CN107044299B - 一种用于瓦斯泄漏的报警器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及报警器，尤其涉及一种用于瓦斯泄漏的报警器，包括通信模块、报警模块和检测模块。检测模块包括供电模块、气敏模块、控制单元和稳压模块。气敏模块采集环境中甲烷数据传输至控制单元，控制单元经过处理分析后将信息发送至报警模块进行报警输出。本发明结构设置合理，能够及时准确的对甲烷等易爆有毒危险气体进行监测和报警。保障了生产人员的安全。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于瓦斯泄漏的报警器。
背景技术
瓦斯是多种可燃可爆炸气体的总称。瓦斯的主要成分是甲烷，甲烷对空气的密度为0.559，当甲烷发生聚集时，其燃点只有60～63℃，且其一旦遇到明火就会瞬间发生爆炸。尤其在煤矿井下采掘时，会发生瓦斯突然喷涌而出的情况，对矿井和相关工作人员造成不可挽回的危害，严重的危害了煤矿的安全生产。
随着我国对煤矿开采的重视和科学技术的进步，我国目前大多数正在使用的矿井基本上都安装有瓦斯浓度检测设备，在一定程度上保障了井下生产人员的安全。然而，相关技术中采用的设备存在报警不及时的问题。存在潜在的安全生产风险。
发明内容
针对上述的不足，本发明旨在提供一种用于瓦斯泄漏的报警器，其能够准确及时地检测环境中的瓦斯气体的浓度，以解决上述技术问题。
本发明通过以下技术方案得以实现：一种用于瓦斯泄漏的报警器，包括第一通信模块、第二通信模块、报警模块和检测模块；所述第一通信模块与报警模块并联，所述第一通信模块、报警模块与第二通信模块并联，所述第一通模块、报警模块、第二通信模块与检测模块串联；检测模块包括供电模块、气敏模块、控制单元和稳压模块；所述稳压模块的输入端与供电模块连接，输出端分别连接至气敏模块和控制单元；所述气敏模块的输出端与控制单元连接；其中，气敏模块采集环境中可燃性气体的浓度，将浓度数据传输至控制单元，控制单元接受信息分析处理，将信息发送给报警模块进行报警输出，所述供电模块提供的工作电源被稳压模块稳压处理后提供给气敏模块和控制单元。
进一步地，所述气敏模块包括气体敏感件、测量气室、气体限制室和气体分散道；气体敏感件设置于气体测量室内，气体测量室通过气体分散道与气体限制室相连，气体分散道通过置于中部的气体分散膜分成两个气体分散通道；气体限制室外侧设置有两个气体入口；气体测量室的一侧设置有气体出口，检测完的气体通过气体出口排出。
进一步地，所述气体敏感件内盘旋设置有两层铂丝线圈，铂丝线圈上涂覆有气敏材料层。
进一步地，所述铂丝线圈上涂覆的气敏材料层的制备方法如下：
一、配制前驱液：称取5～15g氯化亚锡和10～20g乙烯基吡咯烷酮，放入锥形瓶中，然后加入20～50mL无水乙醇和20～50mL N,N-二甲基甲酰胺(DMF)，在磁力搅拌器上搅拌4～8h，得到澄清的溶液，前驱液配制完毕；
二、配制高分子混合液：称取5～10g聚丙烯腈加入到50～100mL N,N-二甲基甲酰胺中，在60～75℃条件下搅拌至溶液完全澄清，加入20～35mL无水乙醇，20～30℃超声30～60min，冷却后置于室温待用，其中，聚丙烯腈的Mw＝102700；
三、配制二氧化钛-氯化银混合液：将1.0～3.0g氯化银和2.0～2.5g二氧化钛加入到步骤二配制好的高分子混合液中，置于通风厨中20～25℃条件下使用集热式磁力搅拌器搅拌2～2.5h，搅拌转速为1000～1200rpm；
四、静电纺丝：将经步骤三配制好的混合液放入静电纺丝设备的不锈钢喷丝管中，不锈钢喷丝管的内喷管的直径为0.5mm，外喷管的直径为1.0mm，内喷管和外喷管的距离为20～30mm，用铝箔纸包裹金属板，作为收集板；内喷管和外喷管与收集板之间的距离为20cm，施加10KV直流电进行电纺丝，在收集板上收集聚丙烯腈/二氧化钛/氯化银复合纳米纤维膜；
五、制备聚丙烯腈/二氧化钛/氯化银复合纳米纤维膜：将经由步骤四制备而得的聚丙烯腈/二氧化钛/氯化银复合纳米纤维膜置于真空干燥器中，真空度为30～50KPa，真空干燥器底部放入20ml浓硫酸和0.5g硫化钠的混合物，于通风厨中静置过夜后取出聚丙烯腈/二氧化钛/氯化银复合纳米纤维膜，超纯水清洗干净；
六、马弗炉中进行煅烧，调节马弗炉的升温速率为1℃/min，升温至600℃，恒温3小时，冷却；从而得到聚丙烯腈/二氧化钛/氯化银复合纳米纤维材料；将聚丙烯腈/二氧化钛/氯化银复合纳米纤维材料使用放射线Co射线照射，辐照强度为2.5～3.0kGy/h，辐照处理时间为4～10h；
七、碳纳米管/聚丙烯腈/二氧化钛/氯化银复合纳米纤维气敏材料：称取3.0g碳纳米管置于50ml烧杯中，加入10ml的γ-氨丙基三乙氧基硅烷和10ml的N,N-二甲基甲酰胺，超声分散均匀后，加入聚丙烯腈/二氧化钛/氯化银复合纳米纤维膜；水浴加热至100℃，机械搅拌回流24h～36h，得到的混合液转移至50ml烧杯中，用无水乙醇清洗反应多于的γ-氨丙基三乙氧基硅烷，用0.22μm的微孔过滤膜真空抽滤，置于75℃真空干燥箱中烘干；重复步骤六的操作，得到碳纳米管/聚丙烯腈/二氧化钛/氯化银复合纳米纤维基气敏材料。
八、涂覆：将碳纳米管/聚丙烯腈/二氧化钛/氯化银复合纳米纤维基气敏材料和适量的无水乙醇和聚乙二醇混合成为糊状，然后将糊状物均匀涂抹于气体传感器的铂丝线圈表面，置于通风厨中风干即可，然后经过200～250℃退火处理6h即可。
进一步地，所述铂丝线圈上涂覆的气敏材料层的厚度为10～100nm。
相对于现有技术，本发明的有益效果：
(1)本发明结构设置合理，报警器对甲烷的反应时间非常快，能达到2～25s，在一些测试结果中，一般稳定在5～10s范围内，其稳定性非常高，提高了报警的精度和可靠性，一旦发生泄漏，气敏模块能够采集环境中的甲烷气体并将气体浓度数据传输给控制单元，控制单元经过将信息分析处理后，发送给报警模块进行报警输出，进而可迅速发出警报，避免发生潜在的风险，保障了使用者的人身安全。
(2)该报警器还可以用于报警对易燃易爆的氢气以及包括二氧化硫、一氧化碳、硫化氢和苯系物气体在内的有毒危险气体进行监测，一种设备可以具备多种气体监测的性能，能够在第一时间对瓦斯气体进行处理，而且还适用于家庭燃气热水器的监测使用；因此具有大范围推广应用的潜能。
(3)在制备气敏模块的过程中，采用了Co射线对制成的材料进行辐照，使制成的气敏材料的孔径大幅度增加，其表面的吸附气孔变多，因此，增强了气敏材料的敏感度，对气体的瞬间吸附能力增强，进一步增强了气敏模块采集环境中瓦斯气体的能力。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明中采用的检测模块的结构示意框图。
图3是图2中的采用的气体传感器的结构示意图。
图4是图3中的采用的气体传感器的铂丝线圈外面涂覆的气敏材料层的制备方法的工艺流程图。
其中，1-报警模块，2-第一通信模块，3-检测模块，4-第二通信模块，5-控制单元，6-稳压模块，7-电源模块，10-气敏模块，11、12-气体入口，13、14-气体限制室，15、16-气体分散道，17-气体分散膜，18-气体测量室，19-气体敏感件，20-铂丝线圈，21-气体出口。
具体实施方式
结合以下实施例对本发明作进一步描述。
一种用于瓦斯泄漏的报警器，如图1所示，包括第一通信模块2、第二通信模块4、报警模块1和检测模块3；所述第一通信模块2与报警模块1并联，所述第一通信模块2、报警模块1与第二通信模块4并联，所述第一通模块2、报警模块1、第二通信模块4与检测模块3串联。检测模块3如图2所示包括供电模块、气敏模块10、控制单元5和稳压模块6；所述稳压模块6的输入端与供电模块7连接，输出端分别连接至气敏模块10和控制单元5；所述气敏模块10的输出端与控制单元5连接；其中，气敏模块10采集环境中可燃性气体的浓度，将浓度数据传输至控制单元5，控制单元5接受信息分析处理，将信息发送给报警模块1进行报警输出，所述供电模块7提供的工作电源被稳压模块6稳压处理后提供给气敏模块10和控制单元5。
在本实施例中，如图3所示的所述气敏模块10包括气体敏感件19、测量气室18、气体限制室13、14和气体分散道15、16；气体敏感件19设置于气体测量室18内，气体测量室18通过气体分散道15、16与气体限制室13、14相连，气体分散道15、16通过置于中部的气体分散膜17分成两个气体分散通道；气体限制室13、14外侧设置有两个气体入口11、12；气体测量室18的一侧设置有气体出口21，检测完的气体通过气体出口21排出。
进一步地，气体敏感件19内盘旋设置有两层铂丝线圈20，铂丝线圈20上涂覆有气敏材料层，该气敏材料层的厚度为10～100nm，在本实施例中，气敏材料层的厚度为20nm。
进一步地，在本实施例中，图4是图3中的气体传感器的铂丝线圈外面涂覆的气敏材料层的制备方法的工艺流程图。参照图3，包括以下步骤：
一、配制前驱液：称取5g氯化亚锡和10g乙烯基吡咯烷酮(NVP)，放入锥形瓶中，然后加入20mL无水乙醇和20mL N,N-二甲基甲酰胺(DMF)，在磁力搅拌器上搅拌4～5h，得到澄清的溶液，前驱液配制完毕；
二、配制高分子混合液：称取5～10g聚丙烯腈(PAN，Mw＝102700)加入到50～100mLDMF中，在60～75℃条件下搅拌至溶液完全澄清，加入20～35mL无水乙醇，20～30℃超声30～60min，冷却后置于室温待用；
三、配制二氧化钛-氯化银混合液：将1.0～3.0g氯化银和2.0～2.5g二氧化钛加入到步骤二配制好的高分子混合液中，置于通风厨中20～25℃条件下使用集热式磁力搅拌器搅拌2～2.5h，搅拌转速为1000～1200rpm；
四、静电纺丝：将经步骤三配制好的混合液放入静电纺丝设备的不锈钢喷丝管中，不锈钢喷丝管的内喷管的直径为0.5mm，外喷管的直径为1.0mm，内喷管和外喷管的距离为20～30mm，用铝箔纸包裹金属板，作为收集板；内喷管和外喷管与收集板之间的距离为20cm，施加10KV直流电进行电纺丝，在收集板上收集聚丙烯腈/二氧化钛/氯化银复合纳米纤维膜；
五、制备聚丙烯腈/二氧化钛/氯化银复合纳米纤维膜：将经由步骤四制备而得的聚丙烯腈/二氧化钛/氯化银复合纳米纤维膜置于真空干燥器中，真空度为30～50KPa，真空干燥器底部放入20ml浓硫酸和0.5g硫化钠的混合物，于通风厨中静置过夜后取出聚丙烯腈/二氧化钛/氯化银复合纳米纤维膜，超纯水清洗干净；
六、马弗炉中进行煅烧，调节马弗炉的升温速率为1℃/min，升温至600℃，恒温3小时，冷却；从而得到聚丙烯腈/二氧化钛/氯化银复合纳米纤维材料；将聚丙烯腈/二氧化钛/氯化银复合纳米纤维材料使用放射线Co射线照射，辐照强度为2.5～3.0kGy/h，辐照处理时间为4～10h；
七、碳纳米管/聚丙烯腈/二氧化钛/氯化银复合纳米纤维气敏材料：称取3.og碳纳米管置于50ml烧杯中，加入10ml的γ-氨丙基三乙氧基硅烷和10ml的N,N-二甲基甲酰胺，超声分散均匀后，加入聚丙烯腈/二氧化钛/氯化银复合纳米纤维膜；水浴加热至100℃，机械搅拌回流24h～36h，得到的混合液转移至50ml烧杯中，用无水乙醇清洗反应多于的γ-氨丙基三乙氧基硅烷，用0.22μm的微孔过滤膜真空抽滤，置于75℃真空干燥箱中烘干；重复步骤六的操作，得到碳纳米管/聚丙烯腈/二氧化钛/氯化银复合纳米纤维基气敏材料。
在制备气体传感器件的时候，只要将碳纳米管/聚丙烯腈/二氧化钛/氯化银复合纳米纤维基气敏材料和适量的无水乙醇和聚乙二醇混合成为糊状，然后将糊状物均匀涂抹于气体传感器的铂丝线圈表面，置于通风厨中风干即可，然后经过200～250℃退火处理6h即可。
报警器对于易燃易爆的甲烷以及一氧化碳、硫化氢和苯系物在内的有毒危险气体灵敏度高、响应和恢复时间快。测试的结果如表1所示：
表1报警器性能测试结果
| 检测范围(ppm) | 灵敏度 | 反应时间(s) | 恢复时间(s) | |
| 硫化氢 | 5～5000 | 15～300 | 1～45 | 2～50 |
| 一氧化碳 | 7～10000 | 25～400 | 4～30 | 5～20 |
| 甲烷 | 2～350 | 5～650 | 2～25 | 8～20 |
| 苯系物气体 | 1～9000 | 15～400 | 2～25 | 5～60 |
表1的数据结果显示，采用本发明提供的报警器，对常见的有毒气体还是爆炸性气体，其灵敏度和响应-恢复时间都有大幅度的提高。将该报警器适用于陕西某矿山开采中矿井的使用，对矿井中的一氧化碳和甲烷的检测非常灵敏，报警次数误差率在0.5％以下，极大的保障了井下作业工作人员的安全。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (3)
1.一种用于瓦斯泄漏的报警器，其特征在于，包括第一通信模块(2)、第二通信模块(4)、报警模块(1)和检测模块(3)；所述第一通信模块(2)与报警模块(1)并联，所述第一通信模块(2)、报警模块(1)与第二通信模块(4)并联，所述第一通信模块(2)、报警模块(1)、第二通信模块(4)与检测模块(3)串联；检测模块(3)包括供电模块、气敏模块(10)、控制单元(5)和稳压模块(6)；所述稳压模块(6)的输入端与供电模块(7)连接，输出端分别连接至气敏模块(10)和控制单元(5)；所述气敏模块(10)的输出端与控制单元(5)连接；其中，气敏模块(10)采集环境中可燃性气体的浓度，将浓度数据传输至控制单元(5)，控制单元(5)接受信息分析处理，将信息发送给报警模块(1)进行报警输出，所述供电模块(7)提供的工作电源被稳压模块(6)稳压处理后提供给气敏模块(10)和控制单元(5)；所述气敏模块(10)包括气体敏感件(19)、气体测量室(18)、气体限制室(13，14)和气体分散道(15，16)；气体敏感件(19)设置于气体测量室(18)内，气体测量室(18)通过气体分散道(15，16)与气体限制室(13，14)相连，气体分散道(15，16)通过置于中部的气体分散膜(17)分成两个气体分散通道；气体限制室(13，14)外侧设置有两个气体入口(11，12)；气体测量室(18)的一侧设置有气体出口(21)，检测完的气体通过气体出口(21)排出；所述气体敏感件(19)内盘旋设置有两层铂丝线圈(20)，铂丝线圈(20)上涂覆有气敏材料层；所述铂丝线圈(20)上涂覆的气敏材料层的制备方法如下：
一、配制前驱液：称取5～15g氯化亚锡和10～20g乙烯基吡咯烷酮，放入锥形瓶中，然后加入20～50mL无水乙醇和20～50mL N,N-二甲基甲酰胺(DMF)，在磁力搅拌器上搅拌4～8h，得到澄清的溶液，前驱液配制完毕；
二、配制高分子混合液：称取5～10g聚丙烯腈加入到50～100mL N,N-二甲基甲酰胺中，在60～75℃条件下搅拌至溶液完全澄清，加入20～35mL无水乙醇，20～30℃超声30～60min，冷却后置于室温待用，其中，聚丙烯腈的Mw＝102700；
三、配制二氧化钛-氯化银混合液：将1.0～3.0g氯化银和2.0～2.5g二氧化钛加入到步骤二配制好的高分子混合液中，置于通风厨中20～25℃条件下使用集热式磁力搅拌器搅拌2～2.5h，搅拌转速为1000～1200rpm；
四、静电纺丝：将经步骤三配制好的混合液放入静电纺丝设备的不锈钢喷丝管中，不锈钢喷丝管的内喷管的直径为0.5mm，外喷管的直径为1.0mm，内喷管和外喷管的距离为20～30mm，用铝箔纸包裹金属板，作为收集板；内喷管和外喷管与收集板之间的距离为20cm，施加10KV直流电进行电纺丝，在收集板上收集聚丙烯腈/二氧化钛/氯化银复合纳米纤维膜；
五、制备聚丙烯腈/二氧化钛/氯化银复合纳米纤维膜：将经由步骤四制备而得的聚丙烯腈/二氧化钛/氯化银复合纳米纤维膜置于真空干燥器中，真空度为30～50KPa，真空干燥器底部放入20ml浓硫酸和0.5g硫化钠的混合物，于通风厨中静置过夜后取出聚丙烯腈/二氧化钛/氯化银复合纳米纤维膜，超纯水清洗干净；
六、马弗炉中进行煅烧，调节马弗炉的升温速率为1℃/min，升温至600℃，恒温3小时，冷却；从而得到聚丙烯腈/二氧化钛/氯化银复合纳米纤维材料；将聚丙烯腈/二氧化钛/氯化银复合纳米纤维材料使用放射线Co射线照射，辐照强度为2.5～3.0kGy/h，辐照处理时间为4～10h；
七、碳纳米管/聚丙烯腈/二氧化钛/氯化银复合纳米纤维气敏材料：称取3.0g碳纳米管置于50ml烧杯中，加入10ml的γ-氨丙基三乙氧基硅烷和10ml的N,N-二甲基甲酰胺，超声分散均匀后，加入聚丙烯腈/二氧化钛/氯化银复合纳米纤维膜；水浴加热至100℃，机械搅拌回流24h～36h，得到的混合液转移至50ml烧杯中，用无水乙醇清洗反应多于的γ-氨丙基三乙氧基硅烷，用0.22μm的微孔过滤膜真空抽滤，置于75℃真空干燥箱中烘干；重复步骤六的操作，得到碳纳米管/聚丙烯腈/二氧化钛/氯化银复合纳米纤维基气敏材料；
八、涂覆：将碳纳米管/聚丙烯腈/二氧化钛/氯化银复合纳米纤维基气敏材料和适量的无水乙醇和聚乙二醇混合成为糊状，然后将糊状物均匀涂抹于气体传感器的铂丝线圈表面，置于通风厨中风干即可，然后经过200～250℃退火处理6h即可。
2.根据权利要求1所述的报警器，其特征在于，所述铂丝线圈(20)上涂覆的气敏材料层的厚度为10～100nm。
3.根据权利要求1所述的报警器，其特征在于，所述供电模块为锂离子电池。
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