煤礦安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控技術(shù)(02)-礦用傳感器(02)

1、第二章第二章 礦用傳感器礦用傳感器2.1 傳感器概述傳感器概述2.2 甲烷傳感器甲烷傳感器2.3 CO/O2傳感器傳感器2.4 溫度傳感器溫度傳感器2.5 風(fēng)速傳感器風(fēng)速傳感器2.6 風(fēng)壓傳感器風(fēng)壓傳感器2.7 液位傳感器液位傳感器2.6 煙霧傳感器煙霧傳感器2.8 開關(guān)量傳感器開關(guān)量傳感器2.3 一氧化碳傳感器一氧化碳傳感器一、一、COCO的產(chǎn)生及危害的產(chǎn)生及危害n性質(zhì)：性質(zhì)： CO是無(wú)色、無(wú)嗅、無(wú)味、無(wú)刺激性的氣體，稍溶于水，比重較空氣稍輕。n產(chǎn)生：產(chǎn)生： CO是碳系物質(zhì)不完全燃燒的生成物，井下爆破作業(yè)、內(nèi)燃機(jī)車的排氣、火災(zāi)、瓦斯煤塵爆炸均產(chǎn)生COn危害：危害： 可燃易爆，劇毒。允許濃度，

2、中國(guó)是24PPM，日本是50PPM；n檢測(cè)方法：檢測(cè)方法： 檢知管法、定電位電化學(xué)法、紅外吸收法、氣相色譜法等。二、檢知管法測(cè)定二、檢知管法測(cè)定COCOn檢知管檢測(cè)檢知管檢測(cè)CO原理：原理： CO氣體緩慢而穩(wěn)定的流過檢知管時(shí)，與管中試劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，呈現(xiàn)一定的顏色(比色式)或變色長(zhǎng)度(比長(zhǎng)式)，來(lái)檢測(cè)CO的濃度。n檢測(cè)劑檢測(cè)劑 以活性硅膠為載體，吸附五氧化二碘和發(fā)煙硫酸加工而成。n反應(yīng)方程：反應(yīng)方程： 檢測(cè)劑與CO反應(yīng)后由白色變成棕黃色圈，隨著氣流通過棕色環(huán)向前移動(dòng)，其移動(dòng)距離與CO濃度大小成正比。24252255()H SOCO I OCOI 硅膠棕色二、檢知管法測(cè)定二、檢知管法測(cè)定COCO

3、1檢測(cè)管外殼（中性玻璃管） 2堵塞物（棉栓、玻璃絲布、耐酸滌綸等）3保護(hù)膠（硅膠吸附試劑以除去干擾氣體）4隔離層（有色玻璃粉等惰性有色顆粒物質(zhì)）5指示劑（活性硅膠吸附化學(xué)試劑）1檔位；2采樣器；3檢測(cè)管；4指示劑 二、檢知管法測(cè)定二、檢知管法測(cè)定COCO圖2.3-2 DQJ-50多種氣體檢定器 圖2.3-1 比長(zhǎng)式CO檢知管三、定電位電化學(xué)檢測(cè)CO1 1、電化學(xué)氣體傳感器原理、電化學(xué)氣體傳感器原理n電化學(xué)：電化學(xué)：是研究電解質(zhì)溶液與電極相界間的電化學(xué)反應(yīng)過程，即化學(xué)能和電能之間相互轉(zhuǎn)換的科學(xué)。n電化學(xué)理論指出，在電極和它接觸的電解質(zhì)溶液之間存在著氧化還原反應(yīng)，并有電子的得失。并且各種物質(zhì)在電解

4、質(zhì)溶液中的氧化還原反應(yīng)均在一定的電極電位下進(jìn)行。n標(biāo)準(zhǔn)電極電位：標(biāo)準(zhǔn)電極電位：是指某物質(zhì)在規(guī)定的濃度、溫度條件下的電極電位，當(dāng)電極電位高于該標(biāo)準(zhǔn)電極電位時(shí)產(chǎn)生氧化反應(yīng)，反之，則產(chǎn)生還原反應(yīng)。因此，該物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)電極電位也稱為可逆電極電位可逆電極電位。n如：CO2/CO氧化還原對(duì)的可逆電極電位為-0.12V; nO2,H+/H2O氧化還原對(duì)的可逆電極電位為+1.23V三、定電位電化學(xué)檢測(cè)CO2 2、定電位電化學(xué)、定電位電化學(xué)COCO檢測(cè)元件檢測(cè)元件n電解液：電解液：硫酸或硫酸水溶液n透氣膜：聚四氟乙烯（透氣膜：聚四氟乙烯（PTFE） 非均相微孔膜，透氣但不透水和離子。 空隙率大則靈敏度高，響應(yīng)時(shí)間

5、短，但易漏液。n氣體擴(kuò)散電極：氣體擴(kuò)散電極：（透氣膜電極） 防水透氣膜:PTFE 活性層：鉑黑 PTFE乳液 含有催化劑的多孔膜電極，易于被測(cè)氣體與電解液在氣、固、液三相界面上進(jìn)行氧化還原反應(yīng)。工作電極：W對(duì)面電極：C參比電極：R圖2.3-3 電化學(xué)CO檢測(cè)元件三、定電位電化學(xué)檢測(cè)COn工作電極工作電極W W： 電極W受恒電位的控制作用，具有一個(gè)恒定的電位；被測(cè)量一氧化碳，通過聚四氟乙烯薄膜擴(kuò)散到電極W ， 并在W電極催化劑的作用下與電解液中的水發(fā)生氧化反應(yīng)，生成二氧化碳和氫質(zhì)子，同時(shí)釋放出電子；n對(duì)面電極對(duì)面電極C： 氧在催化劑作用下與氫質(zhì)子發(fā)生還原反應(yīng)生成水，并得到電子。W極：極：C極：極

6、：三、定電位電化學(xué)檢測(cè)CO/In D FA CO H 式中：n電子轉(zhuǎn)移數(shù)； D-膜中氣體擴(kuò)散系數(shù)； F-法拉第常數(shù)； A-反應(yīng)界面面積；H-擴(kuò)散電極膜厚度；n參比電極參比電極R R：使W和R間保持恒定電位。nW W和和C C間的反應(yīng)電流為間的反應(yīng)電流為I I：法拉第定律1-電源 2-恒位環(huán)節(jié)3-傳感器 4-放大器5-溫度補(bǔ)償 6-指示電表 圖2.3-4 電化學(xué)測(cè)CO原理四、GTH500(B)GTH500(B)型型COCO傳感器傳感器( (原原KG9201KG9201、GT500(A)GT500(A)1 1、功能及應(yīng)用：、功能及應(yīng)用： 能連續(xù)監(jiān)測(cè)和就地顯示一氧化碳濃度值，并在超限時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警；

7、可與監(jiān)控系統(tǒng)配套使用。 2、主要技術(shù)指標(biāo)：、主要技術(shù)指標(biāo)：n工作電壓：924V DCn工作電流：100mA DCn檢測(cè)范圍：0500PPm COn檢測(cè)誤差：F.S范圍內(nèi)5%(相對(duì)誤差)n顯示方式：三位紅色LED顯示(分辨率：1PPm CO)n輸出信號(hào)：2001000Hz、1.05.0mADCn防爆型式：Exib礦用本安型n外形尺寸：(19011457)mm圖2.3-5 KG9201CO傳感器傳感器四、GTH500(B)GTH500(B)型型COCO傳感器傳感器( (原原KG9201KG9201、GT500(A)GT500(A)3 3、結(jié)構(gòu)及原理：、結(jié)構(gòu)及原理：89C51單片機(jī)遙控調(diào)校前置放大信

8、號(hào)采集聲光報(bào)警I/O接口LED顯示watchdog 電路EEPROM信號(hào)輸出A/D轉(zhuǎn)換器圖2.3-6 GTH500B一氧化碳傳感器電路原理框圖 四、GTH500(B)GTH500(B)型型COCO傳感器傳感器( (原原KG9201KG9201、GT500(A)GT500(A)4 4、COCO傳感器使用與維護(hù)：傳感器使用與維護(hù)：n連接：連接： 將來(lái)自分站的專用電纜航空插頭按對(duì)應(yīng)位置插入傳感器上的航空插座，并旋緊固定。電纜航空插頭的接線為： 1號(hào)口電源正極，紅色線； 2號(hào)口電源和信號(hào)負(fù)極，藍(lán)色線； 3號(hào)口恒流或頻率信號(hào)輸出，白色線； 4號(hào)口恒流斷電控制信號(hào)輸出，綠色線。四、GTH500(B)GTH

9、500(B)型型COCO傳感器傳感器( (原原KG9201KG9201、GT500(A)GT500(A)n調(diào)校：調(diào)校： 零點(diǎn)調(diào)節(jié)： 在新鮮空氣中使傳感器通電預(yù)熱20分鐘，按遙控器上“選擇選擇”鍵使小數(shù)碼管顯示為“1”，然后同時(shí)按“”鍵和“”鍵使大數(shù)碼管顯示為0.00，即調(diào)零完畢。 精度調(diào)節(jié)： 按遙控器上“選擇選擇”鍵使小數(shù)碼管顯示為“2”，通入濃度為200ppm的標(biāo)準(zhǔn)一氧化碳?xì)怏w，氣體流量控制在200ml/min，再按“”或“”鍵使大數(shù)碼管顯示數(shù)值與標(biāo)準(zhǔn)氣體數(shù)值一致。四、GTH500(B)GTH500(B)型型COCO傳感器傳感器( (原原KG9201KG9201、GT500(A)GT500(

10、A)n調(diào)校：調(diào)校： 報(bào)警調(diào)節(jié)： 按遙控器上“選擇”鍵使小數(shù)碼管顯示為“3”，然后分別按“”或“”鍵調(diào)節(jié)。自檢： 按遙控器上“選擇”鍵使小數(shù)碼管顯示為“4”，此時(shí)傳感器應(yīng)顯示200ppm，對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)為520Hz（或2.6mA）。注意：（1）傳感器參數(shù)調(diào)節(jié)后，必須在斷電之前，按遙控器上的“選擇”鍵使小數(shù)碼管的顯示值循環(huán)至消隱，修改后的參數(shù)才能存入傳感器的存儲(chǔ)器內(nèi)。否則，此次調(diào)校無(wú)效。（2）儀器零點(diǎn)、精度要定期調(diào)校，一般15天一次。四、GTH500(B)GTH500(B)型型COCO傳感器傳感器( (原原KG9201KG9201、GT500(A)GT500(A)n典型故障典型故障 傳感器顯示L.

11、LL： 表示傳感頭內(nèi)部接線松動(dòng)或檢測(cè)元件損壞。 傳感器顯示8.88或反復(fù)顯示00.00： 表示傳感器距離分站太遠(yuǎn)或IC3（7805）故障（正常時(shí)其輸入端應(yīng)該在+18V左右，輸出端在+5V左右）。 報(bào)警有光無(wú)聲或無(wú)光無(wú)聲： 蜂名器及其連線故障； 報(bào)警燈或其控制器件（CD4011）或晶體管(9013)故障。 小數(shù)碼管顯示亂跳或無(wú)法控制： 傳感器線路板上數(shù)碼管旁的遙控紅外接收頭（SFH）故障。 五、便攜式五、便攜式COCO檢測(cè)儀檢測(cè)儀CT1000X型CO檢測(cè)報(bào)警儀檢測(cè)報(bào)警儀 測(cè)量范圍：02000ppm誤差：10%真值報(bào)警范圍：0300ppm連續(xù)可調(diào)響應(yīng)時(shí)間：60秒傳感器壽命：3年（進(jìn)口電化學(xué)）報(bào)警出

12、廠設(shè)定 ：241ppm法國(guó)TX2000型CO檢測(cè)儀 測(cè) 量：連續(xù)測(cè)量范圍：0-500/0-2000兩種可供選擇 傳 感 器：電化學(xué)式 顯 示：3位半液晶顯示，帶背景燈 報(bào) 警：5種聲光/2個(gè)瞬時(shí)報(bào)警點(diǎn)/超量程報(bào)警 供電電源：3節(jié)LR01 1.5V干電池 工作時(shí)間：1000小時(shí) 五、便攜式五、便攜式COCO檢測(cè)儀檢測(cè)儀2.4 氧氣傳感器氧氣傳感器n正常的氧氣含量應(yīng)當(dāng)在20.9%左右。n富氧：即氧氣過量，通常指氧氣含量超過23.5%，此時(shí)很容易發(fā)生爆炸的危險(xiǎn)；n缺氧：即氧氣不足，通常指氧氣含量低于19.5%，此時(shí)很容易發(fā)生窒息、昏迷以至死亡的危險(xiǎn)。n檢測(cè)氧氣含量的方法： 伽伐尼電池法、順磁測(cè)氧法一

13、、伽伐尼電池測(cè)氧法（一、伽伐尼電池測(cè)氧法（Galvanic cell）1、隔膜伽伐尼電池原理、隔膜伽伐尼電池原理n電池陰極：電池陰極： 由金、銀、鉑或銀-石墨制成。n電池陽(yáng)極：電池陽(yáng)極： 由鉛、鎘、銅、鉍等金屬制成。n電解液：電解液： 氫氧化鉀、氫氧化鈉或碳酸鹽。n隔膜：隔膜： 聚四氟乙烯PTFE等隔水透氣膜。圖2.4-2 伽伐尼電池結(jié)構(gòu)示意圖1-陽(yáng)極 2-絕緣材料 3-電解液 4-陰極 5-隔膜 一、伽伐尼電池測(cè)氧法（一、伽伐尼電池測(cè)氧法（Galvanic cell）1、隔膜伽伐尼電池原理、隔膜伽伐尼電池原理n陰極反應(yīng)：陰極反應(yīng)：-22O +2H O+4e 4OHn 陽(yáng)極反應(yīng)：陽(yáng)極反應(yīng)：2+

14、2+-22Pb 2Pb+ 4e2Pb+ 4OH 2Pb(OH)n 總電池反應(yīng)：總電池反應(yīng)：圖2.4-2 伽伐尼電池結(jié)構(gòu)示意圖1-陽(yáng)極 2-絕緣材料 3-電解液 4-陰極 5-隔膜 222222O +2Pb +2h O = 2Pb(OH)Pb(OH) +KOH =KHPbO +h O一、伽伐尼電池測(cè)氧法（一、伽伐尼電池測(cè)氧法（Galvanic cell）1、隔膜伽伐尼電池原理、隔膜伽伐尼電池原理n電池反應(yīng)電勢(shì)：電池反應(yīng)電勢(shì)：RTDAiCnFl(25 C)0O2O2RTE=E +lgPnF=1.342+0.0148lgPn反應(yīng)電子數(shù)F法拉第常數(shù)Po2電極表面氧分壓D氣體擴(kuò)散系數(shù)A陰極面積l膜外表面

15、距陰極的距離C氧氣濃度n元件輸出電流元件輸出電流2、影響測(cè)氧元件的因素、影響測(cè)氧元件的因素n溫度：溫度：直接影響i，并影響Dn氣壓變化：氣壓變化：影響電極表面氧分壓，通常+0.25O2 /100m井深n陽(yáng)極壽命：陽(yáng)極壽命：二、順磁測(cè)氧法二、順磁測(cè)氧法 1 1、順磁測(cè)氧原理、順磁測(cè)氧原理n順磁性氣體和反磁性氣體：順磁性氣體和反磁性氣體：反磁性是指當(dāng)施加磁場(chǎng)時(shí)，氣體與磁場(chǎng)相斥而逃逸的性質(zhì)；反之，為順磁性。n大多數(shù)氣體為反磁性，僅O2、NO1、NO2等少數(shù)氣體呈順磁性n氧的磁化率比其它氣體大得多，含氧混合氣體的磁化率主要由氧的濃度決定。n氧的熱磁效應(yīng)：氧的熱磁效應(yīng)：即氧的磁化率會(huì)隨溫度的升高而迅速降低。圖2.4-1 順磁測(cè)氧元件環(huán)型室 ；永久磁鐵；r1電阻線圈；r2電阻線圈；r1 r2R1 R2測(cè)量電橋 n無(wú)氧時(shí)：無(wú)氧時(shí)：連通管兩側(cè)壓力平衡，電橋平衡。n有氧時(shí)：有氧時(shí)：氣體被磁場(chǎng)吸入連通管而被加熱。n熱磁對(duì)流：熱磁對(duì)流：隨氧氣溫度升高，磁化率隨之降低；而后面連續(xù)流過來(lái)的冷氣體因溫度低而磁化率高，被不斷吸入連通管，所以把原先已被加熱的氣體不斷向通道右面推出，形成磁風(fēng)即熱磁對(duì)流。磁風(fēng)的強(qiáng)弱取決于氣體中氧含量的多少。n左側(cè)電阻左側(cè)電阻r1：附近的熱量不斷被引入的氣體帶走，溫度降低，降低的程度取決于磁風(fēng)的大小。n右側(cè)電阻右側(cè)電阻r2：由于氣體在前面已被加熱，所以不會(huì)受到冷卻的