瓦斯传感器远距离供电稳压设计

摘要：针对大型煤矿长距离采掘工作面瓦斯传感器距离监控分站较远，因长导线的引线电阻会引起明显的电压降，为确保瓦斯传感器信号传输的稳定性和准确性，其供电成为主要问题。本文从应用的角度，提出了对瓦斯传感器远距离供电的稳压方案。

关键词：传感器信号;远距离供电;稳压

一、概述

在很多情况下，煤矿井下采掘工作面巷道走向长很远，长的可达3000 多米，超过厂家设计的分站到瓦斯传感器最远传输距离2000 米。由于分站不能安装在回风巷中，因此瓦斯传感器信号需要远距离传输。这样长导线的引线电阻会引起明显的电压降，就会给瓦斯传感器的供电带来很大问题，直接影响到传感器信号传输的稳定性和准确性。在刘庄矿有些远距离采掘工作面往往采用的是一根监控电缆只带一个瓦斯传感器，以解决远距离供电问题，通常一根电缆能带两个传感器，但是这样只能解决2343 米以内的信号传输。在国有大型煤矿中，走向长超过此数字的采掘工作面很多。因此，远距离供电、技术难度和经济成本是实现传感器信号远距离传输时需要考虑的主要问题。本文从应用的角度，提出了本人对传感器远距离稳压供电的建议。

二、传感器远距离供电的稳压方案

（一）传感器的供电方式

传感器通过监控电缆连接到监控分站，分站配接的KDW0.3/660（A）型矿用隔爆兼本安直流稳压电源箱中，有1 路+12V 直流本安电源提供给分站主板使用，另外6 路+21V直流本安电源提供给分站所配接的传感器使用。

（二）远距离电缆产生的压降

刘庄矿常用监控电缆的单芯电阻为12.8Ω/KM，当监控电缆长度为3000m 时，单芯电阻为38.4Ω，接上瓦斯传感器构成一个回路之后，监控电缆的电阻为R=76.8Ω。普通瓦斯传感器的工作电流在70～90mA 之间，可以取中间值工作电流80mA，而瓦斯传感器的启动电流是工作电流的2～3倍，可以取中间值2.5 倍，即瓦斯传感器的启动电流为I=200mA。这样3000m 的监控电缆在瓦斯传感器启动时的压降为U1=I×R=200mA×76.8Ω=15.36V。

（三）瓦斯传感器所得到的电压

瓦斯传感器的工作电压在9～24V 之间，而电源箱提供给传感器的最大电压为21V，若分站与瓦斯传感器之间的监控电缆长度为3000m 时，即压降为15.36V，那么瓦斯傳感器在启动时实际上所得到的电压为U2=21-U1=5.64V，小于瓦斯传感器的正常工作电压，不能使传感器正常工作。若要使传感器正常工作，则分站与传感器之间的监控电缆不得超过2343m。这个距离在我们刘庄矿长距离采掘工作面中是很常见的，例如：171303 上下顺槽工作面走向长3012m，远远超过2343m。因此，我们只有将分站安设在171303 上下顺槽的中部煤上山附近，此地点离工作面不到2000m。

（四）远距离供电的稳压设计

若采用两根导线供电，因长导线的引线电阻会引起明显的电压降，且此压降又随环境温度等因素的变化而变化，故瓦斯传感器上得到的电压是不稳定的。这种情况在煤矿是不允许的。

采用三线制供电方案可以很好地实现远距离供电的稳压，电路如下图所示。L1、L2 为两根相同的供电导线，且处在相同的环境中，远距离供电时的稳压方法故引线电阻相同，设为r;L3 为采样导线，其引线电阻设为rs。A1 接成电压跟随器，起隔离作用。A2 接成差分输入放大器，据运放“虚断”的概念可知，L3 中的电流趋于零（故L3可用较细的导线）。

可Vs=I0（Zs+r） （1）V0=I0（Zs+2r） （2）见式（1）、（2）中Zs 为传感器的等效阻抗。据差分输入放大器的放大规律和给定的电阻值可知，A2 的输出电压为（2 Vs—Vset）。在稳定状态下，A3 的同相端与反相端电位相等，故（2Vs—Vset）= V0。代入式（1）、（2）并整理得I0 Zs= Vset （3）

可见，传感器上的电压（I0 Zs）由Vset 精确控制，不受供电导线的引线电阻影响，不仅实现了远距离供电的稳压，而且供电电压调节方便。

若Vset 取自基准电压源，则传感器上的电压稳定度更高。A1、A2 和A3 一般选用通用运放（如μA741）即可，若A2 选用高输入阻抗专用运放，则电路性能更好。只要厂家制造出如上图所示的电路板，并将其安装在电源箱提供给分站所配接传感器的电路中即可。这样就不会为井下3000 米以上采掘工作面瓦斯传感器的供电而烦恼了。

三、结束语

以上分析了瓦斯传感器远距离敷设过程中，因长导线的引线电阻产生的电压降，导致瓦斯传感器得到的工作电压不足，本文提出了远距离供电的稳压方案，解决了远距离瓦斯传感器供电不足的问题。

参考文献：

夏敖敖.消除引线电阻影响的三线制测量方法.电子工程师，2003，29（11）：24-26。

作者简历：

陈德全（1969 一）、男、汉族、中共党员，安徽淮南人，机电一体化专业、大学文化，机电工程师。现任安徽中煤刘庄煤矿通风区监测工程师，对高低压、强弱电、PLC 程序控制等有很深探讨，一直从事自动化控制技术和管理工作30 余年，发表论文多篇。