内气体压力恒定（约0.5MP），通过气压计显示出来，储气室气体 通过导管进入隔爆气室。隔爆气室的进气侧面采用多孔透气隔板，打开通气阀，可在隔爆气 室形成均匀的甲烷气体风流，风流大小可通过储气室内气压调整。为防止气体返混、保证气 体接近平推流，将隔爆气室做
5、成长径比为1：1的管状结构。试验时催化传感器（采用MJC-4 型催化传感器，）放于隔爆气室，其传感输出通过电压表显示出来。12 测试电路5试验电路如图2所示, R1 ,R2 ,r1 ,r2 组成惠斯顿电桥。其中 R1 , R2 是阻值为1k的精密电阻,r1 ,r2 为被测元件,其中r1 为白元件,r2 为黑件, R 为滑动变阻器, 用来调整整个桥路的平衡, 桥路的输出由毫伏表测出, 桥路工作电压V+为3伏稳压电源6。2. 实验测试图2 测试电路图21 风流方向对传感器响应速度的影响实验首先向储气室通入1%的甲烷气体, 调整衡压阀使气压计稳定显示储气室气体压强为1.5 个标准大气压。调整传感器开
6、口使其背向风流方向（夹角0度），打开储气室和隔爆气室之 间的开关并开始计时，直到输出电压信号稳定。分别调整传感器开口方向使之和风流方向之间夹角分别为90度、135度、和180度（正对） 时纪录检测数据。由于角度的不同造成传感器输出电压稳定值的不同，归一化数据之后可得图3的输出响 应特性7。1.20响应速度1.000.800.600.400.200.0012345678910 11 12时间(秒)0度90度135度180度图3 不同角度下元件输出与时间关系22风流速度对传感器响应速度的影响实验1、打开气样和储气室之间的开关,向储气室通入1%的甲烷气体,用气压计测得储气室气 体强为1个标准大气压时
7、停止气体通入。打开储气室和隔爆气室之间的开关并开始计时，每 隔5秒纪录一次传感器输出电压，直到输出稳定。2、在储气室内瓦斯气体压强分别为标准大气压的1.3倍，1.5倍，1.8倍，2.1倍时,重复1步骤。由实验数据归一化后可得图4如下：1.21.0输出电压0.80.60.40.20.013579111315时间(秒)11.31.51.82.13. 结果与分析图4 不同风压下元件输出与时间关系31 实验结果由图3可得角度和响应时间的关系如表1。表1角度和响应时间的关系角度（度）090135180响应时间（秒）9.508.758.256.50通过风速检测仪，监测相应风压下的风速，得到风速和响应时间的
8、关系如表2。表2风速和响应时间的关系风速（米秒）1.251.431.531.681.81响应时间10.009.509.008.258.003.2 实验分析以上实验结果证明，随着角度、风流速度的增加，传感器的响应速度加快。 我们知道，风压就是垂直于气流方向的平面所受到的风的压力8。根据伯努利方程得出的风压关系，风的动压为WP = 0.5 ro V 2 (1) 其中WP 为风压 kN / m2 ，ro 为空气密度 kg / m2 ，V 为风速 m / s 。 由于实验模型为点源的扩散,可用高斯模型对扩散质的浓度分布进行考察9。高斯模型分烟羽模型和烟团模型。烟羽模型适用于连续源的扩散,烟团模型适用于
9、短时间泄漏的扩散（时间比较短的情形,如突发性泄放等)。 在实验过程中：（1）实验属于定常态：风速和传感器角度都不随时间变；（2）甲烷气体的浓度和空气差不多，且在扩散过程中不发生化学反应；（3）甲烷气体的扩散性质和空气相同；（4）实验器壁对气体没有任何吸收；（5）平均风速不小于1米每秒；（6）气体流 动接近平推流，即横向速度分量、垂直速度分量均可视为零；（7）整个装置在实验的时候 水平放置。实验模型完全符合烟羽模型假设，烟羽模型的假设为:1 定常态,即所有的变量不随时间 变化；2 适用于密度与空气(相差不多的气体的扩散，不考虑重力或浮力)的作用,且在扩散过 程中不发生化学反应；3 扩散气体的性质
10、与空气相同；4 扩散质达到地面时,完全反射,没有 任何吸收；5 在下风向上的湍流扩散相对于移流相可忽略不计,这意味着该模型只适用于平 均风速不小于1的情形；6 坐标系的 x 轴与流动方向重合,横向速度分量 v 、垂直速度分量 w 均为0；7 假定地面水平。因此，可用烟羽模型对结果进行分析。烟羽模型的浓度分布算式为： 1 ( y )2 1 ( Z H )2 1 ( Z + H )2C ( X ,Y , Z , H ) =Qe2 y Z2 ye 2 Z+ e 2 Z(式中, C 为扩散质的浓度 以百分数表示的体积分数) Q 为源的泄放速率 m3 / s , H 为有 效源高, m ； X ,Y ,
11、 Z 是该点坐标, m ； y , z 分别是横风向和竖直方向的扩散系数（高斯分 布的标准方差)， m 。从式中可以看出在同一时刻风速(源的泄放速率 Q )越大，瓦斯气体到达固定点的气体浓度( C )就越高。在电桥检测中，催化传感元件的温度随被测甲烷气体浓度的升高而增大10， 在传感器数值显示上所达到的稳定值越快，即响应速度越快。适当调整传感器检测口和风流方向之间的夹角可提高传感器的检测速度。 在矿井环境中，风流速度随着与风流入口的距离的增大成减弱趋势，为减小扩散延迟应将催化传感器安装在接近风流入口部位。4. 结论调节矿井瓦斯传感器使之接近风流入口的位置以及传感器和风流方向之间的夹角可有 效减
12、小气室延迟对传感器反应速度的影响、促进瓦斯气体在催化传感元件表面的反应进程， 使瓦斯检测检测速度加快。实验表明，传感器开口方向和风流之间的夹角由0度提高到180 度时传感器的响应时间减小了3秒（9.56.5秒）；风流速度有由1.25米/秒增加到1.81米/秒可 使传感器的响应时间减小了2秒（10.08.0秒）。参考文献1 周心权，吴兵. 矿井通风基本概念的理论基础分析J中国矿业大学学报，2003.32（2）:133-137 2 童敏明,恒温瓦斯检测的动态分析J中国矿业大学学报2000,29(3) :276-278. 3王汝琳，矿井环境传感技术M 徐州:中国矿业大学出版社，1998.10-254
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14、研究综述Z大连理工大学化机系, 9.4 .16(2):P118-121 10童敏明,杨胜强,田丰新型瓦斯传感器关键技术的研究J中国矿业大学学报, 2003.32(4):399-401Study on the response speed of catalytic sensor with the influence of the airflowLi Xuehua, Wang Hu, Li Xiao, Yu ZengqiangCollege of Information and Electric Engineering, CUMT, Xuzhou, Jiangsu (221008)AbstractThe response speed of the catalytic sensor is a main performance for the safe monitoring in coal mine.The influence of the wine flow of
