瓦斯報(bào)警器的電路設(shè)計(jì)

賈 潔,王玉巧

（黃河科技學(xué)院 河南 鄭州 450063）

礦井瓦斯是煤炭在生成過程中的一種伴生氣體產(chǎn)物，在煤炭開采時(shí)，便涌出到井下各種空間或巷道，而污染礦井大氣。其含義可分為[1]：

1）廣義地講：凡從圍巖或礦體（煤層）中涌入礦井內(nèi)的氣體，統(tǒng)稱為礦井瓦斯。其中主要成分有甲烷（俗稱沼氣）、二氧化碳、氮，還有少量的硫化氫 、一氧化碳 、氫 、二氧化硫 ）及其他碳?xì)浠衔锖拖∮袣怏w。

2）狹義地講：我國煤礦習(xí)慣上稱瓦斯系專指甲烷而言。

瓦斯爆炸界限為：①下限：一般為5%～6%，最低到3.2%，最高到6.7%。當(dāng)在空氣中的濃度低于下限時(shí)，只能燃燒不能爆炸，過低時(shí)也不能燃燒。②上限：一般為14%～16%，空氣中含瓦斯的濃度高于上限時(shí)，不燃燒也不爆炸。理論上瓦斯爆炸最強(qiáng)烈的濃度為9.5%，實(shí)際為8.5%。

瓦斯造成的爆炸事故時(shí)有發(fā)生，已經(jīng)成為影響煤礦生產(chǎn)和礦工生命安全最突出的問題之一，因此對(duì)瓦斯氣體的檢測(cè)和報(bào)警是一項(xiàng)必要的工作。

1 瓦斯報(bào)警的研究方法

首先，通過氣敏元件及附屬電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集，將礦井內(nèi)瓦斯的濃度轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)，然后，將電信號(hào)傳輸?shù)叫盘?hào)處理電路，應(yīng)用數(shù)字電子技術(shù)和模擬電子技術(shù)，將電信號(hào)數(shù)字化，觸發(fā)器觸發(fā)報(bào)警和控制電路，再經(jīng)過控制電路控制通風(fēng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井內(nèi)瓦斯的監(jiān)控報(bào)警。報(bào)警電路系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖Fig. 1 Structure diagram of the power control unit test system

電源部分：為系統(tǒng)各部分提供穩(wěn)定、可靠的直流電源。它由變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓四部分組成。

信號(hào)采集及處理電路：由氣敏傳感器MQ-2、比較器μA709及其附屬電路組成。傳感器將礦井內(nèi)的瓦斯?jié)舛茸兓D(zhuǎn)換為其本身阻值的變化，從而使得μA709同相輸入端電壓變化。當(dāng)比較器同相端輸入電壓大于反相端電壓時(shí)，比較器輸出端為高電平，反之則為低電平。

觸發(fā)電路：由LM555定時(shí)器及其附屬電路組成雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路。利用LM555的②、④、⑥腳輸入信號(hào)的電平?jīng)Q定輸出端③腳的電平，去觸發(fā)后續(xù)執(zhí)行電路。

聲光報(bào)警電路：在瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)時(shí)，電路以紅燈提示，同時(shí)DK9561產(chǎn)生音頻信號(hào)，驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器，提醒井下操作的工人，空氣中有害氣體濃度已超出允許范圍，應(yīng)及時(shí)撤離現(xiàn)場(chǎng)。在空氣潔凈時(shí)，電路以綠光提示表明環(huán)境安全。

排氣通風(fēng)裝置：當(dāng)報(bào)警電路工作，提醒工作人員有危險(xiǎn)的時(shí)候，繼電器同時(shí)也接通排氣通風(fēng)設(shè)備，使其工作，排出礦井內(nèi)的瓦斯氣體。

2 直流電源部分

直流電源的組成框圖如圖2所示。其中包括電源變壓器、橋式整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路等4個(gè)組成部分。

圖2 直流電源的組成框圖Fig. 2 Composition of dc power supply block diagram

電源部分具體電路如圖3所示[2]。

圖3 直流電源部分電路圖Fig. 3 DC power of the circuit diagram

3 信號(hào)采集元件

本課題采用半導(dǎo)體氣敏傳感器MQ-2。 MQ-2是一種二氧化錫型半導(dǎo)體氣敏元件，對(duì)可燃性氣體具有高度靈敏性和快速響應(yīng)性，適應(yīng)于甲烷、乙烷、丙烷、液化氣、酒精、煙霧的探測(cè)。

氣敏傳感器MQ-2的工作條件[3]如表1、表2所示。

圖4 雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路圖Fig. 4 Bistable trigger circuit

表1 標(biāo)準(zhǔn)工作條件Tab.1 Standard working conditions

表2 外界環(huán)境條件Tab.1 The external environment condition

4 雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路原理

由555芯片和一些外圍元器件組成了雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路[4]，具體電路如圖4所示。

當(dāng)空氣潔凈時(shí): 555芯片②腳=0 (因氣敏電阻RQ變大，R3和R4分壓小), 555芯片④腳＝1,555芯片⑥腳＝0。由555芯片功能表知：555芯片③腳＝1，即③腳為高電平，此時(shí)繼電器J和D2(紅)均不工作；同時(shí)555芯片⑦腳＝1（放電管截止，相當(dāng)斷開），此時(shí)D3（綠）通過電阻R3導(dǎo)通而發(fā)光。由此可得出結(jié)論：1) 555芯片③腳=“1” J、D2不工作。2）D3（綠）發(fā)光，表示空氣潔凈。

當(dāng)存在瓦斯氣體時(shí)：555芯片②腳=1（因氣敏電阻RQ變小，（R3＋R4）分壓值大），芯片④腳＝1,芯片⑥腳＝1。此時(shí)：芯片③腳＝0，芯片⑦腳＝0，此時(shí)D2（紅）發(fā)光，同時(shí)繼電器J動(dòng)作，使其常開觸點(diǎn)J1、J2接通，從而報(bào)警聲和通風(fēng)裝置工作。

5 報(bào)警和通風(fēng)控制電路

本電路由音樂片（DK9561）和繼電器（JRC－5M型）組成，如圖5所示。

其中繼電器（JRC－5M型）是一組觸頭開關(guān)，一組有一個(gè)常開觸點(diǎn)，一個(gè)是常閉觸電。其封裝與結(jié)構(gòu)如圖6所示，主要技術(shù)指標(biāo)如下[5]：

圖5 報(bào)警電路Fig. 5 Alarm circuit

圖6 繼電器的封裝結(jié)構(gòu)Fig. 6 Relay encapsulation structure

使用條件：環(huán)境溫度：-55～＋85 ℃；相對(duì)溫度：＋40 ℃時(shí)，達(dá)98%；大氣壓力：達(dá)4 400 Pa；振動(dòng)：10～500 Hz，加速度達(dá)49 m/s2；離心加速度：達(dá)245 m/s2；工作電壓12 V；線圈電阻50±10%；吸合電壓≥9 V；釋放電壓≤2 V；工作位置：任意。

主要參數(shù)：接觸電阻：0.15 Ω；吸合時(shí)間：6 ms；釋放時(shí)間：4 ms；絕緣電阻：100 MΩ；絕緣抗電強(qiáng)度：能承受300 V（50 Hz） ；耐沖擊強(qiáng)度：達(dá)245 m/s2；觸點(diǎn)負(fù)載：在直流阻性負(fù)載電路中27VDC×1A；壽命：2×104次；外形尺寸：φ12*12 mm；重量：6 g。

常開觸頭開關(guān)中接的是音樂片DK9561，放大管（2W/3V）及揚(yáng)聲器。由于在設(shè)計(jì)時(shí)不用音樂片也可以，但揚(yáng)聲器發(fā)出的聲音比較煩躁，若發(fā)生緊急情況將會(huì)給人們的心理上增加負(fù)擔(dān)，所以采用音樂片以提高悅耳感。

當(dāng)發(fā)現(xiàn)有害氣體超標(biāo)時(shí)，繼電器發(fā)生動(dòng)作，常開觸點(diǎn)閉合，常閉觸點(diǎn)斷開，音樂片工作，通過三極管的放大作用推動(dòng)揚(yáng)聲器工作，發(fā)出聲音報(bào)警。

在繼電器兩端并聯(lián)的二極管為泄放二極管，為阻止瞬間高壓提供一個(gè)泄放回路，以保護(hù)電路。繼電器是利用電磁線圈通電后產(chǎn)生磁場(chǎng)，吸合簧片，使觸點(diǎn)斷開或閉合，當(dāng)繼電器正常通電時(shí)，D2截止，當(dāng)繼電器在斷電時(shí)，線圈會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，極性為上‘－’下‘＋’，而線圈最大的特點(diǎn)是電流不能發(fā)生突變，此時(shí)電路中的電流極大，若無二極管的保護(hù)，電流會(huì)向前一級(jí)流動(dòng)，則發(fā)生灌電流損壞電路。二極管就是恰好構(gòu)成了沖擊電流的泄放回路，不至于發(fā)生灌電流現(xiàn)象。

6 控制執(zhí)行電路

通風(fēng)電路如圖7所示，在瓦斯超標(biāo)的時(shí)候，繼電器常開觸頭得電閉合，接通風(fēng)扇的電源，風(fēng)扇啟動(dòng)排出瓦斯氣體。

圖7 繼電器的封裝結(jié)構(gòu)Fig. 7 Ventilation circuit diagram

7 總體結(jié)構(gòu)

瓦斯報(bào)警器的整機(jī)該電路接入市電220 V經(jīng)過降壓變壓器將電壓降為15 V，通過整流橋把15 V電壓整流為直流電壓，通過電容器C1和C2濾波接入W7812穩(wěn)壓塊，輸出穩(wěn)定的直流電壓為整機(jī)供電。其中，氣敏元器件通過R2給加熱電阻供電。

當(dāng)?shù)V井內(nèi)空氣正常時(shí)，氣敏元器件Q1的相應(yīng)電阻值大，該電阻與R3、R4分壓后的電壓使uA709的輸出為0，致使555定時(shí)器置位，③腳輸出高電平，報(bào)警電路斷開，不發(fā)生報(bào)警，同時(shí)⑦腳為1，綠色指示燈亮。當(dāng)氣敏元器件檢測(cè)到瓦斯氣體時(shí)，其內(nèi)阻減小，該電阻與R3、R4分壓后的電壓升高，從而使uA709的輸出為1，致使555定時(shí)器復(fù)位，③腳輸出低電平，相應(yīng)使繼電器吸合，接通報(bào)警電路電源，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，同時(shí)⑦腳為0，綠色指示燈滅，紅色指示燈亮，風(fēng)扇電源接通工作。通過對(duì)井下的綜合監(jiān)控，對(duì)瓦斯氣體爆炸事故的預(yù)防和抑制，以及采取安全措施保障國家財(cái)產(chǎn)和人身安全是非常重要的。

8 結(jié) 論

本設(shè)計(jì)主要運(yùn)用了氣敏元件、555集成電路等組成了瓦斯探測(cè)報(bào)警裝置。該裝置電路較為簡(jiǎn)易，便于安裝，還可以設(shè)計(jì)為用直流電池進(jìn)行供電，這樣便于攜帶，以提高其可用性和普及性。此裝置還可以安裝在井下工人的安全帽上，利用礦燈的電源對(duì)報(bào)警器進(jìn)行供電。同時(shí)，更換不同的氣敏元件就可以探測(cè)不同的氣體，改制為其他類型的報(bào)警器，實(shí)用價(jià)值較高和使用范圍廣。

[1]煤炭科學(xué)研究院、撫順研究所，煤礦抽放瓦斯手冊(cè)[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1980:1-14.

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[3]孫建民.傳感器技術(shù)[M].北京:清華大學(xué)出版社, 2005:178-181.

[4]余孟嘗.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)簡(jiǎn)明教程[M].2版.北京:高等教育出版社, 1999:233-236.

[5]吳顯鼎.集成電子線路設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].福州:福建科技出版社，2003: 4-5.

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