煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控作業(yè)培訓課件第6-11章

第六章礦用傳感器第一節(jié)甲烷傳感器第二節(jié)礦用風速傳感器第三節(jié)礦用壓力傳感器第四節(jié)一氧化碳傳感器第五節(jié)礦用溫度傳感器第六節(jié)礦用煙霧傳感器第七節(jié)風門開關傳感器第八節(jié)礦用風筒開關傳感器第九節(jié)礦用機電設備開停傳感器第十節(jié)饋電狀態(tài)傳感器第十一節(jié)瓦斯抽采流量傳感器第十二節(jié)便攜式甲烷檢測報警儀復習思考題2023/2/72

第六章礦用傳感器傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄。傳感器一般由敏感元件和轉換元件、測量電路以及輔助電源等部分組成，如圖6-1所示。2023/2/73

第六章礦用傳感器

常見的測量電路由放大器、電橋、振蕩器、電荷放大器等組成;它們分別與相應的傳感器相配合。傳感器輸出信號有電壓、電流、頻率、脈沖等多種形式。

礦用傳感器主要用于礦并環(huán)境參數(shù)和礦井工況參數(shù)的監(jiān)測。礦井環(huán)境參數(shù)監(jiān)測主要有甲烷濃度、氧氣濃度、粉塵濃度、環(huán)境溫度、風量、風壓、一氧化碳濃度、二氧化碳濃度和硫化氫濃度。礦井工況監(jiān)測參數(shù)主要有設備開停、風筒風量、風門開關、輸送機開停、煤倉煤位、采煤機組位置、排水系統(tǒng)、壓風系統(tǒng)、主要通風機工作狀況等參數(shù)。2023/2/74

第六章礦用傳感器礦用傳感器分類：根據(jù)測量原理可分為電位計式、應變式、電容式、電感式、壓電式、磁電式、光敏式、霍爾式、光纖式、氣敏式和智能式等;根據(jù)輸入物理量可分為位移傳感器、壓力傳感器、速度傳感器、溫度傳感器及氣體濃度傳感器等;根據(jù)輸出信號的性質可分為模擬式傳感器和數(shù)字式傳感器，即模擬式傳感器輸出模擬信號和數(shù)字式傳感器輸出數(shù)字信號。2023/2/75第六章礦用傳感器礦用傳感器應符合國家有關標準和行業(yè)標準的要求;用于安全監(jiān)控的礦用傳感器防爆型式應為本質安全型，載體催化式甲烷傳感器其防爆型式可采用隔爆兼本質安全型。礦用傳感器一般應具有顯示功能，顯示應清楚準確。具有報警功能的礦用傳感器，其報警點應能在測量范圍任意設定，報警聲級強度在距其1m遠處的聲響信號的聲壓級應不小于80dB(A)，光信號在20m遠處清晰可辨。礦用傳感器應在9一24V范圍內工作，使用單芯截面積為1.5mm2的電纜時，傳感器與分站之間的傳輸距離不小于2km。礦用傳感器的工作穩(wěn)定性應不小于15d。傳感器應具有采用遙控器調校的功能。2023/2/76第六章礦用傳感器礦用傳感器應在9一24V范圍內工作，使用單芯截面積為1.5mm2的電纜時，傳感器與分站之間的傳輸距離不小于2km。礦用傳感器的工作穩(wěn)定性應不小于15d。傳感器應具有采用遙控器調校的功能。礦用傳感器應能在下列條件下正常工作:溫度為0一40℃;相對濕度不大于98%;大氣壓力為80一116kPa;風速不大于8m/s;存儲溫度為-40一60℃。礦用傳感器的輸出信號應滿足下列要求：電流型為1一5mA或4一20mA；頻率型為200-1000Hz,脈沖寬度大于0.3ms的電流脈沖；數(shù)字信號的傳輸速率為1200bps,2400bps.4800bps,9600bps等。2023/2/77

第一節(jié)甲烷傳感器甲烷傳感器是連續(xù)監(jiān)測礦井環(huán)境中甲烷濃度的裝置;具有顯示和聲光報警功能。

目前煤礦使用甲烷傳感器主要有煤礦用低濃度載體催化式甲烷傳感器、甲烷抽放用熱導式高濃度甲烷傳感器和煤礦用高低濃度甲烷傳感器3類。

應根據(jù)使用場所、測量范圍和測量精度等要求選擇不同檢測原理的甲烷傳感器。2023/2/78

第一節(jié)甲烷傳感器

一、煤礦用低濃度載體催化甲烷傳感器

1.煤礦用低濃度載體催化甲烷傳感器的測量原理低濃度載體催化式甲烷傳感器普遍用于檢測井下甲烷氣體濃度。由檢測元件(黑元件)和補償元件(白元件)組成。

補償元件與檢測元件的結構尺寸完全相同，補償元件表面沒有催化劑，補償元件與檢測元件配對使用，在電橋電路中對環(huán)境溫度、濕度等引起的不平衡起補償作用的元件。2023/2/79

第一節(jié)甲烷傳感器檢測元件是電阻值與空氣中甲烷濃度成對應關系的載體催化元件;由鉑絲線圈、三氧化二鋁(A12O3)載體和表面的催化劑組成，其中三氧化二鋁載體用來固定鉑絲線圈，增強元件的機械強度。涂在元件表面的鉑(Pt)和鈀(Pd)等重金屬催化劑，使吸附在元件表面的甲烷無焰燃燒。

鉑絲線圈用來給元件加溫，提供甲烷催化燃燒所需要的溫度，同時，甲烷燃燒放出的熱量使其升溫;通過測量其電阻變化，就可測得空氣中甲烷濃度。2023/2/710

第一節(jié)甲烷傳感器載體催化傳感器檢測原理如圖6-2所示。2023/2/711

第一節(jié)甲烷傳感器當空氣中含有甲烷時，吸附在檢測元件表面的甲烷在檢測元件表面催化燃燒;燃燒放出的熱量與甲烷濃度成正比，在燃燒熱量的作用下，檢測元件溫度上升，檢測元件鉑絲電阻也隨之增大，因此，通過測量△R的變化，測得空氣中的甲烷濃度。

2.煤礦用低濃度載體催化甲烷傳感器的技術要求

在甲烷濃度超過上限測量范圍時，具有保護載體催化元件的功能，此時傳感器的顯示值和輸出信號值均維持在甲烷超限狀態(tài)。2023/2/712

第一節(jié)甲烷傳感器報警點可在測量范圍內任意設置，報警顯示值與設定值的差值不超過士0.05%CH4。正常工作時其指示值的飄移量不超過士0.10%CH4。

在甲烷濃度為0.00一4.00%CH4范圍內，當甲烷濃度保持恒定時，傳感器的顯示值或輸出信號值的變化量不超過0.04%CH4。

傳感器響應時間是甲烷濃度發(fā)生階躍變化時輸出達到穩(wěn)定值90%的時間;其響應時間不大于20s。2023/2/713

第一節(jié)甲烷傳感器

傳感器在連續(xù)工作15d的基本誤差應不超過表6一1的規(guī)定。2023/2/714

第一節(jié)甲烷傳感器

二、甲烷抽采(放)用熱導式高濃度甲烷傳感器

1.熱導式高濃度甲烷傳感器的測量原理熱導式高濃度甲烷傳感器主要用于甲烷抽采(放)管道中甲烷濃度監(jiān)測。

熱導式甲烷傳感器的工作原理是:利用甲烷的熱導率高于新鮮空氣的熱導率，通過熱敏檢測元件測量含有甲烷的混合氣體的熱導率變化，從而測得甲烷的濃度。2023/2/715

第一節(jié)甲烷傳感器2023/2/716

第一節(jié)甲烷傳感器

二、甲烷抽采(放)用熱導式高濃度甲烷傳感器

1.熱導式高濃度甲烷傳感器的測量原理

熱導式高濃度甲烷傳感器主要用于甲烷抽采(放)管道中甲烷濃度監(jiān)測。

熱導式甲烷傳感器的工作原理是:利用甲烷的熱導率高于新鮮空氣的熱導率，通過熱敏檢測元件測量含有甲烷的混合氣體的熱導率變化，從而測得甲烷的濃度。

傳感器內部有一個參比室和一個測量室，兩個元件的內部分別纏繞著細鉑絲，在參比室內密封著參比(基準)氣體，而測量室可以進入待測的氣體。兩個鉑絲與外部定值電阻組合，形成電橋回路，恒定電流分別流過各鉑絲;使之發(fā)熱;同催化燃燒式傳感器一樣，在不存在可燃氣體的時候，R1=R2，回路是平衡的。2023/2/717

第一節(jié)甲烷傳感器

一旦測量室中的待測組分中發(fā)生濃度變化，則測量室中的熱導率會隨之變動，從而使R1、R2上鉑絲的溫度發(fā)生變化;導致R1、R2阻值出現(xiàn)差異;電橋失去平衡，有信號輸出。甲烷濃度越大，溫差就越大，阻值相差越大，電橋輸出信號越大。根據(jù)輸出信號的大小;計算出甲烷氣體的濃度。熱導式甲烷傳感器的選擇性較差，空氣中其他氣體的濃度變化會影響甲烷濃度的測量。例如二氧化碳濃度的增加會使混合氣體的熱導率下降空氣濕度的增加將使混合氣體的熱導率增大。因此，熱導式甲烷傳感器要排除二氧化碳和空氣濕度的影響。由于氣體的熱導率隨溫度的增大而增大;影響著甲烷傳感器的測量精度。因此;熱導式甲烷傳感器必須對溫度進行補償，并保持氣室溫度恒定。2023/2/718

第一節(jié)甲烷傳感器

2.熱導式甲烷傳感器的技術要求熱導式甲烷傳感器的測量數(shù)值采用數(shù)字顯示以百分體積濃度表示，測量分辨率不低于0.1%CH4。量程有4一40%CH4和4—100%CH42種。測量范圍在4一100%CH4時甲烷濃度恒定，傳感器顯示值變化量不超過0.4%CH4。在20m/s流速條件下，其指示值漂移量不大于士0.1CH4，響應時間不大于30s，工作穩(wěn)定性不少于21d。2023/2/719

第一節(jié)甲烷傳感器

傳感器使用電纜的單芯截面積為1.5mm2時，傳感器與關聯(lián)設備的傳輸距離應不小于2km。2023/2/720

第一節(jié)甲烷傳感器

三、煤礦用高低濃度甲烷傳感器將煤礦用載體催化與熱導檢測元件組合進行監(jiān)測甲烷濃度的傳感器稱為高低濃度甲烷傳感器。煤礦用載體催化與熱導組合式高低濃度甲烷傳感器是我國煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)用于高瓦斯和煤與瓦斯突出礦并井下甲烷氣體監(jiān)測的儀器。煤礦用載體催化與熱導組合高低濃度甲烷傳感器量程為0一40%CH4和0一100%CH4。

傳感器以百分體積濃度顯示表示測量值，采用數(shù)字顯示;低濃度段分辨率不低于0.01%CH4，高濃度段分辨率不低于0.1%CH4，并應能顯示值的正或負。2023/2/721

第一節(jié)甲烷傳感器

傳感器中載體催化元件與熱導元件工作轉換點設置范圍為2一4%CH4，由低濃度轉換為高濃度和由高濃度轉換為低濃度可設置不同的轉換點。

傳感器顯示值的穩(wěn)定性在0一4%CH4范圍內，甲烷濃度恒定時；傳感器顯示值或輸出信號值變化量不超過0.04%CH4。在4一100%CH4范圍內，甲烷濃度恒定時，傳感器顯示值或輸出信號值變化量不超0.4%CH4。

載體催化元件在測量時的基本誤差符合表6-1的規(guī)定。傳感器熱導元件在檢測CH4時的基本誤差應符合表6-2的規(guī)定。傳感器催化元件和熱導元件轉換時不可避免出現(xiàn)附加誤差，轉換點的附加誤差不超過1.00%CH4。傳感器在連續(xù)工作15d的基本誤差應符合表6一1和表6—2的規(guī)定。傳感器的響應時間不超過20s。2023/2/722

第一節(jié)甲烷傳感器

四、非色散紅外甲烷傳感器非色散紅外甲烷傳感器采用紅外吸收測量原理、擴散式采樣、數(shù)字式溫度補償?shù)燃夹g。檢測精度高、環(huán)境適應能力強、穩(wěn)定可靠。

測量量程有0一10%CH4和0一100%CH42種。按使用用途可分為A、B、C3類:A類傳感器用于環(huán)境監(jiān)測，測量范圍0一10%CH4;B類傳感器用于環(huán)境監(jiān)測，測量范圍0一100%CH4;C類傳感器用于瓦斯抽采管道監(jiān)測，測量范圍0一100%CH4。這類甲烷傳感器適用于煤礦作業(yè)場所、瓦斯抽采(放)放泵站等存在甲烷泄漏危險場所的甲烷氣體濃度檢測。2023/2/723

第一節(jié)甲烷傳感器

1.非色散紅外甲烷傳感器的測量原理測量氣體分子的光吸收譜是氣體種類識別和氣體分子濃度測定的有效手段。甲烷對3.33um波長的紅外光有一極強的吸收峰，而雜質氣體中影響較大的水蒸氣和二氧化碳則并無明顯吸收這個光譜特性，利用這一特性即可測量甲烷濃度。2.非色散紅外甲烷傳感器的組成非色散紅外甲烷傳感器由傳感元件、穩(wěn)壓電源、紅外接收電路、單片機電路、顯示電路、報警電路等部分組成。2023/2/724

第一節(jié)甲烷傳感器傳感元件采用光譜氣體傳感技術，當紅外光通過待測氣體時，甲烷對3.33um波長的紅外光有一極強的吸收峰，正是這個光譜特性，實現(xiàn)了甲烷氣體的檢測。2023/2/725

第一節(jié)甲烷傳感器

紅外遙控器的各種操作指令由大規(guī)模專用電路編碼后驅動紅外發(fā)射管發(fā)送出去，接收電路由一體化大規(guī)模紅外接收集成電路組成。當該電路收到紅外光脈沖后，接收器將光編碼信號轉換成串行電信號送單片機進行處理;完成各項操作。

單片機從傳感元件采集代表現(xiàn)場甲烷濃度的電壓信號，經(jīng)運算放大處理后送出200一1000Hz頻率信號。當甲烷濃度達到報警值時，單片機驅動晶體管發(fā)出聲報警和光報警。單片機從紅外接收電路采集紅外遙控信號，當收到紅外遙控指令后，執(zhí)行相應的指令進行相關參數(shù)的修改，并將修改結果送給顯示電路進行顯示。

數(shù)碼管的首位在顯示遙控命令時用來代表各功能代碼，后三位在有功能碼時顯示功能代碼對應的內容，無功能代碼時顯示甲烷濃度。2023/2/726

第一節(jié)甲烷傳感器

3.非色散甲烷傳感器的主要技術要求

(1)輸出信號制式。電流型:直流1一5mA，4一20mA;頻率型:200一1000Hz，200—2000Hz;數(shù)字信號型:傳輸速率為1200bps,2400bps,4800bps,9600bps，電平不小于3.0V。(2)測量數(shù)據(jù)顯示。傳感器以百分體積濃度表示測量數(shù)據(jù)并用數(shù)字顯示。測量范圍在0一10%CH4時;其分辨率不低于0.01%CH4;測量范圍在10一100%CH4時，其分辨率不低于0.1%CH4。

(3)顯示值穩(wěn)定性。測量范圍在0一10%CH4，甲烷濃度恒定時，傳感器顯示值與輸出信號值(換算成甲烷濃度)變化量不超過0.04%CH4。測量范圍在10一100%CH4，甲烷濃度恒定時，傳感器顯示值與輸出信號值(換算成甲烷濃度)變化量不超過0.4%CH4。2023/2/727

第一節(jié)甲烷傳感器

(4)基本誤差。

(5)工作穩(wěn)定性：傳感器連續(xù)工作60d，應符合基本誤差。

(6)響應時間：A、B類傳感器≤25s，C類傳感器≤50s。

(7)傳輸距離：2km。2023/2/728

第二節(jié)礦用風速傳感器

常用的風速傳感器，根據(jù)原理不同主要有以下幾種類型:超聲波風速傳感器、熱電藕式風速傳感器、激光多普勒風速傳感器和孔板流量計風速傳感器等。用于礦井的風速傳感器主要有超聲波旋渦式和超聲波時差式2種。

一、超聲波旋渦風速傳感器的原理及特點

1、工作原理

在旋渦發(fā)生桿(即阻力體)的后部一側安裝有超聲波發(fā)射換能器，

發(fā)射出連續(xù)等幅的超聲波束;另一側安裝有一個相同的接收換能器。

當無風速時，接收換能器接收到一束未經(jīng)調制的等幅超聲波束。

當有風速時;在發(fā)生桿后面形成旋渦，旋渦與超聲波束相遇時，由于旋渦的旋轉方向、壓力和流體密度的周期變化，導致通過旋渦部分的超聲波束的聲能被折射和反射;使到達接收器的聲能減弱;在下一個旋渦沒有到達之前，接收器信號又恢復到原來的幅值。2023/2/729

第二節(jié)礦用風速傳感器只要有一個旋渦通過超聲波束區(qū)，超聲波束就被調制一次，形成調幅波。因此;調幅波頻率即為旋渦頻率。調幅波信號被接收換能器接收后進行放大、解調、濾波等電信號處理，就可檢測出旋渦個數(shù)，從而測定風速。2023/2/730

第二節(jié)礦用風速傳感器

2、超聲波傳感器與其他形式的傳感器相比具有以下3個特點:(1)無可動部件，無機械磨損，性能穩(wěn)定，使用壽命長。

(2)輸出信號本身是與風速成線性的脈沖頻率信號，沒有零點漂移，且敏感元件變化不會直接影響輸出，測量精度高。(3)輸出信號不受氣體的溫度、濕度、壓力、成分、密度、黏度、礦塵等影響。因此，此類傳感器在煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)中有著廣泛的應用前景。2023/2/731第二節(jié)礦用風速傳感器

二、礦用風速傳感器的技術要求測量范圍:0.4一15m/s。測量誤差:≤±0.3m/s。

輸出信號:頻率型200~1000Hz或電流型1~5mA。工作電壓:12一21VDC。工作電流:≤90mA。傳輸距離:≤2km。2023/2/732第三節(jié)礦用壓力傳感器礦用壓力傳感器是連續(xù)監(jiān)測礦井通風機、風門、密閉巷道、通風巷道等地點風流壓力的裝置。

礦井空氣壓力的監(jiān)測，特別是負壓的監(jiān)測是作為檢驗礦井主要通風機的通風壓力、通風能力及瓦斯抽采(放)效果的一個重要指標。

在高瓦斯礦井、煤與瓦斯突出礦井中，使用壓力傳感器較多。2023/2/733第三節(jié)礦用壓力傳感器

一、壓力傳感器的分類及測量原理

（一）壓力傳感器的分類

正壓傳感器和負壓傳感器2大類。正壓傳感器主要用于瓦斯抽采(放)泵站的缺水保護、循環(huán)水池液位、利用瓦斯時輸出管道中的瓦斯壓力、煤層瓦斯壓力、巷道頂板壓力監(jiān)測等。

負壓傳感器主要用于連續(xù)監(jiān)測礦并通風總負壓、礦井通風機壓差、通風設施內外側壓差等。(二)壓力傳感器的測量原理煤礦常用壓力傳感器有差動變壓器壓力傳感器、半導體壓阻式壓力傳感器等。2023/2/734第三節(jié)礦用壓力傳感器

1.差動變壓器壓力傳感器測量原理彈性敏感器件一般稱為膜盒，它是由2片壓有波紋的金屬薄片焊接而成。當膜盒兩側存在壓差時，膜片將彎向壓力小的一側。因此可將壓力轉換成位移量。在壓力未導入前，測量桿處于差動變壓器的中間位置，膜盒無位移;此時輸出電壓為零。當有被測壓力導入時，膜盒在壓差作用下其測量桿將產(chǎn)生與壓差成正比的位移，使差動變壓器二次繞組的感應電動勢發(fā)生變化而有電壓輸出，完成壓力與電信號的轉換過程。此電壓經(jīng)信號處理電路處理后，分送傳輸、存儲、顯示等電路。2023/2/735第三節(jié)礦用壓力傳感器2023/2/736第三節(jié)礦用壓力傳感器

2.半導體壓阻式壓力傳感器測量原理

固體受到作用力后，電阻率就要發(fā)生變化，這種效應稱為壓阻效應。半導體材料的這種效應特別強。

利用半導體材料做成的壓阻式傳感器有2種類型:

一種是利用半導體材料的體電阻做成的粘貼式應變片;

另一種是在半導體材料的基片上用集成電路工藝制成擴散電阻，稱擴散型壓阻(又稱擴散硅壓力)傳感器。2023/2/737第三節(jié)礦用壓力傳感器2023/2/738第三節(jié)礦用壓力傳感器其核心部分是一塊圓形硅膜片。膜片的四周用圓硅環(huán)(硅杯)固定，其下部是與被測系統(tǒng)相連的高壓腔，上部一般可與大氣相通。在膜片上利用集成電路工藝方法擴散上4個阻值相等的電阻。用導線將其構成平衡電橋。

在被測壓力作用下，膜片產(chǎn)生應力和應變將所測的電橋輸出信號經(jīng)過精密補償和處理，轉換成標準電流(電壓)信號輸出，從而實現(xiàn)生產(chǎn)過程中的壓力自動控制和檢測。由于壓阻式傳感器的靈敏度高、分辨率高、穩(wěn)定性好、頻率響應高、測量精度高、體積小等特點，因此，該類型傳感器特別適用于煤礦井下風壓的監(jiān)測。2023/2/739第三節(jié)礦用壓力傳感器

二、礦用負壓傳感器的主要技術要求額定工作電壓:12~24VDC。工作電流:≤100mA。測量范圍:0一500Pa。分辨率:10Pa。精度:滿量程的士2%。2023/2/740第四節(jié)一氧化碳傳感器

礦用一氧化碳傳感器是連續(xù)監(jiān)測礦井工作環(huán)境中一氧化碳濃度的裝置。我國煤礦井下監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)用于檢測一氧化碳的設備普遍采用的是電化學式一氧化碳傳感器。一、電化學式一氧化碳傳感器的工作原理電化學式一氧化碳傳感器工作原理如圖6-8。2023/2/741第四節(jié)一氧化碳傳感器

其敏感元件由透氣膜、陽極、陰極及電解液等組成。

當一氧化碳氣體經(jīng)過透氣膜擴散進入陽極，在催化劑的作用下與電解溶液中水發(fā)生氧化反應，同時放出電子。而在陰極上，氧氣透過透氣膜到達催化層，在催化劑作用下與電解溶液中的氫離子發(fā)生陰極還原反應，此時將有反應電流通過，電流強度與CO濃度成正比，據(jù)此測量CO氣體的濃度。

2023/2/742第四節(jié)一氧化碳傳感器1.氣體擴散電極含有催化劑的多孔膜構成電極。被測氣體擴散入膜，與電解液在氣、固、液三相界面上發(fā)生氧化還原反應。一般情況下，電極和透氣膜是合并的。透氣膜用防水透氣的聚四氟乙烯(PTFE)膜，將活性材料涂覆在透氣膜上，熱壓成型構成電極?；钚詫蛹创呋瘜佑没钚苑哿?如鉑黑)和PTFE乳液混合，在特定條件下碾壓或噴涂，再經(jīng)過適當?shù)臒崽幚?，制成既親水又疏水的膜層。由于電極中有憎水成分，電極上形成一部分不被溶液充滿的“氣孔”。另一方面，由于催化劑是親水的，則在大部分催化劑團粒的外表面上形成了可進行電極反應的薄液層。這種多孔電極既能完成氣相傳質過程，使氣體擴散到達催化劑表面，又能通過“液孔”即催化劑周圍的薄液層，與電解液連通，以利于反應產(chǎn)物遷移和電子傳遞。2023/2/743第四節(jié)一氧化碳傳感器2.透氣膜

一般使用非均相的微孔膜，也稱氣隙膜，如聚四氯乙烯、聚氯乙烯(PVC)、聚丙烯(PP)等。它能讓氣體直接透過氣膜，而電解液中的水和離子則不透過。由于元件一般使用酸性電解液，而且要求膜有較好的疏水性能。電極性能在很大程度上取決于膜的性能。膜的質量對敏感元件的穩(wěn)定性，特別是壽命影響很大。

孔隙率是膜的重要技術參數(shù)?？紫堵蚀笮∨c透氣率有關，用大孔隙率膜可提高元件輸出靈敏度和提高響應時間性能，但會使電解液外漏。

3.電解液電解液通常用硫酸或磷酸水溶液。

高純硫酸溶液傳導質子性能強、導電性能好，可將硫酸溶液吸收在玻璃纖維及各種高聚物襯墊物上，形成漿糊狀，就不會因元件放置位置不同而影響其響應數(shù)值。2023/2/744第四節(jié)一氧化碳傳感器二、一氧化碳傳感器的主要技術要求量程范圍：0～100ppm、0～500ppm、0～500ppm以上等幾種。采用數(shù)字顯示，以10-6單位表示測量值，分辨率不低于1ppm。量程為0一100ppm的一氧化碳傳感器，一氧化碳濃度恒定時，傳感器顯示值或輸出信號值變化量不超過2ppm一氧化碳。量程為0一500ppm的一氧化碳傳感器，一氧化碳濃度恒定時;傳感器顯示值或輸出信號值變化量不超過4ppm一氧化碳。傳感器應具有避免因斷電而影響電化學原理敏感元件工作穩(wěn)定的措施。傳感器響應時間不大于35s。2023/2/745第四節(jié)一氧化碳傳感器2023/2/746第四節(jié)一氧化碳傳感器2023/2/747第五節(jié)礦用溫度傳感器礦用溫度傳感器是連續(xù)監(jiān)測礦并環(huán)境溫度高低的裝置，用于礦井環(huán)境溫度監(jiān)測的傳感器主要有熱電偶、熱電阻、熱敏電阻、半導體PN結、半導體紅外熱輻身寸探測器、熱噪聲、光纖等類型。

一、礦用溫度傳感器的測量原理

(一)熱電偶、熱電阻溫度傳感器

1.熱電偶溫度傳感器將兩種不同材料的金屬A和B相連接，組成一個閉合回路;構成感溫元件。當金屬A和B的兩個接點(冷端和熱端)之間存在溫差時，就在兩者之間產(chǎn)生電動勢，在回路中形成電流，此種現(xiàn)象稱為熱電效應。熱電偶溫度傳感器就是利用這一效應進行工作的。2023/2/748第五節(jié)礦用溫度傳感器2.熱電阻溫度傳感器電阻隨溫度的變化而變化的現(xiàn)象稱為熱電阻效應。利用此效應可制成金屬熱電阻和半導體熱敏電阻，用于溫度測量，分別稱為熱電阻溫度傳感器和熱敏電阻溫度傳感器。按電阻溫度特性的不同(由材料的溫度系數(shù)決定)，熱敏電阻可分為負溫度系數(shù)(NTC)和正溫度系數(shù)(PTC)2大類。

(二)半導體溫度傳感器用半導體材料制成的PN結型溫度傳感器稱半導體溫度傳感器。半導體PN結溫度傳感器具有體積小、響應時間快、在一定范圍內線性度較好、功耗低、抗干擾能力強等優(yōu)點,因而在煤礦井下比較惡劣的環(huán)境條件下,得到了較好的推廣應用。

例如，與監(jiān)控系統(tǒng)配套使用的KG3004型、KG3007型溫度傳感器和KG9301型溫濕度組合式傳感器等，都是采用半導體PN結為敏感元件的礦用溫度傳感器。2023/2/749第五節(jié)礦用溫度傳感器

(三)紅外、熱噪聲及光纖溫度傳感器1.紅外測溫原理紅外測溫具有測量靈敏度高、反應速度快、測溫范圍廣、非接觸式測溫、不影響被測介質的溫場分布等優(yōu)點，是發(fā)展測量技術、遙感技術及空間科學的重要手段。在礦并火災監(jiān)測與預報、設備溫升測量等方面，具有很好的應用前景。2.熱噪聲測溫原理電阻體所產(chǎn)生的約翰遜噪聲與該電阻體所處熱力學溫度密切相關，熱噪聲功率與溫度呈線性關系。英國已有用于煤礦井下的該類產(chǎn)品，主要用于對火災溫度進行監(jiān)測。2023/2/750第五節(jié)礦用溫度傳感器3.光纖測溫原理接觸式光纖溫度傳感器是基于各種不同的光學現(xiàn)象或光學性質實現(xiàn)溫度測量的，如光強變化、干涉現(xiàn)象、折射率變化、透光率變化、熒光輻射等。半導體感溫元件的透射光強隨被測溫度的增加而減少。在光導纖維的一端輸入恒定光強的光源，因半導體的透射能力隨被測溫度的變化而改變，故在光導纖維的另一端接收元件所接收的光強，也將隨溫度的變化而變化。通過測量接收元件的輸出電壓，便可遙測傳感器所在位置的溫度。2023/2/751第五節(jié)礦用溫度傳感器二、礦用溫度傳感器的主要技術要求量程:優(yōu)選-20～60℃、-10～70℃、0～40℃、0～100℃?；菊`差:顯示誤差≤±2.5%(F.S)，輸出誤差≤±2.5%(F.S)。工作電壓:9一24VDC。工作電流:≤200mADC。傳輸距離:≤2km。響應時間:≤10s。工作穩(wěn)定性:≥15d。絕緣電阻:傳感器本安端與外殼之間，常態(tài)下，其絕緣電阻≥50MΩ;交變濕熱實驗后，絕緣電阻≥1.5MΩ。2023/2/752第六節(jié)礦用煙霧傳感器

礦用煙霧傳感器是連續(xù)監(jiān)測礦并中帶式輸送機膠帶等著火時產(chǎn)生的煙霧濃度的裝置。目前，煤礦常用的離子煙霧傳感器是KG8005型煙霧傳感器。

一、礦用煙霧傳感器的工作原理

1.光電感煙傳感器的工作原理光電感煙傳感器采用光散射原理，檢測火災陰燃初期階段產(chǎn)生的可見煙霧粒子，當火災煙霧粒子濃度超限時，傳感器接收煙霧粒子散射量增加而產(chǎn)生報警，特別適用于監(jiān)測發(fā)生電氣火災的場所。2023/2/753第六節(jié)礦用煙霧傳感器2023/2/754第六節(jié)礦用煙霧傳感器

主光電室的發(fā)光元件采用近紅外發(fā)光二極管，每隔3.5s間歇性地發(fā)射近紅外光，發(fā)光持續(xù)時間為0.1ms，通過投光透鏡、遮光子使光線成圓錐形。當環(huán)境中無煙霧粒子時，該光線因遮光子阻擋不能直接照射到受光元件(采用近紅外光太陽電池)，因此無電信號輸出，傳感器不動作。當火災煙霧擴散到主光電室內的A、B、C、D圍繞的圓錐部分時，可見煙霧粒子對發(fā)光元件的光線產(chǎn)生散射光，這些散射光進入受光元件便產(chǎn)生輸出電信號，通過受光放大電路送入積分電路和開關電路，轉變?yōu)榛馂膱缶盘栞敵觥?023/2/755第六節(jié)礦用煙霧傳感器

2.離子型煙到專感器的工作原理

離子型煙霧傳感器是煤礦井下火災早期監(jiān)測的主要裝備之一。

離子型煙霧傳感器的主體結構由采樣系統(tǒng)、檢測及補償電離室、敏感元件、整機電路等部分組成。采樣系統(tǒng)包括:開有螺線型百葉窗式擴散槽及對流孔的采樣罩、不銹鋼過濾網(wǎng)、集煙環(huán)、中隔板等組件。

采樣罩和過濾網(wǎng)采用不銹鋼材料制作;中隔板為高阻燃材料，下部設有報警指示燈、自檢開關、復位按鈕及電源和信號輸出接口。整機電路設計有就地聲、光報警、信號遠傳、自檢等多種功能。

2023/2/756第六節(jié)礦用煙霧傳感器

火災發(fā)生初期，燃燒物先期釋放出大量的氣溶膠顆粒，在燃燒物四周聚集成可見煙霧后隨自然風流沿傳感器采樣罩的螺線形百葉窗擴散入傳感器。

在過濾網(wǎng)的阻隔下，煙霧中粒徑較大的粉塵顆粒和雜質沿采樣罩的光滑內表面滑落至采樣罩底部，細微的煙塵顆粒則隨螺旋上升的氣流進入檢測電離室，與室內的正負離子中和，在中間電極產(chǎn)生一個與被測煙霧濃度成正比的電壓變化增量。

此增量經(jīng)傳感器電路分析、處理后轉換成就地聲、光報警信號，同時以開關量的形式送往與之相連的井下監(jiān)控分站，實現(xiàn)井下火災的遠程集中監(jiān)控。為保證檢測可靠，防止因浮游粉塵干擾發(fā)生非火災誤報，也必須設置傳感器的防塵機構。2023/2/757第六節(jié)礦用煙霧傳感器

二、礦用煙霧傳感器的主要技術要求防爆型式：本質安全型。工作電壓：12一24VDC。動作響應時間：當煙霧濃度達到5%obs/m時，傳感器動作且響應時間≤20s。(obs/m是減光率的表示單位，用來表示煙霧濃度值的大小，是指光線被煙霧阻擋而受影響的程度，又稱遮蔽率)2023/2/758第七節(jié)風門開關傳感器

礦用風門開關傳感器是連續(xù)監(jiān)測礦井風門(開、關)狀態(tài)的裝置;屬于煤礦監(jiān)測系統(tǒng)中工況傳感器，安裝在并下巷道的各級風門上，用來監(jiān)測風門的開閉狀態(tài)。風門傳感器按輸出信號制可分為電流制式、無極性接點制式及其他制式;按引線方式分多線制式、二線制式;按動作值可分為定值式和可調式;按顯示功能分有顯示和無顯示;按測量方式分為接觸式和非接觸式。一、礦用風門傳感器的結構及工作原理風門開關傳感器是一種磁性驅動的接近開關，它由磁鋼體件和主體兩部分構成。將觸發(fā)器磁鋼安裝在風門上，而把組件安裝在對應的門框上。當風門關閉時，磁體組件緊靠傳感器組件，由磁力產(chǎn)生的磁場使傳感器組件維持閉合狀態(tài)，舌簧開關輸出一閉合信號給監(jiān)測系統(tǒng)分站或向地面?zhèn)鬏斝盘柕妮d波設備，在終端顯示風門“關”狀態(tài)。2023/2/759第七節(jié)風門開關傳感器

二、礦用風門傳感器的主要技術要求礦用風門狀態(tài)傳感器的主要技術參數(shù)應符合《礦用風門開閉狀態(tài)傳感器通用技術條件》(MT/T844一1999)的有關要求。(1)防爆型式：礦用本質安全型，防爆標ExibI。(2)使用條件:

環(huán)境溫度:-20~+40℃。相對濕度:≤95%(25℃)。大氣壓力:80一106kPa。

風速:0一8m/s。

煤礦井下有爆炸性混合物，但無破壞絕緣的腐蝕性氣體的場合。(3)工作電壓:9～24VDC。(4)工作電流:≤55mA。(5)響應時間:≤1s。(6)輸出信號最大傳輸距離:2km。(7)輸出信號負載阻抗不小于1kΩ，傳感器運動部分與傳感器固定部分之間其動作距離誤差不應大于10%。2023/2/760第八節(jié)礦用風筒開關傳感器礦用風筒開關傳感器是用于煤礦井下通風系統(tǒng)中監(jiān)測風筒狀態(tài)的裝置。當局部通風機停止運轉或風筒漏風造成風量不足時，輸出風量不足信號。當局部通風機正常工作，并且風筒沒有漏風，風量滿足要求時，輸出風量足信號。風筒傳感器是開關量傳感器，輸出風量足和不足兩種狀態(tài)，是甲烷風電閉鎖裝置和礦井監(jiān)控系統(tǒng)的重要傳感器之一。

一、礦用風筒傳感器的工作原理現(xiàn)以GFK(A)型礦用風筒開關傳感器為例介紹其工作原理。

傳感器采用簡單可靠的機械式結構。當被監(jiān)測的風筒處于正常工作狀態(tài)或風筒內的風量大于設定值，風筒開關傳感器的機械觸點接通，說明局部通風系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)。當風機停機，即風筒中無風流或風筒中風量小于控制設定值時，風筒開關傳感器的機械觸點斷開，表明局部通風系統(tǒng)的風機已停機或工作不正常。傳感器的接通與斷開情況，通過與其配接的設備反映出來，完成對局部通風系統(tǒng)的實時監(jiān)控。2023/2/761第八節(jié)礦用風筒開關傳感器

二、礦用風筒開關傳感器的主要技術要求測量范圍:300一1000mm的風筒。測量精度:測量點的士5%。

防爆型式:礦用本質安全型，防爆標志:ExibI。接點容量:DC18V/0.5A。

輸出型式:機械式觸點輸出。功能要求:當風筒風量充足時，觸點閉合；當風筒風量不足或風機停開時，觸點斷開。傳輸距離:最大傳輸距離2km。2023/2/762第九節(jié)礦用機電設備開停傳感器礦用機電設備開停傳感器主要用于監(jiān)測煤礦并下各種機電設備(如采煤機、掘進機、提升機、帶式輸送機、通風機、泵站等)的開停狀態(tài)，并把監(jiān)測到的設備開停信號轉變?yōu)闃藴实男盘杺鬏斀o礦井安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)煤礦主要機電設備的集中自動監(jiān)測，隨時全面了解全礦的機電設備的運行狀況。

機電設備開停傳感器分為輔助觸點型和電磁感應型2種。一、設備開停傳感器的工作原理

1.輔助觸點型開停傳感器的工作原理輔助觸點型設備開停傳感器是利用機電設備的接觸器或中間繼電器的輔助觸點，由其閉合狀態(tài)來反映機電設備開停狀態(tài)的，所用的輔助觸點可以是常開的也可以是常閉的。2023/2/763第九節(jié)礦用機電設備開停傳感器其工作原理如圖6-10所示。使用觸點型設備應注意本質安全電路與非本質安全電路的隔離。2023/2/764第九節(jié)礦用機電設備開停傳感器

2.電磁感應型開停傳感器的工作原理電磁感應型開停傳感器是通過測量向機電設備供電的電纜周圍有無電磁場存在，來間接地監(jiān)測設備的工作狀態(tài)。2023/2/765第九節(jié)礦用機電設備開停傳感器其工作原理是向機電設備供電的三芯電纜中的三相電流有對稱和不對稱之分，但無論對稱與否，在電纜外皮上總可以找到一個與三芯電線不等距的點，該點的磁場強度以靠近該點的芯線起主導作用。傳感器中的檢測線圈測得微弱電磁感應信號，供電電流越大，該感應信號就越強。感應出的信號再經(jīng)過放大和轉換就可得到反應機電設備工作狀態(tài)的電信號。

二、開停傳感器的主要技術要求供電電源:本安型15VDC。最大工作電流:30mA。

輸出信號恒流:士5mA(“+”

為開，“一”為停）。

防爆標志:Exib。2023/2/766第十節(jié)饋電狀態(tài)傳感器饋電狀態(tài)傳感器是連續(xù)監(jiān)測礦并中饋電開關或電磁啟動器負荷側有無電壓的裝置。礦井安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)必須具有斷電狀態(tài)和饋電狀態(tài)監(jiān)測功能，對被控設備的饋電狀態(tài)進行實時監(jiān)測是防止人為取消系統(tǒng)斷電功能，保證安全生產(chǎn)的重要措施之一。該類傳感器主要用于監(jiān)測電纜芯線是否帶電，并同時輸出相應的狀態(tài)信號供監(jiān)測系統(tǒng)采集處理。

與負載是否工作;電纜有無電流流過無關。使用時將傳感器直接卡在控制被控設備的真空開關或磁力啟動器的負荷側電纜上;將饋電狀態(tài)傳感器的輸出接至分站的開關量輸入口。

饋電狀態(tài)傳感器具有結構簡單、成本低、可靠性高、靈敏度高、易于維護、更換方便等優(yōu)點。2023/2/767第十節(jié)饋電狀態(tài)傳感器

一、饋電狀態(tài)傳感器的分類饋電狀態(tài)傳感器可分為直接接觸式和間接非接觸式檢測饋電狀態(tài)2類。直接式是指在電氣上與負荷設備直接聯(lián)系，從供電網(wǎng)絡上直接獲取信號，如用電壓互感器、電流互感器檢測有無信號輸出等。

間接式是指在電氣上與負荷設備不發(fā)生直接聯(lián)系，如電磁感應原理、霍爾原理、測溫原理、測磁原理、光電原理、接近(電感)原理等。

直接接觸式又可根據(jù)檢測饋電狀態(tài)的工作原理分為電壓互感器電壓傳感器等。

間接非接觸式又可以根據(jù)檢測饋電狀態(tài)的工作原理分為光纖電壓傳感器、電磁感應電壓傳感器、霍耳電壓傳感器、電容原理電壓傳感器等。2023/2/768第十節(jié)饋電狀態(tài)傳感器

二、饋電傳感器的工作原理目前，饋電傳感器多采用電壓變換原理與光電原理相結合的方式，將模擬量電壓信號變換為本質安全型開關信號。如D1、KDD2,KDG3,KGT19,GK丁等型號的饋電斷電器中的饋電狀態(tài)傳感器均是采用這種工作原理。三、饋電傳感器的主要技術要求饋電傳感器的主要技術參數(shù)包括監(jiān)測電壓、工作電壓、工作電流、靈敏度、信號輸出方式、響應速度、防爆類型、使用環(huán)境、接線距離等參數(shù)。各種型號的傳感器技術參數(shù)有所不同;但應符合相應的技術標準。2023/2/769第十節(jié)饋電狀態(tài)傳感器例如，ZZ6-KJT19饋電狀態(tài)傳感器主要技術參數(shù)為:監(jiān)測電壓:127一1140V。工作電壓:6一24V。工作電流:無電1mA，有電6mA。信號輸出:NPN晶體管共地導通。響應速度:<2s。防爆型式:本質安全型ibI(150℃)。傳感器接線距離:二線制2km、三線制1.5km。2023/2/770第十一節(jié)瓦斯抽采流量傳感器

一、瓦斯抽采流量傳感器及分類瓦斯抽采監(jiān)測中主要對管道工況參數(shù)和環(huán)境參數(shù)進行計量。通常需要監(jiān)測的量包括管道流量、甲烷濃度、負壓、溫度、一氧化碳等。當出現(xiàn)瓦斯?jié)舛冗^低、負壓波動較大時，監(jiān)測設備發(fā)出報警。

目前，煤礦用的較普遍的流量測量裝置有孔板、渦街、旋進漩渦、均速管、皮托管、V形錐流量計等。由于抽采管道內濕度大、固體雜質多、壓力小、流量變化范圍寬、流速下限低、輸送環(huán)境局限性大，因此，對瓦斯抽采流量傳感器提出了更高的要求。

對流量傳感器的基本要求是:無可轉動部件，測量量程比寬，不易堵塞、磨損，能夠檢測低速介質，能夠測量多項流，能夠檢測低壓力介質。2023/2/771第十一節(jié)瓦斯抽采流量傳感器

二、V形錐流量傳感器

1.V形錐流量傳感器的組成

V形錐流量傳感器自帶有差壓傳感器、壓力傳感器，有鉑熱電阻溫度傳感器接口。內裝多功能微處理器，用微處理器將差壓傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器、流量計算顯示有機地結合在一起。

相互之間用微處理器控制下的數(shù)字信號進行傳遞和處理。能自動根據(jù)被測流量的大小來調整差壓傳感器的輸出信號。

2.V形錐流量傳感器的測量原理其測量原理是在尖圓錐體的兩端產(chǎn)生壓差。此差壓的高壓是在上游流體收縮前的管壁取壓口處測得的靜壓力，而低壓力則是在圓錐體朝向下游端錐中心軸處開取壓孔所得。其高低壓之差的平方與其體積流量成正比關系，通過測量V錐上下游的差壓而得出流量。2023/2/772第十一節(jié)瓦斯抽采流量傳感器2023/2/773第十一節(jié)瓦斯抽采流量傳感器

3.V形錐流量傳感器測量參數(shù)的顯示

V形錐流量傳感器默認主示值是瞬時流量。壓力顯示值為4位數(shù)；溫度顯示值為4位數(shù)；差壓顯示值為4位數(shù)；累積流量顯示為8位整數(shù)；瞬時流量顯示為6位數(shù)。使用中只能同時顯示4個參量，溫度顯示和差壓顯示可交替進行。2023/2/774第十一節(jié)瓦斯抽采流量傳感器2023/2/775第十二節(jié)便攜式甲烷檢測報警儀

便攜式甲烷檢測報警儀是一種可連續(xù)檢測環(huán)境中甲烷濃度，具有數(shù)字顯示、聲光報警功能的便攜儀器。

當甲烷濃度超過設定的報警點(一般為1%CH4)時，儀器發(fā)出聲光報警信號。

它具有連續(xù)檢測、自動報警、數(shù)字顯示甲烷濃度、欠壓顯示、故障顯示、體積小、重量輕、操作簡單、使用方便等優(yōu)點。2023/2/776第十二節(jié)便攜式甲烷檢測報警儀一、便攜式甲烷檢測報警儀的原理該儀器通常采用載體催化原理和自然擴散取樣方式。以百分比濃度顯示測量值，顯示值為3位以上有效讀數(shù)，其分辨率不低于0.01%CH4，并能顯示值的正或負。在0一4%CH4范圍內，當甲烷濃度穩(wěn)定時，顯示值的變化量不應超過0.03%CH4。該儀器具有聲光報警功能和報警自檢功能。在甲烷濃度超過測量范圍上限時，具有保護載體催化元件的功能，并使顯示值維持在超限報警狀態(tài)。電池正常充電后，其工作時間不小于10h。正常工作時間內，不應出現(xiàn)欠壓關機。

該儀器具有電壓顯示、欠壓提示、欠壓自動關機功能。進行充電時，該儀器具有充電指示、充電完成關斷及指示功能。2023/2/777第十二節(jié)便攜式甲烷檢測報警儀二、便攜式甲烷檢測報警儀的主要技術要求(1)量程為0一4%CH4。(2)基本誤差如表6一8所示。2023/2/778第十二節(jié)便攜式甲烷檢測報警儀

(3)工作穩(wěn)定性應不小于15d(每天運行10h)，響應時間不大于20s。(4)應能在0.50一2.50%CH4范圍內任意設置報警點，報警顯示值與設定值的差值應不超過士0.05%CH4。報警聲級強度在距其1m處應不小于75dB(A);光信號在暗處的能見度不小于20m。(5)當工作位置發(fā)生變化時，其顯示值的附加誤差應不超過±0.03%CH4。在8m/s風速條件下，其指示值的漂移量應不超過士0.10%CH4。2023/2/779第十二節(jié)便攜式甲烷檢測報警儀

(3)工作穩(wěn)定性應不小于15d(每天運行10h)，響應時間不大于20s。(4)應能在0.50一2.50%CH4范圍內任意設置報警點，報警顯示值與設定值的差值應不超過士0.05%CH4。報警聲級強度在距其1m處應不小于75dB(A);光信號在暗處的能見度不小于20m。(5)當工作位置發(fā)生變化時，其顯示值的附加誤差應不超過±0.03%CH4。在8m/s風速條件下，其指示值的漂移量應不超過士0.10%CH4。

三、便攜式甲烷檢測報警儀的使用攜帶該儀器人員入并前，打開電源開關，使其處于工作狀態(tài)，下班時關掉電源帶升上井(移交發(fā)放室)。2023/2/780第十二節(jié)便攜式甲烷檢測報警儀該儀器一旦出現(xiàn)報警，儀器攜帶人員要立即停止工作，迅速查明原因，采取如停止工作、電氣設備停電、撤出人員等措施，同時向礦調度室匯報，并通知通風區(qū)進一步查明情況，采取相應措施處理。原因未查明或隱患未排除不準恢復送電及工作。使用人員應妥善保管儀器，避免摔、碰和進水，不準隨意拆卸或調整。儀器及時使用充電器充電，并要避免假充、反充、過充電，正常使用的儀器連續(xù)充電時間為12一24h，充電時儀器電源開關要處于“關”位置。儀器長期不使用的，每個月進行一次充放電。在正常充電的情況下，電池輸出的電壓低于額定電壓量的60%時，應及時更換儀器電池。對該儀器的零點、指示值、報警點要定期調校，校準周期為7一10d，校準原始記錄保存期為12個月。校準不合格或大修后的儀器必須進行通風安全儀器計量標校。2023/2/781復習思考題

1.煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)中常用的傳感器有哪些種類?2.煤礦用甲烷傳感器按測量原理不同可以分為哪幾種類型?3.舉例說明礦用開關量傳感器有哪些?4.便攜式甲烷檢測報警儀在使用中應注意哪些事項?2023/2/782第七章礦用分站礦用信息傳輸接口與礦用電源第一節(jié)礦用分站第二節(jié)礦用信息傳輸接口第三節(jié)礦用信號轉換器第四節(jié)礦用電源復習思考題2023/2/783第一節(jié)礦用分站礦用分站是煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的重要設備，接受來自傳感器的信號，并按約定的復用方式遠距離傳送給傳輸接口，同時接收來自傳輸接口的多路復用信號，具有簡單的數(shù)據(jù)處理能力，能夠控制執(zhí)行器工作的設備。2023/2/784第一節(jié)礦用分站

一、礦用分站的構成及其工作原理礦用分站一般由模擬量輸入接口、開關量輸入接口、開關量輸出接口、模擬量輸出接口、串行數(shù)字接口、系統(tǒng)接口、信息處理與存儲單元、顯示單元、報警單元、穩(wěn)壓電路等組成。2023/2/785第一節(jié)礦用分站

(1)模擬量輸入接口將甲烷等模擬量傳感器輸出的頻率型(或電流型、電壓型)模擬量信號轉換為數(shù)字信號送信息處理與存儲單元，并有本質安全防爆隔爆、抗電磁干擾等功能。模擬量輸入接口通常由光電藕合器、頻率/數(shù)字(F/D)轉換器和濾波電路等組成。(2)開關量輸入接口通常由用于本質安全防爆隔離和抗干擾隔離的光電耦合器和濾波電路等組成，將設備開停等開關量傳感器輸出的開關量信號經(jīng)隔離后送信息處理與存儲單元。(3)開關量輸出接口一般由光電藕合器等電路組成，將信息處理與存儲單元的數(shù)字信號轉換為開關量信號輸出至斷電控制器等執(zhí)行器。部分分站的開關量輸出接口可用作頻率型模擬量輸出接口。2023/2/786第一節(jié)礦用分站

(4)模擬量輸出接口一般由光電藕合器、數(shù)/模(A/D)轉換器、濾波器等組成，將信息處理與存儲單元的數(shù)字信號轉換為模擬信號，并具有本質安全隔離和抗干擾功能。(5)串行數(shù)字接口由光電藕合器、濾波器、放大器等組成；將數(shù)字式傳感器輸出的串行數(shù)字信號隔離后送信息處理與存儲單元；將信息處理與存儲單元輸出的數(shù)字信號隔離放大后送數(shù)字執(zhí)行器。(6)系統(tǒng)傳輸接口由光電藕合器、濾波器、放大器等組成;接收系統(tǒng)傳輸接口輸出的串行數(shù)字信號隔離后送信息處理與存儲單元;將信息處理與存儲單元輸出的串行數(shù)字信號隔離放大后送數(shù)字式執(zhí)行器。2023/2/787第一節(jié)礦用分站

(7)顯示單元由顯示電路和驅動電路組成，用于分站電源指示、通信指示、故障指示、光報警、模擬量和開關量顯示等。(8)報警單元由光報警和聲報警兩部分組成。聲光報警也可以外接聲光報警器;也可以由顯示單元完成光報警功能。(9)信息處理與存儲單元一般由單片機和外圍電路組成，完成多路信號復用傳輸、信號輸入/輸出、數(shù)據(jù)處理和執(zhí)行器控制等功能。(10)穩(wěn)壓電路將隔爆兼本質安全型直流電源遠距離供給的非穩(wěn)定直流電源穩(wěn)定為可供分站使用的直流穩(wěn)壓電源。2023/2/788第一節(jié)礦用分站

二、礦用分站的主要功能

1.通信功能分站具有與傳輸接口雙向通信及工作狀態(tài)指示功能。

2.數(shù)據(jù)采集、顯示功能分站具有模擬量采集功能，模擬量輸入信號優(yōu)先采用數(shù)字信號和頻率型模擬信號。具有甲烷、一氧化碳、風速、風壓、溫度等模擬量采集和顯示功能。

分站具有開關量數(shù)據(jù)采集及顯示功能。具有饋電狀態(tài)、風筒狀態(tài)、風門開關、煙霧等開關量采集和顯示功能。2023/2/789第一節(jié)礦用分站

3.控制功能分站具有甲烷濃度超限聲光報警、斷電/復電控制功能及甲烷風電閉鎖功能。

(1)甲烷濃度超限聲光報警和斷電/復電控制功能。甲烷濃度達到或超過報警濃度時，進行聲光報警。甲烷濃度達到或超過斷電濃度時，切斷被控設備電源并閉鎖，甲烷濃度低于復電濃度時，自動解除閉鎖。與閉鎖控制有關的設備未投入正常運行或故障時，應切斷該設備所監(jiān)控區(qū)域的全部非本質安全電氣設備的電源并閉鎖。當與閉鎖控制有關的設備工作正常并運行穩(wěn)定后，自動解鎖。(2)甲烷風電閉鎖功能。2023/2/790第一節(jié)礦用分站

三、礦用分站的主要技術要求

1.模擬量模擬量數(shù)字信號應符合《煤礦礦用信息傳輸裝置》(MT/T899-2000)等有關規(guī)定。

頻率型信號應符合下列要求：頻率范圍為200一2000Hz；在整個頻率范圍內其正脈沖和負脈沖均不得小于0.3ms；有源輸出高電平應不小于+0.3V(輸出電流為2mA時)，有源輸出低電平應不大于+0.5V(輸出電流為2mA時)；無源輸出截止狀態(tài)的漏電阻應不小于100kΩ，無源輸出導通狀態(tài)的電壓降應不大于0.5V。電流型信號范圍：1～5mA或4～20mA。2023/2/791第一節(jié)礦用分站

2.開關量

開關量數(shù)字信號應符合《煤礦礦用信息傳輸裝置》(MT/T899一2000)等有關規(guī)定。

采用雙電平和無源輸出的開關量信號應符合下列要求:有源輸出高電平應不小于+3V(輸出電流為2mA時)，有源輸出低電平應不大于+0.5V(輸出電流為2mA時)。無源輸出截止狀態(tài)的漏電阻應不小于100kΩ，無源輸出導通狀態(tài)的電壓降應不大于0.5V。3.模擬量輸入與輸出處理誤差模擬量輸入與輸出處理誤差應不大于0.5%。4.系統(tǒng)信號傳輸分站與傳輸接口、分站與分站之間信號傳輸應符合《煤礦礦用信息傳輸裝置》(MT/T899-2000)等有關規(guī)定。2023/2/792第一節(jié)礦用分站

5.控制執(zhí)行時間控制執(zhí)行時間應滿足有關要求。安全監(jiān)控分站甲烷濃度超限斷電及甲烷風電閉鎖的控制執(zhí)行時間不大于2s。6.調節(jié)執(zhí)行時間調節(jié)執(zhí)行時間應滿足有關要求。7.最大傳輸距離傳感器及執(zhí)行器至分站之間的最大傳輸距離應不小于2km；分站至傳輸接口、分站至分站之間的最大傳輸距離不小于10km。

8.最大監(jiān)控容量分站所能接入的傳感器、執(zhí)行器的數(shù)量宜在2,4,8,16,32,64,128中選取。

9.備用電源連續(xù)工作時間電網(wǎng)停電后，備用電源連續(xù)工作時間不應小于2h。2023/2/793第二節(jié)礦用信息傳輸接口礦用信息傳輸接口接收分站遠距離發(fā)送的信號并送主機處理;接收主機信號并送相應分站。傳輸接口還具有控制分站的發(fā)送與接收，多路復用信號的調制與解調，系統(tǒng)自檢等功能。

一、礦用信息傳輸接口的組成及工作原理礦用信息傳輸接口由系統(tǒng)通信電路、主機通信電路、信息處理電路、顯示電路、雙機切換電路和電源等組成，2023/2/794第二節(jié)礦用信息傳輸接口

(1)系統(tǒng)通信電路負責與分站雙向串行數(shù)字通信，并具有本質安全防爆隔離功能。系統(tǒng)通信電路通常由光電藕合器、整形電路、濾波電路和放大電路等組成。

(2)主機通信電路負責與主機雙向串行數(shù)字通信。

(3)顯示電路用來指示電源、系統(tǒng)通信狀態(tài)、主機通信狀態(tài)、主/備機工作狀態(tài)等。(4)信息處理電路用來系統(tǒng)通信管理、主機通信管理、雙機切換控制等。2023/2/795第二節(jié)礦用信息傳輸接口

二、礦用信息傳輸接口的基本功能

(1)通信功能。信息傳輸接口具有與分站、主機等設備雙向通信和指示功能。

(2)診斷功能。信息傳輸接口具有故障診斷和指示功能。(3)雙機切換功能。信息傳輸接口具有支持系統(tǒng)的雙機切換(自動和手動)功能并有相應的指示。(4)防雷電。信息傳輸接口有防雷措施。(5)電源指示。信息傳輸接口具有電源指示功能。

(6)輸入輸出信號。信息傳輸接口具有本安與非本安全隔離功能的接口與分站通信的輸入、輸出信號為本質安全信號。2023/2/796第二節(jié)礦用信息傳輸接口三、礦用傳輸系統(tǒng)的主要技術要求

1.最大傳輸距離接口至分站間最大傳輸距離不小于10km，獨立設備的接口至主機之間最大傳輸距離不小于5m。2.最大監(jiān)控容量接口所能接入的分站的數(shù)量宜在8,16,32,64,128中選取。3.系統(tǒng)信號傳輸接口與分站之間信號的傳輸應符合《煤礦通信、檢測、控制用電工電子產(chǎn)品通用技術要求》(MT209-1990)的有關規(guī)定。接口與主機之間應采用串行數(shù)字信號傳輸、通用標準接口，并符合有關規(guī)定。網(wǎng)絡接口采用標準接口，并符合有關規(guī)定。2023/2/797第三節(jié)礦用信號轉換器

礦用信號轉換器是將模擬信號與數(shù)字信號進行相互轉換的設備。

傳感器輸出信號有電壓型、電流型、頻率型和數(shù)字型等，為將各種輸出信號的傳感器接入分站，需使用礦用信號轉換器。

一、礦用數(shù)字信號轉換器的組成及工作原理礦用數(shù)字信號轉換器通常由模擬信號輸入電路、開關信號輸入電路、模擬信號輸出電路、開關信號輸出電路、數(shù)字信號輸入/輸出電路、信號轉換電路、顯示電路和電源等組成。2023/2/798第三節(jié)礦用信號轉換器2023/2/799第三節(jié)礦用信號轉換器

(1)模擬信號輸入電路具有放大、光電隔離等功能，可以輸入電壓型、電流型和頻率型模擬信號。(2)開關信號輸入電路具有整形、光電隔離等功能。(3)模擬信號輸出電路具有驅動、光電隔離等功能，通常輸出頻率型信號，也可以輸出電流型和電壓型信號。(4)開關輸出電路具有驅動、光電隔離等功能。

(5)數(shù)字信號輸入/輸出電路具有放大、光電隔離、驅動等功能。該電路通常有RS-485、CAN、PROFIBUS、LANWORS、以太網(wǎng)等多種接口。(6)信號轉換電路通常由單片機及外圍電路組成。對于復雜的數(shù)字信號轉換，可以采用專用芯片等完成各種信號之間的轉換。(7)顯示電路完成工作狀態(tài)、通信、輸入、輸出、電源等指示。2023/2/7100第三節(jié)礦用信號轉換器

二、礦用信號轉換器的主要功能

1.轉換功能轉換器應具有下列信號轉換功能之一或其組合功能:(1)將頻率型、電流型、電壓型模擬量信號轉換為數(shù)字信號的功能。(2)將電流型、電壓型模擬量信號轉換為頻率型模擬量信號的功能。(3)將開關量信號與數(shù)字信號量相互轉換的功能。(4)將RS-485、工業(yè)現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)信號等數(shù)字信號相互轉換功能。(5)其他信號轉換。2023/2/7101第三節(jié)礦用信號轉換器

2.自診斷功能轉換器具有自診斷功能，并具有電源指示和故障指示等工作狀態(tài)指示。

3.信號輸入/輸出功能用于爆炸性環(huán)境的轉換器的輸入、輸出信號是本質安全的。

2023/2/7102第三節(jié)礦用信號轉換器三、礦用信號轉換器的主要技術要求

1.模擬量模擬量數(shù)字信號應符合《煤礦用信息傳輸裝置》(MT/T899-2000)等有關規(guī)定。頻率型信號應符合下列要求:①頻率范圍為200一1000Hz。

②在整個頻率范圍內其正脈沖和負脈沖寬度不得小于0.3ms。③有源輸出高電平電壓不小于+3.0V(輸出電流為2mA時)。④有源輸出低電平電壓不大于+0.5V(輸出電流為2mA時)。

⑤無源輸出截止狀態(tài)的漏電阻應不小于100kΩ。⑥無源輸出導通狀態(tài)的電壓降應不大于0.5V(電流為2mA時)電流型信號范圍：1～5mA或4～20mA。2023/2/7103第三節(jié)礦用信號轉換器

2.開關量開關量數(shù)字信號應符合《煤礦用信息傳輸裝置》(MT/T899-2000)的有關規(guī)定。采用雙電平和無源輸出的開關量信號應符合下列要求：

①有源輸出高電平電壓應不小于+3.0V(輸出電流為2mA時)，有源輸出低電平電壓應不大于+0.5V(輸出電流為2mA時)。②無源輸出截止狀態(tài)的漏電阻應不小于100kΩ，無源輸出導通狀態(tài)的電壓降應不大于0.5V(電流為2mA時)。

3.模擬量信號轉換處理誤差模擬量信號轉換處理誤差應不大于0.5%。

4.轉換時間信號轉換時間應不大于2s。

5.最大容量信號轉換器接入傳感器和執(zhí)行器的數(shù)量宜在1、2,4,8,16,32,64,128中選取。2023/2/7104第四節(jié)礦用電源

一、礦用電源

1.礦用電源及分類礦用電源是指礦井安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)裝置所使用的電源及檢測裝置(如甲烷濃度超限斷電儀、甲烷風電閉鎖裝置等)的供電電源。

礦用電源一般要求是隔爆兼本質安全型的直流電源。為了保證井下電網(wǎng)停電后，維持安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)正常工作時間不少于2h，還需要配備備用電源。礦用電源的輸入與輸出之間必須進行電氣隔離，一般采用降壓變壓器進行電氣隔離。為保證電源在正常工作條件下和規(guī)定的故障狀態(tài)下所產(chǎn)生的電火花和熱效應均不能引起瓦斯煤塵爆炸，本質安全型電源的限流或恒流、限壓或穩(wěn)壓等保護環(huán)節(jié)必須設置雙重化或三重化保護功能。2023/2/7105第四節(jié)礦用電源煤礦井下供電電網(wǎng)的電壓波動范圍較大，負載的變化也較大。為了減小礦用電源的體積和質量，就必須減小電源的功耗，這需要提高電源的工作效率，要求礦用電源必須是高效率的。

采掘、運輸?shù)染略O備具有功率大、啟(制)動頻繁、供電距離遠，容易造成井下供電電網(wǎng)的波動范圍較大。因此，要求礦用電源具有適應電網(wǎng)電壓波動范圍大的能力，在75%一110%的輸入交流電變化范圍內能正常工作。

井下潮濕、粉塵濃度大，且常有頂板冒落、機械碰撞等事故發(fā)生，這些會造成負載或電纜短路。因此，礦用電源要有短路保護、過流保護等功能，同時要防潮、防水、防塵、防霉、防腐。若發(fā)生短路或斷路等故障，在故障排除后，電源應能自動恢復供電。2023/2/7106第四節(jié)礦用電源

2.礦用電源的功能

(1)電指示功能。即具有輸入、輸出電源指示功能。

(2)保護功能。即具有雙重化的限流、限壓和短路保護功能，故障撤銷后能自動恢復。(3)其他功能。即具有備用蓄電池的直流電源應具備電源指示功能;采用浮充充電方式，并具有防過充、過放保護;在相關標準中規(guī)定轉換時間、工作時間和充電時間。2023/2/7107第四節(jié)礦用電源

3.礦用電源的主要技術要求(1)交流額定輸入電壓，宜同時滿足127V和220V輸入;也可在127V,220V,380V,660V,1140V中選取。

(2)最小輸出電壓，應能滿足受電設備正常工作的需要，并在相關標準中明確規(guī)定。(3)額定工作電流，應能滿足受電設備正常工作的需要，并在相關標準中明確規(guī)定。(4)周期與隨機偏移，線性電源不小于50mV，開關電源不小于250mV。2023/2/7108第四節(jié)礦用電源二、礦用直流電源的組成及其工作原理

1.礦用直流線性電源礦用直流線性電源具有負載穩(wěn)定度高、輸出紋波電壓小、瞬態(tài)響應速度快、線路結構簡單、便于維護、沒有開關干擾等優(yōu)點。

一般由電源變壓器、整流電路、濾波電路、雙/多重化限流限壓電路等組成。如圖7-4所示。2023/2/7109第四節(jié)礦用電源

(1)電源變壓器將交流輸入的電網(wǎng)電壓降為電源所需要的交流低電壓，并具有輸入、輸出電氣隔離