瓦斯傳感器遠距離供電穩壓設計

摘要：針對大型煤礦長距離采掘工作面瓦斯傳感器距離監控分站較遠，因長導線的引線電阻會引起明顯的電壓降，為確保瓦斯傳感器信號傳輸的穩定性和準確性，其供電成為主要問題。本文從應用的角度，提出了對瓦斯傳感器遠距離供電的穩壓方案。

關鍵詞：傳感器信號;遠距離供電;穩壓

一、概述

在很多情況下，煤礦井下采掘工作面巷道走向長很遠，長的可達3000 多米，超過廠家設計的分站到瓦斯傳感器最遠傳輸距離2000 米。由于分站不能安裝在回風巷中，因此瓦斯傳感器信號需要遠距離傳輸。這樣長導線的引線電阻會引起明顯的電壓降，就會給瓦斯傳感器的供電帶來很大問題，直接影響到傳感器信號傳輸的穩定性和準確性。在劉莊礦有些遠距離采掘工作面往往采用的是一根監控電纜只帶一個瓦斯傳感器，以解決遠距離供電問題，通常一根電纜能帶兩個傳感器，但是這樣只能解決2343 米以內的信號傳輸。在國有大型煤礦中，走向長超過此數字的采掘工作面很多。因此，遠距離供電、技術難度和經濟成本是實現傳感器信號遠距離傳輸時需要考慮的主要問題。本文從應用的角度，提出了本人對傳感器遠距離穩壓供電的建議。

二、傳感器遠距離供電的穩壓方案

（一）傳感器的供電方式

傳感器通過監控電纜連接到監控分站，分站配接的KDW0.3/660（A）型礦用隔爆兼本安直流穩壓電源箱中，有1 路+12V 直流本安電源提供給分站主板使用，另外6 路+21V直流本安電源提供給分站所配接的傳感器使用。

（二）遠距離電纜產生的壓降

劉莊礦常用監控電纜的單芯電阻為12.8Ω/KM，當監控電纜長度為3000m 時，單芯電阻為38.4Ω，接上瓦斯傳感器構成一個回路之后，監控電纜的電阻為R=76.8Ω。普通瓦斯傳感器的工作電流在70～90mA 之間，可以取中間值工作電流80mA，而瓦斯傳感器的啟動電流是工作電流的2～3倍，可以取中間值2.5 倍，即瓦斯傳感器的啟動電流為I=200mA。這樣3000m 的監控電纜在瓦斯傳感器啟動時的壓降為U1=I×R=200mA×76.8Ω=15.36V。

（三）瓦斯傳感器所得到的電壓

瓦斯傳感器的工作電壓在9～24V 之間，而電源箱提供給傳感器的最大電壓為21V，若分站與瓦斯傳感器之間的監控電纜長度為3000m 時，即壓降為15.36V，那么瓦斯傳感器在啟動時實際上所得到的電壓為U2=21-U1=5.64V，小于瓦斯傳感器的正常工作電壓，不能使傳感器正常工作。若要使傳感器正常工作，則分站與傳感器之間的監控電纜不得超過2343m。這個距離在我們劉莊礦長距離采掘工作面中是很常見的，例如：171303 上下順槽工作面走向長3012m，遠遠超過2343m。因此，我們只有將分站安設在171303 上下順槽的中部煤上山附近，此地點離工作面不到2000m。

（四）遠距離供電的穩壓設計

若采用兩根導線供電，因長導線的引線電阻會引起明顯的電壓降，且此壓降又隨環境溫度等因素的變化而變化，故瓦斯傳感器上得到的電壓是不穩定的。這種情況在煤礦是不允許的。

采用三線制供電方案可以很好地實現遠距離供電的穩壓，電路如下圖所示。L1、L2 為兩根相同的供電導線，且處在相同的環境中，遠距離供電時的穩壓方法故引線電阻相同，設為r;L3 為采樣導線，其引線電阻設為rs。A1 接成電壓跟隨器，起隔離作用。A2 接成差分輸入放大器，據運放“虛斷”的概念可知，L3 中的電流趨于零（故L3可用較細的導線）。

可Vs=I0（Zs+r） （1）V0=I0（Zs+2r） （2）見式（1）、（2）中Zs 為傳感器的等效阻抗。據差分輸入放大器的放大規律和給定的電阻值可知，A2 的輸出電壓為（2 Vs—Vset）。在穩定狀態下，A3 的同相端與反相端電位相等，故（2Vs—Vset）= V0。代入式（1）、（2）并整理得I0 Zs= Vset （3）

可見，傳感器上的電壓（I0 Zs）由Vset 精確控制，不受供電導線的引線電阻影響，不僅實現了遠距離供電的穩壓，而且供電電壓調節方便。

若Vset 取自基準電壓源，則傳感器上的電壓穩定度更高。A1、A2 和A3 一般選用通用運放（如μA741）即可，若A2 選用高輸入阻抗專用運放，則電路性能更好。只要廠家制造出如上圖所示的電路板，并將其安裝在電源箱提供給分站所配接傳感器的電路中即可。這樣就不會為井下3000 米以上采掘工作面瓦斯傳感器的供電而煩惱了。

三、結束語

以上分析了瓦斯傳感器遠距離敷設過程中，因長導線的引線電阻產生的電壓降，導致瓦斯傳感器得到的工作電壓不足，本文提出了遠距離供電的穩壓方案，解決了遠距離瓦斯傳感器供電不足的問題。

參考文獻：

夏敖敖.消除引線電阻影響的三線制測量方法.電子工程師，2003，29（11）：24-26。

作者簡歷：

陳德全（1969 一）、男、漢族、中共黨員，安徽淮南人，機電一體化專業、大學文化，機電工程師。現任安徽中煤劉莊煤礦通風區監測工程師，對高低壓、強弱電、PLC 程序控制等有很深探討，一直從事自動化控制技術和管理工作30 余年，發表論文多篇。