1、煤矿安全监测监控作业煤矿安全监测监控作业阳煤集团职教中心 郑卯成主要内容主要内容1第六章第六章 矿用传感器矿用传感器2第七章第七章 矿用分站、矿用信息传矿用分站、矿用信息传输接口与矿用电源输接口与矿用电源3第八章第八章 甲烷超限报警断电装置甲烷超限报警断电装置5第十章第十章 安全监控仪器的安装安全监控仪器的安装2023/5/726第十一章第十一章 安全监控设备的日常安全监控设备的日常维护、调试维护、调试 第六章第六章 矿用传感器矿用传感器2023/5/73第一节第一节 甲烷传感器甲烷传感器第二节第二节 矿用风速传感器矿用风速传感器第三节第三节 矿用压力传感器矿用压力传感器第四节第四节 一氧化碳
2、传感器一氧化碳传感器第五节第五节 矿用温度传感器矿用温度传感器第六节第六节 矿用烟雾传感器矿用烟雾传感器第七节第七节 风门开关传感器风门开关传感器第八节矿用风筒开关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节馈电状态传感器第十一节瓦斯抽采流量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第十二节便携式甲烷检测报警仪复习思考题复习思考题 第六章第六章 矿用传感器矿用传感器2023/5/74 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
3、规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，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。以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录。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，如图分组成，如图6-1所示。所示。第六章第六章 矿用传感器矿用传感器2023/5/75 常见的测量电路由放大器、电桥、振荡器、电荷放大常见的测量电路由放大器、电桥、振荡器、电荷放大器等组成器等组成;它们分别与相应的传感器相配合。传感器输出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
4、、频率、脉冲等多种形式。信号有电压、电流、频率、脉冲等多种形式。矿用传感器主要用于矿并环境参数和矿井工况参数的矿用传感器主要用于矿并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、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
5、况等参组位置、排水系统、压风系统、主要通风机工作状况等参数。数。第六章第六章 矿用传感器矿用传感器2023/5/76 矿用传感器分类：矿用传感器分类：根据测量原理可分为电位计式、应变式、电容式、电感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、气敏式式、压电式、磁电式、光敏式、霍尔式、光纤式、气敏式和智能式等和智能式等;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根据输出信号的
6、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。字信号。第六章第六章 矿用传感器矿用传感器2023/5/77 矿用传感器应符合国家有关标准和行业标准的要求矿用传感器应符合国家有关标准和行业标准的要求;用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。催化式甲烷传感器其防爆型式可采用隔爆兼本质安全型。矿用传感器一般应具有显示功能，显示应清楚准确。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
7、能的矿用传感器，其报警点应能在测量范围任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意设定，报警声级强度在距其1m远处的声响信号的声压级远处的声响信号的声压级应不小于应不小于80 dB(A)，光信号在，光信号在20 m远处清晰可辨。远处清晰可辨。矿用传感器应在矿用传感器应在9一一24 V范围内工作，使用单芯截面范围内工作，使用单芯截面积为积为1.5 mm2的电缆时，传感器与分站之间的传输距离的电缆时，传感器与分站之间的传输距离不小于不小于2 km。矿用传感器的工作稳定性应不小于。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。传感器应具有
8、采用遥控器调校的功能。第六章第六章 矿用传感器矿用传感器2023/5/78 矿用传感器应在矿用传感器应在9一一24 V范围内工作，使用单芯截面范围内工作，使用单芯截面积为积为1.5 mm2的电缆时，传感器与分站之间的传输距离的电缆时，传感器与分站之间的传输距离不小于不小于2 km。矿用传感器的工作稳定性应不小于。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。传感器应具有采用遥控器调校的功能。矿用传感器应能在下列条件下正常工作矿用传感器应能在下列条件下正常工作:温度为温度为0一一40;相对湿度不大于相对湿度不大于98%;大气压力为大气压力为80一一116 kPa;风速风
9、速不大于不大于8 m/s;存储温度为存储温度为-40一一60。矿用传感器的输出信号应满足下列要求：电流型为矿用传感器的输出信号应满足下列要求：电流型为1 1一一5mA5mA或或4 4一一20mA20mA；频率型为；频率型为200-1000Hz,200-1000Hz,脉冲宽度大于脉冲宽度大于0.3ms0.3ms的电流脉冲；数字信号的传输速率为的电流脉冲；数字信号的传输速率为1200bps,2400bps.1200bps,2400bps.4800bps,9600bps4800bps,9600bps等。等。第一节第一节 甲烷传感器甲烷传感器2023/5/79 甲烷传感器是甲烷传感器是连续监测连续监测
10、矿井环境中甲烷浓度的装置矿井环境中甲烷浓度的装置;具具有有显示显示和和声光报警声光报警功能。功能。目前煤矿使用目前煤矿使用甲烷传感器主要有甲烷传感器主要有煤矿用煤矿用低浓度低浓度载体催载体催化式甲烷传感器、甲烷抽放用热导式化式甲烷传感器、甲烷抽放用热导式高浓度高浓度甲烷传感器和甲烷传感器和煤矿用煤矿用高低浓度高低浓度甲烷传感器甲烷传感器3类类。应根据应根据使用场所使用场所、测量范围测量范围和和测量精度测量精度等要求等要求选择选择不不同检测原理的甲烷传感器。同检测原理的甲烷传感器。第一节第一节 甲烷传感器甲烷传感器2023/5/710 一、煤矿用低浓度载体催化甲烷传感器一、煤矿用低浓度载体催化甲
11、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普遍用于检测井下甲烷低浓度载体催化式甲烷传感器普遍用于检测井下甲烷气体浓度。气体浓度。由检测元件由检测元件(黑元件黑元件)和补偿元件和补偿元件(白元件白元件)组成。组成。补偿元件与检测元件的结构尺寸完全相同，补偿元件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，在电桥表面没有催化剂，补偿元件与检测元件配对使用，在电桥电路中对环境温度、湿度等引起的不平衡起补偿作用的元电路中对环境温度、湿度等引起的不平衡起补偿作用的元件。件。第一节第
12、一节 甲烷传感器甲烷传感器2023/5/711 检测元件是电阻值与空气中甲烷浓度成对应关系的载体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催化元件;由铂丝线圈、三氧化二铝由铂丝线圈、三氧化二铝(A12O3)载体和表面的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。涂在元件表面的铂元件的机械强度。涂在元件表面的铂(Pt)和钯和钯(Pd)等重金等重金属催化剂，使吸附在元件表面的甲烷无焰燃烧。属催化剂，使吸附在元件表面的甲烷无焰燃烧。铂丝线圈用来给元件加温，提供甲烷催化燃烧所需要的铂丝线圈用来给元件加
13、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温度，同时，甲烷燃烧放出的热量使其升温;通过测量其电阻通过测量其电阻变化，就可测得空气中甲烷浓度。变化，就可测得空气中甲烷浓度。第一节第一节 甲烷传感器甲烷传感器2023/5/712载体催化传感器检测原理如图载体催化传感器检测原理如图6-2所示。所示。第一节第一节 甲烷传感器甲烷传感器2023/5/713 当空气中含有甲烷时，吸附在检测元件表面的甲烷在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检测元件表面催化燃烧;燃烧放出的热量与甲烷浓度成正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
14、上升，检测元件比，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，因此，通过测量铂丝电阻也随之增大，因此，通过测量R的变化，测得的变化，测得空气中的甲烷浓度。空气中的甲烷浓度。2.煤矿用低浓度载体催化甲烷传感器的技术要求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。甲烷超限状态。第一节第一节 甲烷传感器甲烷传感器2023/5/714 报警点可在测量范围内任意设置，报警显示值与设
15、定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士值的差值不超过士0.05%CH4。正常工作时其指示值的。正常工作时其指示值的飘移量不超过士飘移量不超过士0.10%CH4。在甲烷浓度为在甲烷浓度为0.00一一4.00%CH4范围内，当甲烷范围内，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不超过0.04%CH4。传感器响应时间是甲烷浓度发生阶跃变化时输出达到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稳定值90%的时间的时间;其响应时间不大于其响应时间不大于20 s。第一节第一节 甲烷传感器甲烷传感器20
16、23/5/715 传感器在连续工作传感器在连续工作15d的基本误差应不超过表的基本误差应不超过表6一一1的规定。的规定。第一节第一节 甲烷传感器甲烷传感器2023/5/716 二、甲烷抽采二、甲烷抽采(放放)用热导式高浓度甲烷传感器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的测量原理 热导式高浓度甲烷传感器主要用于甲烷抽采热导式高浓度甲烷传感器主要用于甲烷抽采(放放)管道管道中甲烷浓度监测。中甲烷浓度监测。热导式甲烷传感器的工作原理是热导式甲烷传感器的工作原理是:利用甲烷的热导率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高于新鲜
17、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。的混合气体的热导率变化，从而测得甲烷的浓度。第一节第一节 甲烷传感器甲烷传感器2023/5/717 第一节第一节 甲烷传感器甲烷传感器2023/5/718 二、甲烷抽采二、甲烷抽采(放放)用热导式高浓度甲烷传感器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的测量原理 热导式高浓度甲烷传感器主要用于甲烷抽采热导式高浓度甲烷传感器主要用于甲烷抽采(放放)管道中甲烷浓管道中甲烷浓度监测。度监测。热导式甲烷传感器的工作原理是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
18、空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。变化，从而测得甲烷的浓度。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缠绕着细铂丝，在参比室内密封着参比(基准基准)气体，而测量室可以气体，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，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恒定电流分别流过各铂丝;使之发热使之发热;
19、同催化燃烧式传感器一样，在同催化燃烧式传感器一样，在不存在可燃气体的时候，不存在可燃气体的时候，R1=R2，回路是平衡的。，回路是平衡的。第一节第一节 甲烷传感器甲烷传感器2023/5/719 一旦测量室中的待测组分中发生浓度变化，则测量室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，从而使中的热导率会随之变动，从而使R1、R2上铂丝的温度发生上铂丝的温度发生变化变化;导致导致R1、R2阻值出现差异阻值出现差异;电桥失去平衡，有信号输电桥失去平衡，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
20、输出信号的大小信号越大。根据输出信号的大小;计算出甲烷气体的浓度。计算出甲烷气体的浓度。热导式甲烷传感器的选择性较差，空气中其他气体的浓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湿度的影响。由于气体的热导率随温度的增大而增大;影响影响着
21、甲烷传感器的测量精度。因此着甲烷传感器的测量精度。因此;热导式甲烷传感器必须对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。温度进行补偿，并保持气室温度恒定。第一节第一节 甲烷传感器甲烷传感器2023/5/720 2.热导式甲烷传感器的技术要求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，测量分辨率不低于积浓度表示，测量分辨率不低于0.1%CH4。量程有。量程有4一一40%CH4和和4100%CH4 2种。测量范围在种。测量范围在4一一100%CH4时甲烷浓度恒定，传感器显示值变化量不超时甲烷浓度恒
22、定，传感器显示值变化量不超过过0.4%CH4。在。在20 m/s流速条件下，其指示值漂移流速条件下，其指示值漂移量不大于士量不大于士0.1CH4，响应时间不大于，响应时间不大于30 s，工作稳定，工作稳定性不少于性不少于21d。第一节第一节 甲烷传感器甲烷传感器2023/5/721 传感器使用电缆的单芯截面积为传感器使用电缆的单芯截面积为1.5 mm2时，传感时，传感器与关联设备的传输距离应不小于器与关联设备的传输距离应不小于2 km。第一节第一节 甲烷传感器甲烷传感器2023/5/722 三、煤矿用高低浓度甲烷传感器三、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
23、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并井下甲烷气体监测控系统用于高瓦斯和煤与瓦斯突出矿并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量程为0一一40%CH4和和0一一100%CH4。传感器以百分体积浓度显示表示测量值，采用数字显传感器以百分体积浓度显示表示测量值，采用数字显示示;
24、低浓度段分辨率不低于低浓度段分辨率不低于0.01%CH4，高浓度段分辨，高浓度段分辨率不低于率不低于0.1%CH4，并应能显示值的正或负。，并应能显示值的正或负。第一节第一节 甲烷传感器甲烷传感器2023/5/723 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2一一4%CH4，由低浓度转换为高浓度和由高浓度转换为低浓，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。度可设置不同的转换点。传感器显示值的稳定性在传感器显示值的稳定性在0一一4%CH4范围内，甲烷浓度范围内，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恒
25、定时；传感器显示值或输出信号值变化量不超过0.04%CH4。在。在4一一100%CH4范围内，甲烷浓度恒定时，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传感器显示值或输出信号值变化量不超0.4%CH4。载体催化元件在测量时的基本误差符合表载体催化元件在测量时的基本误差符合表6-1的规定。传的规定。传感器热导元件在检测感器热导元件在检测CH4时的基本误差应符合表时的基本误差应符合表6-2的规定。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换点的附加误差不超过1.00%CH4。传感器在连续工
26、作。传感器在连续工作15d的基本误差应符合表的基本误差应符合表6一一1和表和表62的规定。传感器的响的规定。传感器的响应时间不超过应时间不超过20 s。第一节第一节 甲烷传感器甲烷传感器2023/5/724 四、非色散红外甲烷传感器四、非色散红外甲烷传感器 非色散红外甲烷传感器采用红外吸收测量原理、扩散式采样、数非色散红外甲烷传感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。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。检测精度高、环境适应能力强、稳定可靠。测量量程有测量量程有0一一10%CH4和和0一一100%CH42种。种。按使用用途可分为按使用用途可分为A、B、C
27、3类类:A类传感器用于环境监测，测量范围类传感器用于环境监测，测量范围0一一10%CH4;B类传感器用于环境监测，测量范围类传感器用于环境监测，测量范围0一一100%CH4;C类传感器用于瓦斯抽采管道监测，测量范围类传感器用于瓦斯抽采管道监测，测量范围0一一100%CH4。这类甲烷传感器适用于煤矿作业场所、瓦斯抽采这类甲烷传感器适用于煤矿作业场所、瓦斯抽采(放放)放泵站等放泵站等存在甲烷泄漏危险场所的甲烷气体浓度检测。存在甲烷泄漏危险场所的甲烷气体浓度检测。第一节第一节 甲烷传感器甲烷传感器2023/5/725 1.非色散红外甲烷传感器的测量原理非色散红外甲烷传感器的测量原理 测量气体分子的测
28、量气体分子的光吸收谱光吸收谱是气体种类识别和气体分子是气体种类识别和气体分子浓度测定的有效手段。甲烷对浓度测定的有效手段。甲烷对3.33 um波长的红外光波长的红外光有有一极强的吸收峰，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。量甲烷浓度。2.非色散红外甲烷传感器的组成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接收电
29、路、单片机电路、显示电路、报警电路等部分组成。第一节第一节 甲烷传感器甲烷传感器2023/5/726 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，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，甲烷对甲烷对3.33 um波长的红外光有一极强的吸收峰，正是这个光谱特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。性，实现了甲烷气体的检测。第一节第一节 甲烷传感器甲烷传感器2023/5/727 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外发射管
30、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号送单片机进行处理串行电信号送单片机进行处理;完成各项操作。完成各项操作。单片机从传感元件采集代表现场甲烷浓度的电压信号，经运单片机从传感元件采集代表现场甲烷浓度的电压信号，经运算放大处理后送出算放大处理后送出200一一1 000Hz频率信号。当甲烷浓度达到频率信号。当甲烷浓度达到报警值时，单片机驱动晶体管发出声报警和光报警。单片机从红报警值时，单片机驱动晶体管发出声报警和光报警。单片机从红外接收电路采集红外遥控信号，当收到红外
31、遥控指令后，执行相外接收电路采集红外遥控信号，当收到红外遥控指令后，执行相应的指令进行相关参数的修改，并将修改结果送给显示电路进行应的指令进行相关参数的修改，并将修改结果送给显示电路进行显示。显示。数码管的首位在显示遥控命令时用来代表各功能代码，后三数码管的首位在显示遥控命令时用来代表各功能代码，后三位在有功能码时显示功能代码对应的内容，无功能代码时显示甲位在有功能码时显示功能代码对应的内容，无功能代码时显示甲烷浓度。烷浓度。第一节第一节 甲烷传感器甲烷传感器2023/5/728 3.非色散甲烷传感器的主要技术要求非色散甲烷传感器的主要技术要求 (1)输出信号制式。电流型输出信号制式。电流型:
32、直流直流1一一5mA，4一一20 mA;频率频率型型:200一一1000 Hz，2002000 Hz;数字信号型数字信号型:传输速率为传输速率为1200bps,2400 bps,4800 bps,9600 bps，电平不小于，电平不小于3.0V。(2)测量数据显示。传感器以百分体积浓度表示测量数据并用测量数据显示。传感器以百分体积浓度表示测量数据并用数字显示。测量范围在数字显示。测量范围在0一一10%CH4时时;其分辨率不低于其分辨率不低于0.01%CH4;测量范围在测量范围在10一一100%CH4时，其分辨率不低于时，其分辨率不低于0.1%CH4。(3)显示值稳定性。测量范围在显示值稳定性。
33、测量范围在0一一10%CH4，甲烷浓度恒定，甲烷浓度恒定时，传感器显示值与输出信号值时，传感器显示值与输出信号值(换算成甲烷浓度换算成甲烷浓度)变化量不超过变化量不超过0.04%CH4。测量范围在。测量范围在10一一100%CH4，甲烷浓度恒定时，甲烷浓度恒定时，传感器显示值与输出信号值传感器显示值与输出信号值(换算成甲烷浓度换算成甲烷浓度)变化量不超过变化量不超过0.4%CH4。第一节第一节 甲烷传感器甲烷传感器2023/5/729 (4)基本误差。基本误差。(5)工作稳定性：传感器连续工作工作稳定性：传感器连续工作60 d，应符合基本误差。，应符合基本误差。(6)响应时间：响应时间：A、B
34、类传感器类传感器 25 s，C类传感器类传感器 50 s。(7)传输距离：传输距离：2 km。第二节第二节 矿用风速传感器矿用风速传感器2023/5/730 常用的风速传感器，根据原理不同主要有以下几种类型常用的风速传感器，根据原理不同主要有以下几种类型:超声波风超声波风速传感器、热电藕式风速传感器、激光多普勒风速传感器和孔板流量速传感器、热电藕式风速传感器、激光多普勒风速传感器和孔板流量计风速传感器等。计风速传感器等。用于用于矿井矿井的的风速传感器主要有风速传感器主要有超声波旋涡式超声波旋涡式和和超声波时差式超声波时差式2种。种。一、超声波旋涡风速传感器的原理及特点一、超声波旋涡风速传感器的
35、原理及特点 1、工作原理、工作原理 在旋涡发生杆在旋涡发生杆(即阻力体即阻力体)的后部一侧安装有超声波发射换能器，的后部一侧安装有超声波发射换能器，发射出连续等幅的超声波束发射出连续等幅的超声波束;另一侧安装有一个相同的接收换能器。另一侧安装有一个相同的接收换能器。当无风速时，接收换能器接收到一束未经调制的等幅超声波束。当无风速时，接收换能器接收到一束未经调制的等幅超声波束。当有风速时当有风速时;在发生杆后面形成旋涡，旋涡与超声波束相遇时，由在发生杆后面形成旋涡，旋涡与超声波束相遇时，由于旋涡的旋转方向、压力和流体密度的周期变化，导致通过旋涡部分于旋涡的旋转方向、压力和流体密度的周期变化，导致
36、通过旋涡部分的超声波束的声能被折射和反射的超声波束的声能被折射和反射;使到达接收器的声能减弱使到达接收器的声能减弱;在下一个在下一个旋涡没有到达之前，接收器信号又恢复到原来的幅值。旋涡没有到达之前，接收器信号又恢复到原来的幅值。第二节第二节 矿用风速传感器矿用风速传感器2023/5/731 只要有一个旋涡通过超声波束区，超声波束就被调制一次，形成只要有一个旋涡通过超声波束区，超声波束就被调制一次，形成调幅波。因此调幅波。因此;调幅波频率即为旋涡频率。调幅波信号被接收换能器调幅波频率即为旋涡频率。调幅波信号被接收换能器接收后进行放大、解调、滤波等电信号处理，就可检测出旋涡个数接收后进行放大、解调
37、、滤波等电信号处理，就可检测出旋涡个数，从而测定风速。，从而测定风速。第二节第二节 矿用风速传感器矿用风速传感器2023/5/732 2、超声波传感器与其他形式的传感器相比具有以下、超声波传感器与其他形式的传感器相比具有以下3个特点个特点:(1)无可动部件，无机械磨损，性能稳定，使用寿命无可动部件，无机械磨损，性能稳定，使用寿命长。长。(2)输出信号本身是与风速成线性的脉冲频率信号，输出信号本身是与风速成线性的脉冲频率信号，没有零点漂移，且敏感元件变化不会直接影响输出，测量没有零点漂移，且敏感元件变化不会直接影响输出，测量精度高。精度高。(3)输出信号不受气体的温度、湿度、压力、成分、输出信号
38、不受气体的温度、湿度、压力、成分、密度、黏度、矿尘等影响。因此，此类传感器在煤矿安全密度、黏度、矿尘等影响。因此，此类传感器在煤矿安全监测监控系统中有着广泛的应用前景。监测监控系统中有着广泛的应用前景。第二节第二节 矿用风速传感器矿用风速传感器2023/5/733 二、矿用风速传感器的技术要求二、矿用风速传感器的技术要求 测量范围测量范围:0.4一一15 m/s。测量误差测量误差:0.3 m/s。输出信号输出信号:频率型频率型2001000Hz或电流型或电流型15 mA。工作电压工作电压:12一一21 V DC。工作电流工作电流:90 mA。传输距离传输距离:2 km。第三节第三节 矿用压力传
39、感器矿用压力传感器2023/5/734 矿用压力传感器是连续监测矿井通风机、风门、密闭矿用压力传感器是连续监测矿井通风机、风门、密闭巷道、通风巷道等地点风流压力的装置。巷道、通风巷道等地点风流压力的装置。矿井空气压力的监测，特别是负压的监测是作为检验矿井空气压力的监测，特别是负压的监测是作为检验矿井主要通风机的通风压力、通风能力及瓦斯抽采矿井主要通风机的通风压力、通风能力及瓦斯抽采(放放)效效果的一个重要指标。果的一个重要指标。在高瓦斯矿井、煤与瓦斯突出矿井中，使用压力传感在高瓦斯矿井、煤与瓦斯突出矿井中，使用压力传感器较多。器较多。第三节第三节 矿用压力传感器矿用压力传感器2023/5/73
40、5 一、压力传感器的分类及测量原理一、压力传感器的分类及测量原理 （一）压力传感器的分类（一）压力传感器的分类 正压正压传感器和传感器和负压负压传感器传感器2大类。大类。正压传感器主要用于瓦斯抽采正压传感器主要用于瓦斯抽采(放放)泵站的缺水保护、泵站的缺水保护、循环水池液位、利用瓦斯时输出管道中的瓦斯压力、煤层循环水池液位、利用瓦斯时输出管道中的瓦斯压力、煤层瓦斯压力、巷道顶板压力监测等。瓦斯压力、巷道顶板压力监测等。负压传感器主要用于连续监测矿并通风总负压、矿井负压传感器主要用于连续监测矿并通风总负压、矿井通风机压差、通风设施内外侧压差等。通风机压差、通风设施内外侧压差等。(二二)压力传感器
41、的测量原理压力传感器的测量原理 煤矿常用压力传感器有差动变压器压力传感器、半导煤矿常用压力传感器有差动变压器压力传感器、半导体压阻式压力传感器等。体压阻式压力传感器等。第三节第三节 矿用压力传感器矿用压力传感器2023/5/736 1.差动变压器压力传感器测量原理差动变压器压力传感器测量原理 弹性敏感器件一般称为膜盒，它是由弹性敏感器件一般称为膜盒，它是由2片压有波纹的片压有波纹的金属薄片焊接而成。当膜盒两侧存在压差时，膜片将弯向金属薄片焊接而成。当膜盒两侧存在压差时，膜片将弯向压力小的一侧。因此可将压力转换成位移量。在压力未导压力小的一侧。因此可将压力转换成位移量。在压力未导入前，测量杆处于
42、差动变压器的中间位置，膜盒无位移入前，测量杆处于差动变压器的中间位置，膜盒无位移;此时输出电压为零。此时输出电压为零。当有被测压力导入时，膜盒在压差作用下其测量杆将当有被测压力导入时，膜盒在压差作用下其测量杆将产生与压差成正比的位移，使差动变压器二次绕组的感应产生与压差成正比的位移，使差动变压器二次绕组的感应电动势发生变化而有电压输出，完成压力与电信号的转换电动势发生变化而有电压输出，完成压力与电信号的转换过程。此电压经信号处理电路处理后，分送传输、存储、过程。此电压经信号处理电路处理后，分送传输、存储、显示等电路。显示等电路。第三节第三节 矿用压力传感器矿用压力传感器2023/5/737第三
43、节第三节 矿用压力传感器矿用压力传感器2023/5/738 2.半导体压阻式压力传感器测量原理半导体压阻式压力传感器测量原理 固体受到作用力后，电阻率就要发生变化，这种效应固体受到作用力后，电阻率就要发生变化，这种效应称为压阻效应。半导体材料的这种效应特别强。称为压阻效应。半导体材料的这种效应特别强。利用半导体材料做成的压阻式传感器有利用半导体材料做成的压阻式传感器有2种类型种类型:一种是利用半导体材料的体电阻做成的粘贴式应变片一种是利用半导体材料的体电阻做成的粘贴式应变片;另一种是在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成扩另一种是在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成扩散电阻，称扩散型压阻散电
44、阻，称扩散型压阻(又称扩散硅压力又称扩散硅压力)传感器。传感器。第三节第三节 矿用压力传感器矿用压力传感器2023/5/739第三节第三节 矿用压力传感器矿用压力传感器2023/5/740 其核心部分是一块圆形硅膜片。膜片的四周用圆硅环其核心部分是一块圆形硅膜片。膜片的四周用圆硅环(硅杯硅杯)固定，其下部是与被测系统相连的高压腔，上部一固定，其下部是与被测系统相连的高压腔，上部一般可与大气相通。在膜片上利用集成电路工艺方法扩散上般可与大气相通。在膜片上利用集成电路工艺方法扩散上4个阻值相等的电阻。用导线将其构成平衡电桥。个阻值相等的电阻。用导线将其构成平衡电桥。在被测压力作用下，膜片产生应力和
45、应变将所测的电在被测压力作用下，膜片产生应力和应变将所测的电桥输出信号经过精密补偿和处理，转换成标准电流桥输出信号经过精密补偿和处理，转换成标准电流(电压电压)信号输出，从而实现生产过程中的压力自动控制和检测。信号输出，从而实现生产过程中的压力自动控制和检测。由于压阻式传感器的灵敏度高、分辨率高、稳定性好由于压阻式传感器的灵敏度高、分辨率高、稳定性好、频率响应高、测量精度高、体积小等特点，因此，该类、频率响应高、测量精度高、体积小等特点，因此，该类型传感器特别适用于煤矿井下风压的监测。型传感器特别适用于煤矿井下风压的监测。第三节第三节 矿用压力传感器矿用压力传感器2023/5/741 二、矿用
46、负压传感器的主要技术要求二、矿用负压传感器的主要技术要求 额定工作电压额定工作电压:1224 V DC。工作电流工作电流:100 mA。测量范围测量范围:0一一500 Pa。分辨率分辨率:10 Pa。精度精度:满量程的士满量程的士2%。第四节第四节 一氧化碳传感器一氧化碳传感器2023/5/742 矿用一氧化碳传感器是连续监测矿井工作环境中一氧化碳浓矿用一氧化碳传感器是连续监测矿井工作环境中一氧化碳浓度的装置。我国煤矿井下监测监控系统用于检测一氧化碳的设备度的装置。我国煤矿井下监测监控系统用于检测一氧化碳的设备普普遍采用的是电化学式遍采用的是电化学式一氧化碳传感器。一氧化碳传感器。一、电化学式
47、一氧化碳传感器的工作原理一、电化学式一氧化碳传感器的工作原理电化学式一氧化碳传感器工作原理如图电化学式一氧化碳传感器工作原理如图6-8。第四节第四节 一氧化碳传感器一氧化碳传感器2023/5/743 其敏感元件由透气膜、阳极、阴极及电解液等其敏感元件由透气膜、阳极、阴极及电解液等组成。组成。当一氧化碳气体经过透气膜扩散进入阳极，在当一氧化碳气体经过透气膜扩散进入阳极，在催化剂的作用下与电解溶液中水发生氧化反应，同催化剂的作用下与电解溶液中水发生氧化反应，同时放出电子。而在阴极上，氧气透过透气膜到达催时放出电子。而在阴极上，氧气透过透气膜到达催化层，在催化剂作用下与电解溶液中的氢离子发生化层，在
48、催化剂作用下与电解溶液中的氢离子发生阴极还原反应，此时将有反应电流通过，电流强度阴极还原反应，此时将有反应电流通过，电流强度与与CO浓度成正比，据此测量浓度成正比，据此测量CO气体的浓度。气体的浓度。第四节第四节 一氧化碳传感器一氧化碳传感器2023/5/744 1.气体扩散电极气体扩散电极 含有催化剂的多孔膜构成电极。被测气体扩散入膜，与电解液含有催化剂的多孔膜构成电极。被测气体扩散入膜，与电解液在气、固、液三相界面上发生氧化还原反应。一般情况下，电极和在气、固、液三相界面上发生氧化还原反应。一般情况下，电极和透气膜是合并的。透气膜用防水透气的聚四氟乙烯透气膜是合并的。透气膜用防水透气的聚四
49、氟乙烯(PTFE)膜，将膜，将活性材料涂覆在透气膜上，热压成型构成电极。活性材料涂覆在透气膜上，热压成型构成电极。活性层即催化层用活性粉料活性层即催化层用活性粉料(如铂黑如铂黑)和和PTFE乳液混合，在特定乳液混合，在特定条件下碾压或喷涂，再经过适当的热处理，制成既亲水又疏水的膜条件下碾压或喷涂，再经过适当的热处理，制成既亲水又疏水的膜层。由于电极中有憎水成分，电极上形成一部分不被溶液充满的层。由于电极中有憎水成分，电极上形成一部分不被溶液充满的“气孔气孔”。另一方面，由于催化剂是亲水的，则在大部分催化剂团粒的外另一方面，由于催化剂是亲水的，则在大部分催化剂团粒的外表面上形成了可进行电极反应的
50、薄液层。这种多孔电极既能完成气表面上形成了可进行电极反应的薄液层。这种多孔电极既能完成气相传质过程，使气体扩散到达催化剂表面，又能通过相传质过程，使气体扩散到达催化剂表面，又能通过“液孔液孔”即催即催化剂周围的薄液层，与电解液连通，以利于反应产物迁移和电子传化剂周围的薄液层，与电解液连通，以利于反应产物迁移和电子传递。递。第四节第四节 一氧化碳传感器一氧化碳传感器2023/5/745 2.透气膜透气膜 一般使用非均相的微孔膜，也称气隙膜，如聚四氯乙烯、聚氯一般使用非均相的微孔膜，也称气隙膜，如聚四氯乙烯、聚氯乙烯乙烯(PVC)、聚丙烯、聚丙烯(PP)等。它能让气体直接透过气膜，而电解等。它能让
