礦用煙霧傳感器檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析

天地（常州）自動(dòng)化股份有限公司 潘祥生

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礦用煙霧傳感器檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析

天地（常州）自動(dòng)化股份有限公司 潘祥生

【摘要】針對(duì)MT382-2011礦用煙霧傳感器檢測系統(tǒng)的研制要求，設(shè)計(jì)一種新型礦用煙霧傳感檢測系統(tǒng)?；诶什?比爾定律，建立檢測系統(tǒng)測算減光率的數(shù)學(xué)計(jì)算模型，得出激光穿過煙霧后投射光強(qiáng)與散射光強(qiáng)之間的線性關(guān)系，由此算出煙霧濃度。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性好。

【關(guān)鍵詞】礦用煙霧傳感器；檢測系統(tǒng)；煙霧粒子；減光率

火災(zāi)是影響煤礦安全生產(chǎn)的重大危害之一［1］。礦用煙霧傳感器是早期火災(zāi)監(jiān)測、預(yù)警的重要設(shè)備。目前，氣敏型、離子型、光電型傳感技術(shù)發(fā)展較為成熟，且廣泛運(yùn)用于煤炭行業(yè)。氣敏感煙型探測器靈敏度低、穩(wěn)定性差；離子感煙型探測器生產(chǎn)制造成本低，但對(duì)陰燃煙霧檢測靈敏度低，且其電離室中含有放射性元素，在使用過程中有污染環(huán)境的危險(xiǎn)；光電型探測器測量火災(zāi)煙霧粒子濃度或粒子對(duì)光的遮擋效果［2］。隨著傳感技術(shù)的不斷發(fā)展，光電型傳感技術(shù)能夠精確檢測低濃度煙霧，使用前景廣闊。

本文以煙霧粒子的遮光率為研究對(duì)象，根據(jù)朗伯-比爾定律，建立檢測裝置的遮光率數(shù)學(xué)計(jì)算模型，利用激光穿透粒子后發(fā)生散射原理及透射光強(qiáng)與散射光強(qiáng)之間的線性關(guān)系，設(shè)計(jì)一種新型礦用煙霧傳感器檢測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)檢測系統(tǒng)在量程內(nèi)任意煙霧濃度值下快速、實(shí)時(shí)檢測煙霧傳感器的響應(yīng)時(shí)間，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證檢測系統(tǒng)的檢測精度。

1 檢測系統(tǒng)原理分析

激光在穿過煙霧粒子時(shí)，會(huì)發(fā)生吸收和散射，激光的入射光強(qiáng)會(huì)發(fā)生改變，通過檢測煙霧粒子對(duì)激光的遮擋程度精確算出煙霧的濃度。

根據(jù)朗伯-比爾定律［3］，利用光學(xué)方法替代原來的質(zhì)量濃度法對(duì)煙霧濃度進(jìn)行檢測，設(shè)參數(shù)為S，表示光穿過1m厚度的煙霧后被遮擋的程度，數(shù)學(xué)表達(dá)為：

—透光率。

由于檢測裝置受加工限制，檢測裝置的測量光束穿過煙霧厚度實(shí)際達(dá)不到1m，因此，需要將實(shí)際檢測的遮光率換算成1m厚煙霧的等效遮光率。假設(shè)檢測系統(tǒng)的測試光為單色平行光，垂直照射被測煙霧，同時(shí)煙霧粒子分布均勻，忽略煙霧粒子間相互作用，則測試光的透光率Tm和其在穿過1m厚的透光率分別為：

式中：IiL—測試輸入光強(qiáng)；IoL—測試透射光強(qiáng)；k—煙霧吸光系數(shù)；C—煙霧粒子濃度；L—測試光穿過煙霧的距離

由（2）、（3）式可得：

由（1）、（4）式可得：

理論上測出入射光強(qiáng)和透射光強(qiáng)就可以算出煙霧濃度。實(shí)際上在火災(zāi)前期，即可燃物處于陰燃狀態(tài)，煙霧粒子粒徑很小，煙霧濃度較低，若通過檢測輸入光強(qiáng)和透射光強(qiáng)算出煙霧濃度，則結(jié)果誤差較大。

當(dāng)單色光穿透煙霧粒子時(shí)，會(huì)發(fā)生散射現(xiàn)象，為獲得高精度、高靈敏度的測試結(jié)果，可通過散射光強(qiáng)的大小反應(yīng)煙霧濃度的高低［4］，由此可得：

由（5）、（6）式可得：

2 檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

檢測系統(tǒng)主要包括檢測裝置和電子模塊兩個(gè)部分。檢測裝置上裝有激光器，激光器發(fā)出的激光照射在檢測裝置內(nèi)的煙霧粒子上，光電探測器將檢測到的激光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

注：①激光器；②檢測裝置；③散射光；④入射光；⑤信號(hào)處理電路；⑥數(shù)字信號(hào)處理器；⑦觸摸屏；⑧上位機(jī)。圖1 檢驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 檢測裝置設(shè)計(jì)

檢測裝置用于提供檢測礦用傳感器所需的檢測環(huán)境，主要包括：發(fā)煙裝置、進(jìn)氣裝置、加熱裝置、出氣裝置、測試工位和測控裝置幾部分組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。檢測裝置采用封閉式回型設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)可得到穩(wěn)定、均勻的煙霧粒子濃度，為精確測量煙霧濃度提供了可靠的測試環(huán)境。發(fā)煙裝置主要提供測試所需的煙霧，煙霧粒徑大小可通過計(jì)算機(jī)精確控制［5］。進(jìn)氣裝置在測試時(shí)向檢測裝置內(nèi)駐入清潔空氣，使檢測裝置內(nèi)部形成標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的氣流速度。加熱裝置用于內(nèi)部檢測環(huán)境升溫，滿足測試所需的環(huán)境溫度。出氣裝置用于測試結(jié)束后的尾煙排放。測試工位用于放置需要測試的傳感器。測控裝置用于測試煙霧濃度和傳感器的響應(yīng)時(shí)間，整個(gè)裝置結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)便宜，測量精度高。

圖2 檢測裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 電子模塊設(shè)計(jì)

電子模塊主要由信號(hào)處理電路、數(shù)字信號(hào)處理器、觸摸屏和上位機(jī)四部分組成。信號(hào)處理電路包括放大電路和A/D轉(zhuǎn)換電路兩部分。本系統(tǒng)采用兩級(jí)放大電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)I/V轉(zhuǎn)換和放大。前級(jí)放大電路將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，后級(jí)放大電路將電壓信號(hào)發(fā)大至A/D轉(zhuǎn)換芯片所需的范圍內(nèi)，然后再轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)通過數(shù)據(jù)總線傳遞給處理器進(jìn)行處理［6］。整個(gè)系統(tǒng)控制核心主要完成以下任務(wù)：控制A/D轉(zhuǎn)換芯片；對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波；計(jì)算煙霧濃度；控制觸摸屏；與上位機(jī)通信。

圖3 濃度誤差分布圖

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 檢測裝置實(shí)驗(yàn)

本檢測系統(tǒng)利用采集散射光強(qiáng)，換算獲得煙霧的標(biāo)準(zhǔn)濃度值。

根據(jù)MT382-2011中試驗(yàn)規(guī)定，在室溫25℃，相對(duì)濕度50%的試驗(yàn)環(huán)境下，將棉繩陰燃，使用上述設(shè)計(jì)的檢測系統(tǒng)檢測煙霧濃度［7］?，F(xiàn)測試1000組數(shù)據(jù)，以煙霧標(biāo)準(zhǔn)濃度為橫坐標(biāo)，透射光強(qiáng)為縱坐標(biāo)繪制散點(diǎn)圖，如圖3所示。

由圖3可知，煙霧粒子分布是不均勻的，煙霧濃度集中在0～10%0bs/m，差值絕對(duì)值不超過0.4%obs/m。

該測試系統(tǒng)中，不考慮光電探測器響應(yīng)時(shí)間的誤差，透射光強(qiáng)和散射光強(qiáng)的測量值具有良好的線性關(guān)系，結(jié)果如圖4所示。

圖4 光強(qiáng)與遮光率的關(guān)系曲線

由圖4（a）、（b）可以看出，利用散光光強(qiáng)檢測煙霧濃度可靠穩(wěn)定，適合用于礦用煙霧傳感器的測試。

3.2 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證測試系統(tǒng)的精度，將檢測系統(tǒng)與國外AW Technology公司生產(chǎn)的煙霧傳感器檢測系統(tǒng)（1800型）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比［8］。AW Technology生產(chǎn)的檢測系統(tǒng)也是通過散射光強(qiáng)測算煙霧濃度，其測試精度在行業(yè)內(nèi)得到廣泛認(rèn)可，但1800型檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴。

將測試系統(tǒng)與AW Technology生產(chǎn)的1800型檢測系統(tǒng)同時(shí)檢測同一煙霧，對(duì)比檢測結(jié)果如圖5所示。

圖5 對(duì)比結(jié)果圖

從圖5（a）可以看出，AW Technology公司生產(chǎn)的1800型檢測系統(tǒng)檢測出的響應(yīng)時(shí)間比設(shè)計(jì)的檢測系統(tǒng)滯后，設(shè)計(jì)的檢測系統(tǒng)實(shí)時(shí)性更好，對(duì)及時(shí)報(bào)警火災(zāi)具有重要意義。將圖5（a）中的曲線平移，使得兩曲線的起點(diǎn)重合，如圖5（b）所示。從圖5（b）可以看出，設(shè)計(jì)的檢測系統(tǒng)與AW Technology公司生產(chǎn)的1800型檢測系統(tǒng)都具有較高的靈敏度，但設(shè)計(jì)的檢測系統(tǒng)穩(wěn)定性更好。

4 結(jié)論

1）本文基于朗伯-比爾定律設(shè)計(jì)了一種新型礦用煙霧傳感器檢測系統(tǒng)。

2）本文設(shè)計(jì)的檢測系統(tǒng)實(shí)時(shí)性好、靈敏度高，尤其對(duì)于低濃度煙霧具有較高的96測量精度。

3）和現(xiàn)有的AW Technology公司生產(chǎn)的1800型檢測系統(tǒng)相比，本文設(shè)計(jì)的檢測裝置成本低、實(shí)時(shí)性好、穩(wěn)定高，可用于以遮光率為指標(biāo)的煙霧傳感器的型式檢驗(yàn)和出廠校準(zhǔn)等。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：

潘祥生（1985—），男，江蘇常州人，現(xiàn)供職于天地（常州）自動(dòng)化股份有限公司。