离子型烟雾传感器的研制

离子型烟雾传感器的研制

王卫军

(煤炭科学研究总院重庆分院,重庆400037)

摘　要:以KG8005型烟雾传感器为例,分析了离子型烟雾传感器的主体结构、工作原理、电路原理及典型电路等。应用表明:离子型烟雾传感器对煤在300℃高温时激烈氧化分解产生的挥发性气溶胶微粒有明显反应,具有火灾早期预报功能和较强的抗煤尘干扰能力,对于井下火灾的就地监测和火灾的远程集中监控有很强的实效性。关键词:火灾监测;烟雾传感器;结构;功能电路中图分类号:TD77+2 文献标识码:B 文章编号:1008-4495(2004)06-0015-03

收稿日期:2004-05-19 我国南、北省份的矿井在煤层地质构造、蕴藏条件等方面存在着较大的差异,井下的生产环境也不尽相同,但引发井下火灾的诱因不外乎有煤层自然发火、运输转载点胶带阴燃、井下机电设备打火等数种情况,而且开采作业时伴有大量的煤尘产生。因此,切实解决好火灾传感器抗煤尘干扰的能力,提高烟雾检测的灵敏度和准确度,降低误报率,是搞好煤矿井下火灾预测预报的关键。大量实验、实践表明,离子型烟雾传感器在火灾的早期检测中有着灵敏度高、选择性强、抗粉尘干扰能力强等优点,是煤矿井下火灾早期监测的主要装备之一。作者以KG8005型烟雾传感器为例,对离子型烟雾传感器的主体结构、工作原理和主要功能电路进行详细分析。

1　主体结构

KG8005型烟雾传感器的主体结构由采样系统、检测及补偿电离室、敏感元件、整机电路等5部分组成。采样系统包括:开有螺线型百叶窗式扩散槽及对流孔的采样罩、不锈钢过滤网、集烟环、中隔板等组件。采样罩和过滤网采用不锈钢材料制作;中隔板为高阻燃材料,下部设有报警指示灯、自检开关、复位按钮及电源和信号输出接口。整机电路设计有就地声、光报警,信号远传,自检等多种功能。

2　主要技术指标

输入电压:15～24VDC工作电压:+12VDC、+9VDC工作电流:<30mADC报警电流:<50mADC响应时间:<60s(当烟尘浓度为0.1mgΠm3时)报警方式:就地声光报警(有烟时,烟雾警戒灯闪烁、蜂鸣器叫;烟消失后,报警保持灯亮)信号输出类型:开关量信号输出范围:无报警时　0mADC±0.1mA有报警时　+2mADC±0.1mA(或1～20mA任意可调)敏感元件:Am241　源强:185kBq(5μci)最大外形尺寸:Φ140mm×150mm质量:1.1kg防爆型式:ibI(+150℃)矿用本质安全型

3　工作原理

火灾发生初期,燃烧物先期释放出大量的气溶胶颗粒,在燃烧物四周聚集成可见烟雾后随自然风流沿传感器采样罩的螺线型百叶窗扩散入传感器。在过滤网的阻隔下,烟雾中粒径较大的粉尘颗粒和杂质沿采样罩的光滑内表面滑落至采样罩底部,细微的烟尘颗粒则随螺旋上升的气流进入检测电离室,与室内的正负离子中和,在中间电极产生一个与被测烟雾浓度呈正比的电压变化增量“ΔV”。此增量经传感器电路分析、处理后转换成就地声、光报警信号,同时以开关量的形式送往与之相连的井下监控分站,实现井下火灾的远程集中监控。

4　整机电路结构及原理

KG8005型烟雾传感器的整机电路主要由烟雾检测、信号采集与比较触发、声光报警、信号保持、信号远传及模拟自检等功能单元组成,见图1。

・51・2004年12月 矿业安全与环保 第31卷第6期

图1　KG8005型烟雾传感器电路原理框图

4.1　电源电压等级确定离子型烟雾传感器在工作中,由于最终进入到检测电离室内的烟尘颗粒非常细微,由其引起的电离电流变化非常微弱(约10-12A级)。为了提高传感器检测单元的信号响应能力,KG8005型烟雾传感器在设计时将烟雾检测、信号采集、比较触发等功能电路的工作电压确定为+12VDC;将声、光警戒、信号保持、信号远传等电路单元的工作电压定为+9VDC。综合考虑选用的稳压器件正常工作时所允许的电压范围、极性保护器件的压降消耗、电缆的传输损耗及传感器电压等级设计规范等多种因素,将整机供电电源的电压等级确定为:+18～24VDC。同时,为了提高稳压器件的稳压效率和避免传感器在与外部电源相连时因不慎接反极性而造成损坏,故专门设计了限流保护和电源输入极性保护。4.2　烟雾检测及模拟自检烟雾检测单元主要由检测及补偿电离室、敏感源、高绝缘屏蔽中间电极、前置隔离放大组成。无烟时,检测及补偿电离室内的电离电流相对平衡。有烟时,扩散入检测电离室的烟雾使原有的电离电流发生变化,中间电极产生出与被测烟雾浓度呈正比变化的电压信号ΔV。ΔV在经集成运放N1采集、隔离后送往后级电路分析、处理。模拟自检的功能主要用于检修时,人为模拟烟雾浓度超限时的状态,以检查传感器后级电路的各项功能是否能正常工作。4.3　信号处理与烟雾警戒信号处理及烟雾警戒电路由阻抗变换、信号处理、烟雾警戒、声光驱动等单元组成,电原理如图2所示。N1为具有高输入阻抗、低输入电流、相位补偿、低功耗等特点的F3140高阻四运算放大器,用于对实测信号进行缓冲隔离和阻抗变换。E3为专用模拟集成器件负责运算、比较、处理来自N1的信号,与V3、B及其它外围阻容器件组成信号处理、烟雾警戒

、图2　KG8005型烟雾传感器信号处理及烟雾警戒电原理图

声光报警驱动等电路单元。实测中,E3将自动完成对与被测环境中烟雾浓度相对应电信号的记忆、比较、锁存工作,适时启动震荡电路实现声、光报警。RP2为灵敏度电位计,用以设置、调节传感器的报警点。报警灵敏度的设定视传感器使用场所火灾易发的程度、烟雾浓度的大小共分为高、中、低三档:设定公式　ΔV=Vi2-Vi1　(Vi为输入信号,ΔV为Vi的变化范围) ΔV=1.0V±0.15V(高)ΔV=1.5V±0.05V(中)ΔV=2.5V±0.1V(低)4.4　比较触发、信号保持及复位在此部分电路中,RP1、R10～R14与呈开环放大状态的低功耗运算放大器N2共同组成比较触发单元。比较基准由RP1设定,触发信号Vi为前级E3的输出Vo。正常监测时,Vi为低电平,N2输出监视电平VL,信号保持单元不工作。当被测环境中的烟雾浓度超过允许范围时Vi转为高电平,N2反相端的输入信号Vi值超过RP1设定的警戒阀值,使N2的输出由原来的VL转为报警电平VH,信号保持单元启动工作向后续报警电路输出VH。在信号保持单元中V4～V6、C7、C8及R18～R20组成典型的双稳态结构。输出信号Vo在监视电平VL和报警电平VH之间变化。当比较触发级输出V′=VL时,V4截止,Vo输出VL,传感器处于正常监视状态,后续报警及信号远传电路不工作。当V′=VH时,V4、V5导通,Vo变为VH,后续光报警及报警信号远传电路启动发出光报警,同时向相连的井下监控分站输送2mA的恒流报警信号。烟雾消失后,N2的输入信号Vi随之下降,V′重新翻转回监视电平VL。在C8的放电作用下V4、V5继续维持导通状态,Vo仍为报警电平VH,传感器的光报警由闪烁转为持续点亮,远传给井下分站的2mA恒流报警信号不变,直至人工复位。复位单元主要用于安检人员在灾情现场确认烟・61・2004年12月 矿业安全与环保 第31卷第6期雾、火灾消失后,人为解除传感器的持续报警使之恢复到正常监测状态。具体方法:按下复位按钮SB1,在信号保持单元输入端加入低电平信号,传感器报警保持灯即熄灭,远传恒流报警信号恢复为0mA。比较触发、信号保持、复位电路原理图见图3。

图3　KG8005型烟雾传感器比较触发、信号保持与复位电路电原理图

4.5　信号远传及光报警保持信号远传单元以可调恒流输出电路为主。Vi为前级的输出信号Vo(变化范围:监视电平VL或报警电平VH),V7、V9为精密集成稳压器,V7为N2提供参考电压,并通过R21、R22使降在R24、RP3上的电压UR24+RP3维持在120mV左右,确保远传信号I0的恒流精度。I0的大小由RP3确定。

I0=UR24-URP3R24+RP3在光报警保持单元中,V8为报警保持指示灯。Vo=VH时,V8点亮,指示传感器处于报警或报警保持状态。Vo=VL时,V8熄灭,传感器处于正常监视状态,如图4所示。

图4　KG8005型烟雾传感器恒流输出及光报警保持电路电原理图

5　结语

KG8005型烟雾传感器研制成功后,被全国各大局矿广泛装备于井下易引起火灾的场所,如发火煤层、采煤回风巷、运输胶带机头及转载点、采区变电所等处,使用效果较好。现场使用表明:1)离子型烟雾传感器对煤在300℃高温时激烈氧化分解产生的挥发性气溶胶微粒有明显反应,具有火灾早期预报功能。2)KG8005型烟雾传感器具有较强的抗煤尘干扰能力,电路功能设计合理,配套性好,对于井下火灾的就地监测和火灾的远程集中监控有很强的实效性。(责任编辑:熊云威)　

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4　结论

试验表明,采用初采瓦斯处理巷具有以下特点:1)工作面初采瓦斯抽放率高,占初采期瓦斯86.25%～90.29%的上邻近层瓦斯被及时排放,消除了初采期瓦斯超限隐患,实现了安全、高效生产。2)由于需要风排的瓦斯量减少,可适当降低工作面初采配风量,使高抽巷与上隅角的负压差加大,对瓦斯抽放更有利。即在有效抽放综放面初采期瓦斯的同时,也减少了工作面的配风量,使矿井的通风能力相对提高。 3)省去井下水环式移动泵站及回风巷抽放管路,简化了抽放系统与管理,根除了因回风巷铺设瓦斯管路所构成的重大瓦斯事故隐患,更安全、更可靠。4)小断面倾斜巷道一般不用支护,施工简单。但由于坡度较大,施工过程需加强安全防护。此外,初采瓦斯统计数据表明,当上部77.3m处的8#煤开采后,绝对瓦斯涌出量最大值为47.18m3Πmin,比8#煤未采的78.01m3Πmin减少30.83m3Πmin。(责任编辑:吴自立)

・71・2004年12月 矿业安全与环保 第31卷第6期English　Abstracts　of　This　Issue

ApplyingSingle-holeSteadyFlowPumpingTesttoEvaluateHydraulicPropertiesofBasementRockAquifersaroundLiuzhuangwesternWeatheringShafts(1)-Basedonstatisticalanalysisofdatameasuredfromthesingle-holesteadyflowpumpingtestsperformedinthegeologicalexploringboreholesatLiuzhuangweatheringshafts,functionalrelationshipsbetweendrawdownandflowrateaswellasbetweenaveragepumpinginducedhydraulicgradientandflowratewereestablishedforthebasementrockaquifers,inwhichtheweatheringshaftsshouldbesunk.Therechargingconditionofaquifersandthechangetendencyofaquiferconductivitywithdepthwereestimatedbycomparingtheformsofestablishedregressivefunctionsandthevaluesofitsconstantitemsfordifferentaquifers.Furthermore,theanalysisoftheoreticalinfluenceradiuscorrespondingtodifferentsteadydrawdownshowedthereisonlyweakhydraulicconcernbetweenthetwoshafts.TheoreticalStudyofDustControlTechniquebyAirCurtain(4)-Researchonthedustcontrolprinciplebyaircurtainandthesimilartheoryofdustcontrolbyaircurtainwasmadeonthebasisofbothair-jettheoryandair-solidtwo-phaseflowtheory.Investigationandstudyonthespecificmethodforthesimilarmodelofdustcontrolbyaircurtainwerealsoconducted.Aircurtainisabetterdustcontroldeviceanditseamstoformaninvisibleandtransparentscreenbetweenthecontinuousminersdriverandheadingface,whichcanpreventdustfromdispersingoutwardduringcoalcutting,thusachievingairpurificationinthereturnairway.Researchresultshavetheguidingsenseforthelaboratorytestandsiteapplicationofdustcontrolbyaircurtain.EvaluationofChongqing’sSustainableDevelopmentBasedonTheoryofGenuineSaving(6)-Asabrand-newdevelopmentconcept,sustainabledevelopmenthasaprofoundsignificance.ThesustainabledevelopmentinChongqingwasevaluatedinthispaperonthebasisofthetheoryofgenuinesaving.Accordingtotheresults,bothgenuinesavingandgenuineinvestmentwerepositive,buttheformerwasonup-trendandthelaterwasdowntrend.ItindicatedthatChongqingwoulddeveloprapidlyinshortperiod,however,wouldbeinclinetounsustainabledevelopmentinlongterm.SosomemeasuresneedtobetakentoturnthistrendinChongqing.OptimizingStudyonParametersofTop-bottom-softWorkingFacebyBlastingwithOrthogonalRegressionMethod(10)-Productioncapacityofthetop-bottom-softworkingfacebyblastingissyntheticallyinfluencedbymanyfactorssuchasfacelength,circulating-shiftnumber,velocityofblastandfallingcoal,prop-supportingvelocity,prop-withdrawingvelocityandcoal-loadingvelocity.Somesub-systemsimulationmodelshavebeensetuponthebasisofsystemanalysisofparametersinNo.746top-bottom-softworkingfaceinDongtingCoalMine.Systematicstudyonparameteroptimizationwasconductedinaccordancewithorthogonaloptimizingdesignandcomputersimulationregressiontechnology.Effectingpatternofproductioncapacityregardingtotheparametersofthetop-bottom-softworkingfacebyblastingwasobtainedinorderthatcirculating-shiftnumber,velocityofblastandfallingcoal,coal-loadingvelocityandprop-supportingvelocity.DevelopmentofIonicSmokeTransducer(15)-Thispaper,takingModelKG8005smoketransducerasanexample,analyzedtheintegralstructure,workingprinciple,circuitprincipleandtypicalcircuitoftheionicsmoketransducer.Applicationshowedthattheionicsmoketransducercansensitivelyreactwiththevolatileaerogelparticleswhicharegeneratedduringtheacuteoxidation-decompositionofcoalat300℃,hasthepredictionfunctionofearlyfire,strongeranti-interferenceabilitytocoaldustandbettereffectivenessforthein-situdetectionandremoteconcentratedmonitoringoffire.ResearchonSulfurFixingduringCoalPowderCombustion(21)-Sulfurfixingtestwasmadebyusingcalciumoxideandmagnesiumoxideasthesulfurfixativeintheprocessofsulfurcombustionincoalpowder.Testresultsshowedthattheabilityofcalciumoxidetofixsulfurisbetterthanthatofmagnesiumoxide.Ifcalciumoxideisusedasthesulfurfixative,thesulfur-fixedrateofbituminouscoalcanreach54.20%whenn(CaO)Πn(S)isequalto2.5,andthatofanthracitecanreach64.30%whenn(CaO)Πn(S)isequalto2.8.CoalandGasOutburstPreventionTechniqueandManagementforCoalRoadwayDrivage(25)-Thesafeandefficientminingofoutburst-pronecoalseamsisanimportantmeanstoimproveeconomicbenefitofanoutburstmine.Throughcooperativestudyandpractice,acompletesetofoutburst-preventioncommandsystemhasbeenformedinXieqiaoMinebytheclosecombinationofoutburst-preventiontechniqueswiththemanagementwork,whichthusrealizesthemonthlyadvanceoftheoutburstheadingfaceupto200mormoreandcreatesmarkedsafetyandeconomicbenefitsforthemine.Thispapergivesadescriptionoftheoutburst-preventiontechniquesandmanagementsystem.FeasibilityAssessmentoftheFirstMiningDistrictThreatenedbyKarstWaterinXingtaiCoalMine(31)-CoalminingisgenerallythreatenedbykarstwaterinOrdovicianlimestoneinnorthChinaarea,andwaterinrushorsubmergesometimesoccurs.Inordertoavoidwaterinrush,thispaper,takingXingtaiCoalMineastheexampleandtheassessmentofitshydrologicalconditionsastheguide,analyzedtheboundarypermeabilityofthefirstminingfield,madefurtherstudyontheconditionsoftheOrdovicianlimestoneandpredictedthecapacityofwaterinrushwithanalyticandanalogymethods.Thepaperalsoanalyzedthewater-resistancecharacteristicsofrockmassbetweencoalseamandOrdovicianlimestoneandmadepreliminaryassessmentontheminingfeasibilityofthefirst-miningdistrict,whichprovidereliablebasisforthedesignandwatercontrolanddrainageoftheminingdistrict.InquiringintoCountermeasuresforRaisingSafetyandEconomicBenefitofCoalMines(50)-Thispapermadeanapproachtotheintentionandquantitativeproblemofbotheconomiclossandbenefitofcoalminesafety,pointedoutthattheevaluationoflifevalueofindustrialinjuryanddeathisonthelowsideinourcountry,whichcausedthattheevaluationoftheeconomiclossofanaccidentisalsoonthelowside.Thepaperalsoanalyzedthemainfactorswhichaffectthesafetyandeconomicbenefitofcoalmines.Thesavingofthetotalsafetyinput,theincreaseofsafetyoutputandtheestablishmentofindustrialinjuryassurancesystemtodistributetheaccidentriskofenterprisesarethemainwaystoraisesafetyandeconomicbenefitsofcoalmines.Vol.31No.62004 MININGSAFETY&ENVIRONMENTALPROTECTION Dec.2004