第二章第四节1106定.doc

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第一部分安全仪器监测工基础知识

第二章基础知识

第四节安全监控仪器结构、原理

一、常用传感器原理

在安全监控系统中，所需监测的物理量大多数是非电量，如甲烷、风速、一氧化碳、温度等，这些物理量不宜直接远距离传输。

为了便于传输、存储和处理，就必须对这些物理量进行变换，将他们变换成便于传输、存储和处理的物理量。

电信号便于信号的放大、传输、存储和计算机处理。

为此，就需要使用传感器将被监测的非电量信号转换为电信号。

传感器作为监控系统的第一个环节，完成信息的获取和转换功能。

传感器元件主要由敏感元件、转换元件、测量电路和辅助电源组成见图2-44，在煤矿监控领域又将敏感元件和转换元件统称为传感元件。

图2-44传感器组成

在进行非电量到电量的转换时，并非所有的非电量都能利用现有技术一次直接转换为电量。

而是将被测非电量转换成另一种便于转换的非电量。

敏感元件就是将被测非电量转换成电量的非电量的器件。

转换元件是将敏感元件所输出的非电量转换成电量的器件。

例如，矿用超声波漩涡式风速传感器，首先通过敏感元件将风速转换成与风速成正比的漩涡频率，然后再通过转换元件将与风速成正比的漩涡频率转换成电脉冲频率。

有时敏感元件同时兼作转换元件。

这时被测的非电量被直接转换为电量。

例如。

热催化式甲烷传感器的传感元件。

（一）、传感器的基本知识

煤矿安全监控的主要内容是对现场环境中的瓦斯、CO、CO2、O2、等气体浓度进行检测，对风速、风量、气压、温度、粉尘浓度等环境参数的检测，对生产设备运行参数的监测、监控等。

这些参数均为非电量，为了便于监测、传输、存储和处理，就必须对这些非电量进行变幻，将其转换为电量，以实现对上述参数的监测、传输、存储和处理。

传感器就应运而生了。

国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：

“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。

传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，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、记录和控制等要求。

它是实现自动检测和自动控制的首要环节。

所谓传感器就是借助于检测元件（或成为传感元件或传感头）接受物理量形式的信息，并按一定的规律将其转换为同种或别种物理量形式信息的仪器。

1、传感器的分类及组成

煤矿使用的传感器种类繁多，各厂商的产品不尽相同，分类标准也千差万别，通常可以按被测量的不同、传感器原理、传输信号的不同三种方式进行分类。

按传感器被测量的不同，传感器可分为速度传感器、压力传感器、温度传感器、浓度传感器等。

风速传感器、皮带秤中的速度传感器等均为常见的速度传感器；负压传感器、皮带秤中的称重传感器等均为常见的压力传感器；浓度传感器则多见于测量环境中气体浓度的传感器，比如瓦斯传感器、CO传感器等等。

另外根据传感器被测量的不同，还可以分为模拟量传感器、数字量传感器和控制量传感器。

所谓模拟量传感器指的是被测物理量的变化是连续变化的，比如气体的浓度、环境的温度等等；数字量传感器指的是被测物理量的变化只有两态，比如设备开停传感器；控制量传感器指的是被测物理量是用于控制的，比如监控系统中的断电器等。

按构造原理的不同，传感器可分为电阻式、磁阻式、热电式及特殊检测方式（如同位素、超声波、红外线）等。

按输出信号的不同，传感器可分为模拟输出传感器和数字量输出传感器。

传感器一般由检测元件、前置测量和转换电路、信号传输电路及电源等部分组成。

检测元件直接与被测量直接接触，并输出与被测量成一定关系、便于检测的电量。

测量电路将检测元件输出的电信号变换成为便于显示、记录、控制、处理的标准电信号。

测量电路的选取视检测元件的性质而定。

如对于输出量为电参量R、C、L的检测元件，一般多选用检测电桥电路；而对于输出量为电势、电流、频率的检测元件，则可直接进行放大、处理。

测量电路中除检测电桥外，还包括放大器、量程转换电路和电参数变换电路等。

放大器的作用是提高测量仪器的灵敏度。

一般情况下，它与检测元件或检测电桥直接连接，接受并放大检测回路输出的微弱电信号。

当系统的量程与测量电路的输出电压不一致时，需要增加转换电路，以保证两者匹配。

信号传输电路的作用是将测量与转换电路的电信号传输到分站，并接受分站的指令以执行相应的操作。

电源的作用是为传感器的工作提供相应的电源。

2、传感器的主要技术指标：

量程：

传感器测量上限和下限的代数差。

例如某压力传感器的下限为-10N/CM2，上限为90N/CM2，则该传感器的量程为100N/CM2。

测量范围：

传感器能按规定精度进行测量的上限与下限之间的区间。

如上述传感器的测量范围为-10～90N/CM2。

灵敏度：

传感器输出量的变化值与相应的被测实际量的变化值之比。

用公式表示为：

K=△Y/△X

式中K—传感器的灵敏度

△Y—输出被测量的变化值

△X—输入被测量的变化值

稳定性：

在规定的工作条件和时间内，传感器性能保持不变的能力。

分辨率：

传感器可能检测出的被测信号的最小增量。

误差：

被测量实际值与真值之间的差。

重复性：

在同一工作条件下，对被测量在同一方向上进行重复测量时，测量结果的一致性。

线性度：

线性传感器的校准曲线逼近一条直线的密合程度。

过载能力：

表示传感器在不引起规定性能指标永久改变的条件下，允许超过测量范围的能力。

一般用允许超过测量上限（或下限）的被测量与量程的百分比表示。

、

（二）、甲烷传感器原理

在煤矿的日常生产过程中，矿井瓦斯作为一种有害气体，严重影响矿井的安全生产，特别是瓦斯爆炸事故严重威胁煤矿的安全，很容易造成重、特大事故，给国家财产和职工生命造成重大危害，因此对井下现场瓦斯的监测就显得尤为重要。

煤矿常用的瓦斯监测仪器，按检测原理分类有：

催化燃烧式、热导式、气敏半导体式、光电式等等，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监测仪器。

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（或其它可燃性气体）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，一般用纯度很高（99.99%）的铂丝制成螺旋线圈，并对铂丝进行特殊处理，铂丝既是催化剂，又是加热器。

这种催化元件结构简单，稳定性好，受硫化物中毒影响小。

但铂丝的催化活性低，必须在900℃以上高温才能使元件工作，不仅耗电量大，而且高温会导致元件表面蒸发，使铂丝变细、电阻增加、仪器零位漂移。

此外，铂丝催化元件机械强度低，由于振动或自重的影响，其几何形状将发生变化，也要改变传感器参数，影响检测的准确度。

目前，在法国、波兰煤矿仍使用铂丝催化元件瓦斯检测仪器。

我国曾引进了少量波兰监测系统，其瓦斯传感器就是使用铂丝催化元件。

1954年，英国采矿安全研究所（SMRE）研制了载体催化元件，它克服了铂丝催化元件的不足，在煤矿得到普遍应用。

我国自60年代起开始载体催化元件的研究，目前已形成系列产品。

1）载体催化元件工作原理

（1）载体催化元件结构

载体催化元件一般由一个带催化剂的敏感元件（俗称黑元件）和一个不带催化剂的补偿元件（俗称白元件）构成。

两个载体催化元件的结构和尺寸均相同，如图2-45所示。

载体催化元件元件最里层是铂丝线圈，通常用φ0.02-φ0.05mm高纯铂丝绕制，外面是载体和催化剂形成的催化外壳。

铂丝线圈用于通电加热催化外壳，维持瓦斯催化燃烧反应所需温度，同时又兼作感温元件，检测在催化反应中催化外壳温度的变化。

（a）（b）

图2-45载体催化元件结构

（a）带催化剂的载体敏感元件；（b）不带催化剂的载体补偿元件

近年来，出现采用集成电路工艺制作的催化元件。

用蒸发镀膜或厚膜印制烧结方法，把铂加热器附着在2-3mm2的Al2O3基片上，然后在上面涂催化剂，从而构成敏感元件。

这种元件的突出优点是可以降低元件的功耗，产品一致性好，成本也有所降低。

（2）瓦斯作用下催化反应机理

瓦斯在载体催化元件上的反应是一种气固相催化反应过程，即为多相催化，又称非均相催化。

多相催化反应是在固体催化剂的表面进行，即把反应物吸附在催化剂表面上，并在催化剂表面上发生反应，其反应产物也吸附在表面上。

为了使载体催化反应能连续不断地在表面上发生，产物必须不断地从表面上解析出来。

载体催化元件使用Pt、Pd等金属催化剂，其作用原理目前尚没有统一完整的理论。

催化剂的催化活性与其电子结构及吸附能力有关。

金属电子结构可以用鲍林理论说明。

这种理论认为，金属键是一种特殊形式的共价键，金属中的共价键是由d电子参加的杂化轨道组金属键的程度。

化学吸附主要是金属原子中未参与成键的d轨道在起作用，即金属键的d性百分数越大，参与化学吸附的轨道就越少。

Pt、Pd、Rh等渡金属元素的d%在40%-50%之间，是较好的加氢脱氢催化剂，可以化学吸附甲烷，使甲烷离解，一般称为离解化学吸附，即

CH4+2M→CH3M+HM

式中M—表面金属原子。

甲烷是饱合烃，在金属催化剂上吸附保留时间极短，属难氧化性气体。

由于离解化学吸附作用，使甲烷分子的价键力发生变化，降低了反应活化能，产生催化反应。

因此，采用载体催化元件检测瓦斯时，只要维持甲烷—空气混合气体中有足够量的氧，并维持一定的高温条件，就会在元件表面产生无焰燃烧。

甲烷氧化过程如下：

CH4+O2====CO2+H2O

催化反应过程中无焰燃烧放出热量，增加了敏感元件铂丝的电阻值，通过图2-46所示的惠斯顿电桥测量电路，可以测量其载体催化元件电阻变化量。

图中，RD为敏感元件，RC为补偿元件。

将RD和RC置于同一测量气室中，测量电桥由稳压电源或恒流供电。

在无瓦斯的新鲜空气中，RD≈RC，调整电桥使之平衡，信号输出端电压UAB=0。

当瓦斯进入气室时，在敏感元

图2-46催化元件测量电路

件RD表面上催化燃烧，RD阻值随温度上升而增加为RD+ΔRD，而补偿元件RC阻值不变，从而电桥失去平衡。

当采用恒压源E供电时，输出的不平衡电压，电桥输出电压与瓦斯浓度成正比。

2）载体催化元件技术性能要求及影响因素

载体催化元件的技术性能直接关系到瓦斯检测仪表的整机质量，了解催化元件技术性能要求及检验测试方法，对这类产品的设计、使用和维护是至关重要的。

下面要据MT281-91《煤矿甲烷检测用载体催化元件》的规定，对元件的主要技术性能及其影响因素作简要讨论。

（1）灵敏度

指某一浓度的甲烷在敏感元件上反应时，电桥输出电压值与甲烷浓度之比值。

由于外界环境影响、使用条件变化及元件自身催化活性的下降，都会使敏感元件灵敏度下降。

灵敏度是衡量催化元件稳定性和使用寿命的重要指标，在现场使用时，由于灵敏度不断下降，要频繁用标准气样校准，给使用带来不便。

MT281-91规定，当元件灵敏度降到初始值50%时，视为使用寿命终结。

因此，有必要把元件的灵敏度、稳定性和使用寿命一并讨论。

根据国内外学者多年理论研究和实际使用元件的经验，影响元件灵敏度的主要因素有以下几个方面。

①催化剂衰老

催化元件在长期使用中，由于高温烧结，使催化剂活性物质的粒子变大，活性物质中心的晶格缺陷及催化剂从载体上转化成气态的升华等，都会使元件催化活性下降，影响灵敏度。

催化剂蒸发还会使置于同一气室中的补偿元件载体上掺杂微量催化剂，补偿元件逐渐增加活性，从而使电桥输出灵敏度下降。

②催化层形态构造变化

催化元件长期在高瓦斯浓度中工作，因缺氧而不完全燃烧，产生的碳粒子在催化层的孔隙中沉积，催化层的表面积减少，造成催化剂粒子和载体粒子之间结合力减少，导致催化层断裂、破坏，催化活性急