1 ） 载体催化元件结构及工作原理

载体催化元件一般由一个带催化剂的传感元件(俗称黑元件)和一个不带催化剂的补偿元件(俗称白元件)组成。白元件与黑元件的结构尺寸完全相同。但白元件表面没有催化剂，仅起环境温度补偿作用。

2）影晌载体催化元件主要技术性能的因素

双值性

空气中甲烷浓度低于9．5％时，甲烷能够充分燃烧，甲烷浓度越高，载体催化元件的电阻变化就越大。当空气中甲烷浓度高于9．5％时，甲烷不能够充分燃烧，甲烷浓度越高，载体催化元件的电阻变化就越小，这就是载体催化元件的双值性。因此，载体催化元件只能用于低浓度的甲烷浓度监测。

6.2.1 甲烷传感器

激活

在黑元件制造时，是将载体浸在PdO2溶液中，然后热分解后，催化剂以Pd和PdO形式存在于载体上，元件表面呈黑褐色，对甲烷的催化活性较低。在元件出厂前，为使其具有较高的活性，通常在加热条件下通12％CH4进行活化处理，使PdO还原为Pd，这过程被称为激活。激活后的元件要经过老化和稳定性处理后才能出厂使用。 

2）影晌载体催化元件主要技术性能的因素

催化剂中毒

 硫化合物(H2s、s02)、磷化合物(H3P)以及有机硅蒸气等能强烈地吸附在催化剂上，与Pd反应生成新的化合物，例如H2S与Pd反应生成PdS降低催化剂活性，严重时会使催化剂完全失去活性，这种现象被称为催化剂中毒。

6.2.1 甲烷传感器

灵敏度变化

 由于高温烧结，催化剂活性物质的粒子会变大，还会升华为气态等，这些都会使元件的催化活性下降，使灵敏度下降。催化剂升华还会使置于同一气室的补偿元件载体上吸附微量催化剂，使甲烷能够在补偿元件上催化燃烧从而使电桥输出灵敏度下降。

 2）影晌载体催化元件主要技术性能的因素

响应时间

 响应时间是指甲烷浓度发生阶跃变化时，电桥输出信号值达到稳定值90％时所需要的时间。

气体流量

 进入检测气室的气体流量影响催化元件灵敏度。因此，对于扩散式甲烷传感器，在校准时的流量应与甲烷传感器在井下安装地点的风速机吻合，否则会造成测量误。

2）影晌载体催化元件主要技术性能的因素线性度

 在低浓范围内，催化燃烧产生的热量随甲烷浓度的增加而增大。但由于元件温度增加时，其散热量也增大，从而导致元件温度不随催化燃烧热量而线性增大。因此，当甲烷浓度不大于4.O％时，元件的输出与甲烷浓度基本成线性关系，当甲烷浓度大于5.0％时，元件的输出与甲烷浓度很难保持线性关系。

2、热导式

热导式甲烷传感器的工作原理是：利用甲烷的热导率高于新鲜空气的热导率，通过热敏元件测量甲烷空气混合物热导率的变化，进而测得甲烷空气混合物浓度的变化。

6.2.2 一氧化碳传感器

井下空气中一氧化碳浓度较高时，会使人中毒，同时，一氧化碳浓度又是预测和监测煤炭自燃发火的主要技术指标。因此，一氧化碳监测是矿井安全监测的主要内容之一。一氧化碳传感器按其工作原理可分为电化学式、红外吸收式等。

6.2.2 一氧化碳传感器

1、电化学式。 

电解质溶液与电极间发生化学能与电能之间的转换被称为电化学反应。

电化学反应是氧化还原反应。不同物质的氧化还原反应必须在一定的电极电位下进行。如果阳极电位高于氧化还原的可逆电极电位，则这个电对中的还原物质被氧化，反之，这个电对中的氧化物质被还原。例如：Co2，CO氧化还原对的可逆电极电位为一0．12V，只要维持阳极电位高于一0．12V， CO就被氧化。

6.2.2 一氧化碳传感器

2、红外线吸收式

不同原子结合成的气体分子对特定波长的红外线具有吸收能力，其吸收波长取决于原子种类、一原子核质量、结合强弱、光谱位置等，当气体压力、气室长度、入射光强一定时，气体对特定光的吸收强度取决于气体分子浓度，一氧化碳气体在常压下对红外光谱的吸收如图4．29所示。不难看出，通过检测入射光强度的变化，就可测定一氧化碳气体的浓度。

6.2.3 风速传感器

在煤炭开采的过程中，总有瓦斯涌出。为稀释矿井空气中的瓦斯，需不断地向井下输送新鲜空气。风量是通风系统的重要参数之一。因此，对矿井风速的监测是矿井监控的主要内容之一。用于矿井的风速传感器主要有超声波旋涡式和超声波时差式两种。

6.2.3 风速传感器

1 、 超声波旋涡式风速传感器

超声波旋涡式风速传感器首先将风速转换成与风速成正比的旋涡频率，然后通过超声波将旋涡频率转换成超声波脉冲，后将超声波脉冲转换成电脉冲，从而测得风速。由于超声波旋涡式风速传感器具有寿命长，易维护，成本低等优点。因此，在矿井监控系统中获得了广泛应用。

6.2.3    风速传感器

1 、 超声波旋涡式风速传感器

超声波旋涡式风速传感器工作原理如图4．30所示。在风洞中设置一旋涡发生杆，在阻挡体下方安装一对超声波发射器和接收器，当流动空气经过旋涡发生杆时，在其下方产生两列内旋相互交替的涡旋。由于旋涡对超声波的阻挡作用，超声波接收器将会收到强度随旋涡频率变化的超声波，即旋涡没有阻挡超声波时，接收到的超声波强度最大，旋涡正好阻挡超声波时，接收到的超声波强度最小。超声波接收器将接收到的幅度变化的超声波转换成电信号，所经过放大、解调、整形等就可获得与风速成正比的脉冲频率。

6.2.3 风速传感器

1 、 超声波旋涡式风速传感器

 图4．30超声波旋涡风速传感器原理图

6.2.3 风速传感器

1、 超声波旋涡式风速传感器

超声波旋涡式风速传感器具有如下优点：

    (1)无可动部件，无机械磨损，性能稳定，使用寿命长；

    (2)输出本身就是与风速成线性关系的脉冲频率信号，没有零点漂移，且敏感元件灵敏度变化不会直接影响输出，测量精度高；

    (3)输出信号不受流体特性(温度、湿度、压力、成份、密度、粘度、矿尘等)影响；

    (4)响应迅速。

6.2.3 风速传感器

2超声波时差式风速传感器

    超声波时差式风速传感器是应用超声波的时差来测定风速

超声波时差式风速传感器具有如下优点：

(1)属于非接触式，无机械传动，因而不干扰流体的状态，不影响测试点的风速分布；

(2)只基于时间、距离和角度的检测，因而不受流体压力、温度和湿度的影响；

(3)无机械传动，使用寿命长，性能稳定。

(4)转换精度高。但结构复杂，造价高，体积大。

6.2.4 温度传感器

矿井环境温度除影响着矿工的工作效率和身心健康外，还是煤炭自燃发火的重要指标之一。因此，矿井环境温度监测是矿井安全监测的重要内容之一。矿用温度传感器有热电偶、热电阻、热敏电阻、半导体红外和光纤等。

6.2.4 温度传感器

1  热电偶式、热电阻式与热敏电阻式温度传感器

热电偶温度传感器就是将两种不同的金属材料连接在一起，形成一个闭合回路。当两种不同的金属材料的两个接点(冷端和热端)之间存在温差时，就在两者之间产生电动势，进而在回路中形成电流。

热电阻式温度传感器就是利用导体电阻随温度的变化而变化的特性来测量温度。热敏电阻温度传感器就是利用半导体电阻随温度变化而变化的特性来测量温度的，热敏电阻可分为正温度系数和负温度系数两种。

6.2.4 温度传感器

2、半导体式温度传感器

半导体温度传感器是利用半导体PN结正向电压随温度变化而变化的特性来测量温度的。

半导体温度传感器具有体积小、成本低、功耗低、响应快、线性度好的优点。在矿井监控系统中获得了广泛的应用。

3、红外式温度传感器

可通过热敏电阻或光敏电阻测量红外辐热功率，进而计算出物体的温度。

红外测温具有灵敏度高，反应快，测温范围广，非接触测量不影响被测温度场分布等优点。

4、光纤式温度传感器

光纤温度传感器的工作原理较多，利用半导体材料吸收光谱特性随温度变化的原理研制出的装有GeAs(砷化锗)、CdTe(碲化镉)等晶片的光纤温度传感器是其中的一种。

1、机电设备开／停传感器

机电设备开／停传感器主要有辅助触点型和电磁感应型两种。

辅助触点型开关量传感器是利用机电设备的接触器或继电器中没有被其他电气设备使用的辅助触点的闭合状况来反映机电设备的开停状况，这些辅助触点可以是常开触点，也可以是常闭触点，其监测原理如图4．36所示。使用辅助接点要注意本质安全防爆电路与非本质安全防爆电路的隔离。

电磁感应型开关量传感器是通过测量向机电设备馈电的电缆周围有无磁场存在，来间接地监测设备的工作状态。其工作原理是：向机电设备供电的三芯电缆中的三相电流有对称和不对称之分，但无论对称与否，在电缆的外皮上，总可以找到一个与三相芯线不等距的点，该点的磁场强度以靠近该点的芯线起主导作用，如图4．37所示的点C。如果将电磁感应型开关量传感器安装在点c，传感器中的检测线圈就可测得微弱的磁感应信号，供电电流越大，该感应信号就越强。感应出的信号再经过放大和变换就可获得反映设备工作状况的电信号。

2、风门开关传感器

风门开关传感器是一种检测煤矿井下风门开闭状态的开关量传感器。它由干簧开关组件与磁性组件两部分组成。在使用时，将磁性体组件装在风门上，而把干簧开关组件安装在毗邻的门框上。当风门关闭时，磁性体靠近干簧开关组件，由磁性体产生的磁场使干簧开关维持闭合(或断开)状态。这时，由干簧开关组件输出一个闭合(或断开)接点信号。当风门打开时，磁性体离开了干簧开关组件，使接点断开(或闭合)，同时输出一个断开(或闭合)接点信号。通过图4．36所示的开关量检测电路，应可以将该接点信号转换为电信号。

3、风筒风量传感器

风筒风量传感器主要用来监测风筒中的风量。当局部通风机停止运转或风筒漏风造成风量不足时，输出风量不足信号。当局部通风机正常工作，并且风筒没有漏风，风量满足要求时，输出风量足信号。风筒风量传感器是开关量传感器，输出风量足和风量不足两种状态，是甲烷风电闭锁装置和矿井监控系统的重要传感器之一。

3、风筒风量传感器

工作原理如图所示。由卡子、弹簧、接点组成。卡子卡在局部通风机风筒的最后一节，当局部通风机工作正常，风筒没有漏风，风筒中风量满足要求时，风筒将卡子撑开，接点闭合。当局部通风机停止工作或风筒漏风等造成风筒风量不足时，风筒无法撑开受弹簧作用的卡子，接点打开。

4、馈电状态传感器

馈电状态传感器用于监测被控开关负荷侧的馈电状态。馈电状态传感器可以采用被控开关(馈电开关或磁力起动器)辅助接点，但要注意本质安全防爆电路与非本质安全防爆电路的隔离。当被控开关是直接控制用电设备时，由于被控开关馈电，馈电电缆就有电流，被控开关不馈电，馈电电缆无电流，因此，使用设备开停传感器即可。当馈电开关不直接控制用电设备，用电设备由下一级磁力起动器控制时，馈电状态的监测应采用测量被控开关负荷侧的电场或电压的方法，如光纤法、电容法等。

复习题

1、何谓传感器？

2、煤矿常用传感器是怎样分类的？

3、对矿用传感器有何要求？

4、何谓瓦斯传感元件中毒？

5、传感器的主要技术指标是什么？

6、矿用传感器有几种类型？信号制式有几种? 数值一般是多少?

7、瓦斯传感元件为什么怕高浓度瓦斯冲击？  

8、传感元件为什么要放在隔爆冶金罩内？

9、简述热导检测原理

10、简述KTC-90型电气设备开停传感器的工作原理

第7章 断电控制
     7.1 隔爆型磁力起动器及其控制

甲烷浓度超限断电、掘进工作面停风或风量低于规定值时，必须切断被控区域非本质安全型电气设备的电源。因此，断电控制是矿井安全监控系统最基本、最重要的功能。

7.1.1 QC83系列型磁力起动器电气原理

近控时，须将装在绝缘板上的2和5线用导线短接，2和9线同时接地，工作时近控按钮1QA起动、1TA停止；

远控时，将2与5和2与d端子的连线断开，9和d仍然接地，并把远控按钮的三根线分别接在负荷接线盒内的接线端子1、2、d上，工作时远控按钮2QA起动，2TA停止。如图7-1所示。图中C为交流接触器吸力线圈，C₂为自保触电，C₃为辅助触电用于联锁控制。

7.2 隔爆型馈电开关及其控制

隔爆型馈电开关一般用于额定电压不大于1140V电网中的配电总开关。常用的隔爆型馈电开关有DW、BKW、KBZ系列等。

为保证安全监控装置的故障闭锁功能，对隔爆型馈电开关的控制应采用常闭接点进行控制，即通过控制分励脱扣线圈，从而达到控制馈电开关的目的。

第8章 矿井安全监控系统信息传输与选型
 8.1 矿井监控信息传输电缆

8.1.1 基本概念

8.1.1.1 模拟传输与数字传输

矿用传感器输出的电信号可分为连续变化的模拟量信号和阶跃变化的开关量信号两大类。

按照系统所传输的信号的不同，矿井监控信息传输系统可分为两类：模拟传输系统和数字传输系统。

数字传输系统与模拟传输系统相比，具有如下优点：①抗干扰性能强；②传输中的差错可以设法控制，改善传输质量；③可以传递各种消息，使传输系统变得通用、灵活；④便于用计算机对系统进行管理。但数字传输的上述优点都是用比模拟传输占据更宽的传输频带而换得的。

8.2  监控系统的选型和安装使用
    8.2.1 系统的选型

1、可靠性

煤矿安全监控系统要有高的可靠性，重点是井下设备的可靠性。在井下设备中，尤其传感器及其连接先缆的可靠性最为重要。

2、实用性

一个系统的投资是较为昂贵的，若不实用则浪费很大。

3、可维修性

4、经济性

第9章 自救、互救与现场急救

矿井发生事故后，矿山救护队不可能立即到达事故地点。矿工如能在事故初期及时采取措施，正确开展自救和互救，可以减小事故危害程度，减小人员伤亡。

9.2 创伤与急救

井下创伤与急救的基本原则 先己后人、先轻后重、先活后死；

对伤员作出判断 瞳孔、心脏和脉搏、体温；

9.2.1现场创伤急救技术

现场创伤急救技术包括人工呼吸、心脏复苏、止血、包扎、骨折固定和伤员搬运。

1、人工呼吸 

1）、对口人工呼吸法（对口吹气法）宽衣解带，扣出口中异物，平躺地上16~18次/ 。

2）、仰卧压胸人工呼吸法（触摸法）在扣骨向上3~5公分，按压16~18次/min。

3）、俯卧压臂人工呼吸法（只适用溺水）面部转向一侧，16~18次/min。

2、心脏复苏  1）、心前叩击术； 2）、胸外心脏按压术。 

3、止血 加压止血法、指压止血法、屈肢加垫止血法、止血带止血法；

附录：复习题参考答案

第一章

1、答：

煤矿安全生产方针是：安全第一、预防为主、综合治理、整体推进。

    说明：答“安全第一、预防为主”也算对。

2、答：

制定《煤矿安全监察条例》的立法目是：保障煤矿安全、规范煤矿监察工作，保护煤矿职工人身安全和健康，促进煤矿健康发展。

3、答：

制定《煤矿安全规程》的目的是：保障煤矿安全生产和职工人身安全，防止煤矿事故发生。

4、答：

安全监测工岗位责任制的内容是：

1、服从区（队）、班长的分工和安排，积极完成各项工作任；

2、认真学习《安全生产法》、《矿山安全法》，并熟悉《煤矿安全规程》，做好安全工作；

3、认真做好井下监控设备的检修工作，定期巡查，做到线路敷设符合规定，吊挂整齐，传感器校验准确，保证监测数据的真实性，并认真及时填写各类记录台帐，以备后查；

4、遵守各项规章制度和劳动纪律。

5、爱护系统设备和设施，遵守治安、防火、卫生等各项规定；

6、发现安全隐患，应及时汇报并立即处理；

7、努力学习专业技术知识，提高调试和处理故障的能力，掌握通风安全监测系统的安装、设置情况。

事故案例1-1 (见1.2.8 ）

河南大平煤矿早已进入600米以下瓦斯突出区，却仍按400米以上非突出区进行管理。去年“11.20”矿难发生时，下水平面喷出的瓦斯流已经逆行到了上水平面运输巷道，多处瓦斯浓度测定仪报警，此时距爆炸发生仍有31分钟。这么长的时间，竟没人去切断电源，最终导致架线电机车行驶到巷道拐弯处引发爆炸。

事故案例1-2 (见1.2.8 ）

据媒体报道，去年发生了44年来中国煤炭行业最大安全事故的陈家山煤矿，作为陕西矿务局的主力矿之一，井下装有瓦斯探头，可随时监测瓦斯浓度，井下监测探头直通地面调度室。但因为“怕仪器报警影响生产”，负责监督瓦斯的工作人员常常会到井下用塑料袋包住探头。