气敏传感器的原理及在预防煤矿瓦斯爆炸中的作用.pdf

收稿日期 2006 - 04 - 03 作者简介冯柏群1965 - ,女,河南罗山人,讲师,在职研究生,河南理工大学毕业,现为平顶山工业职业技术学 院自动化系教师,从事传感器教学、实验指导及研究工作。 气敏传感器的原理及在预防煤矿 瓦斯爆炸中的作用 冯柏群 1 ,刘东红 2 ,黄颖辉 1 1 1平顶山工业职业技术学院,河南 平顶山 467001; 21平顶山质量工程技术学院,河南 平顶山 467000 摘 要文章从瓦斯爆炸的危害、瓦斯爆炸的原理引入,分析了气敏传感器在预防煤矿瓦斯 爆炸中的重要作用,设计了应用气敏传感器预防煤矿瓦斯爆炸的应用电路,并分析了该电路的工 作原理,确定了组成电路各元器件的选用方法、功能特点及其性能指标。 关键词瓦斯爆炸;气敏传感器;半导体;敏感元件 中图分类号TP212 文献标识码 B 文章编号 1671 - 0959 2006 1020099202 0 引 言 近年来在煤矿生产过程中由于瓦斯浓度超限而引起的 重大事故时有发生,而每次事故都会有人员伤亡,给国民 经济带来巨大损失,给伤亡人员的家庭带来沉重的灾难, 所以,瓦斯的防治迫在眉睫。 有资料显示,我国目前煤矿事故中80以上为瓦斯爆 炸事故,而专家介绍,煤矿瓦斯爆炸必须具备三个条件 火源、瓦斯含量在5～16之间、氧气。矿井瓦斯爆炸是 一种链锁反应,当爆炸混合物吸收一定能量后,反应分子 的链即行断裂,离解成两个或两个以上的游离基。这类游 离基有很大的化学活性,成为反应连续进行的活化中心。 在适合的条件下,每一个游离基又可以进一步分解,再产 生两个或两个以上的游离基。这样循环不己,游离基越来 越多,化学反应速度也越来越快,最后就可以发展为燃烧 或爆炸式的氧化反应。瓦斯爆炸产生的高温高压,促使爆 炸附近的气体以极大的速度向外冲击,造成人员伤亡,破 坏巷道和器材设施,扬起大量煤尘并使之参与爆炸,产生 更大的破坏力,另外,爆炸后生成大量有害气体,也会造 成人员中毒死亡。 1 气敏传感器的可靠性及保护原理 把半导体气敏传感器合理地应用到矿井生产中去,就 能很好地预防瓦斯爆炸这类可怕的灾难。半导体气敏传感 器对于低浓度气体具有很高的灵敏度,具有嗅觉功能,能 自动检测瓦斯浓度。一旦瓦斯超限,气敏传感器即可自动 报警,然后采取先抽后采的原则,即可防止瓦斯爆炸事故 的发生。 半导体气敏传感器是利用待测气体在半导体表面的氧 化和还原反应导致敏感元件阻值变化来检测气体的种类和 浓度的。当半导体器件被加热到稳定状态,在气体接触半 导体表面而被吸附时,被吸附的分子首先在表面自由扩散, 失去运动能量,一部分分子被蒸发掉,另一部分残留分子 产生热分解而固定在吸附处时,如果半导体的功函数大于 吸附分子的离解能,吸附分子将向器件释放电子,而形成 正离子吸附。如H2、CO、碳氢化合物等,被称为还原型气 体。当还原型气体吸附到N型半导体上时,载流子增多, 使半导体电阻值下降。利用这种半导体气敏传感器和相应 的电路即可构成矿井瓦斯超限报警电路,见图1。 图1 矿井瓦斯超限报警电路 2 电路组成及原理分析 本电路有几个模块组成, QM - N5为旁热式气敏传感 器, QM - N5、R1和RP组成瓦斯气体检测电路;晶闸管VS 为无触点电子开关; LC179、R2和扬声器组成警笛报警电路。 当环境无瓦斯或瓦斯浓度低时, QM - N5的A - B极间 电阻RAB很大,则晶闸管VS因触发电极电位很低而不能导 通,当瓦斯浓度升高时,则RAB减小,瓦斯浓度升高到超过 安全标准时, A - B极间导电率迅速增大,RAB电阻迅速减 小,当RP滑动触点电压大于017V时,晶闸管VS被触发导 99 2006年第10期 煤 炭 工 程 新 产 品 收稿日期 2005 - 07 - 25 作者简介曹书卿1973 - ,男,毕业于原山东矿业学院现更名为山东科技大学 , 现就职于中煤邯郸设计工程有限 责任公司矿井工程所。 外螺旋煤仓螺旋溜槽的设计与安装 曹书卿 中煤邯郸设计工程有限责任公司,河北 邯郸 056031 摘 要外螺旋煤仓具有提高块煤率、防堵仓等作用,使用外螺旋溜槽可带来可观的经济效 益。论文对外螺旋煤仓螺旋溜槽的结构设计及其固定方式作了介绍,并对外螺旋煤仓溜槽选材提 出了要求,以供同行在设计时参考。 关键词外螺旋煤仓;螺旋溜槽;内螺旋煤仓;块煤率 中图分类号TD54 2 文献标识码 B 文章编号 1671 - 0959 2006 1020100202 1 概 述 外螺旋煤仓是让煤流在煤仓壁上沿一定的圆柱螺旋线 以螺旋溜槽限定而成按要求的速率流动的煤仓。其作用 就是使煤流以尽可能小的速率进入煤仓,使煤块尽可能少 地相互碰撞,从而减少块煤的破损率和煤仓的压实程度。 相对传统的煤仓可提高块煤率和防堵仓作用,尤其是防块 煤破碎作用。 “ 外螺旋 ”是相对 “ 内螺旋 ”而言的内螺旋 煤仓是在煤仓中心坚一立柱,螺旋溜槽固定在这根柱子 上。 “ 内螺旋煤仓 ”技术远早于 “ 外螺旋煤仓 ”技术,但 因不能有效解决煤泥粘槽和满仓后强大的静压压跨中心立 柱的等问题而失败。为此煤炭工业邯郸设计研究院的技术 人员,对其进行了充分的研究和改进,使外螺旋煤仓这项 技术更适合我国煤矿实际情况,并得以推广应用。 2 外螺旋煤仓螺旋溜槽的设计 外螺旋灶仓技术的关键是螺旋溜槽的设计。外螺旋煤 仓的圆柱螺旋线煤流轨迹是由螺旋溜槽限定而成的。基本 圆柱螺旋线图 1 运动方程为 通, LC179的3脚接通负电源, 4脚输出信号驱动扬声器, 发出警车电笛声,从而达到预防瓦斯超限报警的目的。 3 元器件选择 气敏传感器选择QM - N5型旁热式, A、B为测量极, 加热丝放置在一个陶瓷管内,管外涂梳状金电极作测量极, 金电极外涂SnO2等材料,其加热极和测量极彼此分离,加 热丝不与气敏材料接触,避免了测量回路和加热回路的相 互影响,性能稳定、可靠性好。 加热电压为AC或DC 5 012,响应时间 ≤10s,恢复时间 ≤30s。 LC179为三模拟声报警专用集成电路,它采用双列8 脚直插塑料硬封装,电路可靠性好;内部集成了功率放大 器,可直接驱动扬声器发声;可产生三种不同的模拟报警 声响,是制作各种报警器的良好声源。LC179的第1、2脚 为外接振荡电阻器端,增减所接电阻器的阻值可改变发声 音调;第3脚为负电源端;第4脚为音频输出端;第5脚 为正电源端;第6、7脚为空脚端;第8脚为选声端,当它 “ 悬空 ”时,可产生模拟警车电笛声,当它接电源正端时, 可产生模拟消防车电笛声,当它接电源负端时,可产生模 拟救护车电笛声。LC179的主要参数工作电压范围为3～ 415V,工作电流 150μA,最大输出电流可达150mA,工 作温度范围为- 10～60℃。该集成电路亦可用同类产品 LCW06 - 2来直接代换。 扬声器可选用YD58 - 1型8 Ω、 0125W电动式扬声器; C选用47μF电解电容器;电源可选用三节5号干电池串联 而成。 4 应 用 目前这类传感器在大型煤矿生产的检测过程中已有应 用,在井下工作面安装该传感器后,若环境瓦斯浓度超过 115 ,将会发出报警信号,若瓦斯浓度超过2 ,将会自 动切断生产工作面的电源,停止生产后加紧通风,即可迅 速降低瓦斯浓度,从而达到防治瓦斯超限的问题。 参考文献 [1] 郁有文,常键,程继红.传感器原理及工程应用[M ].西 安西安电子科技出版社2003、10. [2] 何希才.传感器原理及应用[M ].北京电子工业出版社, 2001. [3] 吴道悌.非电量检测技术[M ].西安西安交通大学出版 社, 2001.责任编辑 郑燕凌 001 新 产 品 煤 炭 工 程 2006年第10期