矿用监控系统传感器教学PPT甲烷传感器.ppt

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1、,第5章 矿用监控系统传感器,1、瓦斯、CO、温度传感器原理 (重点掌握) 2、风速、负压、开关量传感器 (了解) 3、了解矿井的环境参数，工况参数和这些参 数的现实意义； (了解),4、了解对井下环境参数，工矿参数的检测方 法； (了解) 5、传感器的设置与调校；(了解),矿井环境参数主要有：,甲烷、氧气、粉尘、井巷硐室和工作面温度、风量与负压、一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫和硫化氢等；还有顶板活动状态、地层构造、水文情况等。 矿井工况参数主要有： 风筒风量、风门开关、胶带开停、煤仓煤位、采煤机组位置、输送机工作状态、胶带打滑、排水系统、压风系统、主要通风机工作状态等工作状况参数。 传感器的作

2、用一是“感”，二是“传。 在测控系统中，一般是将被测物理量变换为电信号，所以传感器是把非电信息变换为电信号的装置。,一、传感器的组成 ,图5-1 传感器组成方框图,各种传感器介绍,用于检测煤矿井下空气中的甲烷含量。是智能型检测仪表，具有自动稳零、低功耗、软启动、环保电源、精度高、稳定可靠等特点。各种操作可通过遥控器来实现，免开盖调试。能与国内各种监控系统、风电瓦斯闭锁、断电仪配套使用。,KGY-002A智能遥控甲烷传感器,各种传感器介绍,测量范围：0-4% CH4测量误差： 0.00-1.00 % CH4，0.10 % CH4 1.00-2.00 % CH4，0.20 % CH4 2.00-4

3、.00 % CH4，0.30 % CH4 响应时间：小于30S 报警点：0.5-2.5% CH4可调 报警方式红色LED灯闪烁、蜂鸣器鸣叫 输出信号200-1000Hz或4-20mA 工作电压本安DC8V-22V，电流50mA,KGY-002A智能遥控甲烷传感器,GTH100/500煤矿用一氧化碳传感器,是用于连续检测煤矿井下CO气体浓度的高精度仪表。具有红外遥控调校零点、灵敏度、报警点等功能。传感器除了和KJ83煤矿安全监控系统配套使用外还可和国内其它监控系统配套使用。,GTH100/500煤矿用一氧化碳传感器,测量范围：0-100PPm或0-500PPm 测量误差：2 响应时间：小于40S

4、 报警点：24PPm 报警方式红色LED灯闪烁、蜂鸣器鸣叫 输出信号：200-1000Hz或4-20mA 工作电压本安：DC8V-21V 工作电流50mA；报警电流70mA,GPD1/5煤矿用负压传感器,采用扩散硅压力传感器芯片开发的固定式仪表。主要用于连续监测矿井通风总负压、矿井风机差压、井下风门两侧及矿井密闭墙内外压力差，是矿井通风安全参数测量的重要仪表。具有红外遥控调校、调校简单等特性。传感器除了和KJ83煤矿安全监控系统配套使用外还可和国内其它监控系统配套使用。,GPD1/5煤矿用负压传感器,测量范围 0-1KPa或0-5KPa 测量误差 2 响应时间 小于30S 输出信号 200-1

5、000Hz或4-20mA 工作电压 DC12V-21V 工作电流 50mA,GFC-15煤矿用风速传感器,采用超声波测量原理。主要用于连续监测矿井通风总回风巷、井下主要测风站、扇风机等处的风速，是矿井通风安全参数测量的重要仪表。具有红外遥控调校、调校简单等特性。传感器除了和KJ83煤矿安全监控系统配套使用外还可和国内其它监控系统配套使用。,GFC-15煤矿用风速传感器,测量范围 0.3-15 m/s 测量误差 小于 0.3 m/s 响应时间 小于40S 显示三位LED就地显示 输出信号 200-1000Hz或4-20mA 工作电压 DC8V-21V 工作电流 70mA,GKT-L煤矿用设备开停

6、状态传感器 主要用于监测矿井机电设备 运行状态，将机电设备开停 状态信号转换为电流信号， 传送到监控分站。,GFK-L煤矿用风门开闭状态传感器，主要用于监测矿井 主要风门的开关状态。,ZQJD-1矿用断电馈电转换器,矿用断电馈电转换器是矿井安全监控系统的配套设备，与监控分站配套使用实现远程断电，同时作为风电瓦斯闭锁装置的组成部分之一。传感器监测被控电气设备的断电、馈电状态，通过监控分站将状态信息传送到地面中心站。,ZQJD-1矿用断电馈电转换器,电源：DC9V-21V、整机电流10mA 馈电状态转换器：输入端电压：AC36V 动作距离: 不大于10m 至分站距离: 不大于 3km； 外形尺寸及

7、重量19019084； 重量：1.8kg,KHJ-03F 风电甲烷闭锁装置,以AT89S8252微处理器为核心的煤矿安全监控装置。该装置用于监测煤矿甲烷和局部通风机状态，并实现当通风机未开或风力不足，以及甲烷超限报警时，能自动切断并闭锁被控区域动力电源的控制功能。因此，使用该装置可有效地防止煤矿瓦斯爆炸事故。闭锁装置适用于高瓦斯矿井，特别适用于采用局部通风的掘进工作面对甲烷的有效监控。,KHJ-03F 风电甲烷闭锁装置,风电瓦斯闭锁基本配置 主机 1台 ZQJD-1断电馈电转换器 2台 KGY-002A甲烷传感器 3台 GKT-L开停状态传感器 2台,KGY-002K双路甲烷超限断电仪,自身带

8、有本安电源并具有双路甲烷超限断电功能。 主要特点： 两个模拟量传感器和两个开关量传感器； 两路模拟量信号轮流显示，开关量状态显示； 两种断电输出方式，简化断电系统设备，降低应用成本。,JCB-C2000型智能甲烷检测报警仪 此报警仪，是采用微电脑数字技术的 超小型便携式智能仪表，主要用于检 测煤矿井下空气中的甲烷气体浓度， 具有自动调零、报警、连续自动记录 120组数据等功能。体积小、密封好、 精度高、稳定可靠，可供井下所有工 作人员携带使用。,5.1 甲烷传感器,（1）甲烷检测的定义,瓦斯是煤矿井下以甲烷（CH4）为主的混合性气体的总称，有时简称为甲烷。 甲烷是一种无色、无臭、无味、无毒气体

9、，对空气比重为0.558。,2)甲烷本身虽然无毒，但空气中甲烷浓度过高时，相对降低了空气的含氧量，对人有窒息作用。,（2）甲烷检测的意义,3)煤矿安全规程中对井下工作面或巷道中甲烷含量有明确规定，利用甲烷传感器检测矿井瓦斯（甲烷）浓度，防止瓦斯爆炸，对保证煤矿安全生产具有重要意义。,1)甲烷是一种可燃性气体，当甲烷在空气中含量为516时，具有爆炸危险性；含量为9.5时、爆炸力最强；当含量高于16时，没有爆炸性，但可以燃烧，为淡蓝色火焰。,5.1.1 矿用甲烷传感器检测方法 1铂丝传感元件检测方法 1）铂的电阻值与温度的关系,（1）-190 0范围内，其关系式为：,（2) 0630.74范围内，

10、其关系式为：,Rt -温度为t时的电阻值； R0-温度为0时的电阻值； 式内常数:,为计算简便，一般情况下，常用,近似表示。,2）铂丝电阻的结构,将铂材料细丝，绕制在云母、石英或陶瓷骨架上，呈螺旋管状。,当测温范围在200500时，其骨架和外层保护管用特殊玻璃制成；,测温范围在5001000时，其骨架和外层保护用石英材料制作。,工作原理：,3）铂丝传感元件检测甲烷工作原理,按技术要求，将细铂丝绕制在耐高温的石英骨架上，并加以固定和罩盖，即构成检测元件。,甲烷浓度变化,（1）元件结构和工作原理,元件结构：,在铂丝中通入工作电流，使甲烷和氧气发生氧化反应，氧化时产生大量热量使铂丝温度上升到起燃温度

11、（900）(较高)，甲烷和氧气稳定燃烧。,（2）性能特点,b)铂丝传感器元件不但对甲烷浓度变化反应灵敏，而且还具有耐氧化、抗毒性能好的优点。,a）因铂丝的电阻系数较大，铂丝传感元件分辨力强和灵敏度高的优点。,c)铂丝元件在还原性介质中连续工作时，尤其在高温条件（ 900以上）工作，铂丝升华比较严重，使铂丝变脆和变细，改变了元件电阻与温度的对应关系，导致传感器发生零点漂移和精度降低，进而还会大大降低元件使用寿命。,2载体催化燃烧式传感元件检测法 1）载体热催化元件结构 载体热催化元件是在细铂丝绕制的小螺旋线圈上包裹一层多孔结构的氧化物，然后在其表面涂镀一层黑色铂族元素构成的。其结构如图所示。,（

12、1）铂丝线圈 它是用铂丝绕成的螺旋状的小线圈。正常工作时首先通入 几十至几百毫安的电流，使催化剂加热，并达到起燃温度。 （2）载体 以骨架形式包围铂丝线圈的氧化铝（AI2O3）为载体。 固定铂丝线圈，又能提高催化剂的活性和抗毒能力。,（3）催化剂 在载体表面涂镀一层黑色的铂族金属元素（如、钯、铂、铑等）。可在300500的较低温度下便可产生强烈的氧化还原反应，即无焰燃烧。,氧化铝结构,传感元件表面有甲烷存在时，发生氧化还原反应。生成二氧化碳和水，同时释放出热量。氧化反应方程式为：,2）载体热催化元件检测原理,甲烷浓度变化,铂丝的温度增量t与甲烷燃烧存在下述关系：,由于铂在0630.74内，阻值

13、与温度关系是:,令： 则有： 令： 则有: 由上式可以看出在0630.74范围内 与 甲烷浓度成正比，即,3）载体催化燃烧式甲烷传感器组成,为测量方便，把对甲烷直接采集和测量的部分制作成探头，探头的测量电路是一个电桥电路。,黑白元件,(1)黑元件：是载体催化燃烧元件，它是热化学反应测量中的核心元件。当甲烷气体接触到涂在元件表面的催化剂时，便与氧气产生无焰燃烧。使黑元件温度升高，桥臂中铂丝电阻增大，而白元件不发生反应，电阻值不变，两元件串联，桥路中AB两点便输出了与甲烷浓度成正比的差值电压信号。将这一代表着甲烷浓度高低的电压信号，进行变换、处理，即可实现浓度显示、超限报警或断电。,(2)白元件：

14、白元件技术参数的结构与黑元件相同，它是补偿元件，表面不涂催化剂，它不产生催化燃烧，对催化元件阻值变化（由外界温度、湿度、风速等变化引起的）起补偿作用。,黑白元件要求 为满足隔爆和风流对测量精度的影响的要求，黑、白两元件均放置在隔爆罩内。使用中要注意：,(1)黑白元件出厂时，经过严格筛选匹配，不可任意拆套使用。,(2)固定桥臂电阻R1、R2。选R1=R2,一般取几十至几百欧。,(3) W1是调零电位器，在无甲烷状态下调整调零电位器 ，使输出电压为零。 (4)补偿电阻R2 是补偿黑白元件热学性质差异的元件，亦改善电桥的零点漂移。 由于黑白元件颜色差异大，对辐射的影响明显不同，黑元件比白元件热辐射能

15、力强。在通过相同电流时，黑元件升温快，其阻值比白元件上升快，为改善这一影响，在白元件两端并联R2 ，以改善电桥的动平衡。,测得桥路输出的不平衡电压，与甲烷浓度成正比。 可求得电桥输出电压为：,4）测量电桥原理分析,=,=,证明 ：,电桥处于平衡状态，无信号输出。,则有：,当甲烷进入气室接触到黑元件时，发生无焰燃烧，使黑元件温度高于白元件的温度，此时电阻值为：,整理后有：,当甲烷浓度很低时，温度增量t很小，分母中的KM项值可以忽略不计，此时输出信号可近似地用下式表示：,由上式分析可得出结论：当电源电压V不变时，输出电压,与甲烷浓度M成正比。,载体催化元件的中毒和寿命 传感器的催化剂与其他催化剂一

16、样，有中毒现象发生，受硫化物、卤素化合物以及Si、Sb、Pb等物质的影响，其催化活性（传感器的灵敏度）会逐渐下降，称之为传感器中毒。使用时，要注意中毒物质，要尽可能选择抵抗中毒能力较强的传感器为好。,传感器受中毒物质的毒害和长期加热以及表面污染等影响，传感器的灵敏度会缓慢下降，可通过定期标定增加电路放大器的放大倍数来解决。但是，当传感器的寿命终结时，其灵敏度会急剧下降，不能使用，必须更换。一般传感器的寿命35年，比电化学式传感器寿命较长，比红外式和光离子化式较短。其寿命与使用环境和正确维护有很大关系。,载体催化元件的激活 在高浓度瓦斯工况下，经常会造成元件激活，使元件灵敏度、稳定性变坏。所谓“

17、激活”就是载体催化元件将PdCl2溶液浸在Al2O3载体上，经热分解而成催化剂，以Pd和PdO形式存在于载体上，元件表面呈黑褐色，对瓦斯催化活性较低。在元件出厂前，为了使其具有较高活性，一般要在加热条件下通12%的CH4进行活化处理，使催化剂中的PdO还原成金属钯。其化学反应方程式为4PdO+CH44Pd+CO2+H2O。这一过程就是“激活”。,固定式瓦斯传感器元件经常接触1%以下瓦斯，在这种环境中，元件中一部分钯被氧化，即2Pd+O2 2PdO。所生成的氧化钯使元件呈红褐色，表现为催化剂活性降低。但当有大于10%的瓦斯作用于元件上时，元件又被激活，将PdO还原为Pd，元件灵敏度提高，出现仪器

18、零点上漂，而且短时间内不能恢复，即元件稳定性被破坏。在实际使用中，出现激活现象后，要及时用新鲜空气校准零点，用甲烷标准气样校准精度。在高浓度瓦斯涌出区域使用的传感器，最好采用高、低浓度瓦斯传感器，它在高浓度瓦斯条件下具有自动保护低浓度测量催化元件的功能。,3热导式传感元件检测法 1）热传导 热传导是气体、液体和固体都存在的导热现象。气体的热传导速度最低。 无论任何物体和空间，只要内部存在温度，热量就会由高温处向低温处传导。 气体中的热传导是由分子运动实现的，在某一物体或空间中发生纯粹热传导时从高温处移至低温处的气体分子数，等于从低温处移动到高温处的气体分子数。,2）热导率,热导率是热传导速率的

19、简称。气体分子量的大小决定着其导热率的高低，气体分子量越大，其热导率越小，反之越大。由于不同气体物质的分子量不同，所以，不同的气体热导率是不同的。 煤矿井下含有一定浓度甲烷的混合气体，与不含甲烷的标准空气的热导率是不相同的。因此，只要测出含有甲烷的空气的热导率，就可以测出所对应的甲烷含量或浓度。,3）热导式传感元件的结构,采用电阻温度系数较大的铂丝或钨丝制作。 把两个性能完全相同的传感元件分别连接在电桥电路两个对应桥臂上。 其中一只放置在被测气体相通的气室中，另一只放在充满地面标准大气的密闭气室中。 前者是测量元件，后者是补偿元件，如图。,4）热导式传感元件工作原理,在串联的两传感器元件中通入

20、相同的电流时，产生的热量必然是相等，但是由于两气室中散热介质不同，使两元件出现温差，此温差导致两元件产生热态电阻差，电桥电路不再平衡，输出一个与甲烷浓度变化成正比例关系的直流电压信号。,由于气体的热导率随温度的增大而增大。因此环境温度的变化也会影响热导式甲烷传感器的测量精度。,高浓度甲烷的热导率与空气的热导率相差较大，所以，在测量高浓度甲烷时，采用热导元件效果是最好的，但如果甲烷的浓度太低，其热导率与空气热导率接近，测量时，只能产生微弱信号，输出灵敏度和分辨力必然是很小的，故此类传感元件不适应低浓度甲烷的测量。,4其他传感元件,利用光干涉、声波、气敏和红外激光等物理手段，也可以制作各种传感器，

21、对瓦斯进行检测。,同一光源发出两束光，分别经过空气参考气室、待测气体气室之后，再相遇产生干涉条纹。待测气体气室中瓦斯浓度不同，产生干涉条纹位置不同，据此确定瓦斯浓度。,声波在不同的分子量的介质中和在不同浓度组成的混合气体中传播时，声波的传播速度各不相同，因此，可根据声波传感元件在气体介质中传播速度的变化，检测出气体介质成分及其浓度的变化。据此，制作出声波瓦斯传感器。,光干涉传感器,声波传感器,某些金属氧化物如氧化锡(Sn02)、氧化锌(Zno)等制成的气敏元件，在一定的温度(600 左右)下吸附不同气体后，电阻率将发生大幅度变化，当甲烷浓度升高导致温度升高时，元件的电阻率将发生大幅度变化，从而

22、引起电阻两端电压信号的明显变化。,每一气体对红外光波有一个或几个固定吸收谱线。甲烷的吸收谱线是3.39m与7.6m。当红外激光通过瓦斯气体后，激光束将被部分的吸收而削弱，被削弱的程度与瓦斯的浓度有关，瓦斯浓度越大，吸收现象越严重，光强减弱越大。根据光的强度高低可测出瓦斯浓度。,气敏传感器,红外传感器,5.1.2 KGY-002A型智能遥控甲烷传感器 智能遥控甲烷传感器可以配接各种型号的井下分站、风电瓦斯闭锁装置、断电仪等设备，用于检测煤矿井下空气中的甲烷含量，组成监控系统的一种智能型检测仪表。 1.智能遥控甲烷传感器的特点,1）零点稳定,硬件电路特别设计，低漂移。专有的软件设计，对零点漂移自动

23、识别跟踪、自动稳零。配合遥控器调零，可达到在井下6个月以上不用开盖硬件调零。,2）低功耗 整机工作电流： 21V供电时，45mA； 18V供电时，50mA。 3）软启动,图55 KGY-002A智能遥控甲烷传感器,启动电流从18mA起步，最高到55mA，稳定在43mA左右。克服了常规的加电瞬间的过冲电流（超过200mA），而引发分站的供电电源误动作掉电保护,4）绿色环保,精密的内部高效开关电源设计，不对线路产生反方向电磁干扰。不会产生反馈干扰而影响分站供电电源工作。 5）信号输出 通过跳接短路块（K2），很容易改变输出信号为：0200Hz 或2001000Hz。采用单片机直接计算输出频率信号。

24、 6）红外遥控,用红外遥控器完成参数设置、显示、调零、甲烷标定等操作。遥控距离：05m。,7）断电试验功能 模拟产生一个4秒钟时宽、浓度为3.00% CH4的瓦斯信号，发送给断电仪，试验其断电功能可靠否。 8）自动保护功能 甲烷浓度超过4.10% CH4时，自动切断供桥电源，保护催化传感头。 2分钟后自动恢复供电，若甲烷浓度仍超过4.10% CH4，则重新进入2分钟保护周期。传感器显示值和输出信号值保持在超限状态。 9）通用性 由于以上特点，该传感器可以很方便地配接国内目前各种型号的井下分站、风电瓦斯闭锁装置断电仪等设备。,图56 KGY-002A智能遥控甲烷传感器的组成,2.智能遥控甲烷传感

25、器的组成,1）传感头 传感头由气室、黑白元件等组成。检测电桥的电位器是用来调节零点的。零点即甲烷浓度为零时放大器的输出电压，为 0.25V。一般将零点调整为 0.25V，以便上下均允许有较大的偏离量，保证很长时间内遥控调零都能成功。 2）供电电源 对分站提供的822VDC电压，采用高效DC/DC变换，变成3V和5V分别供检测电桥和仪表线路使用。,3） 放大器及A/D变换器 检测电桥的输出为差动式mV级信号，通过直流放大器进行放大并变成单端输出，通过A/D转换器将模拟信号变为数字信号送入单片机进行运算和处理。 4）红外遥控器及接收器 红外遥控器将各种指令转换成串行红外光编码信号发送出去。接收器将

26、串行红外光编码信号转换成串行电数码信号送单片机进行处理，完成各种功能。,5）单片机,传感器采用一次性编程的AT87C52单片机。仪表内部有看门狗电路，程序正常运行时会不断地抑制看门狗，当程序跑飞运行不正常时，看门狗会就自动发出一个硬件复位信号。,单片机对A/D 转换器送来的数据进行运算，得出甲烷浓度，进行显示和控制报警灯光等。同时运算输出0200Hz或2001000Hz频率信号。,当甲烷浓度达到报警值1.00% CH4时，单片机产生声光报警信号。当甲烷浓度达4.10% CH4时，单片机控制切断供给甲烷传感头的电源,保护黑白元件。2 分钟后自动脱离保护状态，重新检测。,6）显示电路 显示电路由四

27、位数码管组成。最高位数码管用来显示功能代码；或在零点漂移为负时显示“”号，并且数字闪烁。后三位在调校时显示功能代码号对应的内容；正常检测时显示甲烷浓度。显示窗内的红色发光指示灯闪亮时，表示信号输出线路通畅。若灯灭，表示信号线路不通。,3安装与维护,1）传感器应垂直悬挂 2）仪器在使用中，要定期进行调零和按规程标定。,复习与思考题 什么是传感器，一般由哪几部分组成，作用 是什么？ 2. 监控系统传感器有哪些种类？ 3. 矿用催化燃烧式（黑白元件）瓦斯传感器检 测原理？ 4. 电化学式一氧化碳传感器检测原理？ 5. 超声波漩涡式风速传感器检测原理？ 6. 简述采煤工作面甲烷传感器的设置。 7. 简述掘进工作面甲烷传感器的设置。 8. 简述低浓度甲烷传感器调校方法。,