(02)_矿用传感器(01).ppt

第2章矿用传感器 2 1传感器概述 2 2甲烷传感器 2 3CO O2传感器 2 4温度传感器 2 5风速传感器 2 6风压传感器 2 7烟雾传感器 2 8开关量传感器 2 1传感器概述 一 非电量电测量二 传感器的组成和分类三 传感器的基本特性 一 非电量电测量 非电量 各种非电物理和化学量 如温度 位移 风速 压力 甲烷浓度 化学成份等 非电量电测量技术 将各种被测的非电量参数转换成电量参数进行测量的技术 包括传感器技术和电子技术 非电量电测量的优点 便于信号的传输 存储 处理 易于实现遥测 自动检测及生产过程自动控制等 一 非电量电测量 传感器将被测量转换为电量 并把它传送到信号调节器中的部件 传感器又称为变换器 转换器 探头 其中 电量是电压 电流 或电参量 电阻 电感 电容 一 非电量电测量 信号调节器传感器输出的电信号或电参数 记录显示器所需的标准电压 电流信号 其内部电路主要有 电桥电路 放大电路 滤波电路 相敏检波电路 谐振电路 阻抗变换电路 调制解调电路等 以匹配不同类型的传感器和显示记录器 一 非电量电测量 显示记录器模拟显示 如指针指示数字显示 直接显示数字图形显示 如示波器另外 对于动态过程的变化无法用显示仪及时显示的应该用自动记录器记录下来 而后用打印机或绘图仪打印结果 二 传感器的组成和分类 敏感元件 直接感受被测量 通常是先转换为一种易于转换成电量的非电量 转换元件 将非电量转换为电量 将非电量直接转换为电量的传感器称为直接转换型传感器 如热电偶 压电传感器等 经二次或多次转换为电量的传感器称为间接转换型传感器 如瓦斯传感器 压力传感器等 测量电路 放大 变换和处理 以输出标准信号 二 传感器的组成和分类 传感器分类 传感器命名 正序 传感器 压力 应变式 10kPa倒序 10kPa 应变式 压力 传感器倒序 10mm 磁电式 位移 传感器 三 传感器的基本特性 测量系统可以看作是一个信息通道 通常把被测物理量作为测量系统的输入信号 称为激励 把测量系统的输出信号称为响应 传感器可以看作是 具有两个输入端和两个输出端的二端口网络 并具有相应的输入输出外部特性 两种被测量1 不变或变化很缓慢的量2 变化迅速的量两种特性1 静态特性2 动态特性 三 传感器的基本特性 静态特性 表示被测物理量处于稳定状态或缓慢变化时 传感器的输入量与输出量之间的关系 静态特性曲线理论特性曲线 设计部门或用户给定的静态特性曲线 实际特性曲线 静态校准曲线 静态标准条件下 一定标准精度等级 重复进行全量程逐级加载和卸载测试而获得的曲线 主要静态指标 线性度 灵敏度 迟滞性 重复性 分辩力 量程 漂移等 三 传感器的基本特性 线性度 又称非线性是指传感器的输出与输入之间数量关系的线性程度 一般用校准曲线与拟合直线之间的最大偏差与满量程输出的百分比表示 它反映了实际输入输出与理想直线的偏离程度 说明 为了标定和数据处理的方便 通常进行线性化处理以使传感器的输入输出关系为线性或接近线性 但同时也带来了非线性误差 三 传感器的基本特性 灵敏度 是指传感器的输出量变化值 y与输入量变化值 X之比 即S y X 可见灵敏度表示单位输入量的变化所引起传感器输出量的变化 线性系统的灵敏度是一个常数 而非线性测量装置的灵敏度随输入量的变化而变化 灵敏度的量纲为输出量与输入量量纲之比 如某压力传感器的S为5mV MPa 三 传感器的基本特性 迟滞性 滞后或回程误差表示在规定的同一校准条件下 测量装置在同一校准级上正 反行程输出值的不一致程度 用各校准级中的最大迟滞偏差与满量程输出值的百分比表示 三 传感器的基本特性 重复性误差 表示在规定的同一校准条件下 测量装置在同一方向在全量程范围内多次重复校准 各次校准曲线之间的不一致性 用各校准级上正 反行程最大标准偏差的t倍与满量程输出值的百分比表示 三 传感器的基本特性 分辨力 是指测量系统能测到的最小输入量变化 x的能力 因全量程范围内各测量区的 x不完全相同 常用量程内的最大 x与满量程输出值的百分比k表示 称为分辨率 量程 测量系统能测量的最小输入量至最大输入量之间的范围 如光学瓦斯检定器 AQG 1型 的测定范围为0 01 10 CH4 说明 超过仪器的测量范围或者仪器的分辨力不够 则仪器不能正常工作 甚至损坏仪表 造成灾害 三 传感器的基本特性 漂移 是指在输入量不变的情况下 传感器输出量随着时间变化的现象 漂移的原因 传感器自身结构参数和工作环境的变化 最常见的漂移是温度漂移 主要表现为温度零点漂移和温度灵敏度漂移 稳定性 通常用灵敏度对时间的变化率dS dt表示检测仪表的稳定性 变化率愈小 稳定性愈高 安全仪表要保证检测数据的准确性 必须要有很高的稳定性 三 传感器的基本特性 动态特性是指被测对象随时间变化时传感器输入与输出间的关系 即传感器的响应特性 动态测量时 由于传感器的惯性和滞后 传感器的输出处于动态过渡过程之中 因此传感器的输出量不仅是输入量也是时间的函数 通常输出信号与输入信号具有不同的时间函数 而引起输出与输入间的差异 即动态误差 动态特性就是测量系统能够不失真地再现变化着的输入量的能力的反映 动态特性指标频域指标 固有角频率 工作频带 相位角等 时域指标 时间常数 上升时间 响应时间等 2 2甲烷传感器 一 热催化式甲烷传感器二 热导式甲烷传感器 一 热催化式甲烷传感器 煤矿瓦斯主要是甲烷 CH4 CO CO2 NO2 H2S H2 SO2 NH3等 CH4无色 无味 无毒 对空气的比重为0 558CH4可燃 5 16 可爆 9 5 爆炸力最强 一 热催化式甲烷传感器 检测原理 一 热催化式甲烷传感器 热电阻效应即导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的现象 二者有确定的函数关系 通常阻值随温度的变化基本上呈线性关系 金属热电阻一般称为热电阻 其电阻温度系数大多为 0 4 0 6 半导体热电阻一般称为热敏电阻 其电阻温度系数大多为 3 6 铂热电阻0 850 时 Rt R0 1 At Bt2 200 0 时 Rt R0 1 At Bt2 Ct3 t 100 其中Rt和R0分别表示t 和0 时铂热电阻的电阻值 A 3 9083 10 3 B 5 775 10 7 2 C 4 183 10 12 4 一 热催化式甲烷传感器 铂热电阻我国规定工业用铂热电阻有R0 10 和R0 100 两种 即分度号为Pt10和Pt100 不同分度号的铂热电阻有相应的分度表 即Rt t的关系表 金属纯度越高温度系数越大 通常用R100 R0表示铂的纯度 一般要求R100 R0 1 385 目前可达1 3930 对应的铂纯度为99 9995 铜热电阻 50 150 时 Rt R0 1 t 0 428 铜热电阻有两种分度号 Cu50和Cu100 一 热催化式甲烷传感器 铂丝催化元件高纯度铂丝绕制的螺旋线圈 d 25 70 m 200 500 m 构成的铂热电阻 铂丝既是催化剂 又是加热器 同时又是感温元件 优点 结构简单 稳定性较好 受硫化物中毒影响小 缺点 催化活性低 工作温度高 升华严重 寿命短 零点漂移 一 热催化式甲烷传感器 载体催化元件铂丝 加热 感温 载体 固定铂丝 传热 附载催化剂 催化剂 Pt Pd Th催化作用 降低甲烷燃烧温度 300 400 优点 对灵敏度 稳定性 功耗 寿命有很大改善 一 热催化式甲烷传感器 载体催化元件的技术特性线性度黑元件热平衡方程 I2R I2R T Q S T1 To 1 S T14 To4 白元件热平衡方程 I2R S T2 To 2 S T24 To4 其中 等效热传导系数 1 2 黑白元件的热发射率 斯蒂潘常数 T1T2To 黑白元件及环境温度 铂丝电阻温度系数 线性度与温度有关 在一定范围内 元件输出与瓦斯浓度呈线性关系 达到一定温度后 温度就很难再随催化生热Q线性增加了 线性度不一致对测量范围影响很大 有的测量上限可达5 CH4 有的仪器仅为3 CH4 且测量上限误差大 下限误差小 一 热催化式甲烷传感器 载体催化元件的技术特性灵敏度 一般要 15mV 1 CH4 当下降50 时 报废 灵敏度的影响因素 1 催化剂老化 Al2O3逐渐向 Al2O3过渡 2 催化剂中毒 催化剂中毒 催化剂毒物强烈吸附在催化剂上发生反应而使催化剂活性减少或消失的现象 暂时性中毒 硫化物 磷化物 氯化物等 永久性中毒 有机硅 铅 锡等 过滤措施 活性炭 硅胶 分子筛等 一 热催化式甲烷传感器 载体催化元件的技术特性稳定性 工作条件不变时 在规定时间内输出信号保持不变的能力 连续式元件为7天 间断式元件为7 8h 稳定性的影响因素 1 灵敏度 2 激活特性激活特性在低浓度CH4 5 5 数分钟后元件活性升高 离开高浓度环境后其活性又在数十小时内降到原值附近的现象 不利影响 零点漂移 工作不稳定 测量误差应用 元件制作时的老化处理 暂时性中毒的激活 一 热催化式甲烷传感器 载体催化元件的技术特性响应时间是指CH4浓度阶跃变化时 输出信号值达到稳定值90 的时间 标准规定 连续式为20s 间断式为15s 响应时间与元件尺寸 制作工艺及气室设计 通风方式有关 主要因素是 1 扩散时间 扩散型气室与对流型气室 2 燃烧生热 热交换至热平衡的时间 一 热催化式甲烷传感器 载体催化元件的技术特性输出特性的双值性 1 0 5 线性关系 2 9 5 拐点 3 10 读数随浓度的升高而下降 图2 2催化元件的双值性 一 热催化式甲烷传感器 载体催化元件的技术特性双值性的原因 缺氧 图2 3缺氧对催化元件的影响 一 热催化式甲烷传感器 KG9701A型智能低浓度甲烷传感器功能用途 1 瓦斯浓度显示 2 超限声光报警 3 就地断电控制 4 可以连续检测并转换成标准电信号输送给关联设备 图2 4KG9701A型CH4传感器 一 热催化式甲烷传感器 KG9701A的主要技术指标测量范围 0 00 CH4 4 00 CH4基本误差 0 00 1 00 0 1 CH4 1 00 2 00 0 2 CH4 3 00 4 00 0 3 CH4 信号输出 电流型1mA 5mA 线性对应0 00 CH4 4 00 CH4频率型200 1000Hz 线性对应0 00 CH4 4 00 CH4报警点设置 0 00 CH4 4 00 CH4连续可调断电点设置 0 50 CH4 2 00 CH4连续可调 一 热催化式甲烷传感器 KG9701A的主要技术指标显示方式 四位红色数码管 左起第一位为功能显示 后三位显示测量值 功能位显示 1 调零 2 精度调节 3 报警点设置 4 断电点设置 5 自检 报警方式 声光报警 声音强度 80dB 光能见度 20m响应速度 20s信号传输距离 2km工作稳定性 可连续工作15天 整机工作电压 9 24VDC 本安电源 安全特征 防爆标志Exibd 使用环境 0 40 湿度 98 80 116kPa 风速 8m s 催化元件寿命 1年 一 热催化式甲烷传感器 KG9701A的工作原理 一 热催化式甲烷传感器 KG9701A传感器的接线将来自分站的专用电缆航空插头按对应位置插入传感器上的航空插座 并旋紧固定 电缆航空插头的接线为 1号口 电源正极 红色线 2号口 电源负极 蓝色线 3号口 恒流或频率信号输出 白色线 4号口 恒流断电控制信号输出 绿色线 一 热催化式甲烷传感器 KG9701A传感器的调校 零点调节 传感器通电工作预热20分钟 按遥控器上的 选择 键使小数码管显示为 1 然后按 或 键使大数码管显示为0 00 即调零完毕 精度调节 在地面新鲜空气中 通入每分钟200毫升的标准气体 如 2 0 CH4 按遥控器上的 选择 键使小数码管显示为 2 再按 键或 键使大数码管显示数值与标准气体浓度值一致 一 热催化式甲烷传感器 KG9701A传感器的调校 报警点设置 按遥控器上的 选择 键使小数码管显示为 3 再按 键或 键使大数码管显示数值为所要设置的报警值 如掘进工作面放置的瓦斯传感器应设置为1 00 断电值设置 按遥控器上的 选择 键使小数码管显示为 4 再按 键或 键使大数码管显示数值为所要设置的断电值 一 热催化式甲烷传感器 KG9701A传感器的调校 自检 按遥控器上的 选择 键使小数码管显示为 5 此时传感器的显示值应为2 00 对应的输出信号值应为360Hz或1 80mA 注意 传感器参数调节后 必须在断电之前 按遥控器上的 选择 键使小数码管的显示值循环至消隐 修改后的参数才能存入传感器的存储器内 否则 此次调校无效 一 热催化式甲烷传感器 KG9701A传感器的常见故障分析 传感器显示L LL 表示传感头内部接线松动或催化元件损坏 传感器显示8 88或反复显示00 00 表示传感器距离分站太远 传感器显示H HH 表示传感器满数或超限 此时应重新把传感器线缆插头插接一次 一 热催化式甲烷传感器 KG9701A传感器的常见故障分析 传感器自检显示2 AA或2 bb 表示零点漂移过大 须机械调零 打开传感器后盖 通电20分钟后 同时按下遥控器或传感器电路板上的三个按键3秒钟 然后立即按 选择 键 使小数码管显示 1 再用螺丝刀调节电位器P1使大数码管显示为0 00 进行此操作后必须用标准气体重新校准传感器后才可使用 报警有光无声或无光无声 蜂名器及其连线故障 报警灯或其控制器件或晶体管故障 小数码管显示乱跳或无法控制 传感器线路板上数码管旁的遥控接收头 SFH 故障 二 热导式甲烷传感器 热导式检测原理被测气体浓度的变化 混合气体热导率的变化 敏感元件温度的变化 电阻的变化 热传导及热导率 二 热导式甲烷传感器 热导率与被测气体浓度的关系 混合气体的热导率近似为各气体成分热导率之和 若待测气体热导率与其它成分气体的热导率有较大差异 则混合气体热导率与待测气体浓度近似成正比 故只要检测出热导率的变化 就可确定待测气体的浓度 二 热导式甲烷传感器 检测电路 图2 7气体热导元件及检测电路 二 热导式甲烷传感器 敏感元件金属丝热电阻 半导体热敏电阻 热线式半导体气敏元件热导式的特点 优点 测量范围宽 功耗小 寿命长 无中毒及激活问题 缺点 选择性差 CO2使示值降低 H2O使示值增加 线性和稳定性差 灵敏度低 零点漂移严重 适于测定高浓度的瓦斯 二 热导式甲烷传感器 产品型号 KG900lB产品说明 热催化原理与热导原理相结合主要技术指标 测量范围 0 100 00 CH4测量精度 0 00 1 00 CH4 0 10 CH4 1 00 2 00 CH4 0 20 CH4 2 00 4 00 CH4 0 30 CH4 4 00 40 00 CH4 8 00 CH4响应时间 30s调校周期 1个月使用寿命 1 5年信号带负载能力 0 400 报警方式 80dB 声强 能见度 20m 光强 报警点范围 0 5 2 5CH4连续可调断电点 0 5 0 75 1 0 1 25 CH4 采样方式 扩散式整机工作电压 9 24VDC整机工作电流