有毒气体传感器代替金丝雀和老鼠在矿山

　　根据美国劳工部矿山安全与健康管理局(MSHA)报告，开采的安全性有了显著提高。仅从1900至2014年间追踪的煤矿死亡人数就证实了这一说法;例如，在1900，有448581名矿工和1489人死亡，而在2014，矿工总数约为120000人，但只有16人死亡。

　　有毒气体经常在地下矿井中释放，很难被人类感官探测到。矿井中的天然气在有机物转化为煤的过程中自然产生。它不仅在矿井的大气中，而且被吸收到煤的内表面。在开采过程中释放，火灾和爆炸是一个潜在的结果。

　　一氧化碳(CO)是一种可能是致命的气体，它没有颜色、味道或气味，在矿井火灾或矿井爆炸后能形成地下，因此矿工在矿井火灾或爆炸的初始后果中幸存下来，仍然面临一氧化碳窒息的危险。今天的煤矿工人依靠一氧化碳探测器和监视器来识别井下的存在。然而，在使用现代检测设备之前，矿工们求助于自然母亲寻求帮助。金丝雀–有时小鼠–是用来提醒矿工的有毒气体的存在。在矿井火灾或爆炸之后，矿井救援人员会在一个木制或金属笼子里携带金丝雀降落到矿井中。任何来自金丝雀的求救信号都清楚地表明地下的情况是不安全的，促使人们迅速返回地面。

　　高毒性CO的突然升高、甲烷固有的易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上使用甲烷监测器。在采矿过程中使用爆破时，大量的一氧化碳和硫化氢(H2S)和二氧化氮(NO2)一起发生。吸入一种被忽视的黑色潮湿矿井，它是灰尘、二氧化碳和氮的混合物，逐渐克服和破坏人体的血液系统，这可能导致慢性疾病，因为暴露于有毒气体中。

　　它不仅是一个特殊的事件，如爆炸，引起矿工安全的关注。低浓度的有毒气体在长期暴露时是有害的。为了稀释低和高有毒气体的水平，使矿山环境更安全，现在安装通风系统，在高流速下通风矿井。这种空气通常会排放到大气中。然而，由于通风系统将甲烷倾倒到大气中，可能造成环境威胁，因此人们对气体的安全性仍存担忧。

　　两种类型的传感器，红外线和催化燃烧热，通常用于测量可燃气体，如甲烷，在非采矿应用。每个传感器都有自己的优点和限制，例如，一些传感器对有毒气体敏感，有些则更适合可燃气体检测。在地下应用中，只使用燃烧传感器的热量。

　　目前管理甲烷排放水平的法规，这些规定需要由红外传感器提供甲烷检测的准确度和稳定性。监管可能会变得更加严格。

　　一个传感器，用于检测甲烷的矿山设备的视差MQ-2系列(图1)。该传感器不仅考虑甲烷的存在，而且考虑温度和湿度对其测量精度的影响。除了甲烷检测，这些设备也适用于检测异丁烷、丙烷、液化石油气、酒精、氢气、烟。

　　视差MQ-2系列图像

　　图1：视差MQ-2型系列检测甲烷。

　　传感器是由一个小氧化铝管、二氧化锡传感层和一个电极构成的，而加热器与特定的工作环境温度相比，能保持特定温度下的成分。

　　虽然有毒气体是最受关注的，但监测氧气也是至关重要的。传感器如kgz-10氧传感器系列由霍尼韦尔传感控制(图2)提供了一个高度精确的氧没有额外的参考气体的要求是很重要的在一个高度可燃的使用环境。

　　霍尼韦尔的kgz-10氧传感器原理图

　　图2：kgz-10氧传感器的尺寸。

　　该传感器使用两个氧化锆为基础的氧气(氧化锆)光盘分离一个小密封室。一个圆盘作为可逆的氧泵起作用，用于连续填充和排空腔室。第二部分测量分压差的比值，产生相应的感应电压。

　　模拟设备eval-cn0234-sdpz(图3)是一个单电源，微功耗有毒气体检测仪采用机电式传感器。电化学传感器为探测或测量许多有毒气体的浓度提供了一些优势。大多数传感器是特定气体的，每百万分之一(ppm)的气体浓度下可用的分辨率。它们的电流非常小，非常适合便携式、电池供电的仪器。气体探测器要么是便携式设备，要么是固定气体探测器。

　　模拟设备eval-cn0234-sdpz图像

　　图3：这eval-cn0234-sdpz专门针对用于嗅出有毒气体的便携式设备(图片来源：凯利讯半导体)。

　　该电路采用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，一个小的适配器板包括与eval-cn0234-sdpz是需要连接两电路板连接在一起。包括一个16位的eval-cn0234-sdpz AD7798Σ-ΔADC数字化电路的输出电压。

　　其他类型的传感器

　　虽然气体传感器测量这些有毒和危险气体的浓度，如二氧化碳、一氧化碳、二氧化氮、NH3，以及没有足够的氧气，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面提取的金属和矿物。该工业机械受中、重振动的影响，对振动水平进行监测预报是保证设备健康的关键。传感器在使用加速度计能够较大的冲击和振动测量和高度敏感的测斜仪，测量振动以及倾斜检测岩石的变化和地球的运动。

　　距离和位移：激光传感器能够创建一个360°的矿井轮廓，而位移传感器测量输送带的凹陷，并帮助记录穿过皮带的矿石数量。

　　压力和压力：压力传感器用于测量矿井的通风和应变计警告潜在坍塌。

　　应该指出的是，在采矿业中使用的所有的传感器必须功能涉及强腐蚀，高温条件下和恶劣的工业环境。它们通常带有坚固的、密封的传感器组件，专门为这些应用程序设计。

　　高度集成和计算机控制的煤矿安全监测系统是基于提供实时监测和依靠气体、负压、温度和风速传感器的子系统。通信子系统提供无线通信，并与位于表面的中央控制计算机保持联系。监控和通信的实时数据被传送到管理中心和移动设备。无线传输消除了铺设线路和维护线路，同时加速了数据的传输，提高了效率和准确性。

　　职业病危害

　　为煤矿工人提供了远至井下的安全已经取得了长足的进步。而传感器取代了金丝雀和老鼠提醒工人时，空气质量状况是危险的，矿山仍然极其危险的环境：除了有害易爆气体，导致煤矿为例，颗粒，导致矿工开发黑肺，又名尘肺。这种职业性肺部疾病是由于吸入煤尘久而久之使肺受损引起的，空气囊壁炎症和肺硬化从气囊之间的疤痕组织。我自己的祖父，一个煤矿工人，患了这种病。

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