通風(fēng)安全監(jiān)測(cè)工

礦用傳感器在礦井監(jiān)控系統(tǒng)中，所需監(jiān)測(cè)的物理量大多數(shù)是非電量，如：甲烷、風(fēng)速、溫度等，而這些物理量是不宜直接進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸?shù)?。為了便于傳輸、存?chǔ)和處理，就必須對(duì)這些物理量進(jìn)行交換，將他們變換成便于傳輸、存儲(chǔ)和處理的物理量。目前最能滿足這些要求的是電信號(hào)。4.1基礎(chǔ)知識(shí)傳感器組成：敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、測(cè)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(jìn)行非電量到電量的轉(zhuǎn)換時(shí)，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(cè)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?jìng)鞲衅魉试S測(cè)量被測(cè)物理量的量值范圍。一般用傳感器允許測(cè)量的物理量的上、下極限來(lái)表示，如：甲烷傳感器的量程為0～4.0%CH4，在使用中，如果被測(cè)物理量超出了傳感器所規(guī)定的量程范圍，將會(huì)造成較大的測(cè)量誤差或傳感器的損壞。4.1.1.2精度—任何傳感器的測(cè)量結(jié)果都是被測(cè)物理量的近似值表示，精度表示傳感器的測(cè)量結(jié)果與被測(cè)實(shí)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）或減小（反行程）時(shí)，輸出/輸入曲線不重合的程度。4.1.1.4重復(fù)性—指?jìng)鞲衅髟谙嗤墓ぷ鳡顟B(tài)下，重復(fù)地輸入一個(gè)相同的值時(shí)，其輸出的一致性程度。4.1.1.5線性度—為了標(biāo)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(zhǔn)確地反映被測(cè)量的實(shí)際值。（實(shí)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?jìng)鞲衅鞯妮敵鲈隽颗c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(lái)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(duì)蓄電池充電，維護(hù)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(hù)，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(diǎn)：供電距離近、功耗小、簡(jiǎn)單方便等。為了保證在交流供電網(wǎng)短時(shí)停電的情況下，傳感器仍能正常工作不小于2小時(shí)，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(diǎn)：保證在井下供電不正常的情下，仍能對(duì)被測(cè)物理量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。缺點(diǎn)：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(hù)。如：中心站電源傳感器供電電纜4.1.3輸出信號(hào)在礦井監(jiān)控系統(tǒng)中，被測(cè)物理量可分為開(kāi)關(guān)量和模擬量?jī)纱箢?。開(kāi)關(guān)量就是只取兩種狀態(tài)的物理量，如：采掘機(jī)、運(yùn)輸機(jī)、風(fēng)機(jī)的開(kāi)停等。開(kāi)關(guān)量可以用電壓的有無(wú)、電流的有無(wú)和極性來(lái)表示。U（I）t用電壓U或電流I表示的開(kāi)關(guān)信號(hào)U（I）tK1K2K3K4K5K6K7K8數(shù)字信號(hào)表示開(kāi)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(fēng)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(lái)表示U（I）t模擬信號(hào)U（I）t1010111數(shù)字信號(hào)表示模擬量大小數(shù)字信號(hào)和頻率型信號(hào)均用脈沖表示，但有以下根本區(qū)別：1）數(shù)字信號(hào)的脈沖持續(xù)時(shí)間恒定不變；而頻率型模擬信號(hào)的脈沖持續(xù)時(shí)間隨著頻率的增高而減?。?）數(shù)字信號(hào)表示模擬量大小存在量化誤差；而頻率型模擬信號(hào)可以準(zhǔn)確表示模擬量大??；3）數(shù)字信號(hào)不同位置的脈沖表示不同位置;而頻率型模擬信號(hào)的任何位置的脈沖均表示同一數(shù)值.4.1.3.1開(kāi)關(guān)信號(hào)開(kāi)關(guān)信號(hào)輸出接點(diǎn)可以是有源接點(diǎn),也可以是無(wú)源接點(diǎn).輸出接點(diǎn)開(kāi)關(guān)量輸出裝置U出＋I(xiàn)出I出輸出接點(diǎn)U出開(kāi)關(guān)量輸出裝置有源接點(diǎn)輸出的高電平電壓應(yīng)不小于+3V（輸出電流為2mA時(shí)），低電平電壓應(yīng)不大于+0.5V(輸出電流為2MA時(shí)）。無(wú)源接點(diǎn)輸出的截止?fàn)顟B(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(shí)）。4.1.3.2模擬信號(hào)模擬信號(hào)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(hào)的電壓隨被測(cè)物理量變化而變化，電壓型模擬信號(hào)一般為0～5V。Ut(a)tU(b)電壓型模擬信號(hào)(a)被測(cè)物理量(b)電壓型模擬信號(hào)傳感器分站RIU0U1分站輸入的電壓型模擬信號(hào)4.1.3.2.2電流型電流型模擬信號(hào)的電流隨被測(cè)物理量的變化而變化，電流型模擬信號(hào)一般為1～5mAAt(a)t(b)A電流型模擬信號(hào)(a)被測(cè)物理量(b)電流型模擬信號(hào)傳感器分站I0Ii△Ir分站輸入的電流型模擬信號(hào)4.1.3.2.3頻率型頻率型模擬信號(hào)的頻率隨被測(cè)物理量變化而變化，頻率型模擬信號(hào)一般為200～1000Hz.At(a)At(b)(a)被測(cè)物理量(b)頻率型模擬信號(hào)4.1.4模擬信號(hào)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(yùn)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(cè)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(bào)警范圍及基本誤差0.5%CH4≤X≤1.5%CH4≤41±0.1%CH4(3)聲光報(bào)警1m處≥85dB,能見(jiàn)度≥20m(4)響應(yīng)時(shí)間≤30m(5)穩(wěn)定性≥7d4.2甲烷傳感器甲烷濃度監(jiān)測(cè)是礦井安全監(jiān)控的首要內(nèi)容。當(dāng)環(huán)境中甲烷濃度大于或等于報(bào)警濃度時(shí)，發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)；當(dāng)環(huán)境中甲烷濃度大于或等于斷電濃度時(shí)，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(dāng)甲烷濃度低于復(fù)電濃度時(shí)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(cè)中，用于低濃度甲烷監(jiān)測(cè)主要是催化燃燒式，用于高濃度甲烷監(jiān)測(cè)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(wú)焰燃燒，放出熱量，使傳感元件升溫，進(jìn)而使傳感元件電阻變大，通過(guò)測(cè)量傳感元件電阻變化就可測(cè)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(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好，受硫化物中毒影響小。缺點(diǎn)：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(huì)導(dǎo)致元件表面蒸發(fā)，使鉑絲變細(xì)，電阻增大，造成傳感器零點(diǎn)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(gè)帶催化劑的傳感元件（俗稱黑元件）和一個(gè)不帶催化劑的補(bǔ)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(shí)甲烷燃燒放出的熱量使其升溫，通過(guò)測(cè)量其電阻變化，就可測(cè)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(shí)，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(dāng)空氣中甲烷濃度高于9%時(shí)，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(huì)被氧氣氣化，生成PdO，使元件活性降低，但當(dāng)空氣中甲烷濃度大于10%PdO時(shí)，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(shí)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(jī)硅蒸氣等強(qiáng)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(yán)重時(shí)會(huì)使催化劑完全失去活性。4.2.1.2.4靈敏度變化由于高溫?zé)Y(jié)，催化劑活性物質(zhì)的粒子會(huì)變大，還會(huì)升華為氣態(tài)等，這些都會(huì)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(shí)間響應(yīng)時(shí)間是指甲烷濃度發(fā)生階躍變化時(shí)，電橋輸出信號(hào)達(dá)到穩(wěn)定值90%時(shí)所需要的時(shí)間。一般要求連續(xù)式響應(yīng)時(shí)間為20S，間斷式響應(yīng)時(shí)間為6S。4.2.1.2.6氣流流量進(jìn)入檢測(cè)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(shí)，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(shí)，元件的輸出與甲烷濃度基本成線性關(guān)系，當(dāng)甲烷濃度大于5%時(shí)，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(guò)熱敏元件測(cè)量甲烷空氣混合物熱導(dǎo)率的變化，進(jìn)而測(cè)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(cè)量精度。因此，熱導(dǎo)式甲烷傳感器必須對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行補(bǔ)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(shí)，會(huì)使人中毒，同時(shí)，一氧化碳又是預(yù)測(cè)和監(jiān)測(cè)煤炭自燃發(fā)火的主要技術(shù)指標(biāo)。分類：一氧化碳傳感器按其工作原理可分為電化學(xué)式、紅外吸收式等。電化學(xué)式電解質(zhì)溶液與電極間發(fā)生化學(xué)能與電能之間的轉(zhuǎn)換稱為電化學(xué)反應(yīng)。電化學(xué)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(jìn)行。例如：CO2/CO氧化還原對(duì)的可逆電極電位為—0.12V,只要維持陽(yáng)極電位高于—0.12V，CO就被氧化。其化學(xué)反應(yīng)式為：陽(yáng)極：CO+H2O→CO2+2H+2e陰極：O2+4H+4e→2H2O2CO+O2=2CO2如果采用氣體擴(kuò)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(kuò)散電極膜厚D-膜中氣體擴(kuò)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(duì)特定波長(zhǎng)的紅外線具有吸收能力,通過(guò)檢測(cè)入射光強(qiáng)度的變化,就可測(cè)定一氧化碳?xì)怏w的濃度。4.4風(fēng)速傳感器在煤礦開(kāi)采的過(guò)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(fēng)量是通風(fēng)系統(tǒng)的重要參數(shù)之一。分類：超聲波旋渦式和超聲波時(shí)差式兩種。4.4.1超聲波旋渦式風(fēng)速傳感器超聲波旋渦式風(fēng)速傳感器首先將風(fēng)速換成與風(fēng)速成正比的旋渦頻率，然后通過(guò)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(cè)得風(fēng)速。F=S·V/D超聲波旋渦式風(fēng)速傳感器優(yōu)點(diǎn)：1）無(wú)可動(dòng)部件，無(wú)機(jī)械磨損，性能穩(wěn)定，使用壽命長(zhǎng)；2）輸出本身就是與風(fēng)速成線性關(guān)系的脈沖頻率信號(hào)，沒(méi)有零點(diǎn)漂移，測(cè)量精度高。3）輸出信號(hào)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(biāo)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(gè)閉合回路。當(dāng)兩種不同的金屬材料的兩個(gè)接點(diǎn)之間存在溫差時(shí)，就在兩者之間產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，進(jìn)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(lái)測(cè)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(lái)測(cè)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(lái)測(cè)量溫度的。優(yōu)點(diǎn)：體積小、成本低、功耗低、響應(yīng)快、線性度好。4.5.3