煤矿瓦斯监测系统软件设计（上）(3)

3硬件设计

设计系统用到的硬件有：传感器、信号放大器、数据采集卡、计算机。系统硬件的设计包括传感器的选择、信号放大器的选择以及数据采集板卡的选择。

3.1传感器

3.1.1煤矿瓦斯简介

熟悉煤矿瓦斯的性质，了解煤矿瓦斯监测系统对瓦斯传感器的基本要求以及传感器的工作环境，选择合适传感器。

煤矿瓦斯是在成煤的同时，由于物理和化学作用而形成的，瓦斯是无色、无味、无臭的气体。瓦斯对空气的相对密度是0.554，在标准状态下瓦斯的密度是0.716kg，渗透力是空气的1.6倍，且难溶于水，达到一定浓度时，能使人因缺氧而窒息，并能发生燃烧或爆炸。

瓦斯从煤层涌出的形式有：

① 缓慢、均匀、持久地从煤层涌出。

② 在压力状态下的瓦斯，大量且迅速的从裂缝喷出。 ③ 短时间内煤、岩和瓦斯一起突然喷出。

瓦斯爆炸是一种连锁反应，是一定浓度的甲烷和氧气在一定的温度下发生的激烈氧化反应。

瓦斯爆炸的条件：一定浓度的瓦斯、引火的温度、氧气浓度。 ① 瓦斯浓度

瓦斯爆炸有爆炸界限，其爆炸界限为5%-16%，当瓦斯浓度低于5%时，遇火不爆炸，但在火焰外围形成燃烧层；当瓦斯浓度达到9.5%时，其爆炸威力是最大；当瓦斯浓度在16%以上时，失去爆炸性，但在空气中遇火仍会燃烧。瓦斯爆炸界限与温度、压力、煤尘以及其它气体等因素有关[3]。

② 引火温度

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所谓引火温度即点燃瓦斯的最低温度，瓦斯的引火温度在650℃～750℃，但是与瓦斯的浓度、火源的性质及混合气体的压力有关。当瓦斯含量在7%-8%时，是最易引燃；当混合气体的压力增高时，引燃温度随之降低；在引火温度相同的情况下，火源的面积越大，点火时间越长，越易引燃瓦斯[4]。

③ 氧气浓度

多年来的实践与多方面的实验证明，当空气中氧气浓度降低时，瓦斯爆炸界限随之缩小，当氧气浓度减少到12%以下时，瓦斯混合气体即失去爆炸性。瓦斯爆炸产生的高温高压，促使爆炸源附近的气体向外冲击，造成人员伤亡，破坏巷道和器材设施，扬起大量煤尘与之一起爆炸，产生更大的破坏力，并伴随爆炸产生的有害气体，造成与人中毒。

实践证明，预防瓦斯爆炸的有效措施主要有防止瓦斯聚积和消除火源两种办法。 ① 加强通风。使瓦斯浓度降低到《煤矿安全规程》规定的浓度以下，即采掘工作面的进风风流中不超过0.5％，回风风流不超过1％，矿井总回风风流中不超过0.75％。

② 加强检查工作。及时检查各用风地点的通风状况和瓦斯浓度，查明隐患进行处理，是日常进行瓦斯管理的重要内容。

③ 对瓦斯含量大的煤层，进行瓦斯抽放，降低煤层及采空区的瓦斯涌出量[5]。

3.1.2传感器的选用

瓦斯传感器是煤矿瓦斯监测系统的重要设备，一般安放在有工作面、掘进巷、回风巷等有瓦斯危险的环境中，用于连续采集环境中的瓦斯浓度。因此，选用一个稳定性好、精度高、响应速度快的传感器是很有必要的。

根据煤矿瓦斯监测系统的基本要求以及对瓦斯爆炸极限浓度的了解，对选用的瓦斯传感器提出以下要求：

① 检测范围：0-4%瓦斯浓度，分辨率不能低于0.01%CH4。

② 报警功能：声光报警，1m远处的声响信号压级不能小于80db；20m远处可清晰可见；可以在测量范围内任意设置报警点，报警显示值与设定值差值不超过0.05%。

③ 响应速度：不能大于20s。

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④ 传输距离：传感器使用电缆的单芯截面为1.5mm2时，传感器与控制主机的传输距离不能大于2km。

根据以上要求选择深圳鑫赛创电子科技有限公司生产的MJC4/3.0J催化燃烧式气体传感器，其外形如图3-1所示。

特点：

① 桥路输出电压呈线性 ② 响应速度快

③ 具有良好的重复性、选择性 ④ 元件工作稳定可靠

⑤ 优异的抗H2S、有机硅中毒能力

图3-1 MJC4/3.0J催化燃烧式气体传感器

表3-1 MJC4/3..0J催化燃烧式气体传感器主要参数

产品型号 工作电压（V） 工作电流（mA） 灵敏度（mV） 1%甲烷 1%丁烷 MJC4/2.8J型催化元件（MC113型催化元件） 2.8±0.1 90±10 20-40 30-50 9

1%氢气 线性度（%） 测量范围（%LEL） 响应时间（90%） 回复时间（90%） 使用环境 储存环境 外形尺寸（mm）

25-45 ≤5 0-100 小于10s 小于30s -40—+70低于95%RH -20—+70低于95%RH 9.5×14×19

图3-2 MCJ4/3.0J催化燃烧式气体传感器外形结构

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瓦斯传感器 MCJ4/3.0J根据催化燃烧效应的原理工作，由检测元件和补偿元件配对组成电桥的两个臂，遇可燃性气体时检测元件电阻升高，桥路输出电压变化，该电压变量随气体浓度增大而成正比例增大。电桥测量电路见图3-2所示：

RC M R1 E A Rd B R2

图3-3 电桥测量电路

上图中Rd为敏感元件，Rc为补偿元件。在空气中，Rd的电阻与Rc相似，调整电桥平衡，此时信号输出端电压UAB=0;当空气中有瓦斯时，在敏感元件Rd表面发生催化燃烧，Rd的电阻随着温度的上升而增加为Rd＋?Rd，而补偿元件Rc电阻不变，这样就导致电桥失去平衡。

当采用恒定电压供电时，电桥输出的不平衡电压为：

（1）

假设：

（2）

此时， （3）

从式子（3）可以看出，电桥输出电压与瓦斯浓度成正比，因此，在一定的范围内电桥输出电压与瓦斯浓度呈线性关系。

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