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监测监控传感器相关知识

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(一)瓦斯传感器

矿井空气检测方法有,使用便携式瓦斯检测报警仪,可随时检测作业场所的瓦斯浓度,也可以使用瓦斯传感器连续实时地监测瓦斯浓度。煤矿常用的瓦斯检测仪器,按检测原理分类有:光学式、催化燃烧式、热导式、气敏半导体式等等。可以根据使用场所、测量范围等要求,选择不同检测原理的瓦斯检测仪器。

1、催化燃烧式

催化燃烧式气体检测原理为:利用敏感元件对甲烷(或其他可燃性气体)的催化作用,使甲烷在元件表面上发生无焰燃烧,放出热量,使元件温度上升,检测元件可随自身温度变化量测定气体浓度。

这类气体传感器使用的敏感元件,有铂丝催化元件和载体催化元件两种。铂丝催化元件结构简单,稳定性好,受硫化物中毒影响小。但是铂丝的催化活性低,耗电量大,而且高温会导致元件表面蒸发,是铂丝变细、电阻增加、仪器零位漂移。另外,铂丝催化元件机械强度低,其几何形状易发生变化,会改变传感器参数,影响检测的精确度。而目前采用的载体催化元件,克服了铂丝催化元件的不足,在煤矿得到普遍应用。

2、热导式

利用被测气体与纯净空气的热导率差异及混合气体热导率与浓度的关系,把气体浓度变化量转变为相应电信号,可构成热导式检测仪器。在煤矿中,热导式瓦斯检测仪器主要用于测定高浓度瓦斯。

由物理学可知,当气体内各部分温度不同时,热量从高温处向低温处传递,这一现象称为热传导。从分子运动观点看,温度高分子运动能量大,温度低分子运动能量小。由于分子不断地热运动,两部分分子不断相互交换,结果温度高的分子向温度低的分子处移动,并把热能带了过去形成热传导。下表为矿井空气中主要气体成分的热导率(273K及373K时)及相对空气热导率的比值(273K时)。

热导原理甲烷测定仪就是根据矿井空气的热导系数随甲烷含量的不同而有所变化,测量这个变化来达到测定甲烷含量的目的,但是要直接测量气体的热导系数比较困难,因此一般是借组于某种热敏元件将混合气体中的甲烷含量的变化所引起的热导系数的变化转换成电阻值的变化,而电阻值的变化用测量电桥是很容易测定的。

一般热敏元件分金属丝和热敏电阻两类。铂、钨、钯丝为金属丝一类。热敏电阻的种类繁多。

热敏电阻温度系数大,热惯性小,用它做热敏元件时,功耗低,输出信号大,但是重现性差。铂丝化学性能稳定、耐温高,但是机械强度低,易变性。钨丝机械性能好,但在高温下易氧化。为增强其耐高温和耐腐蚀能力,有的将钨丝表面镀金或用玻璃膜包裹。

(二)一氧化碳传感器

一氧化碳(CO)是一种无色、无臭、无味的气体,对空气比重为0.97,在空气中含量为13%~75%时遇火爆炸。一氧化碳是有毒气体,吸入人体后,造成人体组织和细胞缺氧,引起中毒窒息。煤矿火灾、瓦斯和煤尘爆炸及爆破作业时都将产生大量的一氧化碳。为了矿工的身体健康,《规程》规定,井下作业场所的一氧化碳浓度应在2.4×10ˉ5以下。由于煤在自然氧化过程中不断释放出一氧化碳,故将其作为自燃发火预报标志性气体,用一氧化碳绝对发生量作为火灾预报指标。

煤矿常用的一氧化碳检测仪器有电化学式、红外线吸收式等,现广泛使用的是电化学-氧化碳检测仪器。

传感器内装H2SO4电解液和3个相同的扩散贵金属催化电极――工作极W、对极C和参比极R,扩散电极由一层憎水透气的聚四氟乙烯薄膜和含有铂黑催化剂的多孔亲水膜组成。

参比电极的作用是将工作极电位稳定地控制在0.9~1.1V。含CO的气体渗透扩散进入防水膜,再通过催化膜上的微孔与工作极、电解液接触形成三相界面。在气-液-固相界面上产生电化学反应,生成CO2。在对极上产生O2。

在工作电极W和对极C之间产生的电流I与CO的浓度、扩散层面积和薄膜的扩散系数成正比。

(三)氧气传感器

煤矿中检测氧气常用的方法主要有气相色谱法、电化学法和顺磁法。现常用的是电化学法。

仪器的工作原理,由于透过薄膜的氧气量与氧气压力有关,故大气压力有较大差异时,特别是在开采深度较大的矿井中测定时,其值应进行修正。另外温度对仪器的指示也有一定的影响,需用热敏电阻或其他方法进行补偿。所以仪器的使用环境温度范围为0~40℃。其工作原理图如下:

(四)温度传感器

煤矿常用的温度传感器有热电偶、热电阻、热敏电阻、半导体官PN结、半导体红外热辐射探测器、热噪声、光纤等。热电偶、热电阻原理在工业(地面)上早已得到广泛应用;半导体PN结原理在-100~+100范围内应用也很成功,煤矿井下应用较多。

半导体温度传感器测温原理是用半导体材料制成的PN结制成。它的感温部分是利用二极管或晶体管的PN结正向电压相对于温度呈线性变化的温度特性。

(五)风速传感器

风速是煤矿井下通风的重要参数。及时准确地测定巷道风速,经济合理地调整风速、风量,对保证井下良好的作业环境、防止瓦斯及自然发火事故具有非常重要的意义。检测风速的常用固定式传感器为超声波漩涡式。

(六)烟雾传感器

火灾是煤矿重大灾害之一。因此建立、健全和装备防灭火装置,加强火灾监测,防止火灾事故,保障煤矿安全具有重要意义。

火灾探测器按工作原理可分为:感烟探测器、感温探测器、光辐射探测器、可燃气体探测器。

感温探测器用于测定环境温升率和最大温度,不宜用于探测潮湿及有腐蚀性气体的场合。

光辐射探测器用于快速响应火焰的光和热辐射,不适用于阴燃及尘埃大的场所,多用于对具有明火性质的火灾。

可燃气体探测器只能检测到火灾燃烧产生的化学气体产物,多用于对自然发火的检测。

电离感烟探测器用于检测燃烧初期产生的0.3以上的烟雾例子最为灵敏,对运输胶带早期火灾的检测具有明显的优点。

(七)开关量传感器

在煤矿监控系统中,开关量监测的地位和比重随着生产自动化水平的提高而提高,在工况、生产监控方面发挥着十分重要的作用。

煤矿监控系统采用的开关量传感器主要有设备开停、风门开闭、馈电开关状态、风筒开关、温湿度控制、有烟无烟、电流电压控制等。

开关量的检测原理分为直接式和间接式两类。直接式是指在电气上与负荷设备直接联系,从供电网路上直接获取信号,如用电流互感器、电压互感器有无电信号输出等。间接式是指在电气上与负荷设备不发生直接联系,如电磁感应原理、霍尔原理、测温原理、测磁原理、光电原理、接近(电感)原理等。





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