采用氣體傳感器測(cè)量礦井中的有毒氣體

根據(jù)美國勞工部礦山安全與健康管理局（MSHA）的報(bào)告，采礦安全性得到了顯著改善。僅從1900年到2014年追蹤的煤礦開采事故確認(rèn)了索賠;例如，1900年，有448,581名礦工和1,489人死亡，而2014年礦工人數(shù)約為120,000人，但死亡人數(shù)僅為16人。

有毒氣體經(jīng)常在地下礦井中釋放出來，不易被人類感官檢測(cè)到。礦井中的氣體在有機(jī)物轉(zhuǎn)化為煤的過程中自然產(chǎn)生。它不僅存在于礦井的大氣中，而且還被煤的內(nèi)表面吸收。在采礦期間釋放時(shí)，火災(zāi)和爆炸是可能的結(jié)果。

一氧化碳（CO）是一種可能致命的氣體的例子，它沒有顏色，味道或氣味，在礦井火災(zāi)或礦井爆炸后可能形成地下，因此最初幸存的礦工地雷火災(zāi)或爆炸的影響仍然面臨一氧化碳窒息的風(fēng)險(xiǎn)。今天的煤礦工人依靠一氧化碳探測(cè)器和監(jiān)測(cè)器來識(shí)別其在地下的存在。然而，在現(xiàn)代檢測(cè)設(shè)備可用之前，礦工們向大自然尋求幫助。金絲雀 - 有時(shí)是老鼠 - 被用來提醒礦工有毒氣體的存在。在地雷發(fā)生火災(zāi)或爆炸后，礦井救援人員將乘坐小型木制或金屬籠子的金絲雀進(jìn)入礦井。金絲雀的任何遇險(xiǎn)跡象都是一個(gè)明確的信號(hào)，表明地下的條件是不安全的，促使倉促返回地面。

高毒性CO的突然上升，甲烷（CH4）固有的可燃性和氧氣不足仍然是采礦業(yè)的現(xiàn)實(shí)。聯(lián)邦法規(guī)要求在所有采礦機(jī)器上使用甲烷監(jiān)測(cè)器。當(dāng)在采礦過程中使用爆破時(shí)，一氧化碳與硫化氫（H2S）和二氧化氮（NO2）一起大量出現(xiàn)。吸入被忽視的黑色潮濕的礦井，這是一種灰塵，二氧化碳和氮?dú)獾幕旌衔?，逐漸克服并破壞人體的血液系統(tǒng)，這可能導(dǎo)致因暴露于有毒氣體而導(dǎo)致的慢性疾病。

不僅是爆炸等特定事件引起礦工安全問題。當(dāng)長(zhǎng)期接觸時(shí)，低水平的有毒氣體是有害的。為了稀釋低毒和高毒氣體水平并使礦山環(huán)境更安全，現(xiàn)在安裝了通風(fēng)系統(tǒng)，以高流速對(duì)礦井進(jìn)行通風(fēng)。然后通常將該空氣排放到大氣中。然而，由于通風(fēng)系統(tǒng)將甲烷排放到大氣中，可能對(duì)環(huán)境構(gòu)成威脅，因此仍然關(guān)注天然氣的安全性。

兩種類型的傳感器，紅外和催化燃燒熱，通常用于測(cè)量非采礦應(yīng)用中的可燃?xì)怏w，如甲烷。每個(gè)傳感器都有自己的優(yōu)點(diǎn)和約束;例如，有些傳感器更適合檢測(cè)有毒氣體，有些傳感器更適合檢測(cè)可燃?xì)怏w。在地下應(yīng)用中，僅使用燃燒傳感器的熱量。

現(xiàn)在存在管理甲烷排放水平的法規(guī)，并且法規(guī)要求通常由用于CH4檢測(cè)的紅外傳感器提供的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。監(jiān)管可能會(huì)變得更加嚴(yán)格。

用于檢測(cè)礦井中甲烷的設(shè)備中的一個(gè)傳感器是Parallax MQ-2系列（圖1）。傳感器不僅考慮甲烷的存在，還考慮溫度和濕度對(duì)其測(cè)量精度的影響。除甲烷檢測(cè)外，這些裝置還適用于檢測(cè)液化石油氣，異丁烷，丙烷，酒精，氫氣和煙霧。

圖1 ：Parallax MQ-2系列可檢測(cè)甲烷。

傳感器由小型氧化鋁管，二氧化錫傳感層和電極制成，而加熱器將組件保持在特定的工作溫度，與礦井的冷環(huán)境空氣相比。

雖然有毒氣體是最受關(guān)注的問題，但氧氣的監(jiān)測(cè)也很重要。傳感器，如霍尼韋爾傳感與控制的KGZ-10氧傳感器系列（圖2），無需使用額外的參考?xì)怏w要求即可提供高精度的氧氣讀數(shù) - 這在高度可燃的環(huán)境中非常重要。

圖2：KGZ-10氧傳感器的尺寸。

傳感器使用兩個(gè)氧化鋯基氧（ZrO2）圓盤，由一個(gè)小型密封室隔開。一個(gè)盤用作可逆氧泵，用于連續(xù)填充和清空腔室。第二個(gè)測(cè)量分壓差的比率，產(chǎn)生相應(yīng)的感測(cè)電壓。

ADI公司EVAL-CN0234-SDPZ（圖3）是一款采用機(jī)電傳感器的單電源微功率有毒氣體檢測(cè)儀。電化學(xué)傳感器為檢測(cè)或測(cè)量許多有毒氣體濃度的儀器提供了多種優(yōu)勢(shì)。大多數(shù)傳感器都是氣體特定的，其可用分辨率低于百萬分之一（ppm）的氣體濃度。它們以非常小的電流工作，非常適合便攜式電池供電儀器。氣體檢測(cè)器是便攜式設(shè)備或固定式氣體檢測(cè)器。

圖3：EVAL-CN0234-SDPZ專門針對(duì)用于嗅出有毒氣體的便攜式設(shè)備。

該電路使用EVAL-CN0234-SDPZ電路評(píng)估板和EVAL-SDP-CB1Z系統(tǒng)演示平臺(tái)（SDP-B）評(píng)估板。此外，EVAL-CN0234-SDPZ附帶的小型適配器板需要將兩塊電路板連接在一起。 EVAL-CN0234-SDPZ包含一個(gè)AD7798 16位Σ-Δ型ADC，用于數(shù)字化電路的輸出電壓。

其他傳感器類型

氣體傳感器測(cè)量此類傳感器的濃度有毒和危險(xiǎn)氣體如CO2，一氧化碳，NO2，NH3和缺乏足夠的氧氣，這些設(shè)備只是采礦作業(yè)中使用的各種傳感器之一。其他包括：

振動(dòng)：采礦作業(yè)涉及各種重型機(jī)械，用于勘探和處理從地下開采的金屬和礦物。這種工業(yè)機(jī)械受到中度到重度的振動(dòng)，監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)振動(dòng)水平以確保設(shè)備健康至關(guān)重要。所使用的傳感器包括能夠進(jìn)行大型沖擊和振動(dòng)測(cè)量的加速度計(jì)，以及用于測(cè)量振動(dòng)和傾斜的高靈敏度傾斜儀，用于感應(yīng)巖石移位和地球運(yùn)動(dòng)。

距離和位移：激光傳感器能夠創(chuàng)建礦井的360°剖面，而位移傳感器可測(cè)量輸送帶的下垂，并有助于記錄穿過帶的礦石量。

壓力和壓力：壓力傳感器用于測(cè)量礦井中的氣流，應(yīng)變計(jì)警告潛在的坍塌。

應(yīng)該注意的是，采礦業(yè)中使用的所有傳感器必須在強(qiáng)烈的腐蝕性，高溫和惡劣的工業(yè)環(huán)境條件下發(fā)揮作用。它們通常配備專為這些應(yīng)用而設(shè)計(jì)的堅(jiān)固密封傳感器組件。

高度集成和計(jì)算機(jī)控制的礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)基于提供實(shí)時(shí)監(jiān)控并依賴氣體，負(fù)壓的子系統(tǒng)，溫度和風(fēng)速傳感器。通信子系統(tǒng)提供無線通信并與位于地面上的中央控制計(jì)算機(jī)保持聯(lián)系。關(guān)于監(jiān)控和通信的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)被傳輸?shù)焦芾?a target="_blank">中心和移動(dòng)設(shè)備。無線傳輸消除了鋪設(shè)線并對(duì)其進(jìn)行維護(hù)，同時(shí)加快了數(shù)據(jù)傳輸速度，提高了效率和準(zhǔn)確性。

職業(yè)危害

為礦工提供遠(yuǎn)在地下的安全方面已取得很大進(jìn)展。雖然傳感器已經(jīng)取代了金絲雀和老鼠，當(dāng)空氣質(zhì)量條件危險(xiǎn)時(shí)警告工人，但地雷仍然是一個(gè)極其危險(xiǎn)的環(huán)境：除了有害和爆炸性氣體之外，例如煤礦開采造成的顆粒導(dǎo)致礦工發(fā)展成黑肺，又名塵肺病。這種職業(yè)性肺病是由于隨著時(shí)間的推移吸入煤塵而導(dǎo)致肺部受損，氣囊壁發(fā)炎，并且肺部因氣囊之間的組織瘢痕變硬而變硬。