通风安全监测工

矿用传感器在矿井监控系统中，所需监测的物理量大多数是非电量，如：甲烷、风速、温度等，而这些物理量是不宜直接进行远距离传输的。为了便于传输、存储和处理，就必须对这些物理量进行交换，将他们变换成便于传输、存储和处理的物理量。目前最能满足这些要求的是电信号。4.1基础知识传感器组成：敏感元件、转换元件、测量电路和辅助电源。※在矿井监控领域又将敏感元件和转换元件统称为传感元件。在进行非电量到电量的转换时，并非所有的非电量都能利用现有技术一次直接转换为电量，而是将被测非电量先转换为另一种便于转换为电量的非电量。敏感元件就是将所输出的非电量转换为电量的器件。4.1.1基本概念4.1.1.1量程—是传感器的主要输入特性，是指传感器所允许测量被测物理量的量值范围。一般用传感器允许测量的物理量的上、下极限来表示，如：甲烷传感器的量程为0～4.0%CH4，在使用中，如果被测物理量超出了传感器所规定的量程范围，将会造成较大的测量误差或传感器的损坏。4.1.1.2精度—任何传感器的测量结果都是被测物理量的近似值表示，精度表示传感器的测量结果与被测实际值的接近程度。4.1.1.3迟滞—传感器在输入量X增大（正行程）或减小（反行程）时，输出/输入曲线不重合的程度。4.1.1.4重复性—指传感器在相同的工作状态下，重复地输入一个相同的值时，其输出的一致性程度。4.1.1.5线性度—为了标定和数据处理，一般要求传感器的输出与输入成线性关系，并能准确地反映被测量的实际值。（实际使用的传感器，其输出与输入之间并不是所要求的线性关系）4.1.1.6灵敏度—是指传感器的输出增量与输入量之比，即：灵敏度=△y/△x灵敏度一般用拟合直线的斜率来表示。4.1.2供电方式

矿用传感器的供电方式有内部供电和外部供电。4.1.2.1内部供电方式传感器内部供电方式包括传感器自带整流电源和蓄电池（或干电池）两种。传感器自带整流电源，体积大、重量重，并且在传感器的设置位置上，不一定好取交流电源。蓄电池（或干电池）供电，需要定期对蓄电池充电，维护工作量较大。4.1.2.2外部供电方式可以减小传感器体积，便于维护，传感器的外部供电方式包括就近供电和集中供电两种。4.1.2.2.1就近供电外部供电方式是指由系统分站电源、或电控箱向传感器的供电的方式。如：

供电电缆分站电源传感器优点：供电距离近、功耗小、简单方便等。为了保证在交流供电网短时停电的情况下，传感器仍能正常工作不小于2小时，在一些分站电源、或电控箱、或电源箱中还设置了一定容量的蓄电池。

4.1.2.2.2集中供电方式优点：保证在井下供电不正常的情下，仍能对被测物理量进行监测。缺点：在同样的监控容量下，需要的电缆较多，系统投资较大，并且不便于安装维护。如：中心站电源传感器供电电缆4.1.3输出信号在矿井监控系统中，被测物理量可分为开关量和模拟量两大类。开关量就是只取两种状态的物理量，如：采掘机、运输机、风机的开停等。开关量可以用电压的有无、电流的有无和极性来表示。U（I）t用电压U或电流I表示的开关信号U（I）tK1K2K3K4K5K6K7K8数字信号表示开关量状态模拟量就是量值连续变化的物理量，如：甲烷浓度、风速、一氧化碳浓度等。模拟量可以用电压的大小、电流的大小和频率的高低来表示U（I）t模拟信号U（I）t1010111数字信号表示模拟量大小数字信号和频率型信号均用脉冲表示，但有以下根本区别：1）数字信号的脉冲持续时间恒定不变；而频率型模拟信号的脉冲持续时间随着频率的增高而减小：2）数字信号表示模拟量大小存在量化误差；而频率型模拟信号可以准确表示模拟量大小；3）数字信号不同位置的脉冲表示不同位置;而频率型模拟信号的任何位置的脉冲均表示同一数值.4.1.3.1开关信号开关信号输出接点可以是有源接点,也可以是无源接点.输出接点开关量输出装置U出＋I出I出输出接点U出开关量输出装置有源接点输出的高电平电压应不小于+3V（输出电流为2mA时），低电平电压应不大于+0.5V(输出电流为2MA时）。无源接点输出的截止状态的漏电阻应不小于100KΏ，导通状态的电压降应不大于+0.5V灌入电流为2MA时）。4.1.3.2模拟信号模拟信号主要有电压型、电流型和频率型。4.1.3.2.1电压型电压型模拟信号的电压随被测物理量变化而变化，电压型模拟信号一般为0～5V。Ut(a)tU(b)电压型模拟信号(a)被测物理量(b)电压型模拟信号传感器分站RIU0U1分站输入的电压型模拟信号4.1.3.2.2电流型电流型模拟信号的电流随被测物理量的变化而变化，电流型模拟信号一般为1～5mAAt(a)t(b)A电流型模拟信号(a)被测物理量(b)电流型模拟信号传感器分站I0Ii△Ir分站输入的电流型模拟信号4.1.3.2.3频率型频率型模拟信号的频率随被测物理量变化而变化，频率型模拟信号一般为200～1000Hz.At(a)At(b)(a)被测物理量(b)频率型模拟信号4.1.4模拟信号的转换4.1.4.1电流/电压（I/V）及电压/电流（V/I）4.1.4.1.1I/V转换

AV0RFIFIiIbVZ+-I/V转换电路（其中V0是输出电压，Ii是输入电流，RF为运算放大器反馈电阻）4.1.5技术要求4.1.5.1低浓度甲烷传感器的技术要求（1）测量范围及基本误差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)报警范围及基本误差0.5%CH4≤X≤1.5%CH4≤41±0.1%CH4(3)声光报警1m处≥85dB,能见度≥20m(4)响应时间≤30m(5)稳定性≥7d4.2甲烷传感器甲烷浓度监测是矿井安全监控的首要内容。当环境中甲烷浓度大于或等于报警浓度时，发出声光报警信号；当环境中甲烷浓度大于或等于断电浓度时，切断被控区域的全部非本质安全型电气设备的电源并闭锁，当甲烷浓度低于复电浓度时解锁。甲烷传感器按其工作原理可分为催化燃烧式、热导式等。在矿井安全监测中，用于低浓度甲烷监测主要是催化燃烧式，用于高浓度甲烷监测主要是热导式。4.2.1催化燃烧式催化燃烧式甲烷传感器的工作原理是：在传感器元件表面的甲烷，在催化剂的催化作用下，发生无焰燃烧，放出热量，使传感元件升温，进而使传感元件电阻变大，通过测量传感元件电阻变化就可测出甲烷气体的浓度。催化燃烧式甲烷传感元件有铂丝催化元件和载体催化元件两种。铂丝催化元件采用高纯度的铂丝制成线圈，铂丝既是催化剂，又是加热器。优点：结构简单，稳定性好，受硫化物中毒影响小。缺点：催化活性低，必须在座900℃以上高温才能使元件工作，这样耗电大，在高温的作用下还会导致元件表面蒸发，使铂丝变细，电阻增大，造成传感器零点漂移。4.2.1.1载体催化元件结构及工作原理载体催化元件一般由一个带催化剂的传感元件（俗称黑元件）和一个不带催化剂的补偿元件（俗称白元件）组成。黑元件由铂丝线圈、氧化铝载体和表面的催化剂组成。工作原理：铂丝线圈给元件加温，提供甲烷催化燃烧需的温度，同时甲烷燃烧放出的热量使其升温，通过测量其电阻变化，就可测得空气中甲烷的浓度。4.2.1.2影响载体催化元件主要技术性能的因素4.2.1.2.1双值性空气中甲烷浓度低于9%时，甲烷能够充分燃烧，甲烷浓度越高，载体催化元件的电阻变化就越大。当空气中甲烷浓度高于9%时，甲烷不能充分燃烧，甲烷浓度越高，载体催化元件的电阻变化就越小。4.2.1.2.2激活元件在甲烷浓度1%以下的甲烷空气混合物中使用，一部分Pd会被氧气气化，生成PdO，使元件活性降低，但当空气中甲烷浓度大于10%PdO时，PdO又被还原为Pd,元件灵敏度提高，元件又被激活，元件的稳定性被破坏，并且在短时间内不能恢复。4.3.1.2.3催化剂中毒硫化合物、磷化合物以及有机硅蒸气等强烈地吸咐在催化剂上，与Pd反应生成新的化合物，降低催化剂活性，严重时会使催化剂完全失去活性。4.2.1.2.4灵敏度变化由于高温烧结，催化剂活性物质的粒子会变大，还会升华为气态等，这些都会使元件的催化活性下降，使灵敏度下降。4.2.1.2.5响应时间响应时间是指甲烷浓度发生阶跃变化时，电桥输出信号达到稳定值90%时所需要的时间。一般要求连续式响应时间为20S，间断式响应时间为6S。4.2.1.2.6气流流量进入检测气室的气体流量影响催化元件灵敏度。如图所示：灵敏度Mv/2%CH450100150200250流量（ml/min)4.2.1.2.7线性度在低浓度范围内，催化燃烧产生的热量随甲烷浓度的增加而增大。但由于元件温度增加时，其散热量也增大，从而导致元件温度不随催化燃烧热量而线性增大。因此甲烷浓度不大于4%时，元件的输出与甲烷浓度基本成线性关系，当甲烷浓度大于5%时，元件输出与甲烷浓度很难保持线性关系。4.2.2热导式热导式甲烷传感器的工作原理是：利用甲烷的热导率高于新鲜空气的热导率，通过热敏元件测量甲烷空气混合物热导率的变化，进而测得甲烷混合物浓度的变化。气体的热导率随温度的增大而增大。环境温度的变化也将影响热导式甲烷传感器的测量精度。因此，热导式甲烷传感器必须对环境温度进行补偿，并保持气室温度恒定。4.3一氧化碳传感器井下空气中一氧化碳浓度较高时，会使人中毒，同时，一氧化碳又是预测和监测煤炭自燃发火的主要技术指标。分类：一氧化碳传感器按其工作原理可分为电化学式、红外吸收式等。电化学式电解质溶液与电极间发生化学能与电能之间的转换称为电化学反应。电化学反应是氧化还原反应。不同物质的氧化还原反应必须在一定的电极电位下进行。例如：CO2/CO氧化还原对的可逆电极电位为—0.12V,只要维持阳极电位高于—0.12V，CO就被氧化。其化学反应式为：阳极：CO+H2O→CO2+2H+2e阴极：O2+4H+4e→2H2O2CO+O2=2CO2如果采用气体扩散电极，反应电流I与CO浓度C具有线性关系：I=Nfad/L·C式中I-反应电流C-CO浓度A-反应界面面积L-扩散电极膜厚D-膜中气体扩散系数N-反应中电子转移数F-法拉第常数4.3.2红外线吸收式不同原子结合成的气体分子对特定波长的红外线具有吸收能力,通过检测入射光强度的变化,就可测定一氧化碳气体的浓度。4.4风速传感器在煤矿开采的过程中，总有瓦斯涌出。为稀释矿井空气中的瓦斯，需不断地向井下输送新鲜空气。风量是通风系统的重要参数之一。分类：超声波旋涡式和超声波时差式两种。4.4.1超声波旋涡式风速传感器超声波旋涡式风速传感器首先将风速换成与风速成正比的旋涡频率，然后通过超声波将旋涡频率转换成超声波脉冲，后将超声波脉冲转换成电脉冲，从而测得风速。F=S·V/D超声波旋涡式风速传感器优点：1）无可动部件，无机械磨损，性能稳定，使用寿命长；2）输出本身就是与风速成线性关系的脉冲频率信号，没有零点漂移，测量精度高。3）输出信号不受流体特性（温度、湿度、压力、密度等）影响。4）响应迅速。4.5温度传感器矿井环境温度除影响着矿工的工作效率和身心健康外，还是煤炭自燃发火的重要指标之一。分类：热电偶、热电阻、热敏电阻、半导体红外和光纤等。4.5.1热电偶式、热电阻式与热敏电阻式温度传感器热电偶温度传感器就是将两种不同的金属材料连接在一起，形成一个闭合回路。当两种不同的金属材料的两个接点之间存在温差时，就在两者之间产生电动势，进而在回路中形成电流。热阻式温度传感器就是利用导体电阻随温度的变化而变化的特性来测量温度。热敏电阻温度传感器就是利用半导体电阻随温度变化而变化的特性来测量温度的。4.5.2半导体式温度传感器利用半导体PN结正向电压随温度变化而变化的特性来测量温度的。优点：体积小、成本低、功耗低、响应快、线性度好。4.5.3