矿山机电班王燕ebtj.docx

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1、毕业设计计（论文）（说 明明 书）题目：煤煤矿瓦斯斯监控系系统的设设计与实实现姓 名：王燕学号：220100200006994平顶山工工业职业业技术学院20133 年 5 月 20日平顶山工工业职业业技术学学院毕业设计计 （论文） 任任 务书姓名王燕燕专业班级级矿山机机电（主主方向）一一班任 务 下 达达 日 期20013年年3月4日设计（论论文）开始日期期20113年3月11日设计（论论文）完完成日期期20113年5月20日设计（论论文）题目：煤矿矿瓦斯监监控系统统的设计计与实现现指 导教教师马强系（部）主主 任 郭宗跃跃20133 年 5 月月 200 日平顶山工工业职业业技术学学院毕业设

2、计计（论文）答答辩委员会记记录电力工程程系矿山机机电（主主方向）专业，学生王燕于年月日进行了毕业设计（论文）答辩。设计题目目：煤矿矿瓦斯监监控系统统的设计计与实现现专题（论论文）题目：煤矿矿瓦斯监监控系统统的设计计与实现现指导老师师：马强答辩委员员会根据据学生提交交的毕业业设计（论文）材材料，根根据学生答辩情况，经答辩委员会讨讨论评定定，给予学生王燕毕业业设计（论文）成成绩为 。答辩委员员会人，出出席人答辩委员员会主任任（签字）：答辩委员员会副主主任（签签字）：答辩委员员会委员：， ， ，。平顶山工工业职业业技术学院毕业设计计（论文）评语语第页共页学生姓名名：王燕燕专业班级级矿山机机电（主主方

3、向）一一班 年级10级级毕业设计计（论文）题目： 煤矿瓦瓦斯监控控系统的的设计与与实现评阅 人人：指导教师师： （签字） 年 月月 日成 绩：系（科）主主任： （签签字） 年 月 日日毕业设计计（论文）及及答辩评评语：平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书（论文）摘要煤炭是我我国的主主要能源源，煤矿矿安全生生产中有有很多重重大危险险源，其其中瓦斯斯安全事事故频发发，如何何预防瓦瓦斯灾害害的发生生，保障障煤矿安安全生产产，一直直是广大大煤炭科科技工作作者研究究的重要要课题。随随着煤矿矿大型工工作面及及巷道的的产生，瓦瓦斯传感感器和分分站的传传输距离离拉长，同同时开采采深度不不断的增增加，使使瓦斯变

4、变化越发发无常，这这就给煤煤矿瓦斯斯监控带带来了新新的问题题:如何何能够有有效的检检测现场场信号;如何进进行远距距离传输输、实时时处理;如何确确保系统统的稳定定性等。本本文针对对上述问问题进行行研究，应应用计算算机技术术、单片片机技术术和通讯讯技术，开开发出了了“煤矿瓦瓦斯安全全监控系系统”，较好好的解决决了煤矿矿瓦斯监监控系统统中的这这些问题题。论文的主主要工作作如下:以AT8895552单片片机作为为硬件电电路核心心，研制制煤矿瓦瓦斯(CCH4)监测系系统，开开发出实实现对CCH4的的识别、浓浓度监测测、阀值报警警以及实实时上传传数据至至地面监监控PCC，通过过串口通通讯软件件界面显显示。

5、论论文首先先阐述了了CH44监测系系统的发发展及现现状，通通过对无无火焰燃燃烧式CCH4传传感器的的原理分分析确立立了系统统的研发发方向;接着介介绍了监监测系统统的设计计要求，由由于煤矿矿井下工工作环境境特殊，空空间狭窄窄，湿度度大，有有易燃易易爆的瓦瓦斯和煤煤尘，所所以，煤煤矿电气气设备必必须符合合防爆要要求，应应有接地地、过流流、漏电电保护装装置。在在此基础础上，详详细论述述了瓦斯斯气体监监测系统统的硬件件电路设设计与系系统软件件设计及及实用分分析。本本课题采采用具有有较高性性价比的的单片机机AT8895552构成成煤矿气气体监测测系统的的核心部部分，根根据气体体传感器器测量的的信号，实实

6、现对CCH4的的成分识识别和浓浓度测量量;使用用按键面面板输入入外部命命令;采采用ATTMELL公司的的 DaataFFlassh存储储器ATT24CC02存存储设定定的参数数及大_量的测测量数据据;采用用RS一一4855协议，实实现数据据远传，由由地面串串口通讯讯软件接接收处理理。串口口通讯软软件对单单片机而而言意义义重大，不不但可以以实现将将单片机机的数据据传输到到电脑端端，而且且能实现现电脑对对单片机机的控制制。关键词：瓦斯监监控系统统传感器器控制目录摘要1目录2第一章瓦瓦斯简介介41.1瓦瓦斯气体体简介441.2煤煤矿瓦斯斯监测系系统概述述41.3传传感器简简述91.4瓦瓦斯断电电装置

7、1101.5本本课题研研究的意意义111第二章瓦瓦斯传感感器原理理122.1催催化燃烧烧式1222.2光光学式1152.3热热导式1152.4半半导体气气敏原件件.162.5瓦瓦斯检测测新技术术17第三章煤煤矿瓦斯斯监测系系统的设设计与实实现2003.1系系统原理理框图2203.2系系统的特特点及主主要功能能203.3系系统硬件件设计2213.3.1系统统电源2213.3.2模数数转换芯芯片ADD78110的原原理及应应用2333.3.3 MMAX772199显示电电路2663.3.4 II2C总总线接口口电路2293.3.5看门门狗硬件件电路3333.4系系统软件件设计3343.5电电话自动

8、动监控瓦瓦斯氧气气报警器器的研究究与开发发35第四章总总结与展展望3994.1研研究工作作总结3394.2研研究工作作展望339参考文献献41致谢422第一章瓦瓦斯简介介1.1瓦瓦斯气体体简介1.瓦斯斯性质及及瓦斯参参数测定定瓦斯是指指矿井中中主要由由煤层气气构成的的以甲烷烷为主的的有害气气体，有有时单独独指甲烷烷。瓦斯斯是一种种无色、无无味、无无臭、可可以燃烧烧或爆炸炸的气体体，难溶溶于水，扩扩散性较较空气高高。瓦斯斯无毒，但但浓度很很高时，会会引起窒窒息。 瓦斯在煤煤层中的的赋存形形式主要要有两种种状态：在渗透透空间内内的瓦斯斯主要呈呈自由气气态，称称为游离离瓦斯或或自由瓦瓦斯，这这种状态

9、态的瓦斯斯服从理理想气体体状态方方程；另另一种称称为吸附附瓦斯，它它主要吸吸附在煤煤的微孔孔表面上上和在煤煤的微粒粒内部，占占据着煤煤分子结结构的空空位或煤煤分子之之间的空空间。2.瓦斯斯爆炸当空气中中瓦斯含含量为55%16%时，遇遇火会引引起爆炸炸，造成成事故。矿井瓦瓦斯不助助燃，但但它与空空气混合合成一定定浓度后后，遇火火能燃烧烧、爆炸炸。瓦斯斯爆炸时时会产生生3个致命命的因素素：爆炸炸火焰、爆爆炸冲击击波和有有毒有害害气体。瓦瓦斯爆炸炸不仅造造成大量量的人员员伤亡，而而且还会会严重摧摧毁矿井井设施、中中断生产产。矿井井瓦斯爆爆炸往往往引起煤煤尘爆炸炸、矿井井火灾、井井巷坍塌塌和顶板板冒落

10、等等二次灾灾害。引引起瓦斯斯燃烧与与爆炸必必须具备备3个条件件：一定定浓度的的甲烷、一一定温度度的引火火源和足足够的氧氧气。1.2煤煤矿瓦斯斯监测系系统概述述煤矿安全全监测系系统是煤煤炭高产产、高效效、安全全生产的的重要保保证。世世界各主主要产煤煤国对此此都十分分重视，研研制、生生产和推推广使用用了环境境安全、轨轨道运输输、胶带带运输、提提升运输输、供电电、排水水、矿山山压力、火火灾、水水灾、煤煤与瓦斯斯突出、大大型机电电设备健健康状况况等监控控系统，提提高了生生产率和和设备利利用率，增增强了矿矿山安全全。由于于煤矿井井下是一一个特殊殊的工作作环境，有有瓦斯（主主要成份份是甲烷烷）等易易燃、易

11、易爆性气气体，有有硫化氢氢等腐蚀蚀性气体体，有淋淋水、环环境潮湿湿、空间间狭小、矿矿尘大，电电磁干扰扰严重、电电网电压压波动大大、工作作场所分分散且距距离远。因因此，矿矿井监控控系统不不同于一一般工业业监控系系统。这这主要体体现在电电气防爆爆、传输输距离远远、网络络结构宜宜采用树树形结构构、监控控对象变变化缓慢慢、电网网电压波波动适应应能力强强、抗干干扰能力力强、抗抗故障能能力强，不不宜采用用中继器器、传感感器宜采采用远程程供电、设设备外壳壳防护性性能要求求高等方方面。因因此，一一般工业业监控原原理和技技术难以以直接运运用到矿矿井监控控系统中中。因此此，有必必要借鉴鉴一般工工业监控控原理和和先

12、进技技术，针针对矿井井监控的的特殊性性，进行行矿井监监控理论论和系统统的研究究，这对对于促进进矿井监监控理论论和技术术发展、促促进产品品标准化化与通用用化，降降低设备备成本、提提高系统统可靠性性、保障障煤炭高高产、高高效安全全生产，具具有重大大的理论论意义和和实用价价值。同同时，对对石油、化化工等爆爆炸性环环境和其其它矿井井监控具具有参考考价值。一国内内外瓦斯斯监控系系统的发发展从19660年开开始，随随着微型型计算机机技术、通通信技术术的发展展，国外外煤矿安安全检测测已经不不单单是是自动检检测矿井井瓦斯浓浓度参数数，而是是集多种种安全状状态参数数于一体体的检测测技术，是是传感器器技术、半半导

13、体材材料技术术以及通通信技术术的综合合产品。从从技术特特性来看看，其信信息传输输是靠空空分制，即即一个测测点信号号靠一对对电缆来来传输。其其中最具具代表性性的是220世纪纪60年代代中期法法国的CCCT66340煤矿矿环境监监测系统统，它可可测量瓦瓦斯、一一氧化碳碳、风速速、温度度等参数数，最多多测400个点。我国催化化型瓦斯斯传感器器的研究究工作，最最早出现现于19958年年的山西西省，它它采用纯纯铂丝元元件为传传感器，后后经多方方协作研研制出我我国第一一个达到到实用水水平的载载体催化化元件，随随后研制制成功以以这种元元件为传传感器的的AQRR-1型型瓦斯测测量仪。到到了19973年年，重庆

14、庆煤矿安安全仪器器厂等55家单位位协作，研研制成功功了长期期连续监监测瓦斯斯的AYYJ-11型瓦斯遥遥测仪，随随后又有有ABDD-1型型瓦斯断断电报警警仪、AAQD-1型采采煤机瓦瓦斯断电电控制仪仪等产品品出现，我我国催化化型矿井井瓦斯检检测仪器器的品种种逐渐丰丰富起来来 。同同时，在在20世纪纪70年代代，我国国煤矿已已经采用用了多种种载波传传输技术术和模拟拟显示进进行环境境参数和和机械状状态的监监测，用用电话来来指挥生生产。随随着改革革开放的的国策出出台，我我国开始始引进了了波兰CCMM安安全监测测系统、英英国的MMINOOS系统统、美国国的DAAN系统统和联邦邦德国的的TE-2000系统

15、。到到了800年代，随随着引进进消化并并进一步步实现“国产化化”，创造造了一系系列适合合我国煤煤矿条件件的监测测监控系系统。到到了900年代，我我国先后后研制出出了KJJ2、KJ44、KJ88、KJ113、KL119、KJ338、KJ666、KJ775、KJ880等煤煤矿安全全监测监监控系统统。随着着电子技技术、计计算机软软硬件技技术的迅迅猛发展展和企业业自身发发展的需需要，国国内各主主要科研研单位和和生产厂厂家又相相继推出出了KJJ90、KJ995、KJ1101、KJFF20000、KJ44、KJ220000和KJGG20000等监监控系统统，以及及MSNNM、WEBBGISS等煤矿矿安全综

16、综合化和和数字化化网络监监测管理理系统。同同时，“先抽后后采、监监测监控控、以风风定产”的十二二字方针针和煤煤矿安全全规程等等法规文文件，规规定我国国各大、中中、小煤煤矿的高高瓦斯或或煤与瓦瓦斯突出出矿井必必须装备备矿井安安全监测测监控系系统。1、早期期的矿井井监控系系统矿井监控控系统是是由瓦斯斯遥测系系统发展展而来的的。瓦斯斯遥测系系统是用用来监控控井下环环境中甲甲烷浓度度的监控控系统，并并具有瓦瓦斯超限限声光报报警和断断电功能能。瓦斯斯遥测系系统一般般由甲烷烷传感器器、断电电仪、遥遥测仪和和记录仪仪组成，如如图 11.1 所示。图 1.1早期期的矿井井监控系系统甲烷传感感器将被被测甲烷烷浓

17、度转转换为电电信号送送断电仪仪，并具具有甲烷烷浓度显显示和甲甲烷浓度度超过报报警门限限后声光光报警功功能（也也有一些些瓦斯遥遥测系统统将声光光报警箱箱与传感感器分离离）。甲甲烷传感感器至断断电仪最最大传输输距离为为1 Kmm ，采采用3 芯或或4 芯矿矿用信号号电缆（1 芯用作信号线、1 芯用作地线、1 芯用做断电仪向传感器供电），模拟基带信号传输（电压型、电流型或频率型）。断电仪对对甲烷传传感器送送来的甲甲烷浓度度信号进进行调制制，将调调制后的的信号经经2 芯矿矿用信号号电缆远远距离传传送至位位于地面面的遥测测仪。由由于断电电仪至遥遥测仪之之间距离离较远（可可达100Km ) ，为为减少电电

18、缆用量量，降低低系统成成本，便便于系统统安装与与维护，断断电仪至至遥测仪仪之间采采用频分分多路复复用，复复用路数数一般为为510 路。断断电仪同同时对接接收到的的甲烷浓浓度信号号进行判判别，若若超过断断电门限限，则通通过控制制继电器器切断被被控区域域的动力力电源，并并实现闭闭锁。断断电仪还还兼作电电源，将将井下电电网的交交流电转转换为断断电仪和和传感器器所需的的本质安安全型直直流电源源。遥测仪对对接收到到的调制制信号解解调后显显示，并并进行报报警判别别，当甲甲烷浓度度超过报报警门限限时，发发出声光光报警信信号。记记录仪将将甲烷浓浓度实时时记录下下来。瓦斯遥测测系统的的主要技技术特征征是：单单一

19、甲烷烷监测、就就地断电电控制、声声光报警警、数码码管或模模拟表头头显示、多多笔记录录仪记录录、频分分多路复复用、单单向模拟拟传输、树树形网络络结构、采采用分立立组件或或中、小小规模集集成电路路。在发展甲甲烷遥测测系统的的同时，为为了保证证轨道运运输、提提升运输输、胶带带运输等等运输系系统的安安全、提提高生产产率和设设备利用用率，推推广应用用了模拟拟盘调度度系统。例例如，用用于轨道道运输监监控的信信、集、闭闭系统，用用于提升升运输监监控的信信号系统统和用于于胶带运运输监控控的信号号系统等等。这些些系统均均采用集集中监控控，每路路信号使使用一对对电缆芯芯线接至至总控制制台、总总控制台台使用指指示灯

20、显显示设备备状态，为为形象直直观、常常常将设设备图形形等制成成背景，在在被监控控的设备备处设置置指示灯灯，如图图 1.2所示。这这些系统统的技术术特征是是单一开开关量监监控、继继电器闭闭锁控制制、一对对一模拟拟传输、模模拟盘指指示灯显显示、星星形网络络结构、采采用分立立组件或或中、小小规模集集成电路路。图 1.2 模拟拟盘调度度系统2、矿井井监控系系统现状状随着传感感器技术术、电子子技术、计计算机技技术和信信息传输输技术的的发展和和在煤矿矿的应用用，为适适应机械械化采煤煤的需要要，矿井井监控系系统由早早期的单单一参数数的监测测系统，发发展为多多参数单单方面监监控系统统。煤矿瓦斯斯监控系系统主要

21、要用来监监测甲烷烷浓度并并实现甲甲烷超限限声光报报警、断断电和甲甲烷风电电闭锁控控制等。这些系系统一般般由传感感器、执执行机构构、分站站、电源源箱（或或电控箱箱）、主主站（或或传输接接口）、主主机（含含显示器器）、打打印机、模模拟盘、多多屏幕、UUPS 电源、远远程终端端、网络络接口电电缆和接接线盒等等组成。传感器将将被测物物理量转转换为电电信号，经经3 芯或或4 芯矿矿用电缆缆（其中中1 芯用用于地线线、1 芯用用于信号号线、11芯用于于分站向向传感器器供电）与与分站相相连，并并具有显显示和声声光报警警功能（有有些传感感器没有有显示、或或没有声声光报警警）。执行机构构（含声声光报警警及显示示

22、设备）将将控制信信号转换换为被控控物理量量，使用用矿用电电缆与分分站相连连。分站接收收来自传传感器的的信号，并并按预先先约定的的复用方方式（时时分制或或频分制制等）远远距离传传送给主主站（或或传输接接口），同同时接收收来自主主站（或或传输接接口）多多路复用用信号（时时分制或或频分制制等）。分分站还具具有线性性校正、超超限判别别、逻辑辑运算等等简单的的数据处处理能力力、对传传感器输输人的信信号和主主站（或或传输接接口）传传输来的的信号进进行处理理，控制制执行机机构工作作。传感感器及执执行机构构距分站站的最大大传输距距离一般般不大于于2Km 。因因此，一一般采用用星形网网络结构构（1 个传传感器或

23、或1 个执执行机构构使用ll 根电电缆与分分站相连连）单向向模拟传传输。分分站至主主站之间间最大传传输距离离达100Km ，为为减少电电缆用量量、降低低系统电电缆投资资、便于于安装维维护、提提高系统统可靠性性，通常常采用22 芯（用用于单工工、或单单向）、3 芯或4 芯（用于双向）矿用信号电缆时分制或频分制多路复用（也有采用码分制），树形网络结构、或环形网络结构、或树形与星形混合网络结构，串行数字传输（基带传输或频带传输，异步传输或同步传输）。电源箱将将井下交交流电网网电源转转换为系系统所需需的本质质安全型型直流电电源，并并具有维维持电网网停电后后正常供供电不小小于2 小时时的蓄电电池。主站（

24、或或传输接接口）接接收分站站远距离离发送的的信号，并并送主机机处理；接收主主机信号号、并送送相应分分站。主主站（或或传输接接口）主主要完成成地面非非本质安安全型电电气设备备与井下下本质安安全型电电气设备备的隔离离，主站站还具有有控制分分站的发发送与接接收，多多路复用用信号的的调制与与解调，系系统自检检等功能能。主机一般般选用工工控微型型计算机机或普通通台式微微型计算算机、双双机或多多机备份份。主机机主要用用来接收收监测信信号、校校正、报报警判别别、数据据统计、磁磁盘存储储、显示示、声光光报警、人人机对话话、输出出控制、控控制打印印输出、与与管理网网络联接接等。投影仪、模模拟盘、大大屏幕、多多屏

25、幕、电电视墙等等用来扩扩大显示示面积，以以便于在在调度室室远距离离观察。管管理工作作站或远远程终端端一般设设置在矿矿长及总总工办公公室以以便随时时了解矿矿井安全全及生产产状况。数据服务务器是主主机与管管理工作作站及网网络其它它用户交交换监控控信息集集散地。路路由器用用于企业业网与局局域网及及电话线线人网等等协议转转换、安安全防范范等。单单方面多多参数矿矿井监控控系统的的技术特特征是：( ll ）传传感器及及执行机机构采用用星形网网络结构构与分站站相连、单单向模拟拟传输；( 22 ）分分站至主主站间采采用树形形、环形形或树形形与星形形混合网网络结构构，多路路复用时时分制、频频分制或或码分制制）、

26、单单工或双双工（个个别系统统采用单单向）、串串行数字字传输（基基带传输输或频带带传输、异异步传输输或同步步传输）; ( 3 ）采采用微型型计算机机（含单单片机）、大大规模集集成电路路、固态态继电器器及大功功率电力力电子器器件、投投影仪、大大屏幕、模模拟盘、多多屏幕、电电视墙等等，具有有彩色显显示、磁磁盘记录录、打印印报表、联联网等功功能。1.3传传感器简简述煤矿瓦斯斯监测主主要通过过检测仪仪器来实实现。一一个简单单的检测测仪器通通常有传传感器、信信号变换换电路及及电源等等部分构构成。借借助于敏敏感元件件，对被被测物理理量进行行检测和和信号变变换，输输出模拟拟量信号号或开关关量信号号的装置置，称

27、为为传感器器。传感感器主要要由敏感感元件、转转换器件件、测量量及变换换电路和和电源等等组成。一、敏感感元件敏感元件件用于将将被测物物理量转转换成适适于测量量的电量量信号，变变换方法法有直接接和间接接两种。如如热电偶偶可将温温度变化化转变为为电势输输出，即即直接变变换。有有些敏感感元件的的输出并并不是电电量，需需要通过过转化器器件将其其变为电电量，如如载体催催化元件件是将瓦瓦斯气体体浓度的的变化转转换为电电阻值的的变化，再再通过电电桥将其其变为电电压信号号输出，即即为间接接转换。煤矿气体体检测采采用的敏敏感元件件主要是是气敏原原件，根根据其结结构可分分为干式式和湿式式两大类类。干式式气敏原原件有

28、：接触燃燃烧式（热热线性、载载体热催催化型），用用于测量量低浓度度CH44。热传导导式（热热线性、热热敏电阻阻型），主主要用于于测量高高浓度CCH4。半导体体式，可可用来检检测低浓浓度CHH4。光学式式（光干干涉式和和红外吸吸收式），光光干涉式式主要检检测CHH4，测测量范围围为数百百ppmm1000%（Voll）。湿式式气敏元元件主要要是采用用电化学学原理，有有定电位位电解式式，包括括极谱仪仪式和伽伽伐尼电电极式。二、测量量及变换换电路测量及变变换电路路的作用用是对敏敏感元件件输出的的电信号号进行放放大、变变换和处处理，并并输出标标准信号号。通常常包括放放大、非非线性补补偿、信信号转换换(U

29、/I、A/DD)、显显示和标标准信号号输出等等电路。三、统一一信号制制传感器的的输出可可以是开开关量，也也可以是是模拟量量或累积积量。只只取两种种不同状状态的非非线性变变化的量量称为开开关量；在确定定的两个个极值范范围内取取值连续续变化的的量称为为模拟量量；随时时间具有有累加特特性的量量称为累累积量。为了使传传感器标标准化、系系列化、通通用化，煤煤炭部对对各种传传感器的的输出信信号及其其电平参参数作了了统一规规定。1.开关关量信号号（1）有有源输出出输出高电电平情况况下的拉拉出电流流：I。=2mmA时，输输出电压压U。+3VV输出低电电平情况况下的灌灌入电流流：Iii=2mmA时，输输出电压压

30、Ui+0.5V（2）无无源输出出输出接点点断开或或截止时时，两输输出端之之间的漏漏电阻不不应小于于1000千欧；输出接点点闭合或或导通，且且灌入电电流Iii=2mmA时，输输出电压压U。+0.5V。无论有源源输出或或无源输输出，短短路电流流和灌入入电流均均不得大大于200mA，为为此在供供给电流流一侧装装置中，应应采取限限流措施施。2.模拟拟量信号号(1)直直流模拟拟量信号号15mmA，优优先选用用；420mmA，限限用于地地面。（2）频频率模拟拟量信号号20010000Hzz，优先先选用3. 累累计量信信号累积量宜宜采用脉脉冲计数数的形式式，对一一种被测测量而言言，每个个脉冲代代表被测测量的

31、一一定值，应应当是一一个常数数。累计计量信号号正脉冲冲或者负负脉冲的的脉冲宽宽度均不不应小于于0.33，且其其脉冲转转换时间间不应大大于5ms。遵循上述述规定，有有助于推推广性能能优良的的传感器器，扩展展监控系系统的功功能。四、对瓦瓦斯传感感器的技技术要求求（1）检检测范围围及基本本误差(%CHH4)01.00 0.11.0002.000 0.222.0004.000 00.3（2）报报警范围围及基本本误差(%CHH4)05001.550 0.11（3）声声光报警警1处85ddB,能能见度20（4）响响应时间间30（5）稳稳定性7d1.4瓦瓦斯断电电装置一、瓦斯斯报警断断电仪、瓦瓦斯遥测测报警

32、断断电仪瓦斯断电电仪是指指具备对对检测区区域内的的瓦斯浓浓度进行行检测、显显示和报报警、对对被控设设备进行行断电、闭闭锁和复复电功能能的设备备。断点点仪一般般由主机机、传输输电缆和和低浓度度瓦斯传传感器等等部分组组成。有有固定式式和移动动式两类类，前者者用于井井下固定定地点，后后者用于于移动式式设备。瓦斯断电电仪的功功能主要要有：具具有瓦斯斯浓度、电电源、报报警、断断电、故故障等显显示功能能和开机机延时11minn功能；当被监监视区风风流中的的瓦斯浓浓度达到到报警点点时，发发生声光光报警信信号；当当瓦斯浓浓度降到到报警点点以下时时，解除除报警；当瓦斯斯浓度达达到断电电点、传传感器发发生电源源或

33、信号号线开路路、短路路等故障障及断点点仪失电电时，能能实现闭闭锁，即即切断被被控设备备的电源源并保持持断电状状态；当当瓦斯浓浓度降至至解锁点点、故障障排除后后及送点点1miin后能能自动解解.智能化已已成为断断点仪的的发展方方向，如如ADJJ-2型型断点仪仪的主机机以单片片机为核核心，报报警、断断电等功功能均由由软件系系统实现现，仪器器的主机机和传感感器均有有数字显显示和声声光报警警功能。对对传感器器调试校校正时，主主机自动动跟踪，不不必另外外校正。在在断电仪仪基础上上增加信信息传输输电路，就就构成了了瓦斯遥遥测仪。断断点仪输输出信息息以载波波方式传传输到地地面接收收机，接接收机可可显示并并记

34、录瓦瓦斯值。二、风电电瓦斯闭闭锁装置置风电瓦斯斯闭锁装装置由主主机、瓦瓦斯传感感器和风风筒开关关等组成成。瓦斯斯传感器器有3个，其其中2个是高高低浓度度组合式式瓦斯传传感器，分分别用掘掘进工作作面和回回风流处处，第33个低浓浓度瓦斯斯传感器器装于串串联通风风工作面面的入风风流处。装装置除了了在局部部通风机机正常供供风时具具有瓦斯斯断电仪仪的各项项功能外外，还增增加了当当局部通通风机停停止运转转且为恢恢复正常常通风之之前、停停风区中中瓦斯浓浓度超过过3%时闭闭锁局部部通风机机电源等等多项功功能。仪仪器的测测量范围围宽，为为0-440%CCH4。当当瓦斯超超过3%时，本本质安全全型的高高浓瓦斯斯传

35、感器器自动投投入工作作，从而而延长了了低浓瓦瓦斯传感感器的使使用寿命命，并提提高了安安全可靠靠性。1.5本本课题研研究的意意义近几年来来，国家家对煤矿矿安全生生产的管管理力度度在不断断加强，煤煤矿生产产单位都都在进行行数字化化矿井的的建设和和改造，当当然，这这些需要要依靠科科技进步步手段提提高煤矿矿整体安安全技术术装备。其其中在瓦瓦斯矿井井建立煤煤矿瓦斯斯安全监监控系统统，从而而改善了了煤矿的的安全隐隐患，减减少了矿矿难的发发生，确确保了煤煤矿工业业的安全全生产。总总之，煤煤矿的安安全系数数是与瓦瓦斯的监监控系统统的性能能是成正正比的。第二章瓦瓦斯传感感器原理理瓦斯是煤煤矿井下下以甲烷烷为主的

36、的混合气气体的总总称，简简称为甲甲烷。甲甲烷本身身无毒，但但空气中中甲烷浓浓度过高高时，相相对降低低了空气气的含氧氧量，对对人有窒窒息作用用。因此此，煤煤矿安全全规程中中对井下下工作面面或巷道道中甲烷烷含量有有明确规规定，经经常检测测矿井瓦瓦斯浓度度，防止止瓦斯爆爆炸，对对保证煤煤矿安全全生产具具有重要要意义。检测方法法有实验验室取样样分析法法和井下下直接测测量法两两种。使使用便携携式瓦斯斯检测报报警仪，可可随时检检测作业业场所的的瓦斯浓浓度，也也可以使使用瓦斯斯传感器器连续实实时地检检测瓦斯斯浓度。煤煤矿常用用的瓦斯斯检测仪仪器，按按检测原原理分类类有：光光学式、催催化燃烧烧式、热热导式、气

37、气敏半导导体式等等等，也也可以根根据场所所、测量量范围等等要求，选选择不同同检测原原理的瓦瓦斯检测测仪器。2.1催催化燃烧烧式催化燃烧烧式气体体检测原原理:利利用敏感感元件对对甲烷的的催化作作用，使使甲烷在在元件表表面发生生无焰燃燃烧，放放出热量量，使元元件温度度上升，检检测元件件可随自自身温度度变化量量测定气气体温度度。这类类气体传传感器使使用的敏敏感元件件，有铂铂丝催化化元件和和载体催催化元件件两种。铂铂丝催化化元件一一般用纯纯度很高高（999.999%）的的铂丝制制成的螺螺旋线圈圈，并对对铂丝进进行特殊殊处理，铂铂丝既是是催化剂剂又是加加热器。这这种催化化元件结结构简单单，稳定定性好，受

38、受硫化物物中毒影影响小。但但铂丝的的催化活活性低，必必须在9900度度以上高高温才能能使元件件工作，不不仅耗电电量大，而而且高温温会导致致元件表表面蒸发发，使铂铂丝变细细、电阻阻增加、仪仪器零位位漂移。此此外，铂铂丝催化化元件机机械强度度低，由由于震动动或自重重的影响响，其几几何形状状将发生生变化，也也要改变变传感器器参数，影影响监测测的准确确度。1.载体体催化元元件工作作原理（1）载载体催化化元件结结构载体催化化元件一一般由一一个带催催化剂的的敏感元元件（俗俗称黑元元件）和和一个不不带催化化剂的补补偿元件件（俗称称白元件件）构成成。两个个载体催催化元件件的结构构和尺寸寸相同。载载体催化化元件

39、最最里层是是铂丝线线圈，通通常用直直径在00.022到0.005mmm高纯铂铂丝绕制制，外面面是载体体和催化化剂形成成的催化化外壳。铂铂丝线圈圈用于通通电加热热催化外外壳，维维持瓦斯斯催化燃燃烧反应应所需温温度，同同时又兼兼做感温温元件，检检测在催催化反应应中催化化外壳温温度的变变化。近近年来，采采用集成成电路工工艺制作作的催化化元件。用用蒸发镀镀膜或厚厚膜印制制烧结方方法，把把铂加热热器附着着在23平方毫毫米的三三氧化二二铝基片片上，然然后在上上面涂催催化剂，从从而构成成敏感元元件。这这种元件件的突出出优点是是可以降降低元件件的功效效，产品品一致性性好，成成本也有有所降低低。（2）瓦瓦斯作用

40、用下催化化反应机机理瓦斯在载载体催化化元件上上的反应应是一种种气固相相催化反反应过程程，即为为多相催催化，又又称非均均相催化化。多相相催化反反应是在在固体催催化剂的的表面进进行，并并在催化化剂表面面上发生生反应，其其反应产产物也吸吸附在表表面上。为为了使载载体催化化反应能能连续不不断地在在表面上上发生，产产物必须须连续不不断地从从表面上上解析出出来。2. 载载体催化化元件技技术性能能要求及及影响因因素（1）灵灵敏度指某一浓浓度的甲甲烷在敏敏感元件件反应时时，电桥桥输出电电压值与与甲烷浓浓度之比比值。由由于外界界环境影影响、使使用条件件变化及及元件自自身催化化活性的的下降，都都会使敏敏感元件件灵

41、敏度度下降。灵灵敏度是是衡量催催化元件件稳定性性和使用用寿命的的重要指指标，在在现场使使用时，由由于灵敏敏度不断断下降，要要频繁用用标准气气样校准准，给使使用带来来不便。根据国内内外学者者多年理理论研究究和实验验使用元元件的经经验，影影响元件件灵敏度度的主要要因素有有以下几几个方面面。1）催催化剂衰衰老 22）催化化层形态态构造变变化 33）载体体表面积积减少 4）催催化剂中中毒 55）某些些元件在在较低温温度下工工作，由由于井下下的高温温度环境境及催化化反应生生成的水水蒸气，会会使元件件表面出出现冷凝凝，破坏坏元件表表面气传传质过程程。瓦斯斯在元件件上的内内扩散受受阻，导导致瓦斯斯浓度变变化

42、时元元件不响响应。（2）基基本误差差指电桥输输出信号号值与真真实值的的偏差程程度，一一般用最最大相对对误差表表示。表2.11载体催催化元件件基本误误差测量范围围%CHH401122244允许误差差绝对误差差%CHH40.006相对误差差%67（3）稳稳定性只要工作作条件保保持不变变，在规规定的一一段时间间内元件件输出信信号保持持不变的的能力。由由于元件件输出灵灵敏度的的变化可可以表征征其稳定定性，因因此标准准中规定定了零点点漂移和和灵敏度度漂移指指标。固固定使用用的瓦斯斯传感器器中的催催化元件件称为连连续式元元件，连连续功罪罪时间为为7天；携携带仪表表中使用用的元件件为间断断式元件件，工作作时

43、间为为7*88h。稳定性性是催化化元件的的重要技技术指标标，稳定定性好的的元件测测量准确确，并可可延长仪仪器调教教周期。影影响元件件稳定性性的因素素很多，除除了讨论论灵敏度度中涉及及的有关关问题外外，元件件“激活”也会影影响其稳稳定性。（4）响响应时间间指瓦斯浓浓度发生生阶跃变变化时，电电桥输出出信号值值90%的时间间。井下下瓦斯检检测要求求实时性性强、响响应时间间短。标标准中规规定了响响应时间间，连续续式为220s，间间断式为为6s。影影响催化化元件响响应时间间的因素素主要有有两个方方面，一一是在瓦瓦斯通过过扩散孔孔（烧结结金属孔孔）充满满气室并并到达元元件表面面的整个个扩散过过程所占占用的

44、时时间；二二是瓦斯斯在敏感感元件上上的催化化反应产产生热量量，使温温度上升升，并和和周围进进行热交交换，敏敏感元件件最终达达到平衡衡所需要要的时间间。响应应时间的的长短与与元件尺尺寸、制制作工艺艺及气室室设计、通通气方式式有关。3使用用载体催催化元件件应注意意的问题题在讨论载载体催化化元件性性能的时时，已认认识到元元件存在在的缺点点和使用用的局限限性。要要解决这这些问题题，一方方面要有有针对性性地采取取相应的的改进措措施；另另一方面面要掌握握元件特特性，做做到正确确合理使使用。（1）元元件激活活及校准准上面已经经介绍，经经常在高高浓度瓦瓦斯中工工作会造造成元件件激活，是是元件灵灵敏度、稳稳定性

45、变变坏。出出现激活活现象后后，要及及时用新新鲜空气气校准零零点，用用甲烷标标准气样样校准精精度。在在高浓度度瓦斯涌涌出区域域使用的的传感器器，最好好采用高高、低浓浓度瓦斯斯传感器器，它在在高浓度度瓦斯条条件下具具有自动动保护低低浓度测测量催化化元件的的功能。（2）缺缺氧影响响由于缺氧氧，元件件接触到到高浓度度瓦斯是是会出现现“双值”现象。当当空气中中甲烷浓浓度查过过10%时，催催化反应应热将随随瓦斯浓浓度继续续增加而而下降；当甲烷烷浓度继继续增加加而下降降；当甲甲烷浓度度高达880%-90%时，元元件反应应的输出出信号值值相当于于2%-1%时时信号值值。因此此，在使使用中要要特别注注意避免免因

46、双值值性而做做出错误误判断。有有的瓦斯斯检测仪仪还能同同时测氧氧；有的的仪器把把检测元元件和补补偿元件件设计成成非同步步升温，出出现“双值”现象时时有所指指示。这这些都能能较好解解决双值值性问题题。（3）仪仪器校准准校准是要要选择合合适的流流量。因因为进入入检测气气室的气气体流量量与催化化元件灵灵敏度有有直接关关系。注注入气室室的流量量的大小小要根据据气室结结构容积积而定。制制造厂一一般都给给出了校校准仪器器应通入入气室的的流量值值。需要要指出的的是，对对于扩散散式仪器器而言，这这一流量量应与仪仪器在井井下安放放地点的的风速相相吻合，否否则将会会带来较较大的测测量误差差。2.2光光学式光学式亦

47、亦称为光光干涉式式。利用用光干涉涉检测原原理，可可以检测测多种气气体浓度度，在煤煤矿中主主要是测测定甲烷烷。光干干涉式瓦瓦斯检定定器，已已经在煤煤矿中使使用了半半个多世世纪，在在日本、前前苏联、德德国及中中国都得得到了普普遍使用用。光干涉式式瓦斯传传感器主主要用于于监测煤煤矿井下下环境气气体中的的甲烷浓浓可以连连续自动动地将井井下甲烷烷浓度转转换成标标准电信信号输送送给关联联设备,并具有有就地显显示甲烷烷浓度值值,超限限声光报报警等功功能.还还可与各各类型监监测系统统及断电电仪、风风电瓦斯斯闭锁装装置配套套,适宜宜在煤矿矿的采掘掘工作面面、回风风巷道等等地点固固定使用用。应用光干干涉原理理来测量量甲烷浓浓度,克克服了载载体催化化元件式式甲烷传传感器使使用寿命命短、易易中毒、稳稳定性差差等缺点点,采用用嵌入式式控制系系统对信信号进行行多重技技术处理理和分析析,使用用寿命超超过三年年。具有有性能稳稳定、寿寿命长、测测量精确确、相应应速度快快、结构构坚固、易易使用维维护等特特点，但但它也存存在一些些缺点，如如受缺氧氧影响，选选择性较较差；受受温度与与气压影影响而产产生误差差等，在在使用中中要根据据其特点点给予修修正。主要技术术指标:测量范围围