通風安全監(jiān)測工

礦用傳感器在礦井監(jiān)控系統(tǒng)中，所需監(jiān)測的物理量大多數(shù)是非電量，如：甲烷、風速、溫度等，而這些物理量是不宜直接進行遠距離傳輸?shù)?。為了便于傳輸、存儲和處理，就必須對這些物理量進行交換，將他們變換成便于傳輸、存儲和處理的物理量。目前最能滿足這些要求的是電信號。4.1基礎(chǔ)知識傳感器組成：敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、測量電路和輔助電源?！诘V井監(jiān)控領(lǐng)域又將敏感元件和轉(zhuǎn)換元件統(tǒng)稱為傳感元件。在進行非電量到電量的轉(zhuǎn)換時，并非所有的非電量都能利用現(xiàn)有技術(shù)一次直接轉(zhuǎn)換為電量，而是將被測非電量先轉(zhuǎn)換為另一種便于轉(zhuǎn)換為電量的非電量。敏感元件就是將所輸出的非電量轉(zhuǎn)換為電量的器件。4.1.1基本概念4.1.1.1量程—是傳感器的主要輸入特性，是指傳感器所允許測量被測物理量的量值范圍。一般用傳感器允許測量的物理量的上、下極限來表示，如：甲烷傳感器的量程為0～4.0%CH4，在使用中，如果被測物理量超出了傳感器所規(guī)定的量程范圍，將會造成較大的測量誤差或傳感器的損壞。4.1.1.2精度—任何傳感器的測量結(jié)果都是被測物理量的近似值表示，精度表示傳感器的測量結(jié)果與被測實際值的接近程度。4.1.1.3遲滯—傳感器在輸入量X增大（正行程）或減?。ǚ葱谐蹋r，輸出/輸入曲線不重合的程度。4.1.1.4重復(fù)性—指傳感器在相同的工作狀態(tài)下，重復(fù)地輸入一個相同的值時，其輸出的一致性程度。4.1.1.5線性度—為了標定和數(shù)據(jù)處理，一般要求傳感器的輸出與輸入成線性關(guān)系，并能準確地反映被測量的實際值。（實際使用的傳感器，其輸出與輸入之間并不是所要求的線性關(guān)系）4.1.1.6靈敏度—是指傳感器的輸出增量與輸入量之比，即：靈敏度=△y/△x靈敏度一般用擬合直線的斜率來表示。4.1.2供電方式

礦用傳感器的供電方式有內(nèi)部供電和外部供電。4.1.2.1內(nèi)部供電方式傳感器內(nèi)部供電方式包括傳感器自帶整流電源和蓄電池（或干電池）兩種。傳感器自帶整流電源，體積大、重量重，并且在傳感器的設(shè)置位置上，不一定好取交流電源。蓄電池（或干電池）供電，需要定期對蓄電池充電，維護工作量較大。4.1.2.2外部供電方式可以減小傳感器體積，便于維護，傳感器的外部供電方式包括就近供電和集中供電兩種。4.1.2.2.1就近供電外部供電方式是指由系統(tǒng)分站電源、或電控箱向傳感器的供電的方式。如：

供電電纜分站電源傳感器優(yōu)點：供電距離近、功耗小、簡單方便等。為了保證在交流供電網(wǎng)短時停電的情況下，傳感器仍能正常工作不小于2小時，在一些分站電源、或電控箱、或電源箱中還設(shè)置了一定容量的蓄電池。

4.1.2.2.2集中供電方式優(yōu)點：保證在井下供電不正常的情下，仍能對被測物理量進行監(jiān)測。缺點：在同樣的監(jiān)控容量下，需要的電纜較多，系統(tǒng)投資較大，并且不便于安裝維護。如：中心站電源傳感器供電電纜4.1.3輸出信號在礦井監(jiān)控系統(tǒng)中，被測物理量可分為開關(guān)量和模擬量兩大類。開關(guān)量就是只取兩種狀態(tài)的物理量，如：采掘機、運輸機、風機的開停等。開關(guān)量可以用電壓的有無、電流的有無和極性來表示。U（I）t用電壓U或電流I表示的開關(guān)信號U（I）tK1K2K3K4K5K6K7K8數(shù)字信號表示開關(guān)量狀態(tài)模擬量就是量值連續(xù)變化的物理量，如：甲烷濃度、風速、一氧化碳濃度等。模擬量可以用電壓的大小、電流的大小和頻率的高低來表示U（I）t模擬信號U（I）t1010111數(shù)字信號表示模擬量大小數(shù)字信號和頻率型信號均用脈沖表示，但有以下根本區(qū)別：1）數(shù)字信號的脈沖持續(xù)時間恒定不變；而頻率型模擬信號的脈沖持續(xù)時間隨著頻率的增高而減小：2）數(shù)字信號表示模擬量大小存在量化誤差；而頻率型模擬信號可以準確表示模擬量大小；3）數(shù)字信號不同位置的脈沖表示不同位置;而頻率型模擬信號的任何位置的脈沖均表示同一數(shù)值.4.1.3.1開關(guān)信號開關(guān)信號輸出接點可以是有源接點,也可以是無源接點.輸出接點開關(guān)量輸出裝置U出＋I出I出輸出接點U出開關(guān)量輸出裝置有源接點輸出的高電平電壓應(yīng)不小于+3V（輸出電流為2mA時），低電平電壓應(yīng)不大于+0.5V(輸出電流為2MA時）。無源接點輸出的截止狀態(tài)的漏電阻應(yīng)不小于100K?，導(dǎo)通狀態(tài)的電壓降應(yīng)不大于+0.5V灌入電流為2MA時）。4.1.3.2模擬信號模擬信號主要有電壓型、電流型和頻率型。4.1.3.2.1電壓型電壓型模擬信號的電壓隨被測物理量變化而變化，電壓型模擬信號一般為0～5V。Ut(a)tU(b)電壓型模擬信號(a)被測物理量(b)電壓型模擬信號傳感器分站RIU0U1分站輸入的電壓型模擬信號4.1.3.2.2電流型電流型模擬信號的電流隨被測物理量的變化而變化，電流型模擬信號一般為1～5mAAt(a)t(b)A電流型模擬信號(a)被測物理量(b)電流型模擬信號傳感器分站I0Ii△Ir分站輸入的電流型模擬信號4.1.3.2.3頻率型頻率型模擬信號的頻率隨被測物理量變化而變化，頻率型模擬信號一般為200～1000Hz.At(a)At(b)(a)被測物理量(b)頻率型模擬信號4.1.4模擬信號的轉(zhuǎn)換4.1.4.1電流/電壓（I/V）及電壓/電流（V/I）4.1.4.1.1I/V轉(zhuǎn)換

AV0RFIFIiIbVZ+-I/V轉(zhuǎn)換電路（其中V0是輸出電壓，Ii是輸入電流，RF為運算放大器反饋電阻）4.1.5技術(shù)要求4.1.5.1低濃度甲烷傳感器的技術(shù)要求（1）測量范圍及基本誤差0≤X≤1.0%CH4≤±0.1%CH4

1.O%CH4<X≤2.OCH4≤±0.2%CH42.0%CH4<X≤4.0CH4≤0.3%CH4(2)報警范圍及基本誤差0.5%CH4≤X≤1.5%CH4≤41±0.1%CH4(3)聲光報警1m處≥85dB,能見度≥20m(4)響應(yīng)時間≤30m(5)穩(wěn)定性≥7d4.2甲烷傳感器甲烷濃度監(jiān)測是礦井安全監(jiān)控的首要內(nèi)容。當環(huán)境中甲烷濃度大于或等于報警濃度時，發(fā)出聲光報警信號；當環(huán)境中甲烷濃度大于或等于斷電濃度時，切斷被控區(qū)域的全部非本質(zhì)安全型電氣設(shè)備的電源并閉鎖，當甲烷濃度低于復(fù)電濃度時解鎖。甲烷傳感器按其工作原理可分為催化燃燒式、熱導(dǎo)式等。在礦井安全監(jiān)測中，用于低濃度甲烷監(jiān)測主要是催化燃燒式，用于高濃度甲烷監(jiān)測主要是熱導(dǎo)式。4.2.1催化燃燒式催化燃燒式甲烷傳感器的工作原理是：在傳感器元件表面的甲烷，在催化劑的催化作用下，發(fā)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。催化燃燒式甲烷傳感元件有鉑絲催化元件和載體催化元件兩種。鉑絲催化元件采用高純度的鉑絲制成線圈，鉑絲既是催化劑，又是加熱器。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性好，受硫化物中毒影響小。缺點：催化活性低，必須在座900℃以上高溫才能使元件工作，這樣耗電大，在高溫的作用下還會導(dǎo)致元件表面蒸發(fā)，使鉑絲變細，電阻增大，造成傳感器零點漂移。4.2.1.1載體催化元件結(jié)構(gòu)及工作原理載體催化元件一般由一個帶催化劑的傳感元件（俗稱黑元件）和一個不帶催化劑的補償元件（俗稱白元件）組成。黑元件由鉑絲線圈、氧化鋁載體和表面的催化劑組成。工作原理：鉑絲線圈給元件加溫，提供甲烷催化燃燒需的溫度，同時甲烷燃燒放出的熱量使其升溫，通過測量其電阻變化，就可測得空氣中甲烷的濃度。4.2.1.2影響載體催化元件主要技術(shù)性能的因素4.2.1.2.1雙值性空氣中甲烷濃度低于9%時，甲烷能夠充分燃燒，甲烷濃度越高，載體催化元件的電阻變化就越大。當空氣中甲烷濃度高于9%時，甲烷不能充分燃燒，甲烷濃度越高，載體催化元件的電阻變化就越小。4.2.1.2.2激活元件在甲烷濃度1%以下的甲烷空氣混合物中使用，一部分Pd會被氧氣氣化，生成PdO，使元件活性降低，但當空氣中甲烷濃度大于10%PdO時，PdO又被還原為Pd,元件靈敏度提高，元件又被激活，元件的穩(wěn)定性被破壞，并且在短時間內(nèi)不能恢復(fù)。4.3.1.2.3催化劑中毒硫化合物、磷化合物以及有機硅蒸氣等強烈地吸咐在催化劑上，與Pd反應(yīng)生成新的化合物，降低催化劑活性，嚴重時會使催化劑完全失去活性。4.2.1.2.4靈敏度變化由于高溫燒結(jié)，催化劑活性物質(zhì)的粒子會變大，還會升華為氣態(tài)等，這些都會使元件的催化活性下降，使靈敏度下降。4.2.1.2.5響應(yīng)時間響應(yīng)時間是指甲烷濃度發(fā)生階躍變化時，電橋輸出信號達到穩(wěn)定值90%時所需要的時間。一般要求連續(xù)式響應(yīng)時間為20S，間斷式響應(yīng)時間為6S。4.2.1.2.6氣流流量進入檢測氣室的氣體流量影響催化元件靈敏度。如圖所示：靈敏度Mv/2%CH450100150200250流量（ml/min)4.2.1.2.7線性度在低濃度范圍內(nèi)，催化燃燒產(chǎn)生的熱量隨甲烷濃度的增加而增大。但由于元件溫度增加時，其散熱量也增大，從而導(dǎo)致元件溫度不隨催化燃燒熱量而線性增大。因此甲烷濃度不大于4%時，元件的輸出與甲烷濃度基本成線性關(guān)系，當甲烷濃度大于5%時，元件輸出與甲烷濃度很難保持線性關(guān)系。4.2.2熱導(dǎo)式熱導(dǎo)式甲烷傳感器的工作原理是：利用甲烷的熱導(dǎo)率高于新鮮空氣的熱導(dǎo)率，通過熱敏元件測量甲烷空氣混合物熱導(dǎo)率的變化，進而測得甲烷混合物濃度的變化。氣體的熱導(dǎo)率隨溫度的增大而增大。環(huán)境溫度的變化也將影響熱導(dǎo)式甲烷傳感器的測量精度。因此，熱導(dǎo)式甲烷傳感器必須對環(huán)境溫度進行補償，并保持氣室溫度恒定。4.3一氧化碳傳感器井下空氣中一氧化碳濃度較高時，會使人中毒，同時，一氧化碳又是預(yù)測和監(jiān)測煤炭自燃發(fā)火的主要技術(shù)指標。分類：一氧化碳傳感器按其工作原理可分為電化學式、紅外吸收式等。電化學式電解質(zhì)溶液與電極間發(fā)生化學能與電能之間的轉(zhuǎn)換稱為電化學反應(yīng)。電化學反應(yīng)是氧化還原反應(yīng)。不同物質(zhì)的氧化還原反應(yīng)必須在一定的電極電位下進行。例如：CO2/CO氧化還原對的可逆電極電位為—0.12V,只要維持陽極電位高于—0.12V，CO就被氧化。其化學反應(yīng)式為：陽極：CO+H2O→CO2+2H+2e陰極：O2+4H+4e→2H2O2CO+O2=2CO2如果采用氣體擴散電極，反應(yīng)電流I與CO濃度C具有線性關(guān)系：I=Nfad/L·C式中I-反應(yīng)電流C-CO濃度A-反應(yīng)界面面積L-擴散電極膜厚D-膜中氣體擴散系數(shù)N-反應(yīng)中電子轉(zhuǎn)移數(shù)F-法拉第常數(shù)4.3.2紅外線吸收式不同原子結(jié)合成的氣體分子對特定波長的紅外線具有吸收能力,通過檢測入射光強度的變化,就可測定一氧化碳氣體的濃度。4.4風速傳感器在煤礦開采的過程中，總有瓦斯涌出。為稀釋礦井空氣中的瓦斯，需不斷地向井下輸送新鮮空氣。風量是通風系統(tǒng)的重要參數(shù)之一。分類：超聲波旋渦式和超聲波時差式兩種。4.4.1超聲波旋渦式風速傳感器超聲波旋渦式風速傳感器首先將風速換成與風速成正比的旋渦頻率，然后通過超聲波將旋渦頻率轉(zhuǎn)換成超聲波脈沖，后將超聲波脈沖轉(zhuǎn)換成電脈沖，從而測得風速。F=S·V/D超聲波旋渦式風速傳感器優(yōu)點：1）無可動部件，無機械磨損，性能穩(wěn)定，使用壽命長；2）輸出本身就是與風速成線性關(guān)系的脈沖頻率信號，沒有零點漂移，測量精度高。3）輸出信號不受流體特性（溫度、濕度、壓力、密度等）影響。4）響應(yīng)迅速。4.5溫度傳感器礦井環(huán)境溫度除影響著礦工的工作效率和身心健康外，還是煤炭自燃發(fā)火的重要指標之一。分類：熱電偶、熱電阻、熱敏電阻、半導(dǎo)體紅外和光纖等。4.5.1熱電偶式、熱電阻式與熱敏電阻式溫度傳感器熱電偶溫度傳感器就是將兩種不同的金屬材料連接在一起，形成一個閉合回路。當兩種不同的金屬材料的兩個接點之間存在溫差時，就在兩者之間產(chǎn)生電動勢，進而在回路中形成電流。熱阻式溫度傳感器就是利用導(dǎo)體電阻隨溫度的變化而變化的特性來測量溫度。熱敏電阻溫度傳感器就是利用半導(dǎo)體電阻隨溫度變化而變化的特性來測量溫度的。4.5.2半導(dǎo)體式溫度傳感器利用半導(dǎo)體PN結(jié)正向電壓隨溫度變化而變化的特性來測量溫度的。優(yōu)點：體積小、成本低、功耗低、響應(yīng)快、線性度好。4.5.3