瓦斯傳感器遠(yuǎn)距離供電穩(wěn)壓設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)大型煤礦長(zhǎng)距離采掘工作面瓦斯傳感器距離監(jiān)控分站較遠(yuǎn)，因長(zhǎng)導(dǎo)線的引線電阻會(huì)引起明顯的電壓降，為確保瓦斯傳感器信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和準(zhǔn)確性，其供電成為主要問(wèn)題。本文從應(yīng)用的角度，提出了對(duì)瓦斯傳感器遠(yuǎn)距離供電的穩(wěn)壓方案。

關(guān)鍵詞：傳感器信號(hào);遠(yuǎn)距離供電;穩(wěn)壓

一、概述

在很多情況下，煤礦井下采掘工作面巷道走向長(zhǎng)很遠(yuǎn)，長(zhǎng)的可達(dá)3000 多米，超過(guò)廠家設(shè)計(jì)的分站到瓦斯傳感器最遠(yuǎn)傳輸距離2000 米。由于分站不能安裝在回風(fēng)巷中，因此瓦斯傳感器信號(hào)需要遠(yuǎn)距離傳輸。這樣長(zhǎng)導(dǎo)線的引線電阻會(huì)引起明顯的電壓降，就會(huì)給瓦斯傳感器的供電帶來(lái)很大問(wèn)題，直接影響到傳感器信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和準(zhǔn)確性。在劉莊礦有些遠(yuǎn)距離采掘工作面往往采用的是一根監(jiān)控電纜只帶一個(gè)瓦斯傳感器，以解決遠(yuǎn)距離供電問(wèn)題，通常一根電纜能帶兩個(gè)傳感器，但是這樣只能解決2343 米以內(nèi)的信號(hào)傳輸。在國(guó)有大型煤礦中，走向長(zhǎng)超過(guò)此數(shù)字的采掘工作面很多。因此，遠(yuǎn)距離供電、技術(shù)難度和經(jīng)濟(jì)成本是實(shí)現(xiàn)傳感器信號(hào)遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)需要考慮的主要問(wèn)題。本文從應(yīng)用的角度，提出了本人對(duì)傳感器遠(yuǎn)距離穩(wěn)壓供電的建議。

二、傳感器遠(yuǎn)距離供電的穩(wěn)壓方案

（一）傳感器的供電方式

傳感器通過(guò)監(jiān)控電纜連接到監(jiān)控分站，分站配接的KDW0.3/660（A）型礦用隔爆兼本安直流穩(wěn)壓電源箱中，有1 路+12V 直流本安電源提供給分站主板使用，另外6 路+21V直流本安電源提供給分站所配接的傳感器使用。

（二）遠(yuǎn)距離電纜產(chǎn)生的壓降

劉莊礦常用監(jiān)控電纜的單芯電阻為12.8Ω/KM，當(dāng)監(jiān)控電纜長(zhǎng)度為3000m 時(shí)，單芯電阻為38.4Ω，接上瓦斯傳感器構(gòu)成一個(gè)回路之后，監(jiān)控電纜的電阻為R=76.8Ω。普通瓦斯傳感器的工作電流在70～90mA 之間，可以取中間值工作電流80mA，而瓦斯傳感器的啟動(dòng)電流是工作電流的2～3倍，可以取中間值2.5 倍，即瓦斯傳感器的啟動(dòng)電流為I=200mA。這樣3000m 的監(jiān)控電纜在瓦斯傳感器啟動(dòng)時(shí)的壓降為U1=I×R=200mA×76.8Ω=15.36V。

（三）瓦斯傳感器所得到的電壓

瓦斯傳感器的工作電壓在9～24V 之間，而電源箱提供給傳感器的最大電壓為21V，若分站與瓦斯傳感器之間的監(jiān)控電纜長(zhǎng)度為3000m 時(shí)，即壓降為15.36V，那么瓦斯傳感器在啟動(dòng)時(shí)實(shí)際上所得到的電壓為U2=21-U1=5.64V，小于瓦斯傳感器的正常工作電壓，不能使傳感器正常工作。若要使傳感器正常工作，則分站與傳感器之間的監(jiān)控電纜不得超過(guò)2343m。這個(gè)距離在我們劉莊礦長(zhǎng)距離采掘工作面中是很常見(jiàn)的，例如：171303 上下順槽工作面走向長(zhǎng)3012m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)2343m。因此，我們只有將分站安設(shè)在171303 上下順槽的中部煤上山附近，此地點(diǎn)離工作面不到2000m。

（四）遠(yuǎn)距離供電的穩(wěn)壓設(shè)計(jì)

若采用兩根導(dǎo)線供電，因長(zhǎng)導(dǎo)線的引線電阻會(huì)引起明顯的電壓降，且此壓降又隨環(huán)境溫度等因素的變化而變化，故瓦斯傳感器上得到的電壓是不穩(wěn)定的。這種情況在煤礦是不允許的。

采用三線制供電方案可以很好地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離供電的穩(wěn)壓，電路如下圖所示。L1、L2 為兩根相同的供電導(dǎo)線，且處在相同的環(huán)境中，遠(yuǎn)距離供電時(shí)的穩(wěn)壓方法故引線電阻相同，設(shè)為r;L3 為采樣導(dǎo)線，其引線電阻設(shè)為rs。A1 接成電壓跟隨器，起隔離作用。A2 接成差分輸入放大器，據(jù)運(yùn)放“虛斷”的概念可知，L3 中的電流趨于零（故L3可用較細(xì)的導(dǎo)線）。

可Vs=I0（Zs+r） （1）V0=I0（Zs+2r） （2）見(jiàn)式（1）、（2）中Zs 為傳感器的等效阻抗。據(jù)差分輸入放大器的放大規(guī)律和給定的電阻值可知，A2 的輸出電壓為（2 Vs—Vset）。在穩(wěn)定狀態(tài)下，A3 的同相端與反相端電位相等，故（2Vs—Vset）= V0。代入式（1）、（2）并整理得I0 Zs= Vset （3）

可見(jiàn)，傳感器上的電壓（I0 Zs）由Vset 精確控制，不受供電導(dǎo)線的引線電阻影響，不僅實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離供電的穩(wěn)壓，而且供電電壓調(diào)節(jié)方便。

若Vset 取自基準(zhǔn)電壓源，則傳感器上的電壓穩(wěn)定度更高。A1、A2 和A3 一般選用通用運(yùn)放（如μA741）即可，若A2 選用高輸入阻抗專用運(yùn)放，則電路性能更好。只要廠家制造出如上圖所示的電路板，并將其安裝在電源箱提供給分站所配接傳感器的電路中即可。這樣就不會(huì)為井下3000 米以上采掘工作面瓦斯傳感器的供電而煩惱了。

三、結(jié)束語(yǔ)

以上分析了瓦斯傳感器遠(yuǎn)距離敷設(shè)過(guò)程中，因長(zhǎng)導(dǎo)線的引線電阻產(chǎn)生的電壓降，導(dǎo)致瓦斯傳感器得到的工作電壓不足，本文提出了遠(yuǎn)距離供電的穩(wěn)壓方案，解決了遠(yuǎn)距離瓦斯傳感器供電不足的問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)：

夏敖敖.消除引線電阻影響的三線制測(cè)量方法.電子工程師，2003，29（11）：24-26。

作者簡(jiǎn)歷：

陳德全（1969 一）、男、漢族、中共黨員，安徽淮南人，機(jī)電一體化專業(yè)、大學(xué)文化，機(jī)電工程師?，F(xiàn)任安徽中煤劉莊煤礦通風(fēng)區(qū)監(jiān)測(cè)工程師，對(duì)高低壓、強(qiáng)弱電、PLC 程序控制等有很深探討，一直從事自動(dòng)化控制技術(shù)和管理工作30 余年，發(fā)表論文多篇。