【正文】 煤礦礦井，并相應(yīng)地引進(jìn)了部分監(jiān)控系統(tǒng)、 傳感器和敏感元件制造技，由此推動了我國礦井安全監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展。近幾年，隨著計算機(jī)的發(fā)明和應(yīng)用，特別是網(wǎng)絡(luò)和信息化建設(shè)的不斷發(fā)展，給瓦斯治理提供了機(jī)遇條件，煤礦瓦斯監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。 傳統(tǒng)的煤礦瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)大體可以分為兩大部分：井下部分和井上部分。在井上，井下傳上來的數(shù)據(jù)通過專線與煤礦安全管理辦公室服務(wù)器和更高一級安全主管部門服務(wù)器連接。上面有井下每一個傳感器的標(biāo)簽，所顯示的數(shù)據(jù)通過上傳數(shù)據(jù)的改變而不斷刷新。并且監(jiān)控軟件具有超標(biāo)自動報警功能，用來提示工作人員對設(shè)備的故障或現(xiàn)場瓦斯?jié)舛惹闆r，以及時采取措施，避免重大事件的發(fā)生。以山西省為例， 近幾年，特別 是 2021 年以來，山西省煤炭系統(tǒng)在黨和各級政府及安全部門的重視下，全省煤礦信息化工作有了新發(fā)展，取得了新成績。山西省煤炭系統(tǒng) 2021 年底累計安裝使用瓦斯監(jiān)控系統(tǒng) 3868 套。地方煤礦現(xiàn)有 2806座礦井全部安裝了瓦斯監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，已連 網(wǎng)運(yùn)行 2671座。 由此可知，為了最大限度的降低煤礦瓦斯事故的發(fā)生，除了對工作人員嚴(yán)格要求外，加緊建設(shè)煤礦瓦斯監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)必不可少，它對預(yù)防瓦斯事故的發(fā)生 具有舉足輕重的作用。該 傳感器 可以有效的監(jiān)測井下低濃及高濃瓦斯，試用范圍非常廣泛 。 該系統(tǒng)可有效的降低瓦斯事故發(fā)生率， ，結(jié)構(gòu)靈活，擴(kuò)展性強(qiáng)，具有較高的性價比，AT87C552 的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了電子硬件設(shè)計的“軟件化”，大大的提高了系統(tǒng)的可靠性和抗干擾 能力，非常實(shí)用于各種大小煤礦井下瓦斯的監(jiān)測監(jiān)控，性能優(yōu)良，經(jīng)久耐用，可靠性高。 圖 7 變流檢測電路 Fig7 methane detecting circuit on variable current 安徽理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計 4 A部分為電橋不平衡信號取樣電路，用此信號去調(diào)節(jié) C 部分電壓比較器輸出的脈沖電壓寬度； B 部分為鋸齒波發(fā)生電路，由 555 構(gòu)成的時基電路工作在自激狀態(tài)，振蕩頻率為 1kHz，即周期為 T=1ms，輸出的鋸齒波電壓送到電壓比較器的正端； C部分電壓比較器的負(fù)端接受來自 A部分的輸出電壓 Uo2，當(dāng)鋸齒波電壓超過 控制電壓 Uo2 時，比較器輸出電壓為高電平，鋸齒波回掃時，當(dāng)其電壓值低于 Uo2 時，比較器輸出為低電平，這樣將形成一個矩形脈沖電壓。為保證有足夠的電流通過載體催化元件，設(shè)置了由三極管組成的脈沖電流放大環(huán)節(jié)。 恒溫控制信號取樣電路 圖 8為恒溫控制信號取樣電路：這里沒有采用傳統(tǒng)的惠斯通電橋來獲取瓦斯 圖 8 恒溫控制信號取樣電路 Fig8 constant temperature controlling signal sampling circuit 與催化元件反應(yīng)時產(chǎn)生的不平衡電壓，而是用運(yùn)放集成塊組成運(yùn)算電路，對電壓信號進(jìn)行處理，這樣做的好處是抑制共模信號的能力增強(qiáng)了，同時由于黑元件上催化燃燒產(chǎn)生的電壓只有毫伏級，不能直接與鋸齒波信號進(jìn)行比較，在 Uo1 的后面加入了同相比例運(yùn)算電路，對前面輸出的電壓進(jìn)行放大，以 使其能與鋸齒波電壓進(jìn)行比較從而輸出所需的脈沖電壓。 在圖 8 中有 21213 )1( URRU f?? 則 21211421142314211425)1()1()1(URRRRURRURRURRUfffff??????? 2121731211421731142173217321211421731142173417351731])1()1[()1)(1()1()1()1)(1()1(nUmUURRRRRRRRURRRRURRURRRRRRURRRRURRURRUffffffffffffffo??????????????????? 適當(dāng)選取電阻值，使 m=1， n=2，這樣便可獲得瓦斯在黑元件上燃燒產(chǎn)生的電壓。在檢測瓦斯時需要將催化元件加熱到 500℃左右，給黑白元件提供 3V 的恒定電壓，發(fā)生催化燃燒時，假設(shè)溫度上升10℃，這時候黑元件阻值變?yōu)?10Ω左右，電流大概是 150mA，則黑元件上產(chǎn)生的電壓大概為 。 鋸齒波發(fā)生電路 555 定時器是一種應(yīng)用極為廣泛的中規(guī)模集成電路。圖 9為 NE555 和 R2， R3， C1 組成的無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器： 安徽理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計 6 圖 9 鋸齒波發(fā)生電路 Fig9 toothed wave generating circuit 振蕩器的輸出頻率為： 1321 CRRRf ??? 由此可算得輸出頻率為 1kHz， C2 起正反饋?zhàn)饔茫丛?Q1射級跟隨器輸出鋸齒波的同時，正反饋至 R2的上端，故在 C1 充電期間， R2 上的壓降保持不變，即 C1 的充電速率不變，因而極大地保證了鋸齒波的線性。圖中在 555的電壓控 制端 5腳外接了一個可調(diào)的控制電壓，用以改變 555 內(nèi)部比較器的基準(zhǔn)電壓值，即比較電平，由此可改變鋸齒波的振幅，這里通過調(diào)節(jié) Rp1 使輸出鋸齒波的最大值為 4V。因此可用電壓比較器來產(chǎn)生脈沖方波電壓信號。比較器采用單電源供電，引腳 8 接邏輯電平，其取值決定于負(fù)載所需高電平，這里接 +5V，此時比較器輸出高電平為 。圖 10 中 C C5 均為去耦電容，用于濾去比較器輸出產(chǎn)生變化時電源電壓的波動， R8是輸出高電平時的上拉電阻。電路如圖 11 所示： 圖 11 脈沖穩(wěn)壓電路 Fig11 range of pulse stabilitating circuit TL431 是 一個有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源 , 它的輸出電壓用兩個電阻就可以任意地設(shè)置到從 Vref（ ）到 36V 的任何值，工作電流范圍 為 1mA～ 100mA，K、 A腳兩端輸出電壓 為： 10102 )( R RRV po ?? 改變 Rp2 的阻值，就可以改變輸出基準(zhǔn)電壓大小 ，這里通過調(diào)節(jié) Rp2 使輸出的脈沖電壓的幅值穩(wěn)定在 3V。此時若水銀開關(guān)斷開，電源經(jīng) R2 向 C1 充電，當(dāng) C1 兩端的電壓充到高于 2/3Vcc 時，電路翻轉(zhuǎn)，輸出端變?yōu)榈碗娖捷敵?，報警電路失電停止工作。這時若報警器受到振動，就會使水銀開關(guān)中的水銀一起振動，當(dāng)開關(guān)接通時， 555電路的 2腳便輸入一個低電平信號，這個低電平信號使得單穩(wěn)電路輸出狀態(tài)改變，輸出端變?yōu)楦唠娖?，報警電路工作，另一方面通過 7 腳將充于電容 C1 上的電荷放完，這時就算水銀開關(guān)再次斷開，由于 C1 兩電壓低于 2/3Vcc，電路也將保持輸出高電平，使報警電路工作，若一直有振通信號使水銀開關(guān)接通，系統(tǒng)將一直報警，若報警后報警器不再振動，則當(dāng) C1 上的電充到大于 2/3Vcc 時，報警將自動停止，因此每次報警的自動關(guān)斷時間為 R2 和 C1 的充電常數(shù)值。圖中 S為話筒，它將腳步聲或其他聲響轉(zhuǎn)換為電信號，且放大后加至 555 時基電路的觸發(fā)端 ② 腳。 555 3 腳輸出低電平。報警時間長短取決于電容器 C2的充電時間常數(shù) td= 的大小。在 C2 充電期間，即報警定時結(jié)束之前，應(yīng)使 555③ 腳通過 R5 和 D1 將輸出高電平反饋到觸發(fā)端 ② 腳，以免后繼脈沖或其他干擾影響定時精度。 常見故障現(xiàn)象與查找方法 ： 1)發(fā)光二極管不亮： ① ，用萬用表測 12V 供電電源是否正常； ② ，用數(shù)字萬用安徽理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計 9 表檢測電阻 R發(fā)光二極管 VDl、三極管 VT2 是否損壞； ③ ．測 lCl所構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)電路，若 ICl的 ③ 腳始終輸出低電平， VT2 將一直處于截止?fàn)顟B(tài)，發(fā)光二極管不亮，可采用代換法判斷 555 集成電路的好壞。在外圍元件檢查無誤后，可采用代換法判斷 lCl是否損壞； ⑧ ．用上述方法，查找 IC IC3 及其外圍元器件。 4)揚(yáng)聲器不響： ① ．查供電電源電壓及檢測三極管 VT揚(yáng)聲器是否損壞； ② ．測量 IC4第 5腳的控制信號電壓，不正常查 IC3 第 3 腳信號及 R4，也可通過示波器測量輸出波形判斷故障部位。 實(shí)現(xiàn)方法是通過一個硬件電路構(gòu)成的閉環(huán)反饋系統(tǒng)，強(qiáng)迫檢測元件與參比元件保持在平衡狀態(tài)，使測量元件工作在恒溫狀態(tài)下。測量元件的溫度是以微小的鋸齒波形狀的軌跡在恒溫區(qū)波動 [26]，如圖 6所示： 圖 6 傳統(tǒng)的檢測橋路與恒溫橋路的濃度溫度特性曲線 Fig6 contrasting curve between two methods 安徽理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計 10 這個波動的溫差很小，只有零點(diǎn)幾度的差別，基本上可以認(rèn)為參比元件和測量元件的溫度是相等的。 本研究所研制的脈沖供電檢測橋路與傳統(tǒng)的測量機(jī)理截然不同，檢測元件工作于間歇脈沖供電狀態(tài)，不隨 CH4 溫度變化，反饋環(huán)路中的脈沖頻率與 CH4 濃度呈正比關(guān)系。測量橋路是恒溫的，無論檢測多高濃度的瓦斯，檢測元件的溫度都不變，所以它能夠抗高濃沖擊，能夠擁有更長的壽命和極好的穩(wěn)定性。它的基本原理是：在瓦斯?jié)舛壬邥r，通過閉環(huán)反饋電路，使工作電流相應(yīng)減少，以保持催化元件的溫度不變，利用電流的減少量和瓦斯含量間的對應(yīng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)瓦斯含量的檢測。 方程式左邊是單位時間內(nèi)工作電流所產(chǎn)生的熱量和瓦斯氣體在載體催化傳感元件表面發(fā)生氧化反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量之和，后者與瓦斯體積分?jǐn)?shù)成正比；方程式右邊是催化傳感元件在單位時間內(nèi)熱傳導(dǎo)和熱輻射損失的熱量之和， 其中傳導(dǎo)熱是催化傳感元件通過導(dǎo)線和空氣傳遞的熱量之和，由于催化傳感元件工作在一個半封閉的氣罩內(nèi)，其同空氣的對流散熱很小，可忽略不計。 在變流瓦斯檢測中，工作電流隨著瓦斯?jié)舛仍黾佣鴾p小，元件處于恒溫狀態(tài)，載體催化元件工作溫度和阻值保持不變。因此，在設(shè)計檢測電路時，為使電流大小能反映瓦斯體積分?jǐn)?shù)，不能采用一般的可控直流電源，而需采用寬度可調(diào)的脈沖電流源， 即脈沖電流的幅值恒定，但其寬度可由反饋信號調(diào)節(jié)。 由式（ 33）知，瓦斯體積分?jǐn)?shù)為 2204 IrIrCH ??? ?? 與電流平方成線性關(guān)系，脈沖電流有效值為 210211 mT m ITTdtITI ?? ? 式中 T 為脈沖電流周期， mI 為脈沖電流幅值。又脈沖電流平均值 PI 為mP ITTI 1?，與占空比成線性關(guān)系，故脈沖電流的平均值可以線性地反映瓦斯體積分?jǐn)?shù)，即瓦斯?jié)舛?。它可以連續(xù)自動地將井下沼氣濃度轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號輸送給關(guān)聯(lián)設(shè)備，并具有就地顯示瓦斯?jié)舛戎?，超限聲光報警等功能。具有性能穩(wěn)定、測量精確、響應(yīng)速度快 、結(jié)構(gòu)堅固、易使用易維護(hù)等特點(diǎn)，增加了遙控調(diào)校、斷電控制、故障自校自檢等新功能，大大節(jié)約了使用與維護(hù)費(fèi)用。 主要技術(shù)指標(biāo)： 測量范圍： 0～ %CH4(0～ %CH4) 測量精度： ～ %CH4 ≤177。%CH4 ～ %CH4 ≤177。% 真值 (相對誤差 ) 元件檢測反應(yīng)速度： ≤20s 調(diào)校周期： ≤1 個月 使用壽命： ≥ 年 信號帶負(fù)載能力： 0～ 400Ω 報警方式：二級間歇式聲光報警， ≥85dB( 聲強(qiáng) )，能見度＞ 20m(光強(qiáng) ) 報警點(diǎn)范圍： ～ ％連續(xù)可調(diào) 采樣方式：限制擴(kuò)散式 整機(jī)工作電壓： 9～ 24V DC 安徽理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計 13 傳輸距離： 3km(供電 18V DC 使用 截面銅芯電纜 ) 輸出信號： 200～ 1000Hz、 1～ 5mA DC 防爆型式： ExibdⅠ 礦用本安兼隔爆型 高濃度 瓦斯傳感器 (國產(chǎn) ) 型號 :ZR14GJW4/100 基本參數(shù) 工作環(huán)境條件 : 溫度 : 0℃ ～ 40℃ 相對濕度 : ≤98% 大氣壓力 : 86kPa～ 116kPa 風(fēng)速 : 0m/s～ 8m/s 測量范圍 : 高濃： 0%CH4～ 100%CH4 溫度： 0℃ ～ 40℃ 測量范圍（ %CH4） 高濃： 基本誤差（ %CH4） ≤177。10% 溫度：基本誤差： 177。 輸出信號 : 兩路 200Hz～ 1000Hz 頻率輸出。 溫度： 200Hz～ 1000Hz 對應(yīng) 0℃ ～ 40℃ 。 關(guān)聯(lián)設(shè)備 :本公司生產(chǎn)的 DJ4G2021 固定式甲烷斷電儀 防爆型式：礦用隔爆兼本質(zhì)安全型 防爆標(biāo)志： Exd[ib]I，傳感器到斷電儀的距離不大于 2021 米。 配接設(shè)備：本公司生產(chǎn)的 KJF33 通用監(jiān)控分站 防爆型式：礦用本質(zhì)安全型，防爆標(biāo)志： ExibI 防爆合格證號： 1034356 ，安全標(biāo)志證號： 20213034 傳感器到分站的距離不大于 2021 米。 安徽理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計 15