煤礦井下電控系統中感測器選型錦囊妙計

最新 08-11

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在煤礦井下常見的安全監測系統、主運輸系統、計量系統、人員定位系統及通信系統中，感測器已被廣泛地使用，其性能都是由人判斷以後再去執行相應的動作，並在超過許用值以後發出報警信息或者切斷電源，並不參與動作控制。因此系統對感測器的要求較低，通常將安全係數設置低一點，允許有一定的誤動作。

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在自動控制系統中，感測器是自動控制系統的感覺器官，其提供的信號是下一步動作的判斷條件，故對感測器有更高的要求，一旦感測器出現誤判斷或者給出錯誤的信號，就會引起誤動作，導致一系列損壞，甚至引發事故。

為了保證井下電控系統的正常運行，對感測器的使用和選型進行了分析研究，對同行提出一些思路，以供參考。

1井下感測器選型的現狀

感測器種類很多，在各種行業和領域中都有廣泛地應用，有接觸的、非接觸的，數字量的、模擬量的，電容、電感和電磁的，但能用於煤礦井下生產的感測器卻很少，原因如下：

1）沒有用於自動控制系統的感測器，常見的主要是甲烷感測器、饋電感測器、堆煤感測器、縱撕感測器等。

2）無可直接選用的防爆類型感測器，控制系統常用的感測器主要是位移感測器、角度感測器、行程開關、轉速感測器、力感測器、力矩感測器。

3）現有產品無法適應煤礦井下環境的要求。現有的感測器一般屬於較精密的測量儀器，無法適應煤礦井下惡劣的環境，可靠的機械防護，如無較高的防護等級，致使粉塵、水混合起來，將感應元件表面封住，激光、電磁等感應信號大幅度衰減，甚至無法識別，故非接觸式感測器一般不能暴露在外面使用。

4）現有的防爆或者本質安全型感測器都很笨重。都是簡單的在原感測器外面設計一個隔爆型殼體來滿足防爆要求，使之非常笨重。

基於以上能用於煤礦井下的感測器很少的原因，提出了對感測器選型的探討。

2選型方法的探討

2．1位移感測器的選型

位移感測器有各種類型，綜合考慮測試精度、加工成本等因素，一般煤礦井下選用磁致伸縮位移感測器。該感測器由電子倉、測桿、磁環組成，電子倉和測桿一體固定起來，磁環與運動件固定在一起，電子倉內產生的磁場沿著測桿運動，與磁環磁場疊加形成脈衝信號，該信號以固定速度沿著測桿傳回電子倉，進而測得位移值。磁致伸縮位移感測器按照布置方式分為外置式和內置式。

1）外置式磁致伸縮感測器在使用時需要考慮防護，一般做1個防護罩將感測器全部罩起來，既防止磕碰，也防止粉塵、水污染軌道，影響精度。但當結構本身比較小，或者當空間布置比較緊張時就難以排布。

2）內置式磁致伸縮感測器指的是將感測器內置到油缸內部，直接測量油缸的位移。油缸內置式位移感測器相對小巧，電子倉和測桿固定到缸筒底部，測桿插入活塞桿內部深孔，磁環固定到活塞桿端部，如圖1所示。

裝感測器的位置為無桿腔，油缸伸出時有高壓油，故需要考慮感測器的密封問題，圖1（a）採用端面密封，即在擰入感測器過程中會搓動密封，可能造成密封損毀，密封效果差。圖1（b）採用徑向密封，密封段長，拆裝過程中也不會損壞密封，建議採用。

內置式磁致伸縮位移感測器的主要缺點是：

1）測桿直徑最小Φl0mm，活塞桿上開孔至少Φ13mm，細油缸無法採用。

2）它兩端都有測量死區，上下死區至少35mm以上，對於行程比較小或者行程排布比較緊張的油缸難以採用。

圖1內置位移感測器兩種布置方式示意圖

2．2油缸極限位置的判斷

1）在油缸兩極限位置裝接近開關。如圖2所示，油缸缸筒頭部和尾部分別設置1個接近開關，活塞桿上設置1個感應磁鋼，油缸伸到最長時左邊接近開關有信號，油缸縮到最短時右邊接近開關有信號，從而判斷油缸極限位置。為了避免摩擦，提高可靠性，一般採用非接觸式的接近開關。

圖2油缸內置接近開關判斷極限位置示意圖

2）在油缸極限位置開小孔。如圖3所示，當油缸從1個位置逐漸縮短，右側取壓口壓力一直低壓，當縮短到最短時，右側取壓口與進油口接通壓力突然升高；當油缸從1個位置逐漸伸長，左側取壓口壓力一直低壓，當伸長到最長時，左側取壓口與進油口接通壓力突然升高，從低壓突然變成高壓。對於行程較短的油缸，可考慮用1個小孔代替兩個小孔，就要求活塞長度就是行程。帶來的問題就是單從壓力判斷不出油缸具體在哪個極限位置，需要配合電

磁閥開啟信號的方向一起判斷。該方法要注意兩個問題：

（1）壓力感測器的高壓油要能泄壓，所對應的操作閥一定是H型機能的。

（2）活塞密封要經過取壓小孔，其小孔需要導圓角，不然很難長期使用。

當然，對於一些不會存在結構憋卡的地方，不妨直接用極限位置的憋壓代替小孔取壓的方法，但一旦油缸出現竄液就會導致誤判斷。因此，需要考慮出現誤判斷不能導致大故障，要將誤動作的損失降到最低，在導致大損失之前的某個環節，設置檢測環節儘快發現，並進行彌補。

2．3編碼器代替位移感測器

對於有些很難布置位移感測器的地方，這時可考慮用編碼器來代替，即將位移轉化為編碼器的旋轉來測量。像拉線感測器的採用思路，即在編碼器上加1個高強度細線和1個滾筒，將拉線行程轉化為編碼器的旋轉實現位移測量，在使用時需要對拉線進行防護，不能磕碰，否則可能導致拉線損壞或者測量不準確。

如果拉線感測器不好保護，則可考慮通過結構設計將直線運動轉化為轉動，進而通過安裝編碼器測量，具體結構可根據實際情況來確定。

在實際安裝編碼器時需要注意的是：編碼器的轉軸與編碼器本身同軸度要求比較嚴格，尤其在轉速比較快的地方，如果精度達不到則考慮用軟軸聯接，軟軸的軸向有彈性而旋轉剛度很大，故允許不同軸但能保證測量精度。

2．4內置接近開關測量轉速

對於非接觸式的接近開關無法直接用到井下，需要採取可靠的防護措施。例如用該接近開關測量鈷箱的轉速，將感應磁鋼裝在旋轉主軸上，接近開關裝在鑽箱殼體上，所產生的感應脈衝數量除以時間間隔即為轉速。這種測量方法主要用在對於高速旋轉和對測量精度不是很高的地方，因為它無法測試小於360°的旋轉角度。理論上，可以通過加入磁鋼和接近開關的方法來提高測量精度，比如加入m個均布的磁鋼和n個均布的接近開關，則測試精度可以達到360°／（mn）。

3結論

通過分析研究，對井下用感測器提出以下建議

1）盡量採用專業廠家的現有感測器。

2）要善於採用變通方法，比如用編碼器代替位移感測器，用接近開關代替轉速感測器等要根據具體情況靈活應用。

3）外置式感測器要可靠防護，無法防護的則要考慮內置。

4）非接觸感測器不要將感應元件裸露在外面可以在密閉空間或可靠防護的地方使用。

5）對於只要求極限位置判斷的油缸，可以用小孔和壓力感測器或者接近開關代替位移感測器，能節省資金。

6）對於無現成的感測器，則須按煤礦防爆規定的要求設計，並由上級檢驗單位檢驗合格認證後才可使用。

原文作者：王靜轉載需註明來源

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