《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定,在礦用工作和 通行的井下空氣中,氧氣的含量必須在20% 以上,二氧化碳要在0.5%以下。但對于用安 全方法救人或進(jìn)行安全作業(yè)時(shí)新型氣體報(bào)警器,其作業(yè)地點(diǎn) 不在此限。這主要是從勞動(dòng)衛(wèi)生上防止氧氣 濃度過低和二氧化碳的增伽引起的缺氧癥。 此外。 氧氣是瓦斯爆炸的主要因素之一,當(dāng)氧 含量低于12%時(shí),就不會(huì)發(fā)生瓦斯爆炸事故。 因此,連續(xù)監(jiān)測井下工作點(diǎn)的氧含量, 不僅能保證礦工有舒適的工作條件,也能為 處理瓦斯災(zāi)害提供寶貴的數(shù)據(jù)。 08-4-22 (一)氧的檢測法 ? 氧氣是無色、無味、 無嗅的氣體,比空氣 稍重,在空氣中含量 20.93%(體積比), 與生物呼吸有密切關(guān) 系。 ? 稍溶于水(在0度時(shí)1 升水能容48.89毫升) 能與各種物質(zhì)化合, 有助燃性。 ? 氧氣含量減少對人體 危害較大,其危害程 度見表1。 08-4-22 (一)氧的檢測法 ? 除了對可能缺氧的場所監(jiān)測氧氣濃度變化外, 對于鍋爐、各種工業(yè)爐的燃燒情況、汽車以及 其它內(nèi)燃機(jī)的燃燒效率等等,也需要對氧氣濃 度進(jìn)行監(jiān)測。 ? 根據(jù)測氧目的不同,可以選用不同的檢測方法。 如:鍋爐或工業(yè)用爐燃燒狀況可采用電磁式或 氧化鋯式傳感器,測定汽車等燃油效率時(shí)可使 用二氧化鈦式傳感器,缺氧場所則用伽伐尼電 池或檢定管法檢測。
08-4-22 (一)氧的檢測法 08-4-22 (二)伽伐尼電池氧氣傳感器 ? 結(jié)構(gòu) ?伽伐尼電池式氧氣傳感器由正、 負(fù)電極,電解液,隔膜等構(gòu)成。 ?陰極使用金、鉑等金屬,陽極 使用鉛等金屬;電解液選用堿性 溶液(KOH、NaOH等),或采用酸 性溶液(高氯酸、四氟硼酸、六 氟硅酸等);隔膜選用10~20μ m 厚、透氧性好的聚乙烯或聚氟乙 1-陽極;2-絕緣材料;3-電解 烯樹脂薄膜。 液;4-陰極;5-隔膜 圖1 隔膜伽伐尼電池原理圖 08-4-22 (二)伽伐尼電池氧氣傳感器 ? 工作原理 以鉛氧電池為例,其陰極用貴金屬金,陽極為鉛, 以過量KOH為電解液。待測氣體O2透過隔膜溶解于電解 液后到達(dá)負(fù)極表面并在這里被還原,反應(yīng)式為: O2+2H2O+4e-→4OH另一方面,在正極產(chǎn)生氧化反應(yīng),形成氫氧化物: 2Pb→2Pb2++4e2Pb2++4OH-→2Pb(OH)2 全反應(yīng)是: 2Pb+ O2+H2O→2Pb(OH)2 Pb(OH)2+KOH →KHPbO2+H2O 08-4-22 (二)伽伐尼電池氧氣傳感器 ? 反應(yīng)電勢為 RT E ? E0 ? lg PO2 nF 式中: n——每一克分子氣體反應(yīng)的電子數(shù); F——法拉第常數(shù); PO2——電極表面氧分壓 可見,反應(yīng)電動(dòng)勢與電極表面氧分壓(即薄膜層中 溶解的氧濃度)成比例變化。
08-4-22 nFA a (二)伽伐尼電池氧氣傳感器 通過電阻流過的電流和氧氣的關(guān)系一般用下式表示: RT DA i? ? C nF l 式中:i——通過的電流; D——?dú)怏w擴(kuò)散系數(shù); A——陰極表面積; l——膜外表面至陰極表面距離,即擴(kuò)散層厚度。 08-4-22 (二)伽伐尼電池氧氣傳感器 ?影響元件的性能參數(shù) ? 溫度的影響 由于隔膜伽伐尼電池的輸出對溫度成指數(shù)函數(shù)增加, 所以一般采用圖2所示的,用熱敏電阻作為放大器的負(fù) 反饋元件自動(dòng)溫度補(bǔ)償,使之不受試樣氣體溫度的影 響。由于熱敏電阻具有隨溫度上升,其電阻減少的特 性,即以指數(shù)函數(shù)的倒數(shù)變化的特性,對伽伐尼電池 實(shí)現(xiàn)溫度的自動(dòng)補(bǔ)償。 08-4-22 圖2 溫度補(bǔ)償電路一例 (二)伽伐尼電池氧氣傳感器 ?影響元件的性能參數(shù) ? 壓力的影響 因?yàn)楦裟べしツ犭姵貙2分壓響應(yīng),所以其指示值 隨氣壓的不同而變化。 實(shí)際測量證明:井深增加100m,氧含量增加0.25%。 為了達(dá)到精確測量的目的,必須在井下所測地點(diǎn)同水 平進(jìn)行校對。如果待測水平?jīng)]有新鮮空氣,則可在井 上校正好之后按下式進(jìn)行修正: A ? B ? 20.96/?20.9 ? HK ? 式中:A——氧氣真實(shí)值;B——氧氣傳感器指示值;H——垂 直井深;K——修正系數(shù),取0.0025。
08-4-22 (二)伽伐尼電池氧氣傳感器 ?影響元件的性能參數(shù) ? 干擾氣體的影響 一般電極材料是陽極用金、鉑等貴金屬,陰極用 賤金屬鉛、鋅等。陽極的材料必須不受電解液侵蝕的, 陰極材料也同樣應(yīng)該不受侵蝕的材料。電極一受侵蝕, 就不能使用,或者雖不受侵蝕但由于選擇不當(dāng)也對指 示值由影響。 08-4-22 (二)伽伐尼電池氧氣傳感器 ?影響元件的性能參數(shù) ? 水蒸汽的影響 由于空氣中的水蒸汽,氧氣分壓發(fā)生變化,但在常 溫(20℃)下即使相對濕度為100%氧氣探頭家用燃?xì)鈭?bào)警器,對氧氣指示值也 不會(huì)產(chǎn)生明顯的影響。 08-4-22 (二)伽伐尼電池氧氣傳感器 ?影響元件的性能參數(shù) ? 電解液酸堿度對壽命的影響 在堿性電解液中,各電極反應(yīng)如下: 負(fù)極 O2+ H2O+4e-→4OH正極 2Pb+4OH-→2PbO+ 2H2O+4e全反應(yīng) Pb+ O2→PbO 因電解液不同,各電極反應(yīng)也不同。但無論何種條 件氧氣探頭,正極的反應(yīng)生成物都是PbO。一般PbO在堿性溶液 中溶解度不大。所以,傳感器長期使用以后,其正極 被PbO包圍氧氣探頭,影響傳感器的使用壽命。 08-4-22 (二)伽伐尼電池氧氣傳感器 ?影響元件的性能參數(shù) ? 電解液酸堿度對壽命的影響 PbO在酸性電解液中能迅速溶解,反應(yīng)式為: PbO+ 2HClO4→Pb(ClO4)2+ H2O PbO+ 2HBF4→(BF4)2+ H2O PbO+ H2SiF6→PbSiF6+ H2O 從而使鉛正極表面干凈,可望延長使用壽命。 08-4-22 (二)伽伐尼電池氧氣傳感器 ?典型產(chǎn)品 測量范圍:0~25%O2 基本誤差:±3%滿量程 輸出信號:頻率:200~1000Hz; 5~15Hz; 5~155Hz 電源:12~24V DC 顯示方式:四位數(shù)碼管顯示 其他功能:聲光報(bào)警、紅外線遙 控調(diào)校功能 防爆標(biāo)志
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