煤礦用傳感器現狀及研究方向探討

【摘要】針對煤礦用傳感器使用過程中出現的問題進行分析梳理和總結，并結合實際的工程應用提出了一些針對性的解決思路，并對今后傳感器類產品研究方向進行探討，提出一些意見和思路。

【關鍵詞】煤礦；傳感器；誤報警；維護

概述

煤礦安全一直以來備受重視，特別是煤礦安全監測監控系統，其是否能夠安全、可靠的運行直接影響著煤礦安全和生產。隨著《煤礦安全規程》、AQ6201-2006、AQ1029-2007及其他各類標準的實施[1]，煤礦對安全的重視程度達到了空前，使得煤礦井下的傳感器越來越豐富，本文就煤礦用傳感器的使用過程中出現的一些現象和問題作一闡述和總結，并結合多年的煤礦實踐經驗提出了相應的解決思路及研究方向進行探討。

1.礦用傳感器使用現狀

1.1 傳感器的誤報問題

煤礦井下安全監測監控系統中的傳感器90%以上采用頻率傳輸，在實際的使用過程中時常出現“冒大數”、“倍頻”等現象，從傳輸上分析其原因主要有：

（1）傳感器信號向分站傳輸的制式大都采用200～1000Hz頻率，分站采集采用脈沖計數方式，抗干擾能力較差，當線路出現接觸不良或電磁干擾就會造成假信號。當出現傳感器的插頭氧化、電纜接線盒螺栓沒有壓緊、信號接觸不良等原因[2]，或者現場人員拉動傳感器的信號電纜時，會造成信號通信的時斷時續，就可能出現“冒大數”現象。另外隨著傳輸距離的延長其頻率信號也會發生畸變，其低電平被“抬高”，當高低電平的壓差小于分站側光耦的導通電壓時其分站原有采集的狀態發生突變，從而也會出現頻率翻倍的“倍頻”現象。

（2）井下大型設備的不斷增加，井下機電設備啟停時發出的電磁干擾。

井下機電設備在開啟和關閉瞬間能產生極為強烈的電磁干擾脈沖，從分站到傳感器線路都比較長，許多礦井傳感器線路與動力電纜平行或交叉的掛在一起，等效于一個緊耦合回路。而強電磁脈沖比常規信號電平高的多，能將其耦合到分站設備中，使其無法識別是正常信號還是干擾脈沖。強的干擾脈沖也能在瞬間完全淹沒傳感器信號，從而造成“冒大數”現象。當然頻繁的電磁啟動脈沖與信號疊加后也會造成嚴重的“大數”干擾[3]。

（3）井下可控硅變頻調速設備也越來越多，其工作時對外會發出強烈地電磁干擾，嚴重污染電源、信號傳輸的環境，極大的影響著煤礦安全監測系統的正常傳輸。

1.2 傳感器維護和管理問題

目前煤礦傳感器種類眾多，現階段主要包括甲烷、一氧化碳、二氧化碳、氧氣、風速、硫化氫、溫度、負壓、煙霧、水位、粉塵、風筒開關、風門開關、饋電、開停等，各類型檢測原理各異，產品設計廠家眾多，如瓦斯檢測就可以分為催化、熱導、紅外、光纖和激光等，而瓦斯傳感器具有煤礦安標證的廠家超過100家，其外殼形狀各異，顯示方式、輸出接口等也各不相同。這就給礦上的維護等帶來不便，其主要問題有：

（1）傳感器接線的復雜化

由于傳感器設計時沒有統一設計，模塊設計不統一，這樣各類型傳感器的接線等也各有不同，這就要求礦方人員記住多種不同類型傳感器的接線方法，在人員更新或交接過程中常出現因接線出錯而引起的傳感器故障和設備的誤動作。

（2）定期維護復雜化

由于氣體類傳感器的檢測元件大多為消耗型元件，定期需要更換（通常一年左右），檢測元件分接線方式或插拔方式，但由于各類傳感器外殼等不統一，而且更換元件時需要拆動多個結構件才能實現更換；另外由于元件的更換其特性等與電路需匹配，需重新進行校準，對礦上維護人員要求較高，也增加了傳感器的維護難度和維護可靠性問題。

（3）簡單故障排除復雜化

現場的大部分故障可通過傳輸指示燈，狀態指示燈的不同顏色和不同狀態來進行判斷，但由于其各類型傳感器非標準模塊化設計，其指示燈各異，顏色各異這就大大增加了煤礦維護人員的維護難度。

（4）不便于制作防護罩

很多礦井在工作面和掘進工作面等地方，為了更好的保護傳感器而另行制作了防水防砸的防護罩，但是傳感器形狀各異制作不便，維護也帶來了不便；

1.3 現有瓦斯傳感器存在的問題

國內占據著瓦斯傳感器用量的95%以上市場是催化燃燒和熱導型瓦斯傳感器。在測量中它們的檢測部件要與瓦斯發生化學燃燒反應，檢測部件會因化學反應而受損，易中毒、表面積炭和量程狹窄是這類傳感器不可避免的缺陷，這就是此類瓦斯傳感器反應速度慢、壽命短和調校周期短的根本原因所在，是其自身難以克服的。

由于催化燃燒型瓦斯傳感器存在著調校周期短和元件壽命短的問題，這就需要對傳感器進行定期標校（7～15天）和定期更換檢測元件，其維護量相對較大。當前煤礦人手不足且技術維護相對薄弱，對瓦斯傳感器維護和管理難度較大，越來越多的煤礦用戶對現有瓦斯傳感器提出免維護、延長傳感器使用壽命及傳感器實現免標校的要求。通過新技術的應用，來提高瓦斯傳感器的穩定性和易維護性是當前煤礦的迫切需要。

1.4 單測點多傳感器維護問題

煤礦很多測點都相對固定，而每個測點都存在兩個或多個傳感器的情況，如中央變電所、避難硐室和皮帶機頭等處某個測定位置一般需要測量瓦斯、溫度、一氧化碳等，其位置固定基本不變，且離分站電源的距離都相對較近，現有傳感器布線時需要鋪設多根電纜線，很多都鋪設麻煩，這樣也帶來其維護的麻煩。另外在煤機設備上根據目前行業標準規定需要配套傳感器的種類在不斷增加，當多個傳感器在煤機設備上掛接時其安裝等都較為不便，多電纜的方式也給設備維護帶來麻煩。

2.解決問題的總體思路

2.1 傳感器的誤報問題解決思路

針對“冒大數”、“倍頻”現象及其發生的機理，數字傳輸方式可有效避免此類問題的發生，由于數字傳輸中可加入大量的校驗和判斷機制，當出現某一位數據出錯時可通過校驗或判斷來驗證數據的有效性等，從而避免將無效數據上傳。另外隨著對傳感器的自診斷、故障分析上傳等要求不斷的提出，原有的頻率傳輸已難滿足要求，而數字傳輸編碼等靈活，能有效的將其自身故障、診斷、電源信息等進行上傳。分站等主傳輸都采用數字信號進行傳輸其穩定性和可靠性是可以得到保障。

但是頻率型傳輸占據著95%以上的市場，不同廠家間傳感器的接入目前也只能通過頻率傳輸方式進行，針對“冒大數”、“倍頻”現象，對頻率傳輸方式有必要進行進一步的研究形成標準化模塊，來有效解決傳統頻率傳輸方式的不足。

2.2 傳感器維護和管理問題解決思路

各類傳感器傳輸接口方式的模塊化、采集處理部分模塊化、顯示部分和其他可模塊化的進行標準化模塊設計，簡化元件更換過程；其設計過程可以鑒戒英國Trolex特羅克斯的設計理念，采用二次儀表加變送器的方式來開發傳感器，變送器實現對監測量的采集，二次儀表只負責數據顯示和傳輸，使其國內應用的礦用傳感器結構統一，維護簡單，更換方便。

2.3 現有瓦斯傳感器存在的問題的解決思路

新技術的引入----光纖激光傳感器，光纖氣體傳感器是80年代后期出現的一種新型傳感器。經過二十多年的發展，它已應用在社會生活的許多方面：工業氣體在線監測、有害氣體分析、環境空氣質量監測和爆炸氣體檢測以及對火山噴發氣體的分析。工業上的需要和人們對環境的關注使得光纖氣體傳感器的發展非常迅速。有資料表明，美國1996年～2002年光纖氣體傳感器年均增長率為27%～30%，而我國對光纖傳感器的市場需求也很大。光纖氣體傳感器發展迅速是因為它有著傳統傳感器不可比擬的優勢。

（1）非接觸式遙測能力：光纖傳輸損耗小，可允許光信息進行長距離傳輸，從而能在遠距離的安全地帶進行遙控遙測；

（2）測量的安全性：光纖電絕緣性好、不受電磁干擾、化學性質穩定，適合在強電磁干擾和易燃、易爆、高溫等惡劣環境下測量，這是光纖傳感器優于電類氣體傳感器的重要特點；

（3）傳感單元結構簡單、穩定可靠。

目前國內外技術現狀，其應用方式有分布式和單體式。如英國某公司最新光纖氣體傳感技術，采用了信號集中處理和傳感器元件分開的方式，其應用目前主要垃圾填埋場、天然氣管道、隧道氣體檢測等環境，其整套設備在國內做過實驗室測試及煤礦的一些實際應用，結合其原理及應用特點如下[4]：

（1）通過標準的光纜，可以實現多達300個點的氣體濃度實時監測，其傳輸距離達20公里以上；

（2）中央控制單元以外的系統完全是無電源工作，并有很好的電磁抗干擾度；

（3）堅固易插拔的傳感器模塊，響應時間快（1～5秒），不受低氧環境，催化中毒，其它氣體及濕度過高的環境影響；

（4）具有自我校準特性，它提供固有的校準穩定性，確保整個系統只需要在中央控制器上做單一的一次校準，使用過程無需標校；

（5）氣體靈敏度高，測量范圍寬（如甲烷0～100%），可以檢測多種氣體，沒有氣體交叉干擾的問題。

此類產品的主要問題是各測點本身不具備聲光報警功能，受煤礦安全標準的限制，另一方面激光器等主要元件成本過高，導致了本系統在造價上十分的昂貴。

2.4 單測點多傳感器維護問題的解決思路

引入新型的傳感器可自由配接檢測種類的多參數傳感器；可實現對各類參數的采集測量，可根據現場實際需要進行自由的組合的多參數傳感器；

3.研究方向探討

針對現有煤礦傳感器使用的實際情況，并結合自身長期從事煤礦工作的經驗，對于今后傳感器產品開發過程中建議增加以下幾部分內容：

（1）傳感器傳輸需增加數字接口，并對頻率傳輸方式進行研究，采用新的方式方法實現頻率傳輸；

（2）傳感器的標準化、模塊化設計，可以采用二次儀表加變送器方式進行，更換變送器即可實現對傳感器的更新，降低礦上的實際使用成本；

（3）光纖激光甲烷檢測技術的研究：基于光纖激光甲烷檢測技術分別研究其分布式及單體式方式，發揮其各自的優勢；可解決長距離傳輸及傳感器免標校等實際問題。

（4）多參數采集傳感器的開發：可自由配接檢測種類的多參數傳感器的研究；可實現對各類參數的采集測量，可根據現場實際需要進行自由的組合的多參數傳感器。

4.結語

作為一名長期從事煤礦安全生產的工作者，深刻的認識到傳感器的穩定直接影響著煤礦安全監控系統的穩定，并聯系著煤礦的生產是否能夠安全的運行，傳感器監測和傳輸穩定，使用周期長，能大大的降低煤礦工人的維護時間和成本。就目前煤炭市場的大環境，開發一款維護簡單、更換成本低、能夠重復利用的高可靠傳感器是十分必要的。

參考文獻

[1]王曉陽.KJ95N型煤礦綜合監控系統[J].西安科技大學學報，2008，28（2）：397-399.

[2]馮亞飛，肖運江.煤礦安全監控系統常見誤報警原因分析及軟件處理方法[J].工礦自動化，2013，39（4）：90-92.

[3]王保國，張曉東，冰飛.礦井安全監控系統誤報警原因分析[J].科技信息，2012，15（4）：413.

[4]蔣澤，劉茂榮.多點光纖氣體傳感系統在煤礦中應用的可行性探討[J].工礦自動化，2011（7）：41-44.

作者簡介：郭玉彪（1970—），男，山西壺關人，工程師，長期從事煤礦自動化方面工作。