第6章矿用传感器.

第六章矿用传感器第一节甲烷传感器第二节矿用风速传感器第三节矿用压力传感器第四节一氧化碳传感器第五节矿用温度传感器第六节矿用烟雾传感器第七节风门开关传感器第六章矿用传感器第八节矿用风筒开关传感器第九节矿用机电设备开停传感器第十节馈电状态传感器第十一节瓦斯抽采流量传感器第十二节便携式甲烷检测报警仪复习思考题第六章矿用传感器传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录。第六章矿用传感器传感器一般由敏感元件和转换元件、测量电路以及辅助电源等部分组成，如图6-1所示。第六章矿用传感器常见的测量电路由放大器、电桥、振荡器、电荷放大器等组成，它们分别与相应的传感器相配合。传感器输出信号有电压、电流、频率、脉冲等多种形式。第六章矿用传感器矿用传感器主要用于矿井环境参数和矿井工况参数的监测。矿井环境参数监测主要有甲烷浓度、氧气浓度、粉尘浓度、环境温度、风量、风压、一氧化碳浓度、二氧化碳浓度和硫化氢浓度。矿井工况监测参数主要有设备开停、风筒风量、风门开关、输送机开停、煤仓煤位、采煤机组位置、排水系统、压风系统、主要通风机工作状况等参数。第六章矿用传感器矿用传感器根据测量原理可分为电位计式、应变式、电容式、电感式、压电式、磁电式、光敏式、霍尔式、光纤式、气敏式和智能式等；根据输入物理量可分为位移传感器、压力传感器、速度传感器、温度传感器及气体浓度传感器等；根据输出信号的性质可分为模拟式传感器和数字式传感器，即模拟式传感器输出模拟信号和数字式传感器输出数字信号。第六章矿用传感器矿用传感器应符合国家有关标准和行业标准的要求，其防爆型式优选本质安全型，用于安全监控的矿用传感器防爆型式应为本质安全型，载体催化式甲烷传感器其防爆型式可采用隔爆兼本质安全型，防爆标志为ExibdⅠ。在传感器的外壳明显处设有Ex、MA标志和计量器具标志。第六章矿用传感器矿用传感器一般应具有显示功能，显示应清楚准确。具有报警功能的矿用传感器，其报警点应能在测量范围任意设定，报警声级强度在距其1m远处的声响信号的声压级应不小于80dB(A)，光信号在20m远处清晰可辨。第六章矿用传感器矿用传感器应在9～24V范围内工作，使用单芯截面积为1.5mm2的电缆时，传感器与分站之间的传输距离不小于2km。矿用传感器的工作稳定性应不小于15d。传感器应具有采用遥控器调校的功能。第六章矿用传感器矿用传感器应能在下列条件下正常工作：温度为0～40℃；相对湿度不大于98%；大气压力为80～116kPa；风速不大于8m/s；存储温度为-40～60℃。第六章矿用传感器矿用传感器的输出信号应满足下列要求：电流型为1～5mA或4～20mA；频率型为200～1000Hz，脉冲宽度大于0.3ms的电流脉冲；数字信号的传输速率为1200bps、2400bps、4800bps、9600bps等。第一节甲烷传感器甲烷传感器是连续监测矿井环境中甲烷浓度的装置，具有显示和声光报警功能。目前煤矿使用甲烷传感器主要有煤矿用低浓度载体催化式甲烷传感器、甲烷抽放用热导式高浓度甲烷传感器和煤矿用高低浓度甲烷传感器3类。应根据使用场所、测量范围和测量精度等要求选择不同检测原理的甲烷传感器。第一节甲烷传感器一、煤矿用低浓度载体催化甲烷传感器1.煤矿用低浓度载体催化甲烷传感器的测量原理低浓度载体催化式甲烷传感器是我国煤矿安全监测系统普遍采用的检测井下甲烷气体浓度仪器。载体催化元件是在铂丝上涂有载体并浸有催化剂，用来检测煤矿空气中甲烷浓度的敏感元件。第一节甲烷传感器由检测元件（黑元件）和补偿元件（白元件）组成，补偿元件与检测元件的结构尺寸完全相同，补偿元件表面没有催化剂，补偿元件与检测元件配对使用，在不平衡电桥中对环境温度、湿度等起补偿作用的元件。第一节甲烷传感器检测元件是电阻值与空气中甲烷浓度成对应关系的载体催化元件，由铂丝线圈、三氧化二铝（Al2O3）载体和表面的催化剂组成，其中三氧化二铝载体用来固定铂丝线圈，增强元件的机械强度。涂在元件表面的铂(Pt)和钯(Pd)等重金属催化剂，使吸附在元件表面的甲烷无焰燃烧。第一节甲烷传感器铂丝线圈用来给元件加温，提供甲烷催化燃烧所需要的温度，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浓度。第一节甲烷传感器载体催化传感器检测原理如图6-2所示。R1、R2—电桥电阻；C—补偿元件；D—检测元件；W1—调零电位器第一节甲烷传感器在甲烷浓度为0的新鲜空气中，其检测元件与补偿元件电阻相等，即RC=RD，这时，电桥处于平衡状态，输出电压U=0。若环境温度发生变化或通过检测元件与补偿元件的电流发生变化，使检测元件与补偿元件电阻发生变化，但由于变化后的检测元件与补偿元件电阻仍相等，不会使电桥失衡。因此，补偿元件具有环境温度补偿作用。第一节甲烷传感器当空气中含有甲烷时，吸附在检测元件表面的甲烷在检测元件表面催化燃烧，燃烧放出的热量与甲烷浓度成正比，在燃烧热量的作用下，检测元件温度上升，检测元件铂丝电阻也随之增大ΔR，因此，通过测量ΔR的变化，测得空气中的甲烷浓度。传感器的显示值是指传感器的测量数值，以百分体积浓度表示，采用数字显示。第一节甲烷传感器2.煤矿用低浓度载体催化甲烷传感器的技术要求在甲烷浓度超过上限测量范围时，具有保护载体催化元件的功能，此时传感器的显示值和输出信号值均维持在甲烷超限状态。第一节甲烷传感器报警点可在测量范围内任意设置，报警显示值与设定值的差值不超过±0.05%CH4。正常工作时其指示值的飘移量不超过±0.10%CH4。在甲烷浓度为0.00～4.00%CH4范围内，当甲烷浓度保持恒定时，传感器的显示值或输出信号值的变化量不超过0.04%CH4。第一节甲烷传感器传感器响应时间是甲烷浓度发生阶跃变化时，输出达到稳定值90%的时间，其响应时间不大于20s。传感器在连续工作15d的基本误差应不超过表6-1的规定。第一节甲烷传感器二、甲烷抽采（放）用热导式高浓度甲烷传感器1.热导式高浓度甲烷传感器的测量原理热导式高浓度甲烷传感器主要用于甲烷抽采（放）管道中和高瓦斯采掘工作面的甲烷浓度监测，在甲烷风电闭锁装置中热导元件与载体催化元件组合，构成高低浓度甲烷传感器。第一节甲烷传感器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，通过热敏检测元件测量含有甲烷的混合气体的热导率变化，从而测得甲烷的浓度。第一节甲烷传感器热导式甲烷传感器测量原理如图6-3所示。第一节甲烷传感器传感器内部有一个参比室和一个测量室，两个元件的内部分别缠绕着细铂丝，在参比室内密封着参比(基准)气体，而测量室可以进入待测的气体。两个铂丝与外部定值电阻组合，形成电桥回路，恒定电流分别流过各铂丝，使之发热，同催化燃烧式传感器一样，在不存在可燃气体的时候，R1=R2，回路是平衡的。第一节甲烷传感器因此产生“零”数值，一旦测量室中的待测组分中发生浓度变化，则测量室中的热导率会随之变动，从而使R1、R2上铂丝的温度发生变化，导致R1、R2阻值出现差异，电桥失去平衡，有信号输出。甲烷浓度越大，温差就越大，阻值相差越大，电桥输出信号越大。根据输出信号的大小，计算出甲烷气体的浓度。第一节甲烷传感器热导式甲烷传感器的选择性较差，空气中其他气体的浓度变化会影响甲烷浓度的测量。例如，二氧化碳浓度的增加会使混合气体的热导率下降，空气湿度的增加将使混合气体的热导率增大。因此，热导式甲烷传感器要排除二氧化碳和空气湿度的影响。由于气体的热导率随温度的增大而增大，影响着甲烷传感器的测量精度。因此，热导式甲烷传感器必须对温度进行补偿，并保持气室温度恒定。第一节甲烷传感器热传导、热对流和热辐射决定了气室内的热交换，当温度不高时，热交换主要取决于热传导和热对流。并且气室尺寸和气体流速对流的影响，会进一步对热导式甲烷传感器测量值造成影响。由于空气中甲烷浓度的微量变化很难通过甲烷空气混合物热导率的变化测得。因此，热导式甲烷传感器目前主要用于高浓度甲烷检测。第一节甲烷传感器2.热导式甲烷传感器的技术要求热导式甲烷传感器的测量数值采用数字显示以百分体积浓度表示，测量分辨率不低于0.1%CH4。量程有4%CH4～40%CH4和4%CH4～100%CH42种。测量范围在4%CH4～100%CH4时，甲烷浓度恒定时，传感器显示值变化量不超过0.4%CH4。在20m/s流速条件下，其指示值漂移量不大于±0.1%CH4，响应时间不大于30s，工作稳定性不少于21d。第一节甲烷传感器传感器的基本误差不超过表6-2所示。传感器使用电缆的单芯截面积为1.5mm2时，传感器与关联设备的传输距离应不小于2km。第一节甲烷传感器三、煤矿用高低浓度甲烷传感器将煤矿用载体催化与热导检测元件组合进行监测甲烷浓度的传感器称为高低浓度甲烷传感器。煤矿用载体催化与热导组合式高低浓度甲烷传感器是我国煤矿安全监测监控系统用于高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井井下甲烷气体监测的仪器。煤矿用载体催化与热导组合高低浓度甲烷传感器量程为0～40%CH4和0～100%CH4。第一节甲烷传感器传感器以百分体积浓度显示表示测量值，采用数字显示，低浓度段分辨率不低于0.01%CH4，高浓度段分辨率不低于0.1%CH4，并应能显示值的正或负。传感器中载体催化元件与热导元件工作转换点设置范围为2%CH4～4%CH4，由低浓度转换为高浓度和由高浓度转换为低浓度可设置不同的转换点。第一节甲烷传感器传感器显示值的稳定性在0～4%CH4范围内，甲烷浓度恒定时，传感器显示值或输出信号值变化量不超过0.04%CH4。在4%CH4～100%CH4范围内，甲烷浓度恒定时，传感器显示值或输出信号值变化量不超过0.4%CH4。第一节甲烷传感器载体催化元件在测量时的基本误差符合表6-1的规定。传感器热导元件在检测CH4时的基本误差应符合表6-2的规定。传感器催化元件和热导元件转换时不可避免出现附加误差，转换点的附加误差不超过1.00%CH4。传感器在连续工作15d的基本误差应符合表6-1和表6-2的规定。传感器的响应时间不超过20s。第一节甲烷传感器目前我国煤矿常用的高低浓度甲烷传感器有KG9701型智能高低浓度甲烷传感器、KG9001B型智能高低浓度甲烷传感器、AWJ-90A型高低浓度甲烷传感器等多种型号。第一节甲烷传感器四、非色散红外甲烷传感器非色散红外甲烷传感器是针对煤矿及其他含甲烷爆炸气体环境而设计的甲烷气体浓度检测仪，该仪器采用红外吸收测量原理、扩散式采样、数字式温度补偿等技术，检测精度高、环境适应能力强、稳定可靠。第一节甲烷传感器测量量程有0～10%CH4和0～100%CH42种。非色散红外甲烷传感器按使用用途可分为A、B、C3类：A类传感器用于环境监测，测量范围0～10%CH4；B类传感器用于环境监测，测量范围0～100%CH4；C类传感器用于瓦斯抽采（放）管道监测，测量范围0～100%CH4。这类甲烷传感器适用于煤矿作业场所、瓦斯抽采（放）放泵站等存在甲烷泄漏危险场所的甲烷气体浓度检测。第一节甲烷传感器1.非色散红外甲烷传感器的测量原理测量气体分子的光吸收谱是气体种类识别和气体分子浓度测定的有效手段。甲烷对3.33μm波长的红外光有一极强的吸收峰，而杂质气体中影响较大的水蒸气和二氧化碳则并无明显吸收这个光谱特性，利用这一特性即可测量甲烷浓度。第一节甲烷传感器2.非色散红外甲烷传感器的组成非色散红外甲烷传感器由传感元件、稳压电源、红外接收电路、单片机电路、显示电路、报警电路等部分组成。第一节甲烷传感器非色散红外甲烷传感器的原理如图6-4所示。第一节甲烷传感器传感元件采用光谱气体传感技术，当红外光通过待测气体时,甲烷对3.33μm波长的红外光有一极强的吸收峰，正是这个光谱特性，实现了甲烷气体的检测。第一节甲烷传感器红外遥控器的各种操作指令由大规模专用电路编码后驱动红外发射管发送出去，接收电路由一体化大规模红外接收集成电路组成。当该电路收到红外光脉冲后，接收器将光编码信号转换成串行电信