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《電氣防爆雜志》2016年第3期

摘要：

介紹了甲烷催化元件的工作原理、檢驗、試驗等情況。

關鍵詞：

催化元件;隔爆性能;耐爆性能;Ma保護等級

0引言

煤礦井下瓦斯濃度大小關系著煤礦的安全生產作業，作為煤礦井下用檢測瓦斯濃度的甲烷氣體傳感器，按其原理分主要分為光干涉甲烷傳感器、催化燃燒式甲烷傳感器以及紅外、光纖、激光等原理的甲烷傳感器［1－2］。雖然紅外、光纖、激光等新型原理的甲烷傳感器由于技術的進步陸續得到推廣和應用，但還是存在一些工作不穩定和質量不可靠的技術性難題，現階段還是主要以技術成熟的催化燃燒式甲烷傳感器和光干涉式甲烷測定器為主。其中作為催化燃燒式甲烷傳感器的核心部件催化元件由于制作工藝復雜，質量、精度、防爆安全要求高的原因，勢必會使催化元件的防爆安全性能檢測檢驗變得十分重要［3］，隨著技術和安全的發展，礦用本質安全型設備也勢必會朝著Ma保護等級的方向努力。

1甲烷催化元件的工作原理

檢測甲烷等可燃氣體的儀器一般使用催化燃燒式原理的傳感器［4］，它可以被看成是一個小型化的熱量計，它的檢測原理在幾十年內沒有大的變化。這是一個惠斯通電橋的結構。在它的測量橋上涂有催化物質，測量時，要在參比和測量電橋上施加電壓使之加熱從而發生催化反應，這個溫度大約是500℃或者更高。正常情況下，電橋是平衡的，輸出為零。如果有可燃氣體存在，它的氧化過程會使測量橋被加熱，溫度增加，而參比橋溫度不變。電路會測出它們之間的電阻變化，輸出的電壓同待測氣體的濃度成正比。同理，催化燃燒式甲烷傳感器的工作原理［5］是:在傳感元件(含敏感元件)表面的甲烷，在催化劑的催化作用下，發生無焰燃燒，放出熱量，使傳感元件升溫，進而使傳感元件電阻變大，通過測量傳感元件電阻變化就可測出甲烷氣體的濃度。

2現階段甲烷催化元件的防爆試驗

眾所周知，現階段的甲烷催化元件作為隔爆型產品認證，主要是針對隔爆外殼的防爆性能要求，即催化元件粉末冶金罩的“隔爆性能”和“耐爆性能”，隔爆性能的型式試驗要求是通過點燃粉末冶金罩內的可燃性氣體而不引爆粉末冶金罩外試驗罐的可燃性氣體即可達到隔爆性能的要求;而耐爆性能試驗要求則是通過1MPa的外殼靜壓的試驗方法來驗證粉末冶金罩及澆封劑的強度是否滿足標準要求。

2.1隔爆性能試驗(內部點燃的不傳爆試驗)

根據內部點燃不傳爆試驗的要求，把外殼即粉末冶金罩放在一個試驗罐內，外殼內和試驗罐內應在大氣壓下充以相同的爆炸性混合物［6］，對于I類電氣設備，充以(55±0.5)%氫氣和空氣的混合物，進行內部點燃不傳爆試驗，重復5次，如果點燃沒有傳播到試驗罐，則認為試驗結果合格［7］。試驗裝置原理圖如圖1所示。

2.2耐爆性能試驗(外殼耐壓試驗)

根據外殼耐壓試驗的要求，對于小型設備不能測定參考壓力時，應采用靜壓試驗的方法，試驗壓力為1MPa，加壓試驗至少為10s，試驗只進行一次，如果試驗結果未發生影響防爆型式的永久性變形或損壞，且沒有通過外殼壁泄露，則認為外殼耐壓試驗合格。試驗原理圖如圖2所示。

3CE認證要求試驗項目－礦用Ma等級催化燃燒甲烷傳感器試驗

隨著技術的進步，目前市場上已出現Ma保護等級的甲烷傳感器，如紅外甲烷傳感器以及光纖、激光甲烷傳感器。如果按照標準使用場所的需要，這類甲烷傳感器相比較載體催化式甲烷傳感器安全等級更高，使用范圍更廣，安全級別更高。但通過分析和實踐可以發現［8］，催化燃燒式的方式與紅外光源發光式的小元件熱點燃式的防爆機理十分相似，如果都能夠滿足小元件點燃試驗，二者均可以達到Ma的保護等級。礦用Ma等級催化燃燒甲烷傳感器試驗項目的目的是驗證催化珠的無焰燃燒反應在故障條件下的最大功耗狀態下不能夠點燃爆炸性氣體［9－10］。試驗步驟如下:

a)準備黑白催化元件各10個(不帶傳感器外殼)

b)將元件裝在實際使用的電路板上或者模仿使用條件的測試夾具下。

c)將爆炸性氣體覆蓋催化元件，周邊要有通風系統(防止排出氣體爆炸)。

d)使催化珠周圍通6.5%±0.2%的甲烷氣體。

e)給催化珠以最大的正常工作電壓供電。

f)緩慢的增加電壓直到催化珠達到1.5倍的最大正常功耗。

g)等待催化珠達到最大的熱平衡(每10%的上電時間間隔測試一次，不得小于5分鐘，熱平衡判定條件有:測得的3個連續的催化珠最高溫度變化小于5%;或者催化珠的溫度降到530度以下;或者催化珠的功耗降到最大功耗的5%)。

h)如果測試終止是因為元件損壞，剩余的測試樣品應該降低功耗繼續測試(再次等待熱平衡，觀察最高功耗的熱平衡下不點燃甲烷)。

i)記錄爆炸性氣體的點燃，冷火焰應該認為是一個點燃，應該用目視或者熱電偶記錄點燃。

j)如果測試過程中沒有點燃，測試完成后應該點燃夾具內的氣體，以證明測試過程中沒有點燃。注:要完成上述試驗，需要首先大致找到催化珠的熱平衡工作條件，其次還要試驗能否目視觀察出6.5%±0.2%的甲烷氣體的爆炸，如無法目視點燃可考慮用壓力傳感器監控。覆蓋傳感器的空間盡量要小，采用體積小一點的帶觀察窗的隔爆外殼，以盡量降低爆炸威力。按照試驗要求，采用上述隔爆性能試驗用自制的試驗裝置以及高壓點火試驗系統能夠很好地完成該試驗，具體的試驗裝置模擬框圖如圖3所示。

4結語

為了適應新的煤礦安全規程的要求以及礦用產品Ma等級的推廣應用，國內勢必會推行催化元件礦用Ma等級催化燃燒甲烷傳感器認證的要求。

參考文獻：

［1］尹芳雄，黃文燦，王瑞年，韓秀山．煤礦甲烷檢測儀器的發展［J］．煤礦安全，1981，(12):44－53．

［2］付淑玲．甲烷催化元件的技術性能分析［J］．煤礦安全，2014，45(2):76－78．

［3］張剛．煤礦井下本質安全電氣系統設計及技術發展［J］．工礦自動化，2012，38(9):26－34．

［4］王曉玲．催化燃燒式甲烷測定器載體催化元件的原理及技術性能分析［J］．計量與測試技術，2012，39(2):12－13．

［5］陳昊昊．煤礦甲烷檢測用載體催化元件檢測裝置［J］．煤礦安全，2000(6):41－42．

［6］GB3836．2—2010，爆炸性環境第2部分:由隔爆外殼“d”保護的設備［S］．

［7］ExTAG/132/CD．2008，氣體和粉塵環境用設備防爆特殊型“s”［S］．

［8］GB3836．1—2010，爆炸性環境第1部分:設備通用要求［S］．

［9］仲麗云．礦用便攜式甲烷檢測報警儀的高保護級別防爆技術［J］．電氣防爆，2010(2):5－8．

作者:柳玉磊 尋增霞 單位:中煤科工集團重慶研究院有限公司檢測分院