煤礦監(jiān)測系統(tǒng)中傳感器應(yīng)用淺析

盧江紅

(潞安環(huán)能股份公司 王莊煤礦，山西 長治 046031)

傳感器技術(shù)在基礎(chǔ)學(xué)科中占有越來越重要的地位，其是讓機(jī)器實(shí)現(xiàn)智能化的首要條件。傳感器的本質(zhì)是測量系統(tǒng)，其可測量煤礦井下甲烷濃度、溫度、濕度、CO濃度等，并將測量量按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)化成電信號，電信號是機(jī)器系統(tǒng)可以識別的信號，機(jī)器系統(tǒng)再將各種各樣的信號轉(zhuǎn)化成具體的數(shù)值，便可實(shí)現(xiàn)環(huán)境的感知?；A(chǔ)技術(shù)的發(fā)展推動著生產(chǎn)水平的提升，傳感器技術(shù)的不斷進(jìn)步，應(yīng)運(yùn)而生出大量礦用傳感器，且傳感器的精度、功能不斷提升、完善，有效提高了煤礦監(jiān)控系統(tǒng)的有效性以及可靠性[1-2]。煤礦監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的成熟及大量運(yùn)用對于煤礦安全生產(chǎn)有著重要作用，并且對于煤礦生產(chǎn)管理方式的變革起到巨大推動作用，是安全監(jiān)管的有利手段和安全生產(chǎn)的可靠保障。根據(jù)煤礦生產(chǎn)環(huán)境的特點(diǎn)，常用的礦用傳感器有：CO傳感器、風(fēng)速傳感器、溫度傳感器、甲烷傳感器等。

1 煤礦監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)介紹

煤礦監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的功能可大體分為兩類。一類是生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測，如甲烷等易燃易爆氣體濃度、井下溫濕度、井下風(fēng)速以及煙塵等生產(chǎn)環(huán)境信息[3]；一類是生產(chǎn)信息監(jiān)控，如各類機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、水位、煤位等信息，利用監(jiān)測到的信息可以實(shí)現(xiàn)分布式控制，比如實(shí)現(xiàn)水泵的啟停，提升機(jī)的啟停以及安全設(shè)施的運(yùn)轉(zhuǎn)等，可以說煤礦監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)是煤礦生產(chǎn)力的極大提升。

煤礦監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)主要是實(shí)現(xiàn)信息采集、信息傳遞以及信息處理，故系統(tǒng)組成一般包括主站、分站、服務(wù)器、分布各處的各類傳感器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)以及數(shù)據(jù)接口裝置等。本文主要對系統(tǒng)傳感器的配置進(jìn)行簡單探討。

2 CO傳感器的應(yīng)用

礦井中一氧化碳的濃度可用于判斷煤礦是否存在自然現(xiàn)象，煤礦生產(chǎn)中較為容易出現(xiàn)一氧化碳?xì)怏w，比如進(jìn)行鉆孔時，煤容易在鉆孔內(nèi)不充分燃燒，進(jìn)而產(chǎn)生大量的一氧化碳?xì)怏w。一氧化碳是無色無味氣體，極易引起人體中毒，所以一氧化碳中毒事件在煤礦中較容易發(fā)生。在煤礦安全規(guī)程中有著明確的要求，需要在礦井重點(diǎn)區(qū)域，如大巷、采煤工作面、采空區(qū)及回風(fēng)巷等，安裝一氧化碳傳感器對該區(qū)域的一氧化碳濃度實(shí)時監(jiān)測，并設(shè)定報警設(shè)施，一旦一氧化碳濃度超過報警值便發(fā)出報警。

3 甲烷傳感器的應(yīng)用

甲烷傳感器主要用于監(jiān)測瓦斯?jié)舛?，瓦斯是以甲烷為主要成分的混合氣體，當(dāng)瓦斯在空氣中達(dá)到一定濃度，便可能發(fā)生爆炸[4]。甲烷傳感器的檢測元件能夠根據(jù)甲烷的濃度產(chǎn)生對應(yīng)的電信號，經(jīng)過放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換，送至處理器，根據(jù)設(shè)定程序?qū)崿F(xiàn)信息處理，當(dāng)甲烷數(shù)據(jù)超標(biāo)，會發(fā)出相應(yīng)動作，比如報警、顯示等[3]。甲烷傳感器在煤礦生產(chǎn)中被普遍應(yīng)用，井巷、工作面、采空區(qū)以及回風(fēng)巷道等均有設(shè)置。甲烷傳感器技術(shù)得到有效發(fā)展，最初使用的傳感器類型為電化學(xué)傳感器和燃燒性傳感器，這兩種傳感器的實(shí)用性較差，有較多的缺點(diǎn)，比如穩(wěn)定性差、反應(yīng)時間長以及定期調(diào)校，這些缺點(diǎn)嚴(yán)重制約甲烷傳感器在煤礦生產(chǎn)中的應(yīng)用。目前井下使用的傳感器已更新為紅外傳感器，其原理是基于甲烷氣體對紅外光譜的吸收性來檢測甲烷濃度，幾乎不受工作環(huán)境影響，特別適合工作環(huán)境惡劣的井下環(huán)境。而且，紅外甲烷傳感器具有抑制零點(diǎn)漂移的能力，調(diào)校周期長，不僅降低工作人員的工作量，而且提高甲烷監(jiān)測的準(zhǔn)確性、可靠性，從一線人員的角度看，如果傳感器可靠性低或者準(zhǔn)確性不夠，此傳感器不如不設(shè)置?，F(xiàn)在煤礦井下設(shè)置的甲烷傳感器可以實(shí)現(xiàn)全量程測量，具有很高的測量精度，且具有防水、防塵功能，具有很好的環(huán)境適應(yīng)性，對于傳感器的穩(wěn)定工作具有良好的作用，對于瓦斯監(jiān)測、安全生產(chǎn)具有重要意義。

4 溫度傳感器的應(yīng)用

工作環(huán)境溫度對煤礦的安全生產(chǎn)有著重要的影響，而且一些儀器或者傳感器的測量也需要根據(jù)需要進(jìn)行溫度校準(zhǔn)，比如超聲波測距。過去熱電偶溫度傳感器被大量應(yīng)用煤礦井下測溫，但是熱電偶傳感器具有一定缺點(diǎn)，限制其在煤礦生產(chǎn)中的進(jìn)一步應(yīng)用，比如測量精確度低、誤差大，此缺點(diǎn)進(jìn)一步影響到超聲波測距；此外，其不便于遠(yuǎn)距離傳輸、反應(yīng)慢、安裝調(diào)試復(fù)雜等都影響用戶的使用體驗(yàn)。目前，熱電偶溫度傳感器逐漸被光纖傳感器取代。光纖傳感器具有許多優(yōu)良的特點(diǎn)，尤其是適應(yīng)煤礦井下惡劣的工作環(huán)境，具有很高的用戶使用體驗(yàn)，比如其具有很強(qiáng)的抗電磁干擾能力，能夠在復(fù)雜電磁環(huán)境下具有較高的測量精度；光纖成本低、頻帶寬，可以適應(yīng)于遠(yuǎn)距離傳輸，尤其是光纖溫度傳感器可以連續(xù)測量沿線多點(diǎn)溫度，特別適合大范圍測溫場合。由于光纖溫度傳感器的優(yōu)良特性，使其特別適合在煤礦井下環(huán)境惡劣、遠(yuǎn)距離傳輸應(yīng)用。光纖溫度傳感器普遍應(yīng)用在膠帶輸送機(jī)，因?yàn)槟z帶輸送機(jī)在工作的過程中存在摩擦，較為容易出現(xiàn)溫度過高的缺陷，而且膠帶輸送機(jī)一般距離較長，需要連續(xù)多點(diǎn)檢測，當(dāng)溫度超過限值后，可斷電實(shí)現(xiàn)對膠帶機(jī)的保護(hù)。

5 風(fēng)速傳感器的應(yīng)用

風(fēng)速是井下的重要監(jiān)測量，風(fēng)速對于安全生產(chǎn)有著較為重要的意義。通常情況下，井下風(fēng)速低會導(dǎo)致作業(yè)人員汗水蒸發(fā)慢，造成身體不適，且采煤過程中產(chǎn)生的有害氣體不能夠及時排出巷道，存在瓦斯爆炸隱患；井下風(fēng)速高會造成汗液蒸發(fā)快，作業(yè)人員易感冒等狀況，且容易激起塵土煤灰，故風(fēng)速對于安全生產(chǎn)和身體健康有著重要的影響。風(fēng)速傳感器很多是基于熱敏電阻原理，利用熱對流來測定風(fēng)速。通常情況下風(fēng)速越大散熱越快，其本質(zhì)是對流換熱的過程，且散熱量的大小與溫度、風(fēng)速均有關(guān)系，故可利用這種關(guān)系進(jìn)行風(fēng)速測定。對一熱敏電阻加一恒定電流，當(dāng)達(dá)到熱平衡的狀態(tài)，即熱敏電阻的發(fā)熱量和散熱量基本一致，此時熱敏電阻對應(yīng)一個電阻值，通過測定兩端的電壓，便可以確定風(fēng)速。

6 結(jié) 語

本文主要以CO傳感器、甲烷濃度傳感器、溫度傳感器、風(fēng)速傳感器為例來分析傳感器在提高煤礦監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性及精確性方面的應(yīng)用。利用煤礦監(jiān)控系統(tǒng)可有效監(jiān)控生產(chǎn)活動，可以保障煤礦的安全生產(chǎn)，對于提高煤礦企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，煤礦產(chǎn)業(yè)的競爭力，均有著重要作用。但鑒于目前傳感器具有一定的局限性，在運(yùn)用的過程中要揚(yáng)長避短，發(fā)揮其有效監(jiān)控的正面效能，為煤礦的安全生產(chǎn)提供更可靠的技術(shù)支撐。