安全生产系统监控工教案.doc

安全生产系统监控工教案

第1章 煤矿安全生产方针和法律法规
1.1 煤矿安全生产方针
1.2 煤矿安全生产法律法规
1.3 岗位责任制
复习题
第1章 煤矿安全生产方针和法律法规
1.1 煤矿安全生产方针
1.1.1 煤矿安全生产方针的内容
煤矿安全生产方针：安全第一、预防为主、综合治理、整体推进。
安全第一、预防为主是煤矿安全生产的指导思想和行动准则，是煤矿安全生产方针的核心。综合治理是手段和措施，而总体推进则是目的。
1.2煤矿安全生产法律法规
1.2.1 我国煤矿安全法律法规体系主要内容
1、法律有《煤炭法》、《矿山安全法》、《劳动法》、《矿山资源法》等；
2、行政法规有《煤矿安全监察条例》、《煤炭生产许可证管理办法》、《安全生产许可证条例》、《乡镇煤矿管理条例》、《特别重大事故调查程序暂行规定》、《企业职工伤亡事故报告和处理规定》等；
3、地方性法规有《ΧΧ省矿山安全法实施办法》、《ΧΧ省煤炭法实施办法》等；
4、部门规章（包括一些标准）有《煤矿安全规程》、《爆破安全规程》等。
1.2.2《安全生产法》
1、立法的目的
《安全生产法》立法的目的是为了加强安全生产的监督管理，防止和减少安全事故，保障人民群众生命和财产安全，促进经济发展。
2、主要内容
《安全生产法》的主要内容体现了“三个代表”、与时俱进、安全责任重于泰山的重要思想，反映了党和政府以人为本、重视人权的社会主义本质，总结了我国安全生产正反两方面的经验，体现了依法治国的基本方略。
1.2.3《矿山安全法》
1、立法的目的
《矿山安全法》立法的目的是：防止矿山事故，保护矿山职工的人身安全，促进采矿业健康发展，健全矿山法制。
2、内容
主要内容包括：矿山建设的安全设施必须和主体工程同时设计、同时施工、同时投入生产和使用（三同时原则）；矿山企业职工有权对危害安全的行为，提出批评、检举控告。
矿山企业必须对职工进行安全教育、培训，未经安全教育、培训的，不得上岗作业；矿长必须经过考核，具备安全专业知识，具有领导安全生产和处理矿山事故的能力。
1.2.4《煤炭法》
1、立法的目的
《煤炭法》立法的目的是合理开发利用和保护煤炭资源，规范煤炭生产、经营活动，促进和保障煤炭行业的发展。
2、内容
《煤炭法》的主要内容是确立了坚持安全第一、预防为主的安全生产方针，提出了保障国有煤矿的健康发展。
1.2.5《煤矿安全监察条例》
1、立法的目的
《煤矿安全监察条例》的立法目的是：保障煤矿安全、规范煤矿安全监察工作，保护煤矿职工人身安全和健康，促进煤矿健康发展。
2、内容
《煤矿安全监察条例》的内容共有5章50条，该条例明确了煤矿安全监察制度、权力、地位、职责、监察内容、行政处罚种类、工作原则及与政府的关系等。
1.2.6《煤矿安全规程》
1、制定的目的
《煤矿安全规程》制定的目的是保障煤矿安全生产和职工人身安全，防止煤矿事故。
2、《煤矿安全规程》的主要内容
《规程》共有四篇751条。第一篇 总则，规定煤矿必须遵守有关安全生产的法律法规，规章规程、标准和技术规范，建立各类人员安全生产责任制；明确职工有权停止违章作业、拒绝违章指挥；第二篇 井工部分，规定开采、“一通三防”管理、提升运输、机电管理，以及爆破作业涉及的安全生产行为标准；第三篇 露天部分，规定了采剥、运输、排土、滑坡和水文防治、电气机和设备检修标准；第四篇 职业危害，规定必须做好职业危害的防治与管理工作和职业卫生劳动保护工作。
1.2.7 安全监测工常见的违法行为和法律制裁
1、常见的违法行为
2、法律制裁
1）、民事、行政制裁；
2）、重大责任事故的刑事制裁。
[事故案例1-1]（已做好幻灯片）
1、河南大平煤矿瓦斯爆炸事故
[事故案例1-2]（已做好幻灯片）
2、陕西陈家山煤矿瓦斯爆炸事故
1.3 岗位责任制
1、安全监测工岗位责任制
2、监测维修工岗位责任制
复习题
1、煤矿安全生产方针的内容是什么？
2、《煤矿安全监察条例》的立法目的是什么？
3、《煤矿安全规程》制定的目的是什么？
4、安全监测工岗位责任制的内容是什么？
第2章 矿井通风与灾害预防
  2.1矿井通风
2.1.1 地面空气
1、氧气 O2 体积百分比含量为20.90
2、氮气 N2 体积百分比含量为78.13
3、二氧化碳CO2 体积百分比含量为0.03，规定空气中的CO2＜0.5%。
4、稀有气体 体积百分比含量为0.94
2.1.2 井下有害气体
1、一氧化碳 CO 相对密度为0.97，无色、无味、无臭、微溶于水，浓度达13~75%有爆炸危险。
2.1.3 矿井有害气体最高允许浓度
《煤矿安全规程》规定采掘工作面的进风流中，氧气浓度不低于20%，二氧化碳浓度不超过0.5%。有害气体的浓度不超过表2-1规定。
表2-1 矿井有害气体最高允许浓度
名 称 最高允许浓度 %
CO 0.0024
NO2 0.00025
H2S 0.00066
SO2 0.0005
HN3 0.004
2.1.4矿井气候条件

矿井人体最适宜的气候条件：气温15~20℃、湿度50%~60%、风速（其大小视气温的高低而定）。
《规程》规定：生产矿井采掘工作面的空气温度不得超过26℃，机电设备硐石的空气温度不得超过30℃。
2.1.5 矿井通风的任务
1、向井下输送新鲜的空气；
2、冲淡井下有毒有害气体的浓度；
3、排除矿尘。
2.1.6矿井通风系统
1、矿井通风方法
1|）、压入式；
2）、抽出式；
3）、压入、抽出混合式。
2、矿井通风方式
1）、中央式：中央并列式、中央边界式；
2）、对角式；
3）、混合式。
2.2 矿井瓦斯的防治
2.2.1 瓦斯的性质
瓦斯是指矿井中主要由煤层气构成的以甲烷为主的有害气体。瓦斯通常指甲烷，瓦斯的性质常呈甲烷的性质。瓦斯（甲烷） CH4 无色、无味、无臭，标准状态下1m3甲烷的质量为0.7168Kg，相对密度为0.554，有爆炸性危险。
2.2.2 瓦斯的危害
1、当井下空气中的瓦斯浓度较高时，会相对降低空气中的氧气浓度。当氧气浓度降到12%以下时，人会因缺氧窒息死亡；
2、当瓦斯与空气混合达到一定浓度时，遇火能燃烧或爆炸；
3、瓦斯爆炸时伴有大量的有害气体；
4、瓦斯爆炸时能产生高温、高压。
2.2.3瓦斯等级的划分
1、低瓦斯矿井；
2、高瓦斯矿井；
3、煤与瓦斯突出矿井。
2.2.4 瓦斯爆炸的条件
1、浓度 5~16%CH4；
2、氧气 12%以上；
3、火源 650~750℃。
2.2.5 处理瓦斯积聚的方法
1、采煤工作面处理瓦斯积聚的方法；
2、掘进工作面处理瓦斯积聚的方法。
2.2.6 防止瓦斯扩大的措施
1、分压通风；
2、电气防爆；
3、隔爆设施；
4、每年制定矿井灾害预防计划；
5、加强自救、互救；
6、加强职工安全培训。
2.2.7煤（岩）与瓦斯突出的的防治
1、突出的征兆；
2、有声预兆；
3、无声预兆。
2.3粉尘防治
2.3.1 矿尘的定义
2.3.2 矿尘的产生
2.3.3 矿尘的危害
1、导致尘肺病；
2、煤尘燃烧和爆炸；
3、增加机器的磨损；
4、影响视线和照明。
2.4 矿井火灾
2.4.1 矿井火灾的定义
凡发生在矿井井下或地面，威胁到矿井安全生产，造成损失的非控制燃烧均成为矿井火灾。
2.4.2 矿井火灾的分类
矿井火灾按其原因可分为外因火灾和内因火灾两大类。
2.4.3 火灾发生的条件
1、引火源；2、可燃物资；3、氧气。

第3章 矿井监控系
3.1 概述
3.1.1 矿井监控系统的组成
矿井监控系统一般由传感器、执行机构、分站、电源箱（或电控箱）、主站（或传输接口）、主机（含显示器）、打印机、模拟盘、多屏幕、UPS电源、远程终端、网络接口电缆和接线盒等组成。
1、传感器是将被测物理量转换为电信号，经3芯或4芯矿用电缆与分站相连，并具有显示和声光报警功能。
2、执行机构将控制信号转换为被控制物量，使用矿用电缆与分站相连。
3.2 矿井监控系统的通用要求
  3.2.1信息传输要求
矿井监控信息传输要求是矿井监控系统硬件通用、软件兼容、信道共享、信息共享的基础，对促进矿井监控产品标准化、提高产品质量具有重要作用。
1、传输介质；
2、网络结构 宜采用树形网络结构，也可采用环形、总线形、星形或其他网络结构；
3、工作方式；
4、连接方式；
5、传输方向 矿井监控系统宜采用半双工传输；
6、复用方式 常用复用方式有频分制、时分制、码分制和它们的混合方式见表3-1；
3.3 矿井安全监控系统的通用要求
矿井安全监控系统主要用来监测甲烷浓度、一氧化碳浓度、二氧化碳浓度、氧气浓度、硫化氢浓度、风速、负压、湿度、温度、风门状态、风窗状态、风筒状态、局部通风机开停、主要通风机开停、工作电压、工作电流等，并实现甲烷超限声光报警和断电、甲烷风电闭锁控制、断电命令和馈电状态不符合声光报警等。
3.3.3 矿井安全系统安装、使用与维护
3.3.3.1 装备要求
煤矿安全监控设备装备标准应以保障煤矿安全生产为原则。因此煤矿安全监控设备的装备标准主要依据矿井瓦斯等级，自然发火状况等确定，并不考虑矿井的生产能力。这是因为对于小煤矿，并不因为产量小，发生事故的概率小，也不因为产量小，每次事故的伤亡人数少。并于小每矿井田尺寸小，在同样装备标准条件下，安全监控设备投入的总量要少，总造价要低。
3.3.3.6 使用与维护
井下安全监测员必须24小时值班，每天检查安全监控设备及电缆，使用便携式光学瓦斯检定器或便携式甲烷检测报警仪与甲烷传感器进行对照，并将记录和检查结果报监测值班员。当两者读数误差大于允许误差时，先以读数较大者为依据采用安全措施，并须在8小时内对两种设备进行调教完毕。
第4章 电气防爆
 4.1 基本概念
4.1.1 基本概念
防爆电气设备共有10种类型：隔爆型、本质安全型、增安型、浇封型、气密型、充砂型、正压型、充油型、无火花型和特殊型。另外，矿用一般型电气设备是用于煤矿井下的非防爆电气设备。各种类型的防爆电气设备型式及标志见表4-1 。
4.2 通用要求
1、防爆电气设备使用的环境温度为-20~40℃，环境气压为（0.8~1.1）×105Pa；
2、防爆电气设备如果采用塑料外壳，须采用不燃性或难燃性材料制成，并保证塑料表面的绝缘电阻不大于1×109Ω，以防止积积聚静电，还必须承受冲击试验和热稳定试验；
3、防爆电气设备限制使用铝合金外壳，防止其与铁锈摩擦产生大量热能，避免形成危险高温；
4、使用紧固件的要求；
5、防爆电气设备应设置联锁装置；
6、防爆电气设备应良好的接地；
7、防爆电气设备应有明显的防爆标志。
4.3 隔爆型电气设备
4.3.1防爆原理
隔爆型电气设备的防爆原理是：将电气设备的带电部分放在特制的外壳内，该外壳具有将壳内电气部件产生的火花和电弧与壳外爆炸性混合物隔开的作用，并能承受进入壳内的爆炸性混合物被壳内电气设备的火花和电弧引爆时所产生的爆炸压力和温度，而外壳不被破坏；同时能防止壳内爆炸生成物向壳外爆炸性混合物传爆，不会引起壳外爆炸性混合物燃烧和爆炸。
这种特殊的外壳叫“隔爆外壳”。具有隔爆外壳的电气设备称为“隔爆型电气设备”。
4.3.2防爆措施
4.3.3技术要求
4.4 本质安全型电气设备
  4.4.1防爆原理
本质安全型电气设备的防爆原理是：通过限制电气设备电路的各种参数，或采取保护措施来限制电路的火花放电能量，使其在正常工作和规定的故障状态下产生的电火花和热效应均不能点燃周围环境的爆炸性混合物，从而实现了电气防爆。这种电气设备的电路本身就具有防爆性能，也就是从“本质”上就是安全的，故称为本质安全型（以下简称本安型）。
本安电气设备是一种比较理想的防爆电气设备。但由于本安型电气设备的最大输出功率为25W左右，因而使用范围受到了限制。目前本安型电气设备主要用于通信、监控、信号和控制系统，以及仪器、仪表等。
4.5 隔爆电气设备的监察
 4.5.1 隔爆电气设备的监察
1、隔爆型电气设备必须经过考试合格的防爆电气设备检查员检查其安全性能，并取得合格证；
2、外客完整无损，无裂痕和变形；
3、外壳的紧固件、密封件、接地件齐全完好；
4、隔爆接合面的间隙、有效宽度和粗糙度符合规定，螺纹隔爆结构的拧入深度和啮合扣数符合规定；
5、电缆接连盒和电缆引入装置完好，零部件齐全，无缺损，电缆连接牢固、可靠。一个电缆引入装置只连接一条电缆。密封圈外径与电缆引入装置内径之差，应符合下列要求：
第5章 矿用电源及备用电源
5.1矿用电源的特点、主要技术指标及分类
5.1.1 矿井监控系统电源的特点
矿井监控系统电源同一般直流电源相比具有如下特点：
1、本质安全型防爆输出；
2、电网电压波动适应能力强；
3、效率高、体积小、重量轻；
4、保护功能强；
5、输入电压范围宽；
5.2 矿用线性直流电源
线性直流电源又可分为稳压源、恒流源和非稳定电源3种。矿用线性直流电源一般由变压器、整流电路、双重限流（恒流）限压（稳压）电路组成。
变压器除具有降压作用外，还具有电磁隔离功能；整流电路将交流整定为直流；滤波电路滤除整流电路输出的交流成分；双重限流（恒流）限压（稳压）电路保证本质安全型防爆电源的输出，同时可作为稳压或恒流电路，输出稳压或恒流电源。
5.2.1 电源变压器
5.2.2 整流电路
1、半波整流电路；
2、全波整流电路；
3、桥式整流电路。
5.3 矿用开关电源
5.3.1矿用开关电源的特点
采用半导体功率器件作为开关，将一种电源形态转变成为另一种电源形态，并且有稳定输出控制和短路等保护功能的电路称为开关电源。
矿用本质安全型防爆开关电源同地面普通开关电源相比具有如下特点：
1输出功率受限；
2、输出端滤波电容和电感受限；
3、输入、输出必须电气隔离；
4、大的电压允许输入范围；
5、多重化保护；
6、恒压--恒流输出特性；
5.4 矿用备用电源
  5.4.1 矿用备用电源的特点
矿井监控设备必须配备备用电源，并保证维持正常工作时间不小于2h。矿用备用电源同一般备用电源相比具有具有如下特点：
1、应采用蓄电池；
2、蓄电池应采用连续浮充制；
3、备用电源要与主电路共用输出限压（稳压）和限流（恒流）电路；
4、蓄电池要全密封免维护；
5、蓄电池无记忆效应。
第6章 矿用传感器
6.1 基础知识
在矿井监控系统中，所需监测的物理量大多数是非电量，如：甲烷、风速、温度等，而这些物理量是不宜直接进行远距离传输的。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。目前最能满足这些要求的是电信号。电信号的测量、传输、存储和处理手段最为成熟，便于信号的放大、传输、存储和计算机处理。这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，完成着信息的获取和转换功能，其性能的好坏直接影响着系统的监控精度。当然，随着光传输、存储和处理技术的发展，光信号将会成为另一种便于信号传输、存储和处理的信号。
6.1.1 基础知识
传感器主要由敏感元件、转换元件、测量电路和辅助电源组成，如图所示。在矿井监控领域又将敏感元件和转换元件统称为传感元件。
6.1.1 基础知识
敏感元件就是将被测的非电量转换成另一种便于转换为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为电量的器件。
有时敏感元件同时兼做转换元件，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。
传感器的分类方法主要有：按输入量(物理量)和按 变换原理分类两种方法。
按输入量分类的方法明确指出了传感器所能监测的物理量如甲烷、风速、负压等传感器。
按变换原理分类的方法说明了传感器的变换原理，如电化学、热催化等。
为利用上述两种分类方法的优点，通常将上述两种分类方法同时使用，如热导式甲烷传感器、超声波旋涡式风速传感器等。
此外，还有按能量的传递方式(有源和无源)、使用型式(便携式、机载式等)、输出信号(模拟式和数字式)等分类方法。
6.1.2 基本概念
1、量程
指传感器所允许测量被测物理量的量值范围。一般用传感器允许测量的物理量的上、下极限来表示，其中上限值又称为满量程值。
在使用中，如果被测物理量超出了传感器所规定的量程范围，将会造成较大的测量误差或传感器的损坏。
6.1.1 基本概念
2、精度
精度表示传感器的测量结果与被测实际值的接近程度。
精度一般用“极限误差”来表示
3、迟滞
迟滞是指传感器在输入量x增大(正行程)或减小(反行程)时，输出／输入曲线不重合的程度。
4、重复性
重复性就是指传感器在相同的工作状态下，重复地输入一个相同的值时，其输出的一致性程度
6.1.2 基本概念
5、线性度
为了标定和数据处理，一般要求传感器的输出与输入成线性关系，并能准确地反映被测量的实际值。然而，实际使用的传感器，其输出与输入之间并不是所要求的线性关系，如图4．4所示。这就是要求对实际传感器进行线性化处理，即用一条直线去逼近传感器的实际工作曲线，如图4．5所示。图a是采用拟合最小的直线，而图b是采用通过零点和满量程点的直线。
6.1.2 基本概念
不难看出，用输出与输入成线性关系的直线拟合实际工作曲线，将会带来误差。为了描述传感器输出／输入曲线的非线性程度，一般用所测得的输出／输入标准曲线与理论拟合直线的偏差与满量程输出值的百分比来表示，并称之为线性度或非线性误差。
6.2.1 基本概念
6、灵敏度
灵敏度是指传感器的输出增量与输入增量之比
灵敏度一般用拟合直线的斜率来表示
6.1.3 供电方式
矿用传感器的供电方式有内部供电和外部供电两种。
1、内部供电方式
传感器的内部供电方式包括传感器自带整流电源和蓄电池(或干电池)两种。
6.1.3 供电方式
自带整流电源：体积大、重量重，并且在传感器的设置位置上，不一定好取交流电源。（很少用）
蓄电池(或干电池)：需要定期充电(或更换)，维护工作量较大，（用于能耗很小的传感器）
2、外部供电方式
包括就近供电和集中供电两种。
1）外部就近供电方式
是指由系统分站电源、或电控箱、或电源箱向传感器供电的方式，
优点：供电距离近、功耗小、简单方便
是矿井监控系统传感器的主要供电方式
传感器外部就近供电可以采用恒压源供电，也可以采用恒流源供电，究竟采用什么方式取决于传感器对电源的要求。采用恒压源供电，传感器所得到的电压大小受供电电缆的长度、芯线直径、材质、接触电阻影响，同时也受负载波动的影响。在供电电压一定的情况下，供电电缆越长，芯线直径越细，材质电阻率越大，接触电阻越大，传感器吸收电流越大，线路压降就越大，传感器得到的电压值就越小。
6.1.3 供电方式
因此，采用恒压源供电的传感器一般在传感器内部又设置了二次稳压电路，以保证传感器的正常工作。采用恒流源供电，传感器所得到的电流大小受外界因素影响较小，这是因为电缆的绝缘电阻很大。但由于传感器电路一般需要在稳定的电压下工作，因此采用恒流源供电的传感器一般也在内部设置稳压电路。
2）集中供电方式
为了保证在井下供电不正常的情况下，仍能对被测物理量进行监测，有的矿井监控系统采用了中心站集中供电方式
在同样的监控容量下，需要的电缆较多，系统投资较大，并且不便于安装维护。
中心站向传感器供电，即可以采用恒流源供电，又可以采用恒压源供电，究竟采用什么方式取决于传感器对电源的要求。
在矿井监控系统中，被测物理量可分为开关量和模拟量两大类。
开关量就是只取两种状态的物理量，如：采掘机、运输机、水泵、风机的开停等。开关量可以用电压的有无、电流的有无和极性等来表示。
模拟量就是量值连续变化的物理量，如：甲烷浓度、风速、一氧化碳浓度等。模拟量可以用电压的大小、电流的大小和频率的高低等来表示。
数字信号和频率型模拟信号均用脉冲表示，但有以下根本区别：(1)数字信号的脉冲持续时间恒定不变(当传输速率一定时)；而频率型模拟信号的脉冲持续时间随着频率的增高而减小；(2)数字信号采用脉冲编码表示数值大小，由于编码长度有限，因此数字信号表示模拟量大小存在量化误差；而频率型模拟信号的脉冲频率可以连续变化，因此频率型模拟信号可以准确表示模拟量大小；(3)数字信号不同位置的脉冲表示不同的数值；而频率型模拟信号的任何位置的脉冲均表示同一数值。
矿用传感器输出信号宜采用数字信号，并应满足煤炭行业标准《煤矿用信息传输装置》的有关要求。
1、开关信号
开关信号的输出可以是机械接点，也可以是半导体电路或其他电气元件，这些被统称为输出接点。输出接点可以是有源接点，也可以是无源接点。
2、模拟信号
主要有电压型、电流型和频率型。
1）电压型
电压型模拟信号的电压随被测物理量变化而变化。电压型模拟信号一般为0～5V。
2）电流型
电流型模拟信号的电流随被测物理量变化而变化。电流型模拟信号一般为1～5 mA(优选)和4～20 mA(仅用于地面)
3）频率型
频率型模拟信号的频率随被测物理量变化而变化，如图4．19所示。频率型模拟信号一般为200～1000Hz(优选)，在整个频率范围内其正脉冲和负脉冲宽度均不得小于0．3ms。频率型模拟信号的输出分有源和无源两种：
模拟信号的转换
1、电流／电压及电压／电流转换
2、频率／电压及电压／频率转换
6.1.5 技术要求
低浓甲烷传感器的技术要求
(1)测量范围及基本误差
0≤x≤1．0％CH4 ≤±0．1％ CH4
1.0％CH4< x≤ 2.0％CH4 ≤±0．2％CH4
2.0％ CH4< x≤4.0％CH4 ≤±0．3％CH4
(2)报警范围及基本误差
0.5％CH4≤x≤1.5％CH4 ≤±0.1％CH4
(3)声光报警
lm处≥ 85dB，能见度≥20m。
(4)响应时间≤30S。
(5)稳定性≥7d。
6.1.5 技术要求
2 、电化学一氧化碳传感器的技术要求
(1)测量范围及基本误差
0<x≤20ppm ≤±2ppm
20ppm ≤x≤100ppm ≤±4ppm
100ppm<x≤500ppm ≤±5％(相对误差)
(2)稳定性≥7d。
6.1.5 技术要求
3、超声波旋涡式风速传感器的技术要求
测量范围及基本误差：
0.3m/s≤x≤10m/s ≤0.3m/s
0.4m/s≤x≤15m/s ≤0.3m/s
0.5m/s≤x≤20m/s ≤0.3m/s
6.2 传感器
6.2.1 甲烷传感器
甲烷传感器按其工作原理可分为催化燃烧式、热导式等。由于在矿井安全监测中，用于低浓甲烷监测的主要是催化燃烧式，用于高浓甲烷监测的主要是热导式。
1、催化燃烧式
催化燃烧式甲烷传感器的工作原理是：在传感元件(含敏感元件，以下同)表面的甲烷 (或可燃性气体)，在催化剂的催化作用下，发生无焰燃烧，放出热量，使传感元件升温，进而使传感元件电阻变大，通过测量传感元件电阻变化就可测出甲烷气体的浓度。催化燃烧式甲烷传感元件有铂丝催化元件和载体催化元件两种。
铂丝催化元件采用高纯度(99．99％)的铂丝制成线圈，铂丝既是催化剂，又是加热器。
1 ） 载体催化元件结构及工作原理
载体催化元件一般由一个带催化剂的传感元件(俗称黑元件)和一个不带催化剂的补偿元件(俗称白元件)组成。白元件与黑元件的结构尺寸完全相同。但白元件表面没有催化剂，仅起环境温度补偿作用。
2）影晌载体催化元件主要技术性能的因素
双值性
空气中甲烷浓度低于9．5％时，甲烷能够充分燃烧，甲烷浓度越高，载体催化元件的电阻变化就越大。当空气中甲烷浓度高于9．5％时，甲烷不能够充分燃烧，甲烷浓度越高，载体催化元件的电阻变化就越小，这就是载体催化元件的双值性。因此，载体催化元件只能用于低浓度的甲烷浓度监测。
6.2.1 甲烷传感器
激活
在黑元件制造时，是将载体浸在PdO2溶液中，然后热分解后，催化剂以Pd和PdO形式存在于载体上，元件表面呈黑褐色，对甲烷的催化活性较低。在元件出厂前，为使其具有较高的活性，通常在加热条件下通12％CH4进行活化处理，使PdO还原为Pd，这过程被称为激活。激活后的元件要经过老化和稳定性处理后才能出厂使用。
2）影晌载体催化元件主要技术性能的因素
催化剂中毒
硫化合物(H2s、s02)、磷化合物(H3P)以及有机硅蒸气等能强烈地吸附在催化剂上，与Pd反应生成新的化合物，例如H2S与Pd反应生成PdS降低催化剂活性，严重时会使催化剂完全失去活性，这种现象被称为催化剂中毒。
6.2.1 甲烷传感器
灵敏度变化
由于高温烧结，催化剂活性物质的粒子会变大，还会升华为气态等，这些都会使元件的催化活性下降，使灵敏度下降。催化剂升华还会使置于同一气室的补偿元件载体上吸附微量催化剂，使甲烷能够在补偿元件上催化燃烧从而使电桥输出灵敏度下降。
2）影晌载体催化元件主要技术性能的因素
响应时间
响应时间是指甲烷浓度发生阶跃变化时，电桥输出信号值达到稳定值90％时所需要的时间。
气体流量
进入检测气室的气体流量影响催化元件灵敏度。因此，对于扩散式甲烷传感器，在校准时的流量应与甲烷传感器在井下安装地点的风速机吻合，否则会造成测量误。
2）影晌载体催化元件主要技术性能的因素线性度
在低浓范围内，催化燃烧产生的热量随甲烷浓度的增加而增大。但由于元件温度增加时，其散热量也增大，从而导致元件温度不随催化燃烧热量而线性增大。因此，当甲烷浓度不大于4.O％时，元件的输出与甲烷浓度基本成线性关系，当甲烷浓度大于5.0％时，元件的输出与甲烷浓度很难保持线性关系。
2、热导式
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空气的热导率，通过热敏元件测量甲烷空气混合物热导率的变化，进而测得甲烷空气混合物浓度的变化。
6.2.2 一氧化碳传感器
井下空气中一氧化碳浓度较高时，会使人中毒，同时，一氧化碳浓度又是预测和监测煤炭自燃发火的主要技术指标。因此，一氧化碳监测是矿井安全监测的主要内容之一。一氧化碳传感器按其工作原理可分为电化学式、红外吸收式等。
6.2.2 一氧化碳传感器
1、电化学式。
电解质溶液与电极间发生化学能与电能之间的转换被称为电化学反应。
电化学反应是氧化还原反应。不同物质的氧化还原反应必须在一定的电极电位下进行。如果阳极电位高于氧化还原的可逆电极电位，则这个电对中的还原物质被氧化，反之，这个电对中的氧化物质被还原。例如：Co2，CO氧化还原对的可逆电极电位为一0．12V，只要维持阳极电位高于一0．12V， CO就被氧化。
6.2.2 一氧化碳传感器
2、红外线吸收式
不同原子结合成的气体分子对特定波长的红外线具有吸收能力，其吸收波长取决于原子种类、一原子核质量、结合强弱、光谱位置等，当气体压力、气室长度、入射光强一定时，气体对特定光的吸收强度取决于气体分子浓度，一氧化碳气体在常压下对红外光谱的吸收如图4．29所示。不难看出，通过检测入射光强度的变化，就可测定一氧化碳气体的浓度。
6.2.3 风速传感器
在煤炭开采的过程中，总有瓦斯涌出。为稀释矿井空气中的瓦斯，需不断地向井下输送新鲜空气。风量是通风系统的重要参数之一。因此，对矿井风速的监测是矿井监控的主要内容之一。用于矿井的风速传感器主要有超声波旋涡式和超声波时差式两种。
6.2.3 风速传感器
1 、 超声波旋涡式风速传感器
超声波旋涡式风速传感器首先将风速转换成与风速成正比的旋涡频率，然后通过超声波将旋涡频率转换成超声波脉冲，后将超声波脉冲转换成电脉冲，从而测得风速。由于超声波旋涡式风速传感器具有寿命长，易维护，成本低等优点。因此，在矿井监控系统中获得了广泛应用。
6.2.3 风速传感器
1 、 超声波旋涡式风速传感器
超声波旋涡式风速传感器工作原理如图4．30所示。在风洞中设置一旋涡发生杆，在阻挡体下方安装一对超声波发射器和接收器，当流动空气经过旋涡发生杆时，在其下方产生两列内旋相互交替的涡旋。由于旋涡对超声波的阻挡作用，超声波接收器将会收到强度随旋涡频率变化的超声波，即旋涡没有阻挡超声波时，接收到的超声波强度最大，旋涡正好阻挡超声波时，接收到的超声波强度最小。超声波接收器将接收到的幅度变化的超声波转换成电信号，所经过放大、解调、整形等就可获得与风速成正比的脉冲频率。
6.2.3 风速传感器
1 、 超声波旋涡式风速传感器
图4．30超声波旋涡风速传感器原理图
6.2.3 风速传感器
1、 超声波旋涡式风速传感器
超声波旋涡式风速传感器具有如下优点：
(1)无可动部件，无机械磨损，性能稳定，使用寿命长；
(2)输出本身就是与风速成线性关系的脉冲频率信号，没有零点漂移，且敏感元件灵敏度变化不会直接影响输出，测量精度高；
(3)输出信号不受流体特性(温度、湿度、压力、成份、密度、粘度、矿尘等)影响；
(4)响应迅速。
6.2.3 风速传感器
2超声波时差式风速传感器
超声波时差式风速传感器是应用超声波的时差来测定风速
超声波时差式风速传感器具有如下优点：
(1)属于非接触式，无机械传动，因而不干扰流体的状态，不影响测试点的风速分布；
(2)只基于时间、距离和角度的检测，因而不受流体压力、温度和湿度的影响；
(3)无机械传动，使用寿命长，性能稳定。
(4)转换精度高。但结构复杂，造价高，体积大。
6.2.4 温度传感器
矿井环境温度除影响着矿工的工作效率和身心健康外，还是煤炭自燃发火的重要指标之一。因此，矿井环境温度监测是矿井安全监测的重要内容之一。矿用温度传感器有热电偶、热电阻、热敏电阻、半导体红外和光纤等。
6.2.4 温度传感器
1 热电偶式、热电阻式与热敏电阻式温度传感器
热电偶温度传感器就是将两种不同的金属材料连接在一起，形成一个闭合回路。当两种不同的金属材料的两个接点(冷端和热端)之间存在温差时，就在两者之间产生电动势，进而在回路中形成电流。
热电阻式温度传感器就是利用导体电阻随温度的变化而变化的特性来测量温度。热敏电阻温度传感器就是利用半导体电阻随温度变化而变化的特性来测量温度的，热敏电阻可分为正温度系数和负温度系数两种。
6.2.4 温度传感器
2、半导体式温度传感器
半导体温度传感器是利用半导体PN结正向电压随温度变化而变化的特性来测量温度的。
半导体温度传感器具有体积小、成本低、功耗低、响应快、线性度好的优点。在矿井监控系统中获得了广泛的应用。
3、红外式温度传感器
可通过热敏电阻或光敏电阻测量红外辐热功率，进而计算出物体的温度。
红外测温具有灵敏度高，反应快，测温范围广，非接触测量不影响被测温度场分布等优点。
4、光纤式温度传感器
光纤温度传感器的工作原理较多，利用半导体材料吸收光谱特性随温度变化的原理研制出的装有GeAs(砷化锗)、CdTe(碲化镉)等晶片的光纤温度传感器是其中的一种。
1、机电设备开／停传感器
机电设备开／停传感器主要有辅助触点型和电磁感应型两种。
辅助触点型开关量传感器是利用机电设备的接触器或继电器中没有被其他电气设备使用的辅助触点的闭合状况来反映机电设备的开停状况，这些辅助触点可以是常开触点，也可以是常闭触点，其监测原理如图4．36所示。使用辅助接点要注意本质安全防爆电路与非本质安全防爆电路的隔离。
电磁感应型开关量传感器是通过测量向机电设备馈电的电缆周围有无磁场存在，来间接地监测设备的工作状态。其工作原理是：向机电设备供电的三芯电缆中的三相电流有对称和不对称之分，但无论对称与否，在电缆的外皮上，总可以找到一个与三相芯线不等距的点，该点的磁场强度以靠近该点的芯线起主导作用，如图4．37所示的点C。如果将电磁感应型开关量传感器安装在点c，传感器中的检测线圈就可测得微弱的磁感应信号，供电电流越大，该感应信号就越强。感应出的信号再经过放大和变换就可获得反映设备工作状况的电信号。
2、风门开关传感器
风门开关传感器是一种检测煤矿井下风门开闭状态的开关量传感器。它由干簧开关组件与磁性组件两部分组成。在使用时，将磁性体组件装在风门上，而把干簧开关组件安装在毗邻的门框上。当风门关闭时，磁性体靠近干簧开关组件，由磁性体产生的磁场使干簧开关维持闭合(或断开)状态。这时，由干簧开关组件输出一个闭合(或断开)接点信号。当风门打开时，磁性体离开了干簧开关组件，使接点断开(或闭合)，同时输出一个断开(或闭合)接点信号。通过图4．36所示的开关量检测电路，应可以将该接点信号转换为电信号。
3、风筒风量传感器
风筒风量传感器主要用来监测风筒中的风量。当局部通风机停止运转或风筒漏风造成风量不足时，输出风量不足信号。当局部通风机正常工作，并且风筒没有漏风，风量满足要求时，输出风量足信号。风筒风量传感器是开关量传感器，输出风量足和风量不足两种状态，是甲烷风电闭锁装置和矿井监控系统的重要传感器之一。
3、风筒风量传感器
工作原理如图所示。由卡子、弹簧、接点组成。卡子卡在局部通风机风筒的最后一节，当局部通风机工作正常，风筒没有漏风，风筒中风量满足要求时，风筒将卡子撑开，接点闭合。当局部通风机停止工作或风筒漏风等造成风筒风量不足时，风筒无法撑开受弹簧作用的卡子，接点打开。
4、馈电状态传感器
馈电状态传感器用于监测被控开关负荷侧的馈电状态。馈电状态传感器可以采用被控开关(馈电开关或磁力起动器)辅助接点，但要注意本质安全防爆电路与非本质安全防爆电路的隔离。当被控开关是直接控制用电设备时，由于被控开关馈电，馈电电缆就有电流，被控开关不馈电，馈电电缆无电流，因此，使用设备开停传感器即可。当馈电开关不直接控制用电设备，用电设备由下一级磁力起动器控制时，馈电状态的监测应采用测量被控开关负荷侧的电场或电压的方法，如光纤法、电容法等。
复习题
1、何谓传感器？
2、煤矿常用传感器是怎样分类的？
3、对矿用传感器有何要求？
4、何谓瓦斯传感元件中毒？
5、传感器的主要技术指标是什么？
6、矿用传感器有几种类型？信号制式有几种? 数值一般是多少?
7、瓦斯传感元件为什么怕高浓度瓦斯冲击？
8、传感元件为什么要放在隔爆冶金罩内？
9、简述热导检测原理
10、简述KTC-90型电气设备开停传感器的工作原理
第7章 断电控制
  7.1 隔爆型磁力起动器及其控制
甲烷浓度超限断电、掘进工作面停风或风量低于规定值时，必须切断被控区域非