浅议矿用P2030KP型一氧化碳传感器量程改造

【摘要】本文阐述了矿用P2030KP型一氧化碳传感器的量程改造方法，在不购置大量程一氧化碳传感器的前提下，通过电子线路的改造，解决了该型传感器在金凤煤矿井下巷道中一氧化碳高浓度地点无法实施监测的问题，提升了安全监控系统整体的可靠性和监控精度，具有很强的经济性和安全性。

【关键词】矿井;一氧化碳传感器;量程改造

Abstract：This paper describes the scale transformation method of mining P2030KP type carbon monoxide sensors，without the purchase of a large range of carbon monoxide sensor premise，through the transformation of electronic circuits to solve this type of sensor in the Jinfeng underground mine roadway in high concentrations of carbon monoxide monitoring sites can not be implemented the problem，to enhance the overall reliability of the safety monitoring system and monitoring precision，has a strong economy and safety.

Key words：Mine;carbon monoxide sensors;scale transformation

1.引言

矿用传感器是煤矿安全监控系统的“耳目”，用于监测煤矿环境参数与生产过程参数，完成信息的获取和转换功能。一氧化碳浓度的高低是煤矿是否发生自燃火灾的重要标志之一，是导致人员中毒死亡而引起重大伤亡事故的重要因素。煤矿安全规程明确要求，在大巷、回风巷、采煤工作面、掘进工作面、采空区等其中一些地点需要对一氧化碳气体浓度进行实时监测，并在气体浓度达到或者超过预设定危险值时进行报警。一氧化碳传感器的性能好坏直接影响着安全监控系统的监控精度[1]，该传感器一旦监控失效，后果将是灾难性的。

2.P2030KP型一氧化碳传感器

2.1 性能简介

煤矿常用的一氧化碳传感器有电化学式、催化型可燃气体式、红外吸收式等，现在广泛使用的是电化学式的一氧化碳传感器。[2]P2030KP型本质安全型一氧化碳传感器就属于电化学式一氧化碳传感器，该传感头采用电化学式感应元件。在金凤煤矿KJ31N（S800）安全监控系统中用于煤矿井下巷道、采掘工作面或机电硐室环境中的一氧化碳含量检测，并把检测的数值送至井上中心站进行数据处理，使管理人员随时掌握井下一氧化碳气体浓度，以保证煤矿井下的安全生产。

2.2 结构组成

P2030KP型本质安全型一氧化碳传感器系统的组成如框图1所示。该系统以ATMEL单片机为核心，硬件电路由显示电路、声光报警电路、信号放大电路、A/D转换电路、红外接收电路、频率输出电路等组成，实现了一氧化碳浓度的数字化、智能化监测。

图1 P2030KP型本质安全型一氧化碳传感器系统组成框图

2.3 主要技术指标

（1）工作电压：DC 18V;

（2）工作电流：≤35mA;

（3）测量范围：0～100 ppm;

（4）环境温度：0～40℃;

（5）相对湿度：≤98%;

（6）大气压力：80～116 Kpa;

（7）风速：不大于8m/s;

（8）机械环境：煤矿井下有爆炸性混合物，但无破坏绝缘的腐蚀性气体场所;

（9）防爆形式：矿用本质安全型;

（10）防爆标志：ExibI

（11）误差范围：（0～20）ppm±2ppm;>（20～100）ppm±4 ppm。

（12）信号最大传输距离：2km。

2.4 工作原理

电化学一氧化碳传感器是一种微燃料电池元件，对检测气体以恒定电位作电化学性氧化还原反应，通过测定电场电流获得气体浓度的信息。它的工作原理是利用工作电极与对电极组成电极对，当这对电极浸入电解液中，在电极间加上电压会产生极化，若工作电极为正，对电极为负，则电解液中的负离子移向工作电极，正离子移向对电极，此时被测气体扩散到工作电极上，在催化剂作用下产生电化学反应释放出电荷，使工作电极与对电极的电位发生变化，产生电流[3]。

一氧化碳传感器的电极上发生的反应是：

工作电极（阳极）：CO+H2OCO2+2H++2e-

对电极（阴极）： ?02+2H++2e-H20

电流的大小与电极电位和气体浓度等因素有关，当电极电位一定时，反应电流与气体浓度和扩散系数成正比，与扩散电极厚度成反比。

I=nFADC/ε

式中参数：

I-反应电流;

n-反应中1摩尔气体释放的电子数;

F-法拉第常数;

A-反应界面面积;

D-气体扩散系数;

C-气体常数;

ε-气体扩散电极厚度

P2030KP型传感器采用氧化电池型电化学传感元件作为一氧化碳的检测元件。它产生一个与一氧化碳的含量成比例的微弱电流信号，经过第一级放大电路放大后产生一个反向输出电压信号，当测量值为零时，输出1.125V;当测量值为满量程时输出0.725V。

第一级输出信号经第二级放大送至模/数转换电路。这样，当中心站计算机向本传感器的单片机发出咨询指令时，该单片机模/数转换输出的数字量以22比特串行码的通讯方式送入森透里昂计算机系统。单片机将由模/数转换电路输出的数字量与单片机输出的门限比较，以完成控制量输出和故障指示。

3.P2030KP型一氧化碳传感器量程转换

金凤煤矿安全监测系统现用的P2030KP型一氧化碳传感器量程为0～100PPM。由于矿井辅助运输系统采使用无轨胶轮车，而汽车尾气中一氧化碳含量大，当一氧化碳浓度超过100ppm时，量程为100ppm的传感器就无法真实的反应该被测地点实时一氧化碳浓度，此时就需用到大量程一氧化碳传感器。显然现用一氧化碳传感器无法满足这一需求，而重新购置大量程传感器需要巨大的经济投入（传感器单价15000元/台，目前全矿井安装该型传感器共计38台），所以需要对现用一氧化碳传感器电子电路进行改造从而达到提高传感器量程的目的。

图2 P2030KP型本质安全型一氧化碳传感器电路板

图3 第一级放大电路

一氧化碳传感器的量程主要由内部电路板上的放大电路决定，经过北京康斯培克环保系统设备有限公司的授权，尝试通过改变第一级放大电路中的电阻大小来改变传感器量程的大小。首先对硬件电路板进行改造，图2为P2030KP型一氧化碳传感器内部电路板。电路板上第一级放大电路中的三个电阻，自上而下电阻大小分别为50Ω、500Ω和100Ω，如图3所示。量程为100ppm的传感器出厂时接入电阻为100Ω的电阻，500Ω电阻未接入使用。在更改放大电路的过程中将连接100Ω电阻的线路切断，然后使用电烙铁将500Ω电阻与电路板相连接，如图4所示，这样硬件方面就改造完毕了。

图4 第一级放大电路改造

图5 S800软件中更改量程前一氧化碳传感器参数

在将电路板中放大电路改造完毕后，需要在S800软件中对传感器量程进行重新写入，将改造完成后的传感器接入系统后，打开传感器参数设置界面，在未设置之前依旧显示量程为0～100ppm。图5为更改量程前一氧化碳传感器参数。

更改软件参数时，将量程上限手动更改为500ppm，然后点击更新，保存后退出，这样一个量程为0～100ppm的一氧化碳传感器就改造为量程为0～500ppm的传感器，如图6所示。

图6 S800软件中更改量程后一氧化碳传感器参数

经过量程改造后的一氧化碳传感器所有主要技术参数保持不变，且符合“AQ6205-2006 煤矿用电化学式一氧化碳传感器”的要求，在井下运行工作良好。

4.结论

煤矿安全监测系统是煤炭高产、高效、安全生产的重要保证。传感器的稳定性和可靠性是煤矿监测监控系统能正确反映被测环境和设备参数的关键技术。其中一氧化碳传感器能否正常、稳定的工作是衡量监测系统是否可靠的一个重要标准，对于减少事故发生，有效地保障煤矿安全生产和矿工生命安全也具有重要意义。通过对P2030KP型一氧化碳传感器放大电路的简易改造，很好地解决了该型传感器在金凤煤矿井下巷道中一氧化碳高浓度地点无法实施监测的问题，具有很强的可操作性和经济性，同时也值得在神华宁煤集团其他兄弟矿井推广借鉴。

参考文献

[1]陈光海，姚向荣.煤矿安全监测监控技术.煤炭工业出版社，2007.12.

[2]黄喜贵.通风安全监测工.煤炭工业出版社，2004.

[3]孙继平.煤矿安全生产综合监控.中国矿业大学出版社，2008.7.

[4]樊荣、余庆等.AQ6205-2006煤矿用电化学式一氧化碳传感器[S].煤炭工业出版社，2007.

[5]P2030KP本质安全型一氧化碳传感器使用说明书.

作者简介：李龙（1985―），男，大学本科，毕业于宁夏大学电子信息工程专业，助理工程师，主要从事煤矿信息化与安全监测监控系统技术管理工作。