毕业设计(论文)-煤矿瓦斯监测报警装置设计.doc
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1、辽宁工程技术大学毕业设计(论文)前言我国是煤炭生产大国,随着煤矿机械化程度的提高,矿井生产能力和生产效率普遍加大,煤炭年产量居世界首位,产煤量占世界总产煤量的20%。但同时我国也是煤矿安全形势最为严峻的国家之一。近年来,瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出等灾害,严重威胁着煤矿的安全生产和数百万名矿工的生命安全,瓦斯灾害已成为制约我国煤矿安全生产和煤炭工业发展的重要因素。随着煤矿开采技术手段的不断改进和开采规模的扩大及开采深度的不断延伸,安全隐患越来越多,瓦斯事故特别是中、特大瓦斯事故在煤矿事故中所占的比例也越来越高。如果不把瓦斯事故控制住,就不能实现煤矿安全生产状况的稳定,也就无法保障煤炭工业的持续健康发
2、展。所以,对煤矿井下瓦斯气体进行快速准确的监测显得尤为重要,对易燃易爆混合气体监测的研究也成为人们一直关注的问题。多年来的实践证明,瓦斯浓度的监测监控器在监测煤矿井下安全状况,防范安全隐患方面起着重要作用。充分发挥其作用,是我国煤矿安全形势好转的关键。近年来,国有重点煤矿瓦斯爆炸事故减少的原因之一,就是绝大多数煤矿的高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井安装了瓦斯浓度监测监控器。1绪论1.1研究背景和意义 当前,随着采矿技术的不断发展,井下作业的安全越来越有保障,但是仍然有许多采矿企业的机械化程度低,对现场采矿的工作人员的生命安全造成潜在的威胁,特别是针对瓦斯气体的监测和报警仍存在隐患,每年由于瓦斯泄露造成
3、的特大事故依然很多。瓦斯是在成煤过程中形成并大量储存在煤层之中的气体,是煤矿井下危害最大的气体。瓦斯是一种无色无味的气体,主要成份是甲烷(CH4),密度为0.716kg/ m3,对人体的危害是超限时能引起人窒息死亡。在地下采矿时候,井内常常会泄露一定量的CH4、CO和SO2等气体,后一种含量少,切易溶于水,经煤矿开采时的喷水处理后变成酸。但前两种气体含量多,且几乎不容于水,属于易燃易爆气体。由于瓦斯气体本身的危险性和对人民生产生活造成的巨大危害,因此对瓦斯气体的监测和报警是一项必要的工作。瓦斯报警是指利用气体传感器技术,将检测到的瓦斯气体浓度和标准值进行比较,当高过一定浓度值时候进行相应的声光
4、报警,提醒正在作业的人员进行相应的处理,组织人员撤离或对矿井通风排气,避免不安全事故的发生,对现在采矿业的安全起着非常重要的作用。因此本论文设计一种煤矿瓦斯监测报警装置,用于监测井下瓦斯的浓度,并且能将其显示在数码管上,当瓦斯浓度达到一定的警戒值时,发出声光报警,从而能够更好的保障煤矿安全生产及井下作业人员的安全。1.2国内外发展状况井下瓦斯监控技术是随着煤炭工业发展而逐步发展起来的。1815年,英国发明了世界上第一种瓦斯检测仪器瓦斯检定灯。利用火焰的高度来检测瓦斯浓度;20世纪30年代,日本发明了光干涉瓦斯检定器,一直沿用至今;20世纪40年代,美国研制了检测瓦斯浓度的敏感原件铂丝催化元件;
5、1954年,英国采矿安全所研制了最早的载体催化元件。电子技术的进展推动了瓦斯检测控制装置的进一步发展,如20世纪70年代后期法国研制的CTT63/40U矿井监控系统,英国的MINOS,美国的SCA-DA系统等。我国矿井瓦斯监控技术经历了从简单到复杂,从低水平到高水平的发展过程。从新中国成立初期到20世纪70年代,煤矿下井人员主要使用光学瓦斯检定仪,风表等携带式仪器检测井下参数。20世纪60年代初期,我国开始研制载体催化元件,随着敏感原件制造水平的提高和电子技术的发展,特别是大规模集成电路、微型计算机的广泛应用,使监控技术进入了新的发展时期。20世纪70年代瓦斯断电仪问世,装备在采掘工作面,回风
6、港道等井下固定地点,实现了对瓦斯的自动连续检测及超限自动切断被控制设备的电源的功能。随后,我国陆续研制了便携式瓦斯监控检测报警仪,瓦斯报警矿灯。1983年至1985年从欧美国家先后引进了数十套监控系统及配套的传感器和便携式仪器装备煤矿矿井,并相应的引进了部分监控系统,传感器和敏感元件制造技术,由此推动了我国矿井安全监测、监控技术的发展。1983年以后,国内有多种型号矿井监测系统通过了技术鉴定,逐步实现了对煤矿矿井安全,生产多种参数的连续监测、监控、数据存储和数据处理。近几年,随着计算机的发明和应用,特别是网络和信息化建设的不断发展,给瓦斯治理提供了机遇条件,煤矿瓦斯监控网络系统应运而生。这些装
7、备和系统的推广与应用,丰富了我国煤矿安全监控产品的市场,改善了煤矿安全技术装备的面貌,缩小了我国与国外先进技术水平的差距。2煤矿瓦斯监测报警装置的设计方案2.1方案的选择方案一,通过传感器感受到瓦斯,传感器输出的电压随着瓦斯浓度的升高而增加,并且驱动蜂鸣报警器。电路简单、可靠,但是灵活性和实用性差。方案二,甲烷进入传感器后,输出电参量,该电参量的大小随着甲烷浓度成正比例的变化。输出的电参量,一路直接送给电表指示出相应的甲烷浓度,另一路由传感器送到放大开关线路的输入端。当送给放大开关线路的电参量超过其动作阀值时,则放大开关线路动作驱动三极管导通报警电路。该方案有一定的灵活性和可执性,但是电路比较
8、复杂,智能性差。方案三,通过单片机作为主控单元,并且能够通过传感器把模拟信号通过A/D信号转换为数字信号,能在短时间内连续检测出甲烷浓度的变化,针对不同的应用场合做出不同的浓度设定。综合考虑,由于使用单片机设计灵活性更强,使用更方便,所以本设计使用方案三。2.2煤矿瓦斯监测报警装置的总体设计2.2.1系统总体结构系统总体结构框图如图2-1所示。 瓦斯传感器AT89S51晶振复位电路报警电路显示电路电源电路放大电路图2-1系统总体结构框图Fig.2-1 The diagram of the whole system structure 该设计采用AT89S51作为单片机进行控制,传感信号由气敏电
9、阻和放大器转换成电信号,由ADC0809转换成数字量,监测电路可靠工作。气体监测仪表的功能主要有监测气体浓度值,设置报警点,超限进行声光报警等。软件算法采用设定值和测量值比较的算法,采用中断程序,以及时中断主程序。2.2.2系统的功能设计一个瓦斯气体安全监测装置,在气体浓度一定的范围内进行安全监测,并能在被控对象气体浓度超过标准值时进行报警。假设该瓦斯监测报警装置能实现以下的功能:气体监测,超过设定的门限值后自动报警。以单片机为主,气敏传感器与单片机相连接,再加上浓度控制部分和人机对话部分来共同实现瓦斯安全监测与控制。3瓦斯传感器的选择3.1瓦斯监测装置传感元件概述传感元件是被测物理量的敏感原
10、件,是各类传感器的检出元件。煤矿监测瓦斯浓度变化的传感元件主要有以下几种类型:1)纯铂丝传感元件纯铂丝传感元件具有对沼气浓度变化反应灵敏的优点外,还具有耐氧化、抗毒性能好的优点。但是,铂丝元件在还原性介质中连续工作时,尤其在高温条件下工作,很容易被还原出来的气体所污染,使铂丝变细和变脆,从而,影响元件电阻与温度的对应关系,引起仪器出现零点漂移和精度降低,同时,也会大大降低元件使用寿命。因此缺陷影响了该元件的推广。2)载体催化燃烧式传感元件载体催化燃烧式传感元件,属于气敏热效应型传感器。其特点是体积小,结构简单,功耗低,性能较稳定及使用寿命长,目前已成为国内外检测瓦斯的主要传感元件,特别是我国和
11、英、日、美诸国应用尤为广泛。3)热导式传感元件此类传感元件不适于低浓度瓦斯的检测。4)声波传感元件声波及超声波传感器,广泛应用于水下探测,地震检测等方面。煤矿也可利用声波传感器进行瓦斯及其它参数的检测。但其敏感性不强,分辨率较差,只适用于高浓度瓦斯变化的检测。5)气敏半导体传感元件气敏半导体传感元件由某些金属氧化物制成。它可以定量或定性的检测各种还原性气体,可燃性气体。气敏半导体传感器制造简单,使用方便,但需要两组电源,耗电量大,且对被吸附气体的选择性较差。6)红外激光谱吸收原理传感元件红外激光测试瓦斯含量选择性能好,灵敏度高,其存在的技术问题是激光器电源电压高,设备结构和制造工艺比较复杂。我
12、国目前的瓦斯检测装置几乎全部采用热催化原理检测瓦斯。热催化原理有一定的局限性,但是却具有价格低廉的特点,易于煤矿量大面广的使用,使用载体催化元件检测占据了矿井瓦斯和多种易燃易爆气体检测领域的首位。其工作原理是利用可燃气体在催化剂的作用下进行无烟燃烧,产生热量,使元件电阻温度升高而发生变化,测知瓦斯的浓度。这种传感器的优点是精度较高,输出信号较大(1% CH4时,输出电压可达2025mv),且不受其它可燃气和灰尘存在的影响。由于在实际煤矿井下工作中,应用比较普遍的是载体催化燃烧式检测仪器。所以在设计中我们对其工作原理进行介绍,也选用此种工作原理的传感器。3.2载体催化燃烧式传感元件工作原理载体催
13、化燃烧式传感元件是用铂丝按一定的几何参数绕制的螺线圈,外表上浸渍有一层铂、钯催化剂。因为这种检测元件表面呈黑色,所以又称黑元件;除黑元件外,在仪器的甲烷检测室中,还有一个与检测元件构造相同,但表面没有涂催化剂的补偿元件(称白元件)。黑白元件分别接在一个电桥的两个相邻桥壁上,而电桥的另外两个桥臂分别接入适当的电阻,它们共同组成的测量电路如图3-1所示。 图3-1 载体催化传感元件测量电路图Fig.3-1 The diagram of Carrier catalytic sensor measurement circuit 当一定的工作电流通过检测元件(黑元件)时,其表面即被加热到一定的温度,而这
14、时当含有瓦斯的空气接触到检测元件表面时,便被催化燃烧,燃烧放出的热量又反过来进一步使元件的温度升高,使铂丝的电阻值明显增加,于是电桥就失去平衡,输出一定的电压。催化反应的方程式为: (3-1)Rh是催化传感元件,Rb为补偿元件。将Rh和Rb置于同一测量环境中,由稳压电源供电。在无瓦斯的新鲜空气中,Rh=Rb,调整电桥使之平衡,信号输出电压U=0;当瓦斯存在时,在催化传感元件表面发生无焰催化燃烧,电阻值随温度上升而增加为Rh+Rh,而补偿元件阻值不变,从而电桥失去平衡。当采用恒压源E供电时,输出不平衡电压为: (3-2)由于 (3-3)则 (3-4)电桥输出电压取决于敏感元件的阻值变化量 。对于
15、铂丝元件,其电阻变化量可用下式表示: (3-5)其中,a、h、R0与敏感元件的材料、性质、结构尺寸有关;扩散系数D和瓦斯的分子燃烧热Q都是常数,可用一个常数K2代表这些因素,因而上式可写为 (3-6) (3-7)即在理想情况下,电桥输出电压与瓦斯浓度成正比;在一定浓度范围内,电桥输出电压与瓦斯浓度呈线性。3.3传感器的选择3.3.1瓦斯传感器检测范围的选择不同的瓦斯传感元件有不同的瓦斯浓度检测范围,在选择元件时要结合实际煤矿生产过程相关规程对瓦斯浓度的要求。煤矿安全规程对井下各点瓦斯浓度的规定如下: 1)矿井总回风巷或一翼回风巷风流中瓦斯浓度超过0.75,矿总工程师必须立即查明原因,进行处理,
16、并报告矿务局总工程师。2)采区回风巷、采掘工作面回风巷风流中瓦斯浓度超过1%时,必须停止工作,撤出人员,并由矿总工程师负责采取措施,进行处理。3)综合机械化、水采和煤层厚度小于0.8米的保护层的采煤工作面,经抽放瓦斯和增加风量已达到最高允许风速后,其回风巷风流中瓦斯浓度仍不能降低到 1%以下时,经矿务局局长批准,瓦斯浓度最高不得超过1.5,并应符合下列要求:工作面的风流控制必须可靠;通风巷必须保持设计断面;必须制定安全措施,配有专职瓦斯检查员并安设瓦斯自动检测报警断电装置。4)采掘工作面风流中瓦斯浓度达到1%时,必须停止用电钻打眼;放炮地点附近20米以内风流中的瓦斯浓度达到1%时,严禁放炮。采
17、掘工作面风流中瓦斯浓度达到1.5时,必须停止工作,撤出人员,切断电源,进行处理;电动机或其开关地点附近20米以内风流中瓦斯浓度达到1.5时,必须停止运转,撤出人员,切断电源,进行处理。5)采掘工作面内,体积大于0.5立方米的空间,局部积聚瓦斯浓度达到2%时,附近20米内,必须停止工作,撤出人员,切断电源,进行处理。6)综合机械化采掘工作面,应在采煤机和掘进机上安设机载式断电仪,当其附近瓦斯浓度达到1%时报警,达到1.5时必须停止工作,切断采煤机和掘进机的电源。结合以上规程与现有瓦斯传感器检测范围,我们可以设计检测范0%4%的煤矿瓦斯监测预报装置,是完全满足煤矿安全规程的要求的。3.3.2瓦斯检
18、测过程中的因素影响及分析催化燃烧式瓦斯检测的主要性能特征是由热催化敏感元件的技术性能所决定的。它直接关系到瓦斯检测的性能特征质量。以下主要对元件的技术性能及影响因素简要分析。1)瓦斯传感器的灵敏度指某一浓度的瓦斯在敏感元件上反应时,电桥输出电压值与瓦斯浓度值之比值,它取决于敏感元件对瓦斯催化燃烧的速率。一般敏感原件不应低于1015mv/(1%CH4)。性能好的可达30 mv/(1%CH4)以上,这一指标是衡量敏感元件活性和使用寿命的重要指标,它是决定元件寿命的一个重要参数。催化燃烧型瓦斯检测仪器灵敏度下降是个逐渐变化的过程,这个变化过程越缓慢说明仪器稳定性越好。2)瓦斯传感器的响应时间 这是仪
19、器的一个重要指标,它标志着仪器与瓦斯催化反应的快慢,井下瓦斯检测要求实时性强,响应时间短。影响催化敏感元件响应时间的因素主要有两个方面:一是瓦斯通过扩散充满气室并达到元件表面的整个扩散过程所占用的时间;二是瓦斯在元件上的催化反应产生热量,使温度上升,并和周围进行热交换,元件最终达到平衡时所需要的时间。3)瓦斯传感器的零漂问题 由于传感器及外围电路受外界环境影响会产生一定漂移。在长时间工作,受老化等环境变化因素影响就可能产生较大的零点漂移。为了使系统在长时间工作后仍能够精确读数,在软件中使用了零位漂移修正方法。零位稳定是影响测量系统精度非常重要的因素。采用单片机,充分运用其硬件的通用性和软件的灵
20、活性以软代硬解决此问题,这样就不影响传感器的工作特性,也不附加器件,准确可靠。 本设计解决该问题的方法是:用程序控制单片机先测出无输入时传感器的输出值(零位移输出值,即传感器在新鲜空气中的输出值),把它存储在单片机系统的存储器内,工作时每一次数据采集均减去此值,这样就排除了零位输出的影响,提高了使用精度。4)预防载体催化元件中毒和注意事项 井下使用现场对敏感元件影响较大的就是矿井空气中的硫化氢、二氧化硫、有机硅蒸汽等气体,会使元件发生中毒现象,使仪器灵敏度下降,甚至不发生反应。这是使用者应当特别注意的,防止中毒的主要措施是在敏感元件上加装1cm厚活性炭过滤器过滤以上气体,并注意定期更换活性炭。
21、 此外,仪器经常在大于4%CH4以上的高浓度瓦斯环境下工作,也易造成仪器灵敏度被“激活”现象。这种情况是指敏感元件经高浓度CH4冲击后,其灵敏度忽高忽低,稳定性变差,导致误差增大示值不准,甚至完全不能使用。因此,要尽量避免用这种类型的仪器去测高浓度瓦斯。3.3.3瓦斯传感器型号的选择报警装置能否正确显示瓦斯浓度,取决于传感器的好坏以及它的检测电路。本设计的瓦斯传感器将采用汉威公司生产的MJC4/3.0L(MC112)传感器,MC系列气敏元件根据催化燃烧效应的工作原理工作,由检测元件和补偿元件组成电桥的两个臂,与可燃性气体反应时检测元件电阻升高,桥路输出电压变量,该电压变量随气体浓度增大而成正比
22、例增大,补偿元件起参比及温度补偿作用。1)主要特点及应用: 桥路输出电压呈线性 响应速度快具有良好的重复性、选择性元件工作稳定、可靠 抗H2S中毒 工业现场的天然气、液化气、煤气、 烷类等可燃性气体及汽油、醇、酮、苯等有机溶剂蒸汽的浓度检测。可燃性气体泄漏报警器、可燃性气体探测器、气体浓度计。2)元件外形结构及基本测试电路元件的外形结构如图3-2所示。基本测试电路如图3-3所示。 图3-2 MC112外形结构Fig.3-2 The diagram of shape structure of MC1123)主要技术参数:产品型号 MJC4/3.0L(MC112)产品类型 载体催化元件标准封装 金
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