采用气体传感器测量矿井中的有毒气体

根据美国劳工部矿山安全与健康管理局（MSHA）的报告，采矿安全性得到了显着改善。仅从1900年到2014年追踪的煤矿开采事故确认了索赔;例如，1900年，有448,581名矿工和1,489人死亡，而2014年矿工人数约为120,000人，但死亡人数仅为16人。

有毒气体经常在地下矿井中释放出来，不易被人类感官检测到。矿井中的气体在有机物转化为煤的过程中自然产生。它不仅存在于矿井的大气中，而且还被煤的内表面吸收。在采矿期间释放时，火灾和爆炸是可能的结果。

一氧化碳（CO）是一种可能致命的气体的例子，它没有颜色，味道或气味，在矿井火灾或矿井爆炸后可能形成地下，因此最初幸存的矿工地雷火灾或爆炸的影响仍然面临一氧化碳窒息的风险。今天的煤矿工人依靠一氧化碳探测器和监测器来识别其在地下的存在。然而，在现代检测设备可用之前，矿工们向大自然寻求帮助。金丝雀 - 有时是老鼠 - 被用来提醒矿工有毒气体的存在。在地雷发生火灾或爆炸后，矿井救援人员将乘坐小型木制或金属笼子的金丝雀进入矿井。金丝雀的任何遇险迹象都是一个明确的信号，表明地下的条件是不安全的，促使仓促返回地面。

高毒性CO的突然上升，甲烷（CH4）固有的可燃性和氧气不足仍然是采矿业的现实。联邦法规要求在所有采矿机器上使用甲烷监测器。当在采矿过程中使用爆破时，一氧化碳与硫化氢（H2S）和二氧化氮（NO2）一起大量出现。吸入被忽视的黑色潮湿的矿井，这是一种灰尘，二氧化碳和氮气的混合物，逐渐克服并破坏人体的血液系统，这可能导致因暴露于有毒气体而导致的慢性疾病。

不仅是爆炸等特定事件引起矿工安全问题。当长期接触时，低水平的有毒气体是有害的。为了稀释低毒和高毒气体水平并使矿山环境更安全，现在安装了通风系统，以高流速对矿井进行通风。然后通常将该空气排放到大气中。然而，由于通风系统将甲烷排放到大气中，可能对环境构成威胁，因此仍然关注天然气的安全性。

两种类型的传感器，红外和催化燃烧热，通常用于测量非采矿应用中的可燃气体，如甲烷。每个传感器都有自己的优点和约束;例如，有些传感器更适合检测有毒气体，有些传感器更适合检测可燃气体。在地下应用中，仅使用燃烧传感器的热量。

现在存在管理甲烷排放水平的法规，并且法规要求通常由用于CH4检测的红外传感器提供的准确性和稳定性。监管可能会变得更加严格。

用于检测矿井中甲烷的设备中的一个传感器是Parallax MQ-2系列（图1）。传感器不仅考虑甲烷的存在，还考虑温度和湿度对其测量精度的影响。除甲烷检测外，这些装置还适用于检测液化石油气，异丁烷，丙烷，酒精，氢气和烟雾。

图1 ：Parallax MQ-2系列可检测甲烷。

传感器由小型氧化铝管，二氧化锡传感层和电极制成，而加热器将组件保持在特定的工作温度，与矿井的冷环境空气相比。

虽然有毒气体是最受关注的问题，但氧气的监测也很重要。传感器，如霍尼韦尔传感与控制的KGZ-10氧传感器系列（图2），无需使用额外的参考气体要求即可提供高精度的氧气读数 - 这在高度可燃的环境中非常重要。

图2：KGZ-10氧传感器的尺寸。

传感器使用两个氧化锆基氧（ZrO2）圆盘，由一个小型密封室隔开。一个盘用作可逆氧泵，用于连续填充和清空腔室。第二个测量分压差的比率，产生相应的感测电压。

ADI公司EVAL-CN0234-SDPZ（图3）是一款采用机电传感器的单电源微功率有毒气体检测仪。电化学传感器为检测或测量许多有毒气体浓度的仪器提供了多种优势。大多数传感器都是气体特定的，其可用分辨率低于百万分之一（ppm）的气体浓度。它们以非常小的电流工作，非常适合便携式电池供电仪器。气体检测器是便携式设备或固定式气体检测器。

图3：EVAL-CN0234-SDPZ专门针对用于嗅出有毒气体的便携式设备。

该电路使用EVAL-CN0234-SDPZ电路评估板和EVAL-SDP-CB1Z系统演示平台（SDP-B）评估板。此外，EVAL-CN0234-SDPZ附带的小型适配器板需要将两块电路板连接在一起。 EVAL-CN0234-SDPZ包含一个AD7798 16位Σ-Δ型ADC，用于数字化电路的输出电压。

其他传感器类型

气体传感器测量此类传感器的浓度有毒和危险气体如CO2，一氧化碳，NO2，NH3和缺乏足够的氧气，这些设备只是采矿作业中使用的各种传感器之一。其他包括：

振动：采矿作业涉及各种重型机械，用于勘探和处理从地下开采的金属和矿物。这种工业机械受到中度到重度的振动，监测和预测振动水平以确保设备健康至关重要。所使用的传感器包括能够进行大型冲击和振动测量的加速度计，以及用于测量振动和倾斜的高灵敏度倾斜仪，用于感应岩石移位和地球运动。

距离和位移：激光传感器能够创建矿井的360°剖面，而位移传感器可测量输送带的下垂，并有助于记录穿过带的矿石量。

压力和压力：压力传感器用于测量矿井中的气流，应变计警告潜在的坍塌。

应该注意的是，采矿业中使用的所有传感器必须在强烈的腐蚀性，高温和恶劣的工业环境条件下发挥作用。它们通常配备专为这些应用而设计的坚固密封传感器组件。

高度集成和计算机控制的矿井安全监控系统基于提供实时监控并依赖气体，负压的子系统，温度和风速传感器。通信子系统提供无线通信并与位于地面上的中央控制计算机保持联系。关于监控和通信的实时数据被传输到管理中心和移动设备。无线传输消除了铺设线并对其进行维护，同时加快了数据传输速度，提高了效率和准确性。

职业危害

为矿工提供远在地下的安全方面已取得很大进展。虽然传感器已经取代了金丝雀和老鼠，当空气质量条件危险时警告工人，但地雷仍然是一个极其危险的环境：除了有害和爆炸性气体之外，例如煤矿开采造成的颗粒导致矿工发展成黑肺，又名尘肺病。这种职业性肺病是由于随着时间的推移吸入煤尘而导致肺部受损，气囊壁发炎，并且肺部因气囊之间的组织瘢痕变硬而变硬。