矿井安全生产监测监控系统-第五章

,第5章矿用监控系统传感器,1、瓦斯、CO、温度传感器原理(了解)2、风速、负压、开关量传感器(了解)3、了解矿井的环境参数，工况参数和这些参数的现实意义；(了解),4、了解对井下环境参数，工矿参数的检测方法；(了解)5、传感器的设置与调校；(重点掌握),矿井环境参数主要有：,甲烷、氧气、粉尘、井巷硐室和工作面温度、风量与负压、一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫和硫化氢等；还有顶板活动状态、地层构造、水文情况等。矿井工况参数主要有：风筒风量、风门开关、胶带开停、煤仓煤位、采煤机组位置、输送机工作状态、胶带打滑、排水系统、压风系统、主要通风机工作状态等工作状况参数。传感器的作用一是“感”，二是“传。在测控系统中，一般是将被测物理量变换为电信号，所以传感器是把非电信息变换为电信号的装置。,一、传感器的组成,图5-1传感器组成方框图,各种传感器介绍,用于检测煤矿井下空气中的甲烷含量。是智能型检测仪表，具有自动稳零、低功耗、软启动、环保电源、精度高、稳定可靠等特点。各种操作可通过遥控器来实现，免开盖调试。能与国内各种监控系统、风电瓦斯闭锁、断电仪配套使用。,KGY-002A智能遥控甲烷传感器,各种传感器介绍,测量范围：0-4%CH4测量误差：0.00-1.00%CH4，0.10%CH41.00-2.00%CH4，0.20%CH42.00-4.00%CH4，0.30%CH4响应时间：小于30S报警点：0.5-2.5%CH4可调报警方式红色LED灯闪烁、蜂鸣器鸣叫输出信号200-1000Hz或4-20mA工作电压本安DC8V-22V，电流50mA,KGY-002A智能遥控甲烷传感器,GTH100/500煤矿用一氧化碳传感器,是用于连续检测煤矿井下CO气体浓度的高精度仪表。具有红外遥控调校零点、灵敏度、报警点等功能。传感器除了和KJ83煤矿安全监控系统配套使用外还可和国内其它监控系统配套使用。,GTH100/500煤矿用一氧化碳传感器,测量范围：0-100PPm或0-500PPm测量误差：2响应时间：小于40S报警点：24PPm报警方式红色LED灯闪烁、蜂鸣器鸣叫输出信号：200-1000Hz或4-20mA工作电压本安：DC8V-21V工作电流50mA；报警电流70mA,GPD1/5煤矿用负压传感器,采用扩散硅压力传感器芯片开发的固定式仪表。主要用于连续监测矿井通风总负压、矿井风机差压、井下风门两侧及矿井密闭墙内外压力差，是矿井通风安全参数测量的重要仪表。具有红外遥控调校、调校简单等特性。传感器除了和KJ83煤矿安全监控系统配套使用外还可和国内其它监控系统配套使用。,GPD1/5煤矿用负压传感器,测量范围0-1KPa或0-5KPa测量误差2响应时间小于30S输出信号200-1000Hz或4-20mA工作电压DC12V-21V工作电流50mA,GFC-15煤矿用风速传感器,采用超声波测量原理。主要用于连续监测矿井通风总回风巷、井下主要测风站、扇风机等处的风速，是矿井通风安全参数测量的重要仪表。具有红外遥控调校、调校简单等特性。传感器除了和KJ83煤矿安全监控系统配套使用外还可和国内其它监控系统配套使用。,GFC-15煤矿用风速传感器,测量范围0.3-15m/s测量误差小于0.3m/s响应时间小于40S显示三位LED就地显示输出信号200-1000Hz或4-20mA工作电压DC8V-21V工作电流70mA,GKT-L煤矿用设备开停状态传感器主要用于监测矿井机电设备运行状态，将机电设备开停状态信号转换为电流信号，传送到监控分站。,GFK-L煤矿用风门开闭状态传感器，主要用于监测矿井主要风门的开关状态。,ZQJD-1矿用断电馈电转换器,矿用断电馈电转换器是矿井安全监控系统的配套设备，与监控分站配套使用实现远程断电，同时作为风电瓦斯闭锁装置的组成部分之一。传感器监测被控电气设备的断电、馈电状态，通过监控分站将状态信息传送到地面中心站。,ZQJD-1矿用断电馈电转换器,电源：DC9V-21V、整机电流10mA馈电状态转换器：输入端电压：AC36V动作距离:不大于10m至分站距离:不大于3km；外形尺寸及重量19019084；重量：1.8kg,KHJ-03F风电甲烷闭锁装置,以AT89S8252微处理器为核心的煤矿安全监控装置。该装置用于监测煤矿甲烷和局部通风机状态，并实现当通风机未开或风力不足，以及甲烷超限报警时，能自动切断并闭锁被控区域动力电源的控制功能。因此，使用该装置可有效地防止煤矿瓦斯爆炸事故。闭锁装置适用于高瓦斯矿井，特别适用于采用局部通风的掘进工作面对甲烷的有效监控。,KHJ-03F风电甲烷闭锁装置,风电瓦斯闭锁基本配置主机1台ZQJD-1断电馈电转换器2台KGY-002A甲烷传感器3台GKT-L开停状态传感器2台,KGY-002K双路甲烷超限断电仪,自身带有本安电源并具有双路甲烷超限断电功能。主要特点：两个模拟量传感器和两个开关量传感器；两路模拟量信号轮流显示，开关量状态显示；两种断电输出方式，简化断电系统设备，降低应用成本。,JCB-C2000型智能甲烷检测报警仪此报警仪，是采用微电脑数字技术的超小型便携式智能仪表，主要用于检测煤矿井下空气中的甲烷气体浓度，具有自动调零、报警、连续自动记录120组数据等功能。体积小、密封好、精度高、稳定可靠，可供井下所有工作人员携带使用。,1、甲烷是天然气、沼气、油田气和煤矿坑道气（瓦斯）的主要成分。化学式：CH4,先了解一下甲烷,5.1甲烷传感器,（1）物理性质,2、甲烷的性质,无色无味，易燃、无毒的气体，密度小于空气,（2）化学性质,燃烧,爆炸浓度在5%16%之间,2)甲烷本身虽然无毒，但空气中甲烷浓度过高时，相对降低了空气的含氧量，对人有窒息作用。,3甲烷检测的意义,3)煤矿安全规程中对井下工作面或巷道中甲烷含量有明确规定，利用甲烷传感器检测矿井瓦斯（甲烷）浓度，防止瓦斯爆炸，对保证煤矿安全生产具有重要意义。,1)甲烷是一种可燃性气体，当甲烷在空气中含量为516时，具有爆炸危险性；含量为9.5时、爆炸力最强；当含量高于16时，没有爆炸性，但可以燃烧，为淡蓝色火焰。,4常用甲烷浓度传感器载体热催化传感器：简单实用、价格低廉：2200元以内，目前国内甲烷检测的主流；但量程小：0-4%，寿命短：约1年，反应慢：30S，且易发生H2S和高浓度甲烷中毒。光干涉传感器：光电转换技术没有突破。,系列催化元件,热导传感器：测量范围0100，但只有在860CH4范围内满足精度要求，通常用作高浓度段瓦斯的测量；测值受环境温度影响大，不易补偿；红外传感器：测量范围可达0-100%，寿命5-8年，反应时间15S以内，价格8000元以内。,英国E2V的红外气体传感头,中国重庆院红外气体传感头,5.1.1矿用甲烷传感器检测方法1铂丝传感元件检测方法1）铂的电阻值与温度的关系,（1）-1900范围内，其关系式为：,（2)0630.74范围内，其关系式为：,Rt-温度为t时的电阻值；R0-温度为0时的电阻值；式内常数:,为计算简便，一般情况下，常用,近似表示。,2）铂丝电阻的结构,将铂材料细丝，绕制在云母、石英或陶瓷骨架上，呈螺旋管状。,当测温范围在200500时，其骨架和外层保护管用特殊玻璃制成；,测温范围在5001000时，其骨架和外层保护用石英材料制作。,工作原理：,3）铂丝传感元件检测甲烷工作原理,按技术要求，将细铂丝绕制在耐高温的石英骨架上，并加以固定和罩盖，即构成检测元件。,甲烷浓度变化,（1）元件结构和工作原理,元件结构：,在铂丝中通入工作电流，使甲烷和氧气发生氧化反应，氧化时产生大量热量使铂丝温度上升到起燃温度（900）(较高)，甲烷和氧气稳定燃烧。,（2）性能特点,b)铂丝传感器元件不但对甲烷浓度变化反应灵敏，而且还具有耐氧化、抗毒性能好的优点。,a）因铂丝的电阻系数较大，铂丝传感元件分辨力强和灵敏度高的优点。,c)铂丝元件在还原性介质中连续工作时，尤其在高温条件（900以上）工作，铂丝升华比较严重，使铂丝变脆和变细，改变了元件电阻与温度的对应关系，导致传感器发生零点漂移和精度降低，进而还会大大降低元件使用寿命。,2载体催化燃烧式传感元件检测法1）载体热催化元件结构载体热催化元件是在细铂丝绕制的小螺旋线圈上包裹一层多孔结构的氧化物，然后在其表面涂镀一层黑色铂族元素构成的。其结构如图所示。,（1）铂丝线圈它是用铂丝绕成的螺旋状的小线圈。正常工作时首先通入几十至几百毫安的电流，使催化剂加热，并达到起燃温度。（2）载体以骨架形式包围铂丝线圈的氧化铝（AI2O3）为载体。固定铂丝线圈，又能提高催化剂的活性和抗毒能力。,（3）催化剂在载体表面涂镀一层黑色的铂族金属元素（如钯、铂、铑等）。可在300500的较低温度下便可产生强烈的氧化还原反应，即无焰燃烧。,氧化铝结构,活性氧化铝：多孔状、高分散度的固体材料有很大的表面积，吸附性能好，热稳定性优良，是很好的催化剂载体。,传感元件表面有甲烷存在时，发生氧化还原反应。生成二氧化碳和水，同时释放出热量。氧化反应方程式为：,2）载体热催化元件检测原理,甲烷浓度变化,铂丝的温度增量t与甲烷燃烧存在下述关系：,由于铂在0630.74内，阻值与温度关系是:,令：则有：令：则有:由上式可以看出在0630.74范围内与甲烷浓度成正比，即,3）载体催化燃烧式甲烷传感器组成,为测量方便，把对甲烷直接采集和测量的部分制作成探头，探头的测量电路是一个电桥电路。,黑白元件,(1)黑元件：是载体催化燃烧元件，它是热化学反应测量中的核心元件。当甲烷气体接触到涂在元件表面的催化剂时，便与氧气产生无焰燃烧。使黑元件温度升高，桥臂中铂丝电阻增大，而白元件不发生反应，电阻值不变，两元件串联，桥路中AB两点便输出了与甲烷浓度成正比的差值电压信号。将这一代表着甲烷浓度高低的电压信号，进行变换、处理，即可实现浓度显示、超限报警或断电。,(2)白元件：白元件技术参数的结构与黑元件相同，它是补偿元件，表面不涂催化剂，它不产生催化燃烧，对催化元件阻值变化（由外界温度、湿度、风速等变化引起的）起补偿作用。,黑白元件要求为满足隔爆和风流对测量精度的影响的要求，黑、白两元件均放置在隔爆罩内。使用中要注意：,(1)黑白元件出厂时，经过严格筛选匹配，不可任意拆套使用。,(2)固定桥臂电阻R1、R2。选R1=R2,一般取几十至几百欧。,(3)W1是调零电位器，在无甲烷状态下调整调零电位器，使输出电压为零。(4)补偿电阻R2是补偿黑白元件热学性质差异的元件，亦改善电桥的零点漂移。由于黑白元件颜色差异大，对辐射的影响明显不同，黑元件比白元件热辐射能力强。在通过相同电流时，黑元件升温快，其阻值比白元件上升快，为改善这一影响，在白元件两端并联R2，以改善电桥的动平衡。,测得桥路输出的不平衡电压，与甲烷浓度成正比。可求得电桥输出电压为：,4）测量电桥原理分析,=,=,证明：,电桥处于平衡状态，无信号输出。,则有：,当甲烷进入气室接触到黑元件时，发生无焰燃烧，使黑元件温度高于白元件的温度，此时电阻值为：,整理后有：,当甲烷浓度很低时，温度增量t很小，分母中的KM项值可以忽略不计，此时输出信号可近似地用下式表示：,由上式分析可得出结论：当电源电压V不变时，输出电压,与甲烷浓度M成正比。,载体催化元件的中毒和寿命传感器的催化剂与其他催化剂一样，有中毒现象发生，受硫化物、卤素化合物以及Si、Sb、Pb等物质的影响，其催化活性（传感器的灵敏度）会逐渐下降，称之为传感器中毒。使用时，要注意中毒物质，要尽可能选择抵抗中毒能力较强的传感器为好。,传感器受中毒物质的毒害和长期加热以及表面污染等影响，传感器的灵敏度会缓慢下降，可通过定期标定增加电路放大器的放大倍数来解决。但是，当传感器的寿命终结时，其灵敏度会急剧下降，不能使用，必须更换。一般传感器的寿命35年，比电化学式传感器寿命较长，比红外式和光离子化式较短。其寿命与使用环境和正确维护有很大关系。,44,载体催化元件的激活现象与对策载体催化元件遇高瓦斯时输出值升高，过一段时间才能恢复正常,称为激活。原因:元件工作或放置一段时间后Pd1/2O2PdO活性较低遇高浓度瓦斯后：4PdOCH44PdCO2H2O元件被激活解决办法：高低浓度组合式；恒温电路,3热导式传感元件检测法1）热传导热传导是气体、液体和固体都存在的导热现象。气体的热传导速度最低。无论任何物体和空间，只要内部存在温度，热量就会由高温处向低温处传导。气体中的热传导是由分子运动实现的，在某一物体或空间中发生纯粹热传导时从高温处移至低温处的气体分子数，等于从低温处移动到高温处的气体分子数。,2）热导率,热导率是热传导速率的简称。气体分子量的大小决定着其导热率的高低，气体分子量越大，其热导率越小，反之越大。由于不同气体物质的分子量不同，所以，不同的气体热导率是不同的。煤矿井下含有一定浓度甲烷的混合气体，与不含甲烷的标准空气的热导率是不相同的。因此，只要测出含有甲烷的空气的热导率，就可以测出所对应的甲烷含量或浓度。,3）热导式传感元件的结构,采用电阻温度系数较大的铂丝或钨丝制作。把两个性能完全相同的传感元件分别连接在电桥电路两个对应桥臂上。其中一只放置在被测气体相通的气室中，另一只放在充满地面标准大气的密闭气室中。前者是测量元件，后者是补偿元件，如图。,4）热导式传感元件工作原理,在串联的两传感器元件中通入相同的电流时，产生的热量必然是相等，但是由于两气室中散热介质不同，使两元件出现温差，此温差导致两元件产生热态电阻差，电桥电路不再平衡，输出一个与甲烷浓度变化成正比例关系的直流电压信号。,由于气体的热导率随温度的增大而增大。因此环境温度的变化也会影响热导式甲烷传感器的测量精度。,高浓度甲烷的热导率与空气的热导率相差较大，所以，在测量高浓度甲烷时，采用热导元件效果是最好的，但如果甲烷的浓度太低，其热导率与空气热导率接近，测量时，只能产生微弱信号，输出灵敏度和分辨力必然是很小的，故此类传感元件不适应低浓度甲烷的测量。,4其他传感元件,利用光干涉、声波、气敏和红外激光等物理手段，也可以制作各种传感器，对瓦斯进行检测。,同一光源发出两束光，分别经过空气参考气室、待测气体气室之后，再相遇产生干涉条纹。待测气体气室中瓦斯浓度不同，产生干涉条纹位置不同，据此确定瓦斯浓度。,声波在不同的分子量的介质中和在不同浓度组成的混合气体中传播时，声波的传播速度各不相同，因此，可根据声波传感元件在气体介质中传播速度的变化，检测出气体介质成分及其浓度的变化。据此，制作出声波瓦斯传感器。,光干涉传感器,声波传感器,某些金属氧化物如氧化锡(Sn02)、氧化锌(Zno)等制成的气敏元件，在一定的温度(600左右)下吸附不同气体后，电阻率将发生大幅度变化，当甲烷浓度升高导致温度升高时，元件的电阻率将发生大幅度变化，从而引起电阻两端电压信号的明显变化。,每一气体对红外光波有一个或几个固定吸收谱线。甲烷的吸收谱线是3.39m与7.6m。当红外激光通过瓦斯气体后，激光束将被部分的吸收而削弱，被削弱的程度与瓦斯的浓度有关，瓦斯浓度越大，吸收现象越严重，光强减弱越大。根据光的强度高低可测出瓦斯浓度。,气敏传感器,红外传感器,5.1.2KGY-002A型智能遥控甲烷传感器智能遥控甲烷传感器可以配接各种型号的井下分站、风电瓦斯闭锁装置、断电仪等设备，用于检测煤矿井下空气中的甲烷含量，组成监控系统的一种智能型检测仪表。1.智能遥控甲烷传感器的特点,1）零点稳定,硬件电路特别设计，低漂移。专有的软件设计，对零点漂移自动识别跟踪、自动稳零。配合遥控器调零，可达到在井下6个月以上不用开盖硬件调零。,2）低功耗整机工作电流：21V供电时，45mA；18V供电时，50mA。3）软启动,图55KGY-002A智能遥控甲烷传感器,启动电流从18mA起步，最高到55mA，稳定在43mA左右。克服了常规的加电瞬间的过冲电流（超过200mA），而引发分站的供电电源误动作断电保护,4）绿色环保,精密的内部高效开关电源设计，不对线路产生反方向电磁干扰，不会产生反馈干扰而影响分站供电电源工作。5）信号输出通过跳接短路块（K2），很容易改变输出信号为：0200Hz或2001000Hz。采用单片机直接计算输出频率信号。6）红外遥控,用红外遥控器完成参数设置、显示、调零、甲烷标定等操作。遥控距离：05m。,7）断电试验功能模拟产生一个4秒钟时宽、浓度为3.00%CH4的瓦斯信号，发送给断电仪，试验其断电功能可靠否。8）自动保护功能甲烷浓度超过4.10%CH4时，自动切断供桥电源，保护催化传感头。2分钟后自动恢复供电，若甲烷浓度仍超过4.10%CH4，则重新进入2分钟保护周期。传感器显示值和输出信号值保持在超限状态。9）通用性由于以上特点，该传感器可以很方便地配接国内目前各种型号的井下分站、风电瓦斯闭锁装置断电仪等设备。,图56KGY-002A智能遥控甲烷传感器的组成,2.智能遥控甲烷传感器的组成,1）传感头传感头由气室、黑白元件等组成。检测电桥的电位器是用来调节零点的。零点即甲烷浓度为零时放大器的输出电压，为0.25V。一般将零点调整为0.25V，以便上下均允许有较大的偏离量，保证很长时间内遥控调零都能成功。2）供电电源对分站提供的822VDC电压，采用高效DC/DC变换，变成3V和5V分别供检测电桥和仪表线路使用。,3）放大器及A/D变换器检测电桥的输出为差动式mV级信号，通过直流放大器进行放大并变成单端输出，通过A/D转换器将模拟信号变为数字信号送入单片机进行运算和处理。4）红外遥控器及接收器红外遥控器将各种指令转换成串行红外光编码信号发送出去。接收器将串行红外光编码信号转换成串行电数码信号送单片机进行处理，完成各种功能。,5）单片机,传感器采用一次性编程的AT87C52单片机。仪表内部有看门狗电路，程序正常运行时会不断地抑制看门狗，当程序跑飞运行不正常时，看门狗会就自动发出一个硬件复位信号。,单片机对A/D转换器送来的数据进行运算，得出甲烷浓度，进行显示和控制报警灯光等。同时运算输出0200Hz或2001000Hz频率信号。,当甲烷浓度达到报警值1.00%CH4时，单片机产生声光报警信号。当甲烷浓度达4.10%CH4时，单片机控制切断供给甲烷传感头的电源,保护黑白元件。2分钟后自动脱离保护状态，重新检测。,6）显示电路显示电路由四位数码管组成。最高位数码管用来显示功能代码；或在零点漂移为负时显示“”号，并且数字闪烁。后三位在调校时显示功能代码号对应的内容；正常检测时显示甲烷浓度。显示窗内的红色发光指示灯闪亮时，表示信号输出线路通畅。若灯灭，表示信号线路不通。,3安装与维护,1）传感器应垂直悬挂2）仪器在使用中，要定期进行调零和按规程标定。,5.2一氧化碳传感器一氧化碳（CO）是一种无色、无臭、无味的气体，对空气比重为0.97，在空气中含量为13%-75%时遇火爆炸。一氧化碳是有毒气体，吸入人体后，造成人体组织和细胞缺氧，引起中毒窒息。煤矿火灾、瓦斯和煤尘爆炸及爆破作业时都将产生大量的一氧化碳。煤矿安全规程规定，井下作业场所的一氧化碳浓度应在0.0024%以下。由于煤在自燃氧化过程中不断释放出一氧化碳，故将其作为自然发火预报标志性气体，用一氧化碳绝对发生量作为火灾预报指标。,煤矿常用的一氧化碳检测仪器有电化学式、红外线吸收式、催化氧化式等。国内外煤矿广泛使用的是电化学一氧化碳检测仪器。,5.2.1电化学一氧化碳传感器,CO的氧化还原电位是0.91.1V,氧化还原过程必然会产生离子电流，因此，只要测出离子电流的大小，即可测算出CO的浓度值。,1.KG3002型CO传感器,CO电化学传感器是一个装有三只电极的电化学池,基本结构,W,C,R,2.CO传感器电化学工作原理,当一氧化碳气体通过外壳上的气孔经透气膜扩散到工作电极W表面上时，在工作电极W的催化作用下，一氧化碳气体在工作电极W上发生氧化反应，其反应方程式为：,在工作电极W上发生氧化反应产生的H+离子和电子，通过电解液转移到与工作电极保持一定间隔的对电极C上，与水中的氧发生还原反应同时，在对电极C处，产生还原反应，其反应方程式为：,工作电极W氧化放出电子e，对电极C还原获得电子e在WC之间形成电子流动，即发生了电流。电流的大小与CO浓度成正比,只要测出氧化还原过程中电化学池内离子电流的大小，就可测算出CO浓度的高低。,因此，传感器内部就发生了氧化-还原的可逆反应。其化学反应式为：2CO+2O22CO2,参比电极（恒电位极）的作用：在两个电极上发生的氧化-还原反应会使电极极化，使极间电位难以维持恒定，限制了对CO浓度可检测的范围。为了维持极间电位的恒定，加入了一个参比电极。恒电位电路还能提高传感器的选择性和改进其响应性能。,2）响应时间：60S，60S以后读数稳定；3）零点稳定性：零点漂移误差|1PPm|4）信号误差：|5PPm|,3.传感器主要性能指标（以KG3002型为例）1）精度：CO含量0100ppm范围内测量值呈线性；(1ppm即百万分之一，在大多数科技期刊中，已经不使用ppm，而改用“”，换算：1ppm=0.001。即),5）高浓度测试误差：0500PPm之最大误差为|47PPm|（一般规定允许值是25PPm）；6）抗干扰性能：CH4、CO2基本不参与显示；NO2、H2、SO2、C2H4、H2S参与显示，因此，要设置过滤剂以便加以吸收掉。,加过滤装置可更加提高仪器检测的安全性。,15100DG型一氧化碳传感器的组成由电化学电解槽检测到的与一氧化碳成正比的电信号，经放大输出0lV的直流电压信号，同时设有输出保护电路、灵敏度调节电路、零点调节电路等。,5.2.2电化学式5100DG型一氧化碳传感器,25100DG型一氧化碳传感器的电路原理,1）电源稳压电路三端稳压器IC4的3端输出6V直流稳定电压电阻Z1和Z2将6V分压后提供3V直流电压给IC2的3端，经l：l放大隔离后，在1端作为信号地(基准电平)，以满足运算放大器对共模信号电压的要求。,3V,3V,2）信号放大电路一氧化碳传感器敏感元件产生的电信号由B、R端输入，以差动输入的方式经IC1放大后由14端输出，即将敏感元件产生的电信号转换成了0lV(相对于基准电平)。,出输,输入,3V,出输,3）灵敏度调节指示电路D4为红色发光二极管，作为灵敏度调节指示。信号输出电压接至两个IC3的反相输入端9和13上，两个IC3的同相输入端10和12接至两个不同的标准电位上。当输出信号电压超过12端上建立的标准电压时，D4正向导通，红色发光。信号电压继续升高超过10端建立的标准电压后，D4两端电压为零，发光二极管熄灭。指示点由W3调整。,D4,输入,3V,出输,4）零点调节指示电路D5为绿色发光二极管，作为零点调节指示。信号输出电压接至两个IC3的反相输入端2和6上，IC3的同相输入端3和5端接至两个不可调的标准电压(3V左右)。当信号输出电压接近3V时，D5亮；当信号输出电压稍高于(或低于)3V时，D5灭。,D5,D4,保护,输入,3V,出输,D5,D4,5）输出保护电路IC2的12端是lV的标准电压，正常工作时，IC2的14端为高电位，继电器KA吸合，信号输出端3有信号输出。当输出信号电压超过1V时，IC2的14端为低电位，继电器释放，信号输出端3无信号输出，保护了输出电路,保护,输入,红外线又称红外光、红外辐射。红外光和电磁波一样，具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质。气体吸收红外光的能力各不相同，常规气体分子吸收红外光的波长范围见表。,1.红外线性质,5.2.3红外吸收式一氧化碳传感器,2.红外线吸收式CO传感器原理,红外线吸收式CO传感器,充满没有CO（或有固定浓度CO）气体的空气,5.3温度传感器1、热电偶2、热电阻3、热敏电阻4、半导体5、红外式6、KG3007A型温度传感器,1.热电效应,1、热电偶,一、热电偶的工作原理,热电效应：两种不同材料的导体（或半导体）组成一个闭合回路，当两接点温度T和T0不同时，则在该回路中就会产生电动势的现象。,热电势EAB(T,T0),热电偶,热电极,热端（工作端）冷端（自由端）,2.热电动势的产生,1）单一导体的温差电势,2）两种导体的接触电势,3）热电偶回路的总热电动势,（1）接触电动势,接触电势温差电势,若金属A的自由电子浓度大于金属B的，则在同一瞬间由A扩散到B的电子将比由B扩散到A的电子多，因而A对于B因失去电子而带正电，B获得电子而带负电，在接触处便产生电场。A、B之间便产生了一定的接触电动势。,热电势EAB(T,T0),接触电动势的大小与两种金属的材料、接点的温度有关，与导体的直径、长度及几何形状无关。,对于温度为T的接点，有下列接触电动势公式：,上式说明接触电动势的大小与接点温度的高低及导体中的电子密度有关。,对于任何一种金属，当其两端温度不同时，两端的自由电子浓度也不同，温度高的一端浓度大，具有较大的动能；温度低的一端浓度小，动能也小。因此高温端的自由电子要向低温端扩散，高温端因失去电子而带正电，低温端得到电子而带负电，形成温差电动势，又称汤姆森电动势。,（2）温差电动势,温差电动势的大小取决于导体的材料及两端的温度。导体A两端的温差电动势可用下式表示：,eA（T，T0）导体A两端温度分别为T、T0时形成的温差电动势；T、T0高、低温端的绝对温度；A汤姆森系数，表示导体A两端的温度差为1时所产生的温差电动势。,同样导体B两端的温差电动势如下式所示：,闭合回路总的热电势,(3)回路总电动势,由于在金属中自由电子数目很多，温度对自由电子密度的影响很小，故温差电动势可以忽略不计，在热电偶回路中起主要作用的是接触电动势。NAT和NAT0可记做NA，NBT和NBT0可记做NB，则有,在标定热电偶时，一般使T0为常数，则,热电偶回路的热电动势只与组成热电偶的材料及两端接点的温度有关；与热电偶的长度、粗细、形状无关。,3.热电偶基本性质,只有用不同性质的材料才能组合成热电偶，相同材料不会产生热电动势。因为当A、B两种导体是同一种材料时，ln（NA/NB）=0，所以EAB（T，T0）=0。,只有当热电偶两端温度不同时，不同材料组成的热电偶才能有热电动势产生；当热电偶两端温度相同时，不同材料组成的热电偶也不产生热电动势，即EAB（T，T）=0。,导体材料确定后，热电动势的大小只与热电偶两端的温度有关。如果使eAB（T0）=常数，则回路热电动势EAB（T，T0）就只与温度T有关，而且是T的单值函数，这就是利用热电偶测温的基本原理。,对于有几种不同材料串联组成的闭合回路，若各接点温度分别为T1、T2TN，闭合回路总的热电动势为：,3.热电偶基本定律,(1)均质导体定律如果热电偶回路中的两个热电极材料相同，无论两接点的温度如何，热电动势均为零；反之，如果有热电动势产生，两个热电极的材料则一定是不同的。,根据这一定律，可以检验两个热电极材料的成分是否相同(称为同名极检验法)，也可以检查热电极材料的均匀性。,(2)中间导体定律在热电偶回路中接入第三种导体C，只要第三种导体的两接点温度相同，则回路中总的热电动势不变。,右图回路中的总电动势为：,如果回路中三个接点的温度都相同，即TT0，则回路总电动势必为零，即：,即,则,如果按右图接入第三种导体C，则回路中的总电动势为：,而,所以,(3)标准电极定律如果两种导体分别与第三种导体组成的热电偶所产生的热电动势已知，则由这两种导体组成的热电偶所产生的热电动势也就可知。,两式相减得：,（1）,若一个热电偶由A、B、C三种导体组成，且回路中三个接点的温度都相同，则回路总电动势必为零，即：,或,即导体A与B组成的热电偶的热电动势也可知。,代入（1）式可得：,(4)中间温度定律热电偶在两接点温度分别为T、T0时的热电动势等于该热电偶在接点温度分别为T、Tn和接点温度分别为Tn、T0时的相应热电动势的代数和。,证明：,即：,对于冷端温度不是零度时，为热电偶如何分度的问题提供了依据。,当Tn=0时，则：,上式说明：只要A、B组成的热电偶在冷端温度为零时的“热电动势温度”关系已知，则它在冷端温度不为零时的热电动势即可知。,中间温度定律表明：当在原来热电偶回路中分别引入与导体材料A、B相同热电特性的材料C、D即引入所谓补偿导线时，只要它们之间连接的两点温度相同，则总回路的热电动势与两连接点温度无关，只与热电偶两端的温度有关。,热电偶补偿导线接线图,由于A与C、B与D的热电特性相同，由热电偶的基本性质可知：eAC（Tn）=eBD（Tn）=0，则回路总电动势为:,二、常用热电偶的结构,1.普通工业用装配式热电偶,图工业用装配式热电偶结构示意图,2铠装（或套管式）热电偶的结构,由热电偶丝、绝缘材料，金属套管三者拉细组合而成一体。又由于它的热端形状不同，可分为多种型式如图。,铠装热电偶断面结构示意图1金属套管;2绝缘材料;3热电极,优点：测温端热容量小，动态响应快；机械强度高，挠性好，可安装在结构复杂的装置上。,3快速反应薄膜热电偶用真空蒸镀等方法使两种热电极材料蒸镀到绝缘板上而形成薄膜状热电偶。其热接点极薄(0.010.lm),快速反应薄膜热电偶1热电极;2热接点;3绝缘基板;4引出线,特别适用于对壁面温度的快速测量。安装时,用粘结剂将它粘结在被测物体壁面上。测温范围在300以下；反应时间仅为几ms。,4快速消耗微型热电偶可测钢水的温度。用直径为0.050.lmm的铂铑10一铂铑30热电偶装在U型石英管中，再铸以高温绝缘水泥，外面再用保护钢帽所组成。,1钢帽；2石英；3纸环；4绝热泥；5冷端；6棉花；7绝缘纸管；8补偿导线；9套管；10塑料插座；11簧片与引出线,三、热电偶材料,用作热电极的材料应具备下面的条件：,温度测量范围广。要求在规定的温度测量范围内有较高的测量精确度，有较大的热电动势。温度与热电动势的关系是单值函数，最好是呈线性关系。性能稳定。要求在规定的温度测量范围内使用时热电性能稳定，均匀性和复现性好。,物理化学性能好。要求在规定的温度测量范围内有良好的化学稳定性、抗氧化性或抗还原性能。,满足上述条件的热电偶材料并不很多。我国把性能符合专业标准或国家标准并具有统一分度表的热电偶材料称为定型热电偶材料。,四、热电偶的冷端补偿方法,1.冷端恒温法,(1)冰点槽法将热电偶的冷端置于冰点槽内(冰水混合物)，使冷端温度处于0，如图6-13所示。为了避免冰水导电引起两个连接点短路，必须把连接点分别置于两个玻璃试管里，浸入同一冰点槽，使相互绝缘。这种装置通常用于实验室或精密的温度测量。,冰点槽法,(2)其他恒温器将热电偶的冷端置于各种恒温器内，使之保持温度恒定，避免由于环境温度的波动而引入误差。这类恒温器可以是盛有变压器油的容器，利用变压器油的热惰性恒温；也可以是电加热的恒温器。这类恒温器的温度不是0，所以最后还需对热电偶进行冷端温度修正。,2.补偿导线法,利用补偿导线，将热电偶的冷端延伸到温度恒定的场所(如仪表室)。根据中间温度定律，只要热电偶的两个热电极分别与两补偿导线的接点温度一致，就不会影响热电动势的输出。,例1采用镍铬-镍硅热电偶测量炉温。热端温度为800，冷端温度为50。为了进行炉温的调节与显示，必须将热电偶产生的热电动势信号送到仪表室，仪表室的环境温度恒为20。,首先由镍铬-镍硅热电偶分度表查出它在冷端温度为0，热端温度分别为800、50、20时的热电动势：,E(800，0)33.277mV；,如果热电偶与仪表之间直接用铜导线连接，根据中间导体定律，输入仪表的热电动势为：,E(50，0)2.022mV；E(20，0)=0.798mV。,E(800，50)=E(800，0)-E(50，0)=(33.277-2.022)mV=31.255mV,查分度表知，对应31.255mV的温度是751。与炉内真实温度相差49。,如果在热电偶与仪表之间用补偿导线连接，相当于将热电极延伸到仪表室，输入仪表的热电动势为,E(800，20)=E(800，0)-E(20，0)=(33.277-0.798)mV=32.479mV,查分度表知，对应32.479mV的温度是781，与炉内真实温度相差19。,若冷端温度恒定，但并非0，要使测出的热电动势只反映热端的实际温度，则必须对温度进行修正。修正公式如下：,3.计算修正法,4.电桥补偿（又称冷端补偿器）法,补偿电桥,回路输出电压为:U=E（T，T0）+UT,只要能满足下式即可达到自动补偿的目的,如果热电偶的冷端温度变化范围为0+50，热电偶选用铂铑10-铂。查分度表得出E为0.299mV，因此补偿电阻Rt的阻值可以根据上式求出。,5.软件处理法,对于计算机系统，不必全靠硬件进行热电偶冷端处理。例如冷端温度恒定但不为0的情况，只需在采样后加一个与冷端温度对应的常数即可。对于T0经常波动的情况，可利用热敏电阻或其它传感器把T0信号输入计算机，按照运算公式设计一些程序，便能自动修正。,六、热电偶测温线路,1.测量某一点的温度,流过测温毫伏表的电流为:,单点测温线路,2.测量两点之间的温度差,测两点温差线路,回路内的总电动势为:,因为,故,3.热电偶并联线路,并联测量线路,每只热电偶的输出为：,回路总的热电动势为:,特点：当有一只热电偶烧断时，难以觉察出来。当然，它也不会中断整个测温系统的工作。,4.热电偶串联线路,串联测量线路,因为,所以,热电阻是利用导体材料的电阻随温度变化而变化的特性来实现对温度的测量的。,2热电阻,热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热电阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。,应用于-200600范围内的温度测量,热电阻电阻体绝缘套管接线盒,热电阻的材料要求：电阻温度系数要大；电阻率尽可能大，热容量要小，在测量范围内，应具有稳定的物理和化学性能；电阻与温度的关系最好接近于线性；应有良好的可加工性，且价格便宜。,1）常用的几种热电阻,1.铂热电阻,铂电阻阻值与温度变化之间的关系可以近似用下式表示：,在0630.74范围内，金属铂的电阻值与温度的关系为：,在-1900范围内，金属铂的电阻值与温度的关系为：,0时的电阻值,t时的电阻值,A、B、C分度系数其中：A=3.9410-3/；B=-5.810-7/2；C=-4.4210-12/3),可以看出，它们的高次项很小。铂电阻在0100时的最大非线性偏差小于0.5；R0不同，Rt与t的关系也不同。,铂容易提纯，其物理、化学性能在高温和氧化性介质中很稳定。铂电阻的输出输入特性接近线性，且测量精度高，所以它能用作工业测温元件和作为温度标准。,按国际温标IPTS-68规定，在-259.34630.73温域内，以铂电阻温度计作基准器。,在-50150范围内，铜电阻化学、物理性能稳定，输出输入特性接近线性，价格低廉。,2.铜热电阻,铜电阻阻值与温度变化之间的关系可近似表示为：,铜电阻的缺点是电阻率低，体积大，热惯性大，在100以上时易氧化。,铟电阻铟电阻用99.999%高纯度的铟丝绕成电阻，适宜在-269-258温度范围内使用。实验证明，在4.2K15K范围内，铟电阻灵敏度比铂电阻高10倍。铟电阻的缺点是材料软，复制性差。,3.其他热电阻,锰电阻锰电阻适宜在-271-210温度范围内使用。其优点是在2K63K温度范围内电阻随温度变化大，灵敏度高。锰电阻的缺点是材料脆，难拉成丝。,碳电阻碳电阻适宜在-273-268.5温度范围内使用。其优点是热容量小，灵敏度高，价格低廉，操作简便。但是碳电阻的热稳定性较差。,Rt为热电阻,r1、r2、r3为引线电阻,R1、R2为两桥臂电阻,R1=R2,R3为调整电桥的精密电阻。M表内阻很大，故电流近似为零。当UA=UB时电桥平衡。若使r1=r2,则R3=Rt，就可消除引线电阻的影响。,1.三线式电桥连接法,2）热电阻测量线路,图1三线接法,2.四线式电阻测量电路,图2四线式测量线路,因IVIM，IV0,又EM=U+IV（r2+r3）,由上式知引线电阻r1r4将不引起测量误差。电压表的值EM可认为是热电阻Rt上的压降，据此可计算出微小温度变化。,3热敏电阻,热敏电阻是利用半导体的电阻值随温度的变化而显著变化的特性实现测温的。半导体热敏电阻有很高的电阻温度系数，其灵敏度比热电阻高得多。而且体积可以做得很小，故动态特性好，特别适于在-100300之间测温。,热敏电阻的缺点是互换性较差，另外其热电特性是非线性的。,1）热敏电阻的结构,热敏电阻是由一些金属氧化物，如钴（Co）、锰（Mn）、镍（Ni）等的氧化物采用不同比例配方，高温烧结而成。其形状有珠状、片状、杆状、垫圈状等。,热敏电阻的结构类型,2）热敏电阻的基本参数,1.标称电阻RH,标称电阻值是热敏电阻在250.2、零功率时的阻值，也叫冷电阻。,2.电阻温度系数,热敏电阻的温度每变化1时电阻值的变化率叫做热敏电阻的电阻温度系数。即：,3.时间常数,热敏电阻器在零功率测量状态下，当环境温度突变时电阻器的温度变化量从开始到最终变量的63.2所需的时间称为热敏电阻的时间常数,4.最高工作温度Tmax,热敏电阻器在规定的技术条件下长期连续工作所允许的最高温度。,热敏电阻主要有三种类型，即正温度系数型(PTC)、负温度系数型(NTC)、和临界温度系数型(CTR)。,CTR临界热敏电阻有一突变温度，此特性可用于自动控温和报警电路中。,3）热敏电阻的主要特性,对热敏电阻进行线性化处理的最简单方法是用温度系数很小的精密电阻与热敏电阻串或并联构成电阻网络(常称为线性化网络)代替单个热敏电阻，其等效电阻与温度呈一定的线性关系。,4）热敏电阻输出特性的线性化处理,图中热敏电阻Rt与补偿电阻Rx串联,串联后的等效电阻R=Rt+Rx，只要Rx的阻值选择适当，可使温度在某一范围内与电阻的倒数成线性关系，所以电流I与温度T成线性关系。,串联补偿电路,并联补偿电路,图中热敏电阻Rt与补偿电阻Rx并联，其等效电阻R=Rt/Rx。由图可知，R与温度的关系曲线便显得比较平坦。因此可以在某一温度范围内得到线性的输出特性。,4PN结温度传感器,利用PN结的结电压随温度成近似线性变化这一特性实现对温度的检测、控制和补偿等功能。可直接用半导体二极管或将半导体三极管接成二极管做成PN结温度传感器。这种传感器的测温范围为-50至150，与其他的温度传感器相比有较好的线性度，且尺寸小、响应快、灵敏度高、热时间常数小，因此用途较广。,在一定电流下，二极管正向电压随温度的升高而降低，呈负温度系数。经研究表明，对于锗和硅二极管，在相当宽的一个温度范围内，其正向电压与温度之间的关系负温度系数。,1）温敏二极管,将温敏晶体管及其辅助电路集成在同一芯片的集成化温度传感器。其最大优点是直接给出正比于绝对温度的理想的线性输出，另外，体积小、成本低廉。因此，它是现代半导体温度传感器的主要发展方向之一。目前，已经广泛用于-50+150温度范围内的温度监测、控制和补偿的许多场合。,2）集成温度传感器,集成温度传感器按输出信号可分为电压型和电流型两种。电压型的温度系数约为10mV/，如AD590；电流型的温度系数约为1A/，如LM35。这就很容易从它们输出信号的大小换算成绝对温度，而且其输出电压或电流与绝对温度成线性关系。,AD590的主要特征是：(1)线性电流输出：1AK，正比于绝对温度；(2)宽温度范围：-55+150；(3)精度高：激光校准精度到0.5(AD590M)(4)电源范围宽：+4+30V。,AD590温度传感器使用原理,单总线数字温度传感器DS18B20的特点,1）采用单总线的接口方式与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。2）测量温度范围宽，测量精度高。DS18B20的测量范围为-55125；在-1085范围内，精度为0.5。3）供电方式灵活。DS18B20可以通过内部寄生电路从数据线上获取电源。因此，可以不接外部电源，从而使系统结构更趋简单，可靠性更高。,DS18B20管脚排列,DS18B20的管脚排列1.GND为电源地；2.DQ为数字信号输入输出端；3.VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）,5红外式温度传感器任何物质当温度超过绝对零度（-273）均会产生红外幅射，辐射功率P随物体温度增高而增大。式中:常数，5.669710e-12W/cm2K4比辐射率，绝对黑体1.0，非绝对黑体01.0,具有测温范围广，反应快，灵敏度高，属非接触式测量，不影响被测温度场分布等优点。,KG3007A型矿用温度传感器是本质安全型仪器，主要用于测量煤矿井下的环境温度，也可用于其他场所的温度测量。1.传感器型号意义：,6KG3007A型温度传感器,=,2主要技术指标测量范围：5+45基本误差：1响应时间：不大于2分钟数值显示：三位数码显示，分辨率0.1输出信号:KG3007A1型：2001000Hz(51mA恒流脉冲)负载电阻不大于1.5kKG3007A2型：15mA，负载电阻0500KG3007A3型：RS一485接口通信波特率1200bs,2主要技术指标工作电压：DC818V工作电流：不大于80mA防爆型式：矿用本质安全型，标志为“ExibI”使用环境条件环境温度：-5+45平均相对湿度：不大于95(+25)大气压力：80106kPa(海拔高度不高于2000m),KG3007A型温度传感器的组成,3KG3007A型温度传感器的原理,4.半导体测温优点：,电阻温度系数比金属的大，其绝对值约大49倍，可以有正或负的温度系数；电阻率高，可做得体积小，从而热惯性小，适用于快速变化的温度测量；结构简单，可根据需要制成不同的形状；机械性能好，寿命长，价格便宜。,5.半导体热敏电阻的缺点：离散性大，互换性差，测量上限温度仅有300。,5.4风速传感器原理5.4.1超声波漩涡式风速传感器,在垂直风流流向的中央部位插入一根无限长的非流线形阻挡体，称为发生杆，当风流撞到发生杆后，将造成风流下游产生两列内旋，互相交替的漩涡，若对风流速度，阻挡体（发生杆）截面积和形状作适当的限制，则漩涡频率与流速成正比：,由于超声波在传播途中遇到气流漩涡时，会因漩涡内压力梯度涡街旋转运动等因素影响，使通过漩涡的大部分超声波能量被折射或反射，结果导致接收端接受到的能量减少，而且超声波亦不再是等幅波（已被变为调幅波）。,测试实验数据证明:在超声波传播的波束中