第7章 矿山安全检测仪表系统

1、第七第七 章章 矿山安全检测仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第1页第七第七 章章 矿山安全检测仪表系统矿山安全检测仪表系统 第一节 安全检测仪表系统组成第二节 检测敏感元件第三节 信号转换及采集单元第四节 数据处理及管理单元第五节 信号显示输出单元第六节 信号变送输出单元第七节 控制调节执行单元第七第七 章章 矿山安全检测仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第2页第一节第一节 安全检测仪表系统组成安全检测仪表系统组成1 模拟式仪表系统组成及结构原理模拟式仪表系统组成及结构原理1.1 弹簧指针式仪

2、表弹簧指针式仪表1.2 动圈显示式仪表动圈显示式仪表1.2.1 动圈指示仪表的内部线路动圈指示仪表的内部线路1.2.2 动圈指示仪表的外接电阻动圈指示仪表的外接电阻1.3 自动平衡显示仪表自动平衡显示仪表1.3.1 自动平衡显示仪表的基本原理自动平衡显示仪表的基本原理1.3.2 自动电位差计自动电位差计1.3.3 自动平衡电桥自动平衡电桥1.4 电动单元组合仪表电动单元组合仪表1.4.1 电动单元组合仪表调节系统电动单元组合仪表调节系统1.4.2 电动单元组合仪表的信号制电动单元组合仪表的信号制2 数字式仪表系统组成及结构原理数字式仪表系统组成及结构原理 2.1 数字显示仪表的组成数字显示仪表

3、的组成2.2 数字面板表数字面板表3 智能式仪表系统组成及结构原理智能式仪表系统组成及结构原理3.1 智能化仪表的特点智能化仪表的特点3.2 智能化仪表系统组成智能化仪表系统组成第七第七 章章 矿山安全检测仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第3页第一节第一节 安全检测仪表系统组成安全检测仪表系统组成 根据检测仪表的工作原理，可以将其划分为：模拟式仪表、数字式仪表和智能式仪表三种仪表系统。其中，模拟式仪表模拟式仪表可以划分为弹簧指针式、动圈式和电动组合式仪表；数字式仪表数字式仪表和智智能式仪表能式仪表分别划分为便携式和固定式仪表(在煤矿俗称传感器

4、)。 根据图7-1，检测仪表系统大致有三大类，其系统组成也各不相同。模拟式仪表结构简单可靠，但测量精度低；数字式和智能式仪表结构复杂，但测量精度高，以利于数据交换、储存和分析，而且数字式和智能式仪表还有利于组成监控系统联网连续监测监控。第七第七 章章 矿山安全检测仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第4页图图7-1 检测仪表系统类型检测仪表系统类型第七第七 章章 矿山安全检测仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第5页1 模拟式仪表系统组成及结构原理模拟式仪表系统组成及结构原理 模拟式仪表模拟式仪表主

5、要由传感器、指示驱动机构和示数装置三大部分组成。1.1 弹簧指针式仪表弹簧指针式仪表 弹簧指针式仪表的工作原理主要是利用各种不同形状的弹性元件受力变形的原理制成的测量仪表，使得弹性元件发生位移。从而推动指针向着一定的方向运动。并指示出相应的被测量值。这类仪表主要用于测量与力有关的被测物理量参数，如压力(包括差压)测量等，人们通常吧这类仪表叫“弹性式压力测量仪弹性式压力测量仪表表”。第七第七 章章 矿山安全检测仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第6页图图7-2 弹簧指针式仪表结构弹簧指针式仪表结构 弹性式压力测量仪表弹性式压力测量仪表按采用的弹性

6、元件不同分为弹簧管压力表、膜片压力表、膜盒压力表和波纹管压力表等。 在图7-2中，弹簧管既是感力传感元件(传感器传感器)，又与拉杆和扇形齿轮传动机构组成指示驱动指示驱动机构机构、指针和刻度盘组成示数装示数装置置。第七第七 章章 矿山安全检测仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第7页 弹性式压力测量仪表特点：弹性式压力测量仪表特点： 这种仪表具有结构简单、使用可靠、读数清晰、牢固可靠、价格低廉、测量范围宽(-0.11500兆帕)以及有足够的精度等优点。 若增加附加装置，如记录机构、电气变换装置、控制元件等，则可以实现压力的记录、远传、信号报警、自动

7、控制等。 弹性式压力计可以用来测量几百帕到数千兆帕范围内的压力，因此在工业上是应用最为广泛的一种测压仪表。第七第七 章章 矿山安全检测仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第8页1.2 动圈显示式仪表动圈显示式仪表 动圈式仪表的测量机构是一个磁电系检流计， 如图7-3(a)所示。它由永久磁铁、可动线圈、 张丝、 指针、 刻度标尺、 铁芯等构成。 测量机构与测量线路组成动圈式指示仪表， 若再配以给定机构可组成调节仪表。 动圈式仪表结构简单， 价格低廉， 易于维护， 精度可达1.0级， 与各种敏感元件和传感器、 变送器配合，广泛应用于温度、 压力、成分

8、、物位等非电量的测量。第七第七 章章 矿山安全检测仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第9页图图7-3 动圈式指示仪表的组成动圈式指示仪表的组成 (a) 测量机构； (b) 测量线路 第七第七 章章 矿山安全检测仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第10页1.2.1 动圈指示仪表的内部线路动圈指示仪表的内部线路 动圈指示仪表的测量线路是由串联量程调整电阻RM、串联温度补偿电阻RT和与RT并联的线性补偿电阻RB等组成。RM用锰铜丝绕制，阻值一般在2001000 之间，调整RM可得到所需要的量程；RT用

9、来补偿动圈电阻RD的温度特性，在20时，选 RT =68 ；RB =50 为锰铜丝电阻， 用来补偿RT的非线性。 第七第七 章章 矿山安全检测仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第11页1.2.2 动圈指示仪表的外接电阻动圈指示仪表的外接电阻 根据磁电检流计的原理， 指针的偏转角与回路电流成正比，当输入电压一定时，它取决于回路的总电阻。仪表内部电阻可确定，而外部电阻是被测电路的等效电阻，不能事先确定。为了给仪表定度，规定外部电阻为15 。仪表出厂时配带一只15 的锰铜丝线绕电阻， 使用时拆去一部分，拆去部分等于被测电路工作状态下的电阻值，将剩余部

10、分串接在回路中。 第七第七 章章 矿山安全检测仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第12页图7-4 动圈仪表电路 第七第七 章章 矿山安全检测仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第13页1.3 自动平衡显示仪表自动平衡显示仪表1.3.1 自动平衡显示仪表的基本原理自动平衡显示仪表的基本原理如图7-5所示，自动平衡显示仪表利用电子放大器代替人眼和检流计，根据误差信号的极性和大小控制可逆电动机转动， 带动测量桥路中的位置传感器(滑线电位器或差动变压器及凸轮等)对电路进行调整， 自动实现平衡。 桥路平衡时

11、不从传感器取用电流， 并且无指针和记录笔等的摩擦，从而提高了仪表的灵敏度、 精度与速度，可带动记录、调节、报警、积算等附加装置，具有多种功能。它们与热电偶、热电阻及其他测量元件(或变送器)配套后， 可以自动地连续测量并记录温度、 压力、 流量、 物位等参数的变化规律。 第七第七 章章 矿山安全检测仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第14页图图7-5 自动平衡显示仪表框图自动平衡显示仪表框图 第七第七 章章 矿山安全检测仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第15页1.3.2 自动电位差计自动电位差计

12、自动电位差计一般分两大类：一类用于测温，另一类用于测量直流电压或电流。 测温的自动电位差计为XW系列，它是利用不平衡电桥的输出电压UAB来补偿热电偶的热电势Ux ， 若UAB Ux，其差值U经放大器放大输出， 控制可逆电机转动， 它带动滑线电阻的滑点移动， 自动调节电桥输出电压， 直到UAB= Ux，可逆电机停转，整个系统达到了平衡。 第七第七 章章 矿山安全检测仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第16页自动电位差计的测量桥路如图7-6所示。 以电源对角线CF为界， 分为上、下两个支路， 电流分别为I1和I2。 按照统一设计的规定，有滑线电阻R

13、H的上支路，工作电流 I1 =4 mA； 有铜电阻RCu的下支路，工作电流I2 =2 mA， 总工作电流为6 mA。 也有些自动电位差计，上、下支路都用2 mA， 总工作电流为4 mA。 桥路电源一律采用E=1V的晶体管直流稳压电源。 不用标准电池， 也无需用标准电池整定， 其精度即可满足工业仪表的要求。 第七第七 章章 矿山安全检测仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第17页图图7-6 自动电位差计测量桥自动电位差计测量桥 第七第七 章章 矿山安全检测仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第18页1

14、.3.3 自动平衡电桥自动平衡电桥 自动平衡电桥为XQ系列，与热电阻配合，用来测量温度。 与自动电位差计桥路所不同的是传感器接在桥臂之中。 如图7-7所示为自动平衡电桥的测量桥路。 图中，C1、C2和C3点是自动平衡电桥与测温热电阻的连接点， 采用2.5 定值导线三线制接法。 定值导线是规定每根导线(包括热电阻的引线及连接导线)的电阻应为2.5 ， 不足部分用锰铜调整电阻RW补足。 为了便于生产，将R3和R4做成同样阻值。 其他电阻计算方法与自动电位差计相仿。 第七第七 章章 矿山安全检测仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第19页图图7-7 自

15、动平衡电桥测量桥路自动平衡电桥测量桥路 第七第七 章章 矿山安全检测仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第20页1.4 电动单元组合仪表电动单元组合仪表1.4.1 电动单元组合仪表调节系统电动单元组合仪表调节系统图7-8是由电动单元组合仪表构成的简单调节系统的方框图， 图中调节对象代表生产过程中的某个设备， 其输出为被调参数(如压力、流量、温度等工艺参数)。这些工艺参数经变送单元转换成相应的电信号后， 一方面送到显示单元供指示或记录，另一方面又送到调节单元中，与给定单元送来的给定值相比较。调节单元按照比较后输出的偏差，经过某种运算后发出调节信号，

16、控制执行单元的动作，直到被调参数与给定值相等为止。 第七第七 章章 矿山安全检测仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第21页图图7-8 电动组合仪表调节系统方框图电动组合仪表调节系统方框图 第七第七 章章 矿山安全检测仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第22页1.4.2 电动单元组合仪表的信号制电动单元组合仪表的信号制电动单元组合仪有三代产品。目前，电子管式的DDZ-系列已淘汰，DDZ-和DDZ-系列在我国尚有应用。DDZ系列仪表的组成单元主要有变送单元、调节单元、执行单元、显示仪表、 给定单元、

17、计算单元、转换单元、辅助单元。 DDZ-系列仪表以晶体管为主要元件，采用交流220 V电源，各单元之间的联络信号为直流010 mA，精度一般为0.5级。 各单元仪表串联，可保证各单元接受的信号完全一致；适合于远距离传送；与磁场作用可产生机械力，便于利用力平衡原理；信号的起始值为零，便于对模拟量进行运算，但无法识别断线，不易避开元件的死区和非线性段。 第七第七 章章 矿山安全检测仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第23页DDZ-系列的绝大多数核心电路是线性运算放大器或逻辑组件，采用420 mA信号制，提高了可靠性和带负载能力，克服了DDZ-系列的

18、弊端，已基本取代了DDZ-系列仪表。如图7-9所示，DDZ-系列各单元仪表采用现场串联，室内并联(并联250 电阻可转换为15 V的电压信号)的联络方式，直流1524V集中供电(在电路内部分成14 V和-10 V双电源)，采用低压供电易于构成安全火花防爆系统。 第七第七 章章 矿山安全检测仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第24页图图7-9 DDZ-系列仪表的联络方式系列仪表的联络方式 第七第七 章章 矿山安全检测仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第25页2 数字式仪表数字式仪表系统组成及结构原

19、理系统组成及结构原理 2.1 数字显示仪表的组成数字显示仪表的组成数字显示仪表一般由传感器、信号调理电路、 前置放大器、 A/D转换器(数字面板表)、显示器、D/A转换器( V/I变换电路)、报警电路和电源等部分所组成。 其中根据使用不同，便携式仪表没有D/A转换器( V/I变换电路)，固定式仪表还有信号输出电路，如 V/I变换电路或V/f变换电路。便携式数字仪表和固定式数字仪表组成分别见图7-10和图7-11所示。第七第七 章章 矿山安全检测仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第26页图图7-10 便携式便携式数字仪表构成原理数字仪表构成原理

20、第七第七 章章 矿山安全检测仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第27页图图7-11 固定式固定式数字仪表构成原理数字仪表构成原理 第七第七 章章 矿山安全检测仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第28页2.2 数字面板表数字面板表数字面板表简称DPM，是一个由双积分A/D转换器构成的不带外壳的直流数字电压表，将直流电压信号线性地转为数字显示。 它像一个表头那样可以装在仪表的外壳上，与各种传感器及相应电路配合构成各种非电量检测仪表。常用的显示位数为两位半( 位)、三位半(位)、四位半(位)等。 21

21、2213214第七第七 章章 矿山安全检测仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第29页3 智能式仪表系统组成及结构原理智能式仪表系统组成及结构原理3.1 智能化仪表的特点智能化仪表的特点结构特点结构特点(1) 以微型计算机为核心，其他部分均为外围设备，易于实现模块化积木式结构。 (2) 采用总线结构，内部采用微计算机的数据总线、地址总线和控制总线；外部采用通用接口总线。 (3) 面板采用键盘操作，既简化制造工艺，又便于操作。 (4) 部分硬件可由软件代替，成本低、功能灵活、体积小、 重量轻。 第七第七 章章 矿山安全检测仪表系统矿山安全检测仪表系

22、统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第30页性能特点性能特点(1) 存储功能：可对大量的数据(测量结果、各种标准量值或备用参数)进行存储。 (2) 运算功能：对被测量进行数学运算，如求平均值、 方差、 百分误差等。 (3) 控制功能：用软件代替传统的逻辑电路进行各种逻辑判断，使系统的控制功能更加灵活、可靠，如量程的自动控制。 (4) 补偿功能：对周围环境的影响和被测量的特性进行补偿。 第七第七 章章 矿山安全检测仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第31页 (5)自校准功能：自动对机箱内的基准量进行测量， 并获得一组校准参数

23、，然后通过运算功能进行处理。 (6)自诊断功能：对装置的主要环节自动进行故障诊断， 从而提高可靠性和可维修性。 智能检测系统因为具有上述特点， 所以不仅使其一次可获得并处理大批信息， 使实时处理得以实现， 而且在整体功能、 测量精度和测量范围方面也得到巨大改进。 因此， 智能化检测仪表不仅是仪器仪表， 而且是自动控制和机器人的发展方向。 第七第七 章章 矿山安全检测仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第32页3.2 智能化仪表智能化仪表系统组成系统组成智能式仪表一般由信号输入电路、数据处理电路、人机接口电路、信号输出电路和电源电路等五部分所组成。

24、 信号输入电路信号输入电路：传感器或敏感元件、信号调理电路、 前置放大器、A/D转换器等； 数据处理电路：数据处理电路：微型单片计算机、程序存储器、数据存储器、接口电路等； 人机接口电路人机接口电路：键盘及译码电路(遥控器接收及译码电路)、显示电路、报警电路、打印接口电路等； 信号输出电路：信号输出电路：D/A转换器及驱动电路、 V/I变换电路或频率信号发生电路、串口通讯电路等； 电源电路电源电路：DC-DC转换电路、基准电源电路等。第七第七 章章 矿山安全检测仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第33页图图7-12 便携式智能便携式智能仪表构成

25、原理仪表构成原理 第七第七 章章 矿山安全检测仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第34页图图7-13 固定式智能固定式智能仪表构成原理仪表构成原理 第七第七 章章 矿山安全检测仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第35页智能仪器的主体部分是由单片机及其扩展电路（程序存储器EPROM、数据存储器RAM及输入输出接口等）组成的。主机电路是智能仪器区别于传统仪器的核心部件，用于存储程序、 数据，执行程序并进行各种运算、数据处理和实现各种控制功能。输入电路和A/D 转换接口构成了输入通道；而D/A转换接口

26、及驱动电路则构成了输出通道；键盘输入接口、显示器接口及打印机接口等用于沟通操作者与智能仪器之间的联系，属于人机接口部件；通信接口则用来实现智能仪器与其他仪器或设备交换数据和信息。 第七第七 章章 矿山安全检测仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第36页智能仪器的软件包括监控程序和接口管理程序两部分。 其中，监控程序监控程序主要是面向仪器操作面板、键盘和显示器的管理程序。其内容包括：通过键盘操作输入并存储所设置的功能、操作方式与工作参数。通过控制I/O接口电路对数据进行采集； 对仪器进行预定的设置；对所测试和记录的数据与状态进行各种处理；以数字、字

27、符、图形等形式显示各种状态信息以及测量数据的处理结果等。接口管理程序接口管理程序主要面向通信接口，其作用是接收并分析来自通信接口总线的各种有关信息、操作方式与工作参数的程控操作码， 并通过通信接口输出仪器的现行工作状态及测量数据的处理结果来响应计算机的远程控制命令。 第七第七 章章 矿山安全检测仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第37页智能仪器的工作过程是：外部的输入信号（被测量）先经过输入电路进行变换、放大、整形和补偿等处理，然后再经模拟量通道的A/D转换接口转换成数字量信号， 送入单片机。单片机对输入数据进行加工处理、分析、计算等一系列工作

28、， 并将运算结果存入数据存储器RAM中。同时，可通过显示器接口送至显示器显示，或通过打印机接口送至微型打印机打印输出，也可以将输出的数字量经模拟量通道的D/A转换接口转换成模拟量信号输出，并经过驱动与执行电路去控制被控对象， 还可以通过通信接口（例如RS-232、 RS485等）或V/I变换电路和频率信号发生电路实现与其他智能仪器的数据通信，完成更复杂的测量与控制任务。 第七第七 章章 矿山安全检测仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第38页第二节第二节 检测敏感元件检测敏感元件 1 甲烷敏感元件甲烷敏感元件 1.1 MJC4/3.0L、MJC4

29、/2.9J 载体催化元件载体催化元件 1.2 GJ系列热导元件系列热导元件 2 一氧化碳敏感元件一氧化碳敏感元件 3 二氧化碳敏感元件二氧化碳敏感元件 4 氧气敏感元件氧气敏感元件 5 温度敏感元件温度敏感元件 6 烟雾离子敏感元件烟雾离子敏感元件第七第七 章章 矿山安全检测仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第39页第二节第二节 检测敏感元件检测敏感元件 矿山安全检测任务主要对环境参数、通风参数、供电参数、粉尘浓度、煤位和设备开停状态等进行监测监控。 环境参数环境参数：甲烷浓度、一氧化碳浓度、二氧化碳浓度、氧气浓度、温度； 通风参数通风参数：风

30、速和通风负压； 供电参数供电参数：电压和电流； 设备开停设备开停：设备开停状态(开停)、设备供电状态(馈电)、风筒开关、风门开关。第七第七 章章 矿山安全检测仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第40页1 甲烷敏感元件甲烷敏感元件 目前国内检测矿井甲烷浓度主要采用载体催化原理和热导式原理。其中载体催化元件国内有14个单位生产，在产品种31个；热导式元件国内有3家生产单位，在产产品5个。1.1 MJC4/3.0L、MJC4/2.9J 载体催化元件载体催化元件 (1)主要技术指标：主要技术指标：工作电压和电流工作电压和电流第七第七 章章 矿山安全检测

31、仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第41页灵敏度灵敏度 15mV/1%CH4基本误差基本误差灵敏度和零点漂移灵敏度和零点漂移 MJC4/2.9J型元件工作1510h、MJC4/3.0L型元件工作1524h，均应符合基本误差要求。使用寿命使用寿命 在0.5CH4环境中工作，其寿命应1年工作环境工作环境 温度040；相对湿度4575；大气压力80116kPa第七第七 章章 矿山安全检测仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第42页 (2)外形外形图图7-14 MJC4/3.0L、MJC4/2.9J 载体

32、催化元件外形载体催化元件外形第七第七 章章 矿山安全检测仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第43页图图7-15 MJC4/3.0L、MJC4/2.9J 载体催化元件外形尺寸载体催化元件外形尺寸 第七第七 章章 矿山安全检测仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第44页 (3)测试电路测试电路图图7-16 MJC4/3.0L、MJC4/2.9J 载体催化元件测试电路载体催化元件测试电路 第七第七 章章 矿山安全检测仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第4

33、5页 (4)应用电路应用电路图图7-17 MJC4/3.0L、MJC4/2.9J 载体催化元件应用电路载体催化元件应用电路 第七第七 章章 矿山安全检测仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第46页1.2 GJ系列热导元件系列热导元件 (1)40/24型型 工作电压：2.0V DC 工作电流：45mA 测量范围：440CH4 测量误差：410CH4 0.8CH4、1040CH4 士8 输出灵敏度：1.00mV/1CH4 寿 命：2年第七第七 章章 矿山安全检测仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第47

34、页 (2)100/8型型 工作电压：3.0V DC 工作电流：45mA 测量范围：4100CH4 测量误差：410CH4 0.8CH4、10100CH4 士8 输出灵敏度：0.2mV/1CH4 寿 命：2年第七第七 章章 矿山安全检测仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第48页2 一氧化碳敏感元件一氧化碳敏感元件 目前国内检测矿井一氧化碳浓度主要采用电化学原理。目前，我国一氧化碳敏感元件主要依靠进口。ME系列电化学一氧化碳元件系列电化学一氧化碳元件 (1)主要参数主要参数第七第七 章章 矿山安全检测仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔 20

35、21年12月1日星期三下午2时26分第49页第七第七 章章 矿山安全检测仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第50页 (2)外形外形图图7-18 ME一氧化碳元件外形一氧化碳元件外形 第七第七 章章 矿山安全检测仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第51页 (3)外形尺寸外形尺寸图图7-19 ME一氧化碳元件外形尺寸一氧化碳元件外形尺寸第七第七 章章 矿山安全检测仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第52页 (4)基本特征基本特征第七第七 章章 矿山安

36、全检测仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第53页第七第七 章章 矿山安全检测仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第54页第七第七 章章 矿山安全检测仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第55页 (5)特性曲线特性曲线图图7-20 ME一氧化碳元件灵敏度曲线一氧化碳元件灵敏度曲线第七第七 章章 矿山安全检测仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第56页图图7-21 ME一氧化碳元件响应恢复曲线一氧化碳元件响

37、应恢复曲线第七第七 章章 矿山安全检测仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第57页图图7-22 ME一氧化碳元件温度曲线一氧化碳元件温度曲线第七第七 章章 矿山安全检测仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第58页图图7-23 ME2一氧化碳元件应用电路一氧化碳元件应用电路 (6)应用电路应用电路第七第七 章章 矿山安全检测仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第59页图图7-24 ME3/4一氧化碳元件应用电路一氧化碳元件应用电路第七第七 章章 矿山安全

38、检测仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第60页3 二氧化碳敏感元件二氧化碳敏感元件 目前国内检测矿井二氧化碳浓度主要采用固体电解质原理。其元件主要依靠进口。MG811固体电解质二氧化碳元件固体电解质二氧化碳元件 (1)主要参数主要参数第七第七 章章 矿山安全检测仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第61页第七第七 章章 矿山安全检测仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第62页 (2)外形外形图图7-25 MG811固体电解质二氧化碳元件外形固体电解质

39、二氧化碳元件外形 第七第七 章章 矿山安全检测仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第63页 (3)外形尺寸外形尺寸图图7-26 MG811固体电解质二氧化碳元件外形尺寸固体电解质二氧化碳元件外形尺寸第七第七 章章 矿山安全检测仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第64页4 氧气敏感元件氧气敏感元件 目前国内检测矿井氧气浓度大部分采用电化学式原理。其元件主要依靠进口。ME2/3电化学式氧气元件电化学式氧气元件 (1)主要参数主要参数第七第七 章章 矿山安全检测仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔

40、 2021年12月1日星期三下午2时26分第65页第七第七 章章 矿山安全检测仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第66页 (2)外形外形图图7-27 ME2/3电化学式氧气元件外形电化学式氧气元件外形 第七第七 章章 矿山安全检测仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第67页 (3)外形尺寸外形尺寸图图7-28 ME2电化学式氧气元件外形尺寸电化学式氧气元件外形尺寸第七第七 章章 矿山安全检测仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第68页图图7-29 M

41、E3电化学式氧气元件外形尺寸电化学式氧气元件外形尺寸第七第七 章章 矿山安全检测仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第69页 (4)基本特征基本特征第七第七 章章 矿山安全检测仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第70页 (5)特性曲线特性曲线图图7-30 ME2/3电化学式氧气元件灵敏度曲线电化学式氧气元件灵敏度曲线第七第七 章章 矿山安全检测仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第71页图图7-31 ME2/3电化学式氧气元件响应恢复曲线电化学式氧气

42、元件响应恢复曲线第七第七 章章 矿山安全检测仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第72页图图7-32 ME2/3电化学式氧气元件温度曲线电化学式氧气元件温度曲线第七第七 章章 矿山安全检测仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第73页 (6)应用电路应用电路图图7-33 ME2/3电化学式氧气元件应用电路电化学式氧气元件应用电路第七第七 章章 矿山安全检测仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第74页5 温度敏感元件温度敏感元件 温度检测原理及元器件种类繁

43、多，作为矿井环境温度检测大部分都采用PN节温度检测原理和红外温度检测原理，极少部分也采用集成式温度传感器。HN线性线性NTC温度检测元件温度检测元件 (1)外形外形图图7-34 HN线性线性NTC温度检测元件外形温度检测元件外形第七第七 章章 矿山安全检测仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第75页 (2)基本性能基本性能 HN线性NTC温度传感器体积小，重量轻，感温灵敏，非常适合于火灾报警，办公场所使用，或直接焊接在电路板上.其具体指标如下： 测温范围：-50-200C； 线 性 度：0.5%； 基准电压：690-710mv（出厂时具体标定）；

44、 电压温度系数： -2mv/； 稳 定 度：0.05C/年； 外形结构：38金属壳封装； 引 线：0.520/25mm铜镀锡金属线；可直接焊接在电路版上。第七第七 章章 矿山安全检测仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第76页 (3)应用电路应用电路图图7-35 HN线性线性NTC温度检测元件应用电路温度检测元件应用电路第七第七 章章 矿山安全检测仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第77页6 烟雾离子敏感元件烟雾离子敏感元件 烟雾检测一般采用电离原理，其元件一般为进口。HIS-07烟雾离子检测元件

45、烟雾离子检测元件 (1)外形外形图图7-36 HIS-07烟雾离子检测元件外形烟雾离子检测元件外形第七第七 章章 矿山安全检测仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第78页 (2)外形尺寸外形尺寸图图7-37 HIS-07烟雾离子检测元件外形尺寸烟雾离子检测元件外形尺寸第七第七 章章 矿山安全检测仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第79页 (3)工作原理工作原理 当流经内外电离室的电离电子流不平衡时，收集极充电直到电离电流达到平衡。在无烟或无燃烧物时，收集极除受电离电流统计涨落影响外，保持平衡电位。

46、当烟进入电离室时对电离电流产生影响，易于进烟的外电离室受影响大于内电离室，电离电流下降，收集极重新充电直到新的平衡电位，这种电位变化可用于触发报警电路。第七第七 章章 矿山安全检测仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第80页 (4)特色特色 a)单源双室结构；体积小，便于安装在小型报警器中； b)在相对温、湿度40和95%条件下，收集极平衡电位变化值在基本参数范围内； c)电离室结构符合UL217 9.5节对防虫网的要求； d)不锈钢和聚酸酯材料及电离源表面金属钯均具有高耐腐蚀性能； e)收集极平衡电位一致性好，分散度小，可以用于模拟量感烟探测器

47、； f)所有焊点预先涂焊料，便于焊接安装。第七第七 章章 矿山安全检测仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第81页 (5)技术规格技术规格第七第七 章章 矿山安全检测仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第82页 (6)应用电离应用电离图图7-37 HIS-07烟雾离子检测元件应用电路烟雾离子检测元件应用电路第七第七 章章 矿山安全检测仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第83页第三节第三节 信号转换及采集单元信号转换及采集单元 第七第七 章章 矿山安全

48、检测仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第84页第三节第三节 信号转换及采集单元信号转换及采集单元 信号转换及采集单元包括前置放大器、信号调理电路、 信号转换、A/D转换器和数据采集系统等。 前置放大器、信号调理电路、 信号转换、A/D转换器和数据采集系统往往被统称为信号采集电路或采集单元，它是仪表系统中的信号输入单元电路。 针对不同的信号往往需要不同的采集电路，如大信号输出传感器和数字式传感器等就不需要前置放大器，仅对传感器信号进行整形滤波和信号转换后就可以将信号输入数据采集系统。数字式传感器则不需要A/D转换器，可以直接将传感器信号输入数据采

49、集系统。第七第七 章章 矿山安全检测仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第85页1 前置放大器前置放大器 在许多检测技术的应用场合，传感器输出的信号比较弱，而且其中还包括了工频、静电和电磁耦合等共模干扰，对这种信号的放大就需要放大电路具有很好的共模抑制比以及高增益、低噪声和高输入阻抗，习惯上将具有这样特点的放大器称为仪用放大器或前置放大器。如图7-38所示。第七第七 章章 矿山安全检测仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第86页 图图7-38 前置放大器前置放大器A1U1RWU2A2Rf1Rf2Uo

50、1RRUo2RLA3RiUo)1 (21WfffURRRRRA(7-1) 图7-38中三个运放组成的测量放大器，差动输入端U1和U2分别是两个运算放大器(A1、A2)的同相输入端，因此输入阻抗很高。采用对称电路结构，而且被测信号直接加入到输入端上，从而保证了较强的抑制共模信号的能力。A3实际上是一差动跟随器，其增益近似为1。放大器的放大倍数由式7-1确定：第七第七 章章 矿山安全检测仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第87页 UUi- UiRG8114236139111874510 kWAD 522输出基准地U AD522主要可用于恶劣环境下要

51、求进行高精度数据采集的场合。由于AD522具有低电压漂移(2V/)、低非线性(0.005，增益为100时)、高共模抑制比(110 dB，增益为1000时)、 低噪声(1.5 V（P-P），0.1100 Hz)、低失调电压(100 V)等特点，因而可用于许多12位数据采集系统中。图7-39为AD522的典型接法。图图7-39 AD522放大电路放大电路第七第七 章章 矿山安全检测仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第88页 选择不同的开关闭合，即可实现增益的变换。如果利用软件对开关闭合情况进行选择，即可实现程控增益变换。 1.1 程控增益放大器程控

52、增益放大器 利用改变反馈电阻的办法来实现量程变换的可变换增益放大器电路。当开关S1闭合，S2和S3断开时，放大倍数为： RRAvf1RRAvf2R3R2R1S3S2S1UoRUiR 而当S2闭合，而其余两个开关断开时，其放大倍数为：(7-2)(7-3)图图7-40 程控增益放大器电路程控增益放大器电路第七第七 章章 矿山安全检测仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第89页 AD521测量放大器与模拟开关结合组成的程控增益放大器，通过改变其外接电阻R的办法可实现增益控制。如图7-41所示。 AD 5214052Uo7121310811123465U

53、U-D0D1R图图7-41 AD521和模拟开关构成的程控增益放大器和模拟开关构成的程控增益放大器第七第七 章章 矿山安全检测仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第90页 1.2 隔离放大器隔离放大器 由于隔离放大器采用了浮离式设计，消除了输入、输出端之间的耦合，因此还具有以下特点： (1)能保护系统元件不受高共模电压的损害，防止高压对低压信号系统的损坏。 (2)泄漏电流低，对于测量放大器的输入端无须提供偏流返回通路。 (3)共模抑制比高，能对直流和低频信号(电压或电流)进行准确、安全的测量。 信号传递的主要方式： (1)电磁耦合 (2)光电耦合

54、第七第七 章章 矿山安全检测仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第91页 1.2.1 变压器隔离放大器变压器隔离放大器 +- -1A调制器调制器隔隔 离离电电 源源解调器解调器振荡器振荡器+- -2A输入屏蔽输入屏蔽输出屏蔽输出屏蔽uOuIWk100CCV 图图7-42 变压器隔离放大器原理图变压器隔离放大器原理图第七第七 章章 矿山安全检测仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第92页 284型隔离放大器为提高微电流和低频信号的测量精度，减小漂移，其电路采用调制式放大，其内部分为输入、输出和电源三个

55、彼此相互隔离的部分，并由低泄漏高频载波变压器耦合在一起。通过变压器的耦合，将电源电压送入输入电路并将信号从输出电路送出。输入部分包括双极型前置放大器、调制器； 输出部分包括解调器和滤波器，一般在滤波器后还有缓冲放大器。第七第七 章章 矿山安全检测仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第93页 调制 器解 调 器436125电 源振 荡 缓 冲 放 大 器滤 波 器121179108输 入 端增 益 端320 kW1 kW保 护 端 UISO UISO公 共 端调 制 驱 动输 入 滤 波 公 共端双 极 型 前 置 放 大 器DC TO 1kHz解

56、 调 驱 动前 置 隔 离输 出 端微 调 端 US电 源 端100 kHz振 荡 输 入 端 15 V 15 V100 kWR2图图7-43 284型隔离放大器的电路结构图型隔离放大器的电路结构图第七第七 章章 矿山安全检测仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第94页 (+VCC)(VEE) 1A调制器调制器隔隔 离离电电 源源解调器解调器振荡器振荡器 2A输入屏蔽输入屏蔽输出屏蔽输出屏蔽W Wk100W Wk100W WM116151114101213126873495(+15V)(-15V)图图7-44 变压器隔离放大器变压器隔离放大器AD

57、277原理图原理图第七第七 章章 矿山安全检测仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第95页 1.2.2 光电耦合隔离放大器光电耦合隔离放大器 光电耦合器的特点：耦合器中的发光和光敏元件都是非线性器件非线性器件传输模拟信号将会导致信号失真 克服非线性失真通常采取的措施：给非线性器件施加合适的直流偏置，在小范围内线性传输信息。采用负反馈技术。第七第七 章章 矿山安全检测仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第96页 CA1O1A2+15V+5V15V15V+15V+5V RW R2O2GND2GND1T2

58、T14.3k1k3.9k564.3k R4 R1 uI uo R3 1500pf图图7-45 光电耦合隔离放大器原理图光电耦合隔离放大器原理图第七第七 章章 矿山安全检测仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第97页电压并联负反馈电压并联负反馈 CA1O1A2+15V+5V15V15V+15V+5V RW R2O2GND2GND1T2T14.3k1k3.9k564.3k R4 R1 uI uo R3 1500pf图图7-46 光电耦合隔离放大器电压并联负反馈电路光电耦合隔离放大器电压并联负反馈电路第七第七 章章 矿山安全检测仪表系统矿山安全检测仪表

59、系统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第98页电压串联负反馈电压串联负反馈 CA1O1A2+15V+5V15V15V+15V+5V RW R2O2GND2GND1T2T14.3k1k3.9k564.3k R4 R1 uI uo R3 1500pf图图7-47 光电耦合隔离放大器电压串联负反馈电路光电耦合隔离放大器电压串联负反馈电路第七第七 章章 矿山安全检测仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第99页电压串联负反馈电压串联负反馈 CA1O1A2+15V+5V15V15V+15V+5V RW R2O2GND2GND1T2T14

60、.3k1k3.9k564.3k R4 R1 uI uo R3 1500pf图图7-48 光电耦合隔离放大器电压串联负反馈判据光电耦合隔离放大器电压串联负反馈判据电压并联负反馈电压并联负反馈第七第七 章章 矿山安全检测仪表系统矿山安全检测仪表系统重庆大学 周翔 2021年12月1日星期三下午2时26分第100页uO = uIuO= uCE1uI= uCE2uCE1= uCE2uCE2uCE1 CA1O1A2+15V+5V15V15V+15V+5V RW R2O2GND2GND1T2T14.3k1k3.9k564.3k R4 R1 uI uo R3 1500pf图图7-49 光电耦合隔离放大器工作