安全监测与监控攻略手册

-安全监测与监控

第一章

检测监控系统检测监控系统的功能：一是“测”，即根据检测参数去控制安全装置、报警装置、生产设备、执行机构等。若系统仅用于生产过程的监测，当安全参数达到极限值时，产生显示及声、光报警等输出，此类系统一般称为监测系统；除监测外还参与一些简单的开关量控制，如断电、闭锁等，此类系统一般称为监测监控系统；在监测系统上增加了对生产机械的控制、调节功能，此类系统一般称为计算机监控系统。

检测监控系统的组成：监测监控系统在层次上一般分为两级或三级管理的计算机集散系统，一般包含测控分站级和中心站级。每个测控分站负责某几路传感器信号的采集和某个执行机构的控制，实现了采集、控制分散；中心站负责数据的处理、储存、传输，实现了管理的集中。

安全监测监控系统的作用：①合理利用瓦斯超限断电功能，杜绝瓦斯超限。②监督安全技术措施的落实，及时消除瓦斯隐患。③为快速查找瓦斯超限原因提供帮助。④为矿井瓦斯治理提供基础数据。

爆炸危险环境用电设备分类：有瓦斯爆炸危险的矿井使用的电器设备为Ⅰ类，除瓦斯矿井以外的爆炸危险场所所使用的电器设备为Ⅰ类。其中Ⅰ类电器设备又分为A、B、C三级，这是根据使用场所的爆炸性气体混合物最大实验安全间隙或最小点燃电流来分的。Ⅰ类电器设备还按最高表面温度的不同，分为T1~T6共6组。

防爆标志分类：总标志为Ex。①增安型，Exe。②隔爆型，Exd。③本质安全型，Exia和Exib（按安全程度分，井下经常存在爆炸性混合物的场所采用ia型，煤矿井下因其不经常存在爆炸性混合物，因采用ib型）。④通风充气型，Exp。⑤其他。充油型，Exo；充砂型，Exq；无火花型，Exn；特殊型，Exs。

第二章

传感器：能感受被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置称为传感器。传感器一般是由敏感元件、转换元件和信号处理电路三部分组成，有时需要加辅助电源。

传感器技术的特性：传感器在被测量各个值处于稳定状态时的输出—输入关系称为静态特性。衡量传感器静态特性的主要指标有线性度（非线性误差）、灵敏度、精度、最小检测量和分辨率、迟滞等。传感器的动态特性是指传感器对于时间变化的输入量的相应特性。

传感器的数学模型，传感器的时域特性，传感器的领域特性

第三章

热导型气体检测

原理：利用各种气体热导率与空气热导率的差异以及热导率与气体浓度的关系原理，来实现对气体浓度的检测。

工作过程：如图3-1所示。热导型传感器采用电阻温度系数较大的金属丝（铂丝或钨丝）或半导体热敏电阻作为敏感元件。把性能相同的一对热导元件分别接在电桥电路的两个臂上，一只放置在与被测气体相通的气室中，叫做测量元件（R?）；另一只放置在充满地面标准大气的密闭气室内，叫做补偿元件（R?）。工作时，当测量元件与补偿元件输入同样的电流后，产生的热量相同，但由于散热介质不同，检测气样室中通入甲烷气体时，由于甲烷的热导率比空气大，R?上传导出的热量大，故R?与R?出现温度差，使两元件存在一定温差。两元件产生一个与温差相适应的热态电阻差，差异的大小与两电阻各自与气体进行热交换最后平衡后的温度有关，破坏电桥平衡，电桥输出一个与被测气体浓度变化成比例关系的电信号。电信号输出大小与电阻阻值变化有关，而阻值的变化与气体热导率有关，气体热导率又与气体含量有关。因此，根据电桥输出信号大小，通过标定即可获得甲烷气体浓度数值，实现对气体浓度的检测。

载体热催化原理气体检测

载体热催化元件由铂丝线圈、载体和催化剂组成。

铂丝线圈的作用，一方面是对载体和催化剂进行加热，使甲烷等可燃气体接触元件后达到一定的氧化状态；另一方面是把甲烷等可燃气体在催化剂作用下燃烧生成的热量检测出来。载体一般是三氧化二铝，其作用是提供较大的反应接触面积、固定铂丝的几何形状、附载催化剂、传导热量给瓦铂丝。

催化剂的作用是使氧化反应速度加快，甲烷在空气中进行无焰燃烧的温度约为650Ⅰ，在催化剂（铂、钯）的作用下，燃烧温度可以降低到300~400Ⅰ。

热催化原理：又称催化燃烧原理。甲烷等可燃气体在一定温度条件下，在催化剂（铂、钍、钯）的催化作用下进行无焰燃烧，在一定的浓度范围内，定量的甲烷燃烧放出定量的热，生成二氧化碳和水。释放出的热量使元件的温度上升，造成铂丝的阻值变化。铂丝的电阻在0~630.74Ⅰ范围内与甲烷的浓度成正比。

工作过程：利用热催化元件制成的传感器结构如图3-4所示。一个简单电桥电路主要有黑（热催化元件）和白（补偿元件）两种元件，其阻值分别为r?和r?，两个元件放在同一个待测气体样将通过的气室内。由固定电阻R?和R?组成电桥另外的两个桥臂，用电阻温度系数小的电阻，以提高电桥在高温时的稳定性。为使电桥在无甲烷等可燃气体状态下处于平衡状态，桥路内装有调零电位器W?。电阻r?'并联在白元件r?上，补偿黑、白元件热学性质的差异，以改善电桥的零点漂移。

传感器工作时，在恒流源作用下，有电流流过电桥四个臂。无甲烷等可燃气体时，此时在工作电流作用下，元件工作温度达500Ⅰ左右，通过电位器W?的调整，使电桥处于平衡状态，电桥输出平衡；当有甲烷等燃烧气体时，甲烷与氧气在黑元件表面进行无焰燃烧，放出热量被元件吸收，引起元件温度升高，使铂丝电阻增大。另外，白元件上无催化剂，甲烷等可燃气体在其表面不进行氧化燃烧。但它处在与黑元件相同的工作环境中，起到对环境（温度、湿度、风速以及电源电流、电压）变化而引起的催化元件阻值变化的补偿作用。这样就破坏电桥原来的平衡，输出一个与甲烷浓度成正比的电信号。然后将此信号送入放大电路放大，再送至显示、报警或其他单元，实现对甲烷气体浓度的检测和报警。

载体热催化元件的特性：①元件的活性，元件对甲烷的氧化燃烧速率。②稳定性，元件在新鲜空气中与有一定浓度甲烷的环境中，在规定的连续工作时间里的活性下降率。③工作点和工作区间，元件工作点是指元件的标准工作电压和电流值，工作区间是指输出活性接近于直线时电压或电流的变化范围。④输出特性，指不同甲烷浓度下，元件活性与甲烷浓度的关系。⑤元件的中毒特性，载体热催化元件的催化剂钯（Pd）、铂（Pt）、钍（Th）等与硫（S）、磷（P）、铅（Pb）、氯（Cl）、硅（Si）等化合物作用，使其催化活性逐渐降低，称为催化剂中毒。⑥载体催化元件的激活特性。⑦载体热催化型仪器的反应速度。⑧高浓度甲烷气体的影响。

光干涉式瓦斯检定仪：

光干涉式瓦斯检定仪是利用光干涉原理，测定甲烷和二氧化碳等多种气体的一种便携式检测仪器。光干涉式瓦斯检定仪光学系统如图3-7所示，由光源1发出的光经过凸镜2后达到平面镜3，在O点分为两束光，一束光被表面反射，另一束光射入平面镜后又被全镀银的后表面反射。第Ⅰ束光穿过气室5的侧室，折光棱镜6将其折回穿过另一侧室后回到平面镜3，折射入平面镜后在其表面反射于O'点穿出平面镜。第Ⅰ束光被平面镜后表面反射后穿过气室5的中央小气室后，折光棱镜6将其折回，仍然通过中央小气室回到平面镜的O'点。在O'点两束光会合，一同射入反射镜7被全反射入由零件8~12组成的望远镜系统。由于平面镜3的反射面与折光棱镜6的反射面是不平行的，而是呈一个微小的交角ε（例如ε=1°），因此，两束光在O点处并不重合，但相距甚微，且仍然保持平行，这样两束光满足振动方向相同、频率相同和相位差一定三个条件而产生光干涉。观测者在望远镜的目镜中便可观测到干涉条纹。干涉条纹的宽度决定于交角ε，交角ε值越小，干涉条纹宽度越宽。当平面镜3与折光棱镜6的反射面平行时，即ε=0，干涉条纹无限宽，这时在仪器中看不到干涉条纹。ε值变大，条纹宽度变窄。仪器正是利用这种关系来改变条纹的宽度来达到校正条纹宽度的目的。

光程是指已折算到真空中的路程，它是光波在某一介质中所经历的几何路程与该媒质的折射率的乘积。如果以气室5的各小室均冲入同样的新鲜空气时的干涉条纹为基准，若在一支气路中改变气体的成分、温度或压力等，那么由于折射率的改变，光程和光程差也就会随着改变，这时干涉条纹的位置也会移动一个距离。根据条纹移动的距离，可测算出折射率变化的程度。如果使两束光通路的温度、压力相同，而被测气体的化学成分为已知，则可作为定量分析。这就是光干涉式瓦斯检定仪的原理。

光干涉式瓦斯检定仪就是在气室的中央小气室（或称做气样室）内吸入一定浓度的甲烷，而在两侧气室或称空气室中保持新鲜空气并与大气相通，由此产生干涉条纹的位移，可以从与甲烷浓度相对应的分划板上读出甲烷在空气中的含量。

仪器的读数能读出小数点以后的数值，是根据玻璃的入射光和出射光平行地错动一个距离的原理，改变测微玻璃的倾角来测定小数。

第四章

红外测温原理：任何物体只要高于绝对零度，就会不断产生红外辐射，温度越高，辐射功率越大。只要知道物体的温度T和比辐射率ε，就能计算出它所发射的辐射功率P；若知道物体所发射的辐射功率，则可求出它的温度。

工作过程：红外测温用检测元件有热敏电阻和光敏电阻两种，其原理如图4-7所示。图中Rb是红外敏感元件，接收红外辐射能；Rc是补偿元件，被罩壳隐蔽起来，不吸收红外辐射能；Eb和Ec组成偏压电源。Rb接收红外辐射能，其阻值下降，电桥失去平衡，输出电压信号耦合到前置放大器放大，经处理和转换环节，由显示器显示，或送到报警电路进行报警。Rb阻值下降或输出电压信号的强弱由红外辐射能量决定，而接收的红外能量多少则与被测点温度高低有关，仪器显示的数据直接反映被测点温度值及其变化状态。

风扇湿度计，又称通风干湿表，主要由两支相同的温度计和一个通风器组成。水银球上裹有一层湿的棉纱布的温度计为湿球温度计，另一个为干球温度计。由于湿球表面的水分蒸发要吸热，因而湿球温度计的温度低于干球温度计的示数，空气的相对湿度越小，蒸发吸热作用越显著，干、湿温度差也就越大。根据干、湿温度计读数的差值（Ⅰt）和湿球温度计读数（t），由空气湿度表即可查出空气的相对湿度（φ）。

电磁法测氧

磁风原理：氧气具有顺磁性，即指氧气具有能被磁场吸引或排斥的性质。当气体进入具有磁场和加热线圈的气室时，由于磁场和加热线圈的作用，气体不断地流动形成所谓的磁风，使气室中的热敏元件阻值发生变化破坏电桥平衡，不平衡电流大小与气样中氧气量有关。

工作过程：

由于氧的磁性最强，含氧混合气磁化率主要由氧的浓度决定。顺磁性气体能被磁场吸引。随着温度升高，氧的磁性减弱，即氧具有热磁效应。基于这一物理现象，可以测定氧气浓度。图4-32为热磁效应氧气传感器工作原理图。传感器制成环形室，环形室中有玻璃制成的连通管。在连通管上绕有两组加热电阻丝R?和R?，接于直流电桥中，其中R?接在永久磁铁两极之间。

当混合气体不含氧气时，连通管两端压力相同，气流不流经横向测量管，R?=R?，电桥平衡。

当待测气体中含有氧气时，由于氧的顺磁性，气体在磁场作用下吸入连通管，并被加热。由于热磁效应，氧气受热后顺磁性减弱，被加热气体受到排斥，在连通管内形成被称为“磁风”的连续气流，气流速度取决于氧的浓度。受气流影响，电阻丝温度发生变化，导致电桥失去平衡，用输出电压信号可度量氧气的浓度。

气相色谱仪

色谱柱和检测器是色谱仪的关键部件。

第七章

数据采集系统既能完成采集，也能实现处理，它主要由四部分组成，数据采集器、微机接口电路、数模转换器、应用软件。其基本电路由运算放大器、测量放大器、模拟多路开关、采样保持放大器组成。

第八章

模拟信号：如果携带信息的参数的取值在一定区间内是连续的，则称为模拟信号。

数字信号：如果携带信息的参数只取若干离散的值，且通常用这些有限个值按一点方式组合（编码）来输出信息，则称为数字信号。

数据通信方式是指数据在信道上传送所采取的方式。一个通信系统至少应含有三部分：发送设备、传输介质、接收设备。按数据传输的流向和时间关系，可分为单工、半双工、和全双工数据传输；按数据代码传输的顺序，可分为并行传输和串行传输；按数据传输的同步方式，可分为同步传输和异步传输。

基带传输是指在线路上直接传输基带信号或略加整形后进行的传输。

频带传输：当进行远距离通信时，往往将数字数据转换成模拟信号后传输，在接收端再进行信号的恢复，当调制成频率信号的频率范围在音频范围（200~3400Hz）内时，这种传输方式称为频带传输。

差错控制方法是使构成传输数据的编码或编码组具有一定的逻辑性，接收端根据接受编码所发生的逻辑性错误来识别并纠正差错。差错控制有以下几种方式：①反馈校验重传方式（IRQ）；②前向纠错方式（FEC）；③自动反馈重发方式（ARQ）；④混合纠错方式（HEC）。差错控制的核心是差错控制编码，不同的编码方式，有不同的检错和纠错能力，有的编码只能检错不能纠错。具体的说，码的检错和纠错能力是用信息量地冗余度来换取的，付出的代价越大，检(纠)错的能力就越强。

基本概念：①码集，n位地的二进制码共2的n次方个，所以这2的n次方个码称为一个码集。

②许用码组和禁用码组。在一种纠错编码方式中，可在2的n次方个码的码集中选用部分码组，称为许用码组。而舍弃不用的码组称为禁用码组。

③码距和最小码距。两个码组间对应位上具有不同二进制码元的位数，称为两个码组间的汉明距离，简称码距。例如，1100和1010的第二、三位不同，码距d=2。码距说明两个码组间差别的大小。在一种编码方式中，所有许用码组间码距的最小值称为最小码距。

双坐标奇偶校验：由于简单的奇偶校验只能用于检测一组信息码中的奇数个比特的差错，因而在应用中受到限制。为扩大这种简单的奇偶校验的能力，在发送端发送的数据块中每一组码字（下面称为字符）内都有奇偶校验位。另外，在该数据块的末端附加上数据块校验字符BCC，它给出前面全部字符的累加和奇偶校验，如图8-10所示。

基本码型

单极码：信号中只有正（或负）电平及零电平的码型，称为单极码。

双极码：同时含有正、负电平的码型称双极码，其中正负电平一般对称，即绝对值相等。图8-13中（a）和（c）为单极码，其余均为双极码。

电平码：用两个不同的电平表示二进制的“0”和“1”，称电平码，又称绝对码，如图8-13中（a）~（d）和（g）。

差分码：以码元起始处的电平跳变与否来表示“0”和“1”的码型称差分码，又称相对码。差分码又分传号码和空号码。以起始处跳变表示“1”，不跳变表示“0”的码型称传号码；反之，称空号码。图8-13中（e）和（f）分别为传号码和空号码。

归零码：是指它的有电脉冲宽度比码元宽度窄，每个脉冲都回到零电平，即还没有到一个码元终止时刻就回到零值的码型，通常为半宽码。非归零码是全宽码。图中8-13的（c）和（d）为单极归零码和双极归零码，（a）、（b）、（e）、（f）均为非归零码。

双相码的一个码元分前后两半，前半个码元与后半个码元电平相反。图8-13（g）的双向电平码称曼彻斯特（Manchester）码。图8-13（h）为双相差分码或称差分曼彻斯特码，它以码元起始处的电平跳变与否来表示“0”和“1”。

频带传输：是指在发送端，经过调制，把基带信号变成频带信号传输，在接收端再由解调器将频带信号恢复成基带信号的传输系统。

基本的数字调制方式有3种：数字调幅、数字调频、和数字调相。由于作为调制信号的数字信号只有两个或有限个电平，这种调制可用开关电路实现，故3种调制方式又分别称为幅移键控（ASK）、频移键控（FSK）和相移键控（PSK）。

调制解调器：就是实现频带传输用的调制器和解调器组合在一起的装置。它总是成对地安装在通信信道的两端。所谓调制，就是将“0”、“1”数字信号调制成两种不同频率的信号；而调解正与其相反。

多路复用：是一种将若干彼此无关的信号合并成一路复合信号并在一条公用信道上传输，到达接收端后再进行分离的方法。多路复用技术包含信号复合、传输和分离3个方面的内容。用于矿井监控系统的复用方式主要有频分制、时分制和码分制。

第九章

常用的计算机拓扑结构有总线型（a）、星型（b）和环型结构（c）。

数据交换方式：1.线路交换；2.存储交换；①报文交换；②分组交换；3.其他交换方式。

网络协议：计算机网络是多种类型的计算机和终端通过通信线路连接起来的复合系统。在这个系统中，实现资源共享、均衡负载、分布处理等网络功能都离不开信息交换（即通信）。为了将不同计算机厂家的计算机及设备连成网络，做到无论其设备内部结构如何，都能确保通信双方正确地通信与对话，就要求信息的内容、格式、传输顺序等有一整套的规则、标准和约定，这就是所谓的网络协议（protocol）。网络协议主要由以下3各要素组成：①语法：数据与控制信息的结构或格式；②语义：需要发出何种控制信息，完成何种动作以及作出何种应答；③同步：事件实现顺序的详细说明。

可靠性是产品在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力。可靠性有5个要素。①产品。指作为单独研究和实验的任何元件、器件、机器、设备和系统。②规定条件。指产品在其全寿命周期内所受的全部外部作用条件。③规定时间。指规定产品完成规定功能的时间。④规定功能。指产品的性能指标。⑤能力。说明产品的可靠性程度。它仅有定性的含义，还须有定量的规定。

可靠性度量指标：①可靠度。产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定的功能的概率称为可靠度。②失效（故障）概率。产品在规定条件下和规定时间内丧失规定功能的概率

称为不可靠度或失效概率。③失效概率密度。产品在工作某一时刻后，单位时间内发生失效的概率称为失效概率密度。④失效率（故障率）。在产品已工作到t时刻的条件下，其残余完好产品数在t时刻后的单位时间内所发生的失效概率为该产品在t时刻的失效率。⑤可靠性寿命度量指标。可靠性寿命度量又分为平均寿命和可靠寿命。⑥维修度和有效度。维修度是指可以维修的产品，在规定条件下和规定时间内完成维修的概率。有效度是指可维修产品在某时刻t维持其功能的概率。