反風(fēng)流自動(dòng)清洗直讀式粉塵濃度傳感器的研制

江西省煤炭工業(yè)科學(xué)研究所 羅文浩 李冬梅 彭永飛

反風(fēng)流自動(dòng)清洗直讀式粉塵濃度傳感器的研制

江西省煤炭工業(yè)科學(xué)研究所 羅文浩 李冬梅 彭永飛

研制一種可用于煤礦及金屬非金屬礦山井下及其它有粉塵的作業(yè)環(huán)境中，現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)監(jiān)測(cè)環(huán)境中的總粉塵濃度，并且能定時(shí)自動(dòng)清理氣室，保證光學(xué)系統(tǒng)和氣室不受環(huán)境污染的一種粉塵濃度監(jiān)測(cè)的傳感器。該傳感器的研究能夠解決國(guó)內(nèi)現(xiàn)有粉塵檢測(cè)技術(shù)方面的不足，如測(cè)量精度不高、儀器工作電流過(guò)大、氣室結(jié)構(gòu)不合理不易于清理維護(hù)等弊端。傳感器能準(zhǔn)確快速的檢測(cè)出粉塵濃度，預(yù)防和減少職業(yè)病的發(fā)生，符合國(guó)家對(duì)于企業(yè)改良工作環(huán)境、預(yù)防職業(yè)病的要求。

粉塵；監(jiān)測(cè)；反風(fēng)流；自動(dòng)清洗

0 引言

煤炭開(kāi)采運(yùn)輸過(guò)程使煤、巖粉塵飛揚(yáng)，隨著煤礦開(kāi)采強(qiáng)度和機(jī)械化水平的提高，在提高煤炭產(chǎn)量的同時(shí)，產(chǎn)塵量和礦井作業(yè)場(chǎng)所的粉塵濃度也大大增加，給作業(yè)人員和安全生產(chǎn)造成極大危害。一方面，由于粉塵污染作業(yè)環(huán)境中的空氣，作業(yè)人員長(zhǎng)期工作在此環(huán)境中會(huì)導(dǎo)致塵肺病，嚴(yán)重危害工人的身體健康；另一方面，粉塵濃度過(guò)高潛伏著粉塵爆炸的危險(xiǎn)。因此，各個(gè)國(guó)家都對(duì)粉塵作業(yè)場(chǎng)所的粉塵進(jìn)行了防治和監(jiān)測(cè)，尤其是作業(yè)場(chǎng)所的粉塵監(jiān)測(cè)尤為重要。粉塵監(jiān)測(cè)是管理人員掌握現(xiàn)場(chǎng)粉塵狀況的重要手段，是塵害防治和科學(xué)管理的重要環(huán)節(jié)。因此，為了響應(yīng)國(guó)家的號(hào)召加強(qiáng)企業(yè)安全生產(chǎn)環(huán)境，迫切需要研制一直能夠監(jiān)測(cè)粉塵濃度的傳感器，能大大的降低粉塵危害從而提高煤礦安全生產(chǎn)和環(huán)境水平。

1 國(guó)內(nèi)外同類(lèi)產(chǎn)品和技術(shù)情況

國(guó)內(nèi)現(xiàn)有產(chǎn)品對(duì)于粉塵濃度的測(cè)量，主要有以下幾種方式：一種采用粉塵采樣器，利用濾膜計(jì)重法原理：抽取一定體積的含塵空氣，粉塵被捕集在濾膜上，根據(jù)濾膜上增加的粉塵質(zhì)量，再利用公式計(jì)算出單位體積空氣中粉塵質(zhì)量濃度。這種方式不僅不便于操作，而且不能連續(xù)測(cè)量，測(cè)量周期長(zhǎng)，工序復(fù)雜，不能及時(shí)反映作業(yè)地點(diǎn)的粉塵變化情況。另外一種是直讀式測(cè)塵儀，主要利用間接方法如光散射、D源吸收等原理，利用采樣器進(jìn)行標(biāo)定，可即時(shí)顯示測(cè)量出的粉塵濃度值來(lái)，但工作時(shí)間短，測(cè)量次數(shù)有限，不能夠?qū)Ψ蹓m連續(xù)監(jiān)測(cè)，只能作為常規(guī)便攜式測(cè)塵儀使用。

本傳感器可連續(xù)檢測(cè)直讀式粉塵濃度。具有快速直讀、便攜和操作方面等優(yōu)點(diǎn)，傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)在粉塵環(huán)境下的連續(xù)工作對(duì)粉塵濃度進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)顯示濃度值，具有超限聲光報(bào)警功能，而且具有多種方式的信號(hào)輸出，可直接上傳到地表環(huán)境監(jiān)控主機(jī)，可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控，傳感器采用獨(dú)有的反風(fēng)流技術(shù)定時(shí)自動(dòng)清理氣室及光學(xué)系統(tǒng)，利用原有泵吸得反向風(fēng)流，再經(jīng)清潔過(guò)濾處理后形成螺旋風(fēng)來(lái)清潔另一待用氣室，通過(guò)嵌入式軟件控制傳感器定時(shí)自動(dòng)清理，保持光學(xué)系統(tǒng)始終不受煤礦井下特殊環(huán)境條件的影響，確保了傳感傳感器的精確性和免維護(hù)性。

2 傳感器的開(kāi)發(fā)內(nèi)容、實(shí)現(xiàn)方法、技術(shù)原理

(1)采用激光散射法測(cè)量粉塵，設(shè)計(jì)一種穩(wěn)定性好、靈敏度高且結(jié)構(gòu)合理小巧的光電轉(zhuǎn)換及信號(hào)處理傳感器。

含塵空氣從進(jìn)氣接管進(jìn)入，經(jīng)過(guò)光照區(qū)，在出氣接管排出。激光光源從入射光路進(jìn)入，經(jīng)過(guò)光照區(qū)，從出射光路進(jìn)入光陷阱。當(dāng)光在光照區(qū)照射到含塵空氣中的塵埃顆粒時(shí)，會(huì)發(fā)生折射，一部分折射光會(huì)直接折射進(jìn)入光探測(cè)器的光敏區(qū)，另一部分會(huì)折射到球面反射鏡上，再由鏡面反射鏡將折射光折射進(jìn)入光探測(cè)器的光敏區(qū)，光探測(cè)器將接收的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流，經(jīng)積分電路轉(zhuǎn)換成與散射光成正比的電信號(hào)，通過(guò)放大電路和A/D轉(zhuǎn)換電路輸入單片機(jī)，單片機(jī)計(jì)算出粉塵的質(zhì)量濃度并顯示和信號(hào)輸出。原理框圖如圖1所示。

圖1 傳感器原理框圖

研究試驗(yàn)由氣泵將被測(cè)空氣抽入光學(xué)監(jiān)測(cè)傳感器。光學(xué)監(jiān)測(cè)傳感器由照明系統(tǒng)、散射光收集系統(tǒng)組成，這兩個(gè)系統(tǒng)的軸線(xiàn)與采樣氣流的軸線(xiàn)相互垂直，交點(diǎn)周?chē)囊粋€(gè)小區(qū)域是測(cè)量系統(tǒng)的光敏感區(qū)，它是粉塵流過(guò)時(shí)得到照明并產(chǎn)生散射光的位置。半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光波穿過(guò)具有粉塵的被測(cè)區(qū)域后，光電二極管將散射光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，輸出到信號(hào)放大單元；光電轉(zhuǎn)換包括一個(gè)發(fā)出激光光束的半導(dǎo)體激光光源，在該激光光源發(fā)出光束的前進(jìn)方向上，依次設(shè)有入射光通道，光照區(qū)、出射光通道、光陷阱；經(jīng)過(guò)光照區(qū)且與光路垂直方向上設(shè)有球面反射鏡、半導(dǎo)體光探測(cè)器，球面反射鏡和光探測(cè)器分別在光照區(qū)的兩邊。

光電轉(zhuǎn)換后的信號(hào)極其微弱，需通過(guò)信號(hào)調(diào)整電路對(duì)獲得的信號(hào)進(jìn)行處理和放大，以滿(mǎn)足A／D轉(zhuǎn)換接口的需要。信號(hào)放大單元將接收到的電信號(hào)進(jìn)行處理放大并輸出。信號(hào)放大單元包括微分放大電路、信號(hào)檢測(cè)電路、積分與輸出電路。微分放大電路與光電轉(zhuǎn)換單元中的半導(dǎo)體光探測(cè)器電性連接，該微分放大電路對(duì)輸入的電信號(hào)進(jìn)行微分、放大；信號(hào)檢測(cè)電路與微分放大電路電性連接，積分與輸出電路將信號(hào)檢測(cè)電路取樣檢測(cè)的結(jié)果進(jìn)行積分，并轉(zhuǎn)換為隨粉塵濃度大小變化的直流信號(hào)，再將該直流信號(hào)傳輸至處理器。信號(hào)經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后，送微處理器，基于信號(hào)放大單元輸出的電壓信號(hào)、以及預(yù)存的電壓信號(hào)與粉末濃度的比例關(guān)系計(jì)算粉末濃度，同時(shí)將數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、顯示，根據(jù)需要對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行打印或?qū)?shù)據(jù)傳送至PC機(jī)。

(2)設(shè)計(jì)一種合理的氣體采樣結(jié)構(gòu)解決粉塵采樣時(shí)分布不均的問(wèn)題。

氣體采樣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將進(jìn)氣管和出氣接管對(duì)稱(chēng)分布在光照區(qū)的兩側(cè)，進(jìn)氣接管在光照區(qū)的上端，出氣接管在光照區(qū)的下端，出氣接管的管徑大于進(jìn)氣接管的管徑，形成近似漏斗形，從而減少含塵空氣中的塵埃顆粒在光照區(qū)中推積，進(jìn)而可減少維護(hù)次數(shù)。進(jìn)氣接管的管孔呈扁平狀，可使塵埃顆粒在管壁中撞擊，對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)制整形，改變其分布規(guī)律，使塵埃顆粒分布均勻，從而提高測(cè)量精度，同時(shí)提高量程范圍。

(3)通過(guò)低功耗設(shè)計(jì)解決傳感器工作電流偏大的問(wèn)題。

本傳感器通過(guò)低功耗設(shè)計(jì)解決傳感器工作電流偏大的問(wèn)題。傳感器研制采用當(dāng)前世界最先進(jìn)的低功耗半導(dǎo)體激光器件H一N 激光器，具有性?xún)r(jià)比高及壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，電路采用低功耗的單片機(jī)芯片和元器件，加上從軟件上穩(wěn)定啟動(dòng)電流、合理控制抽氣頻率等設(shè)計(jì)，使得傳感器能降低功耗長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作。

(4)采用雙通道反風(fēng)流技術(shù)，通過(guò)嵌入式軟件自動(dòng)控制傳感器的氣室輪換工作，并定時(shí)自動(dòng)清理。

研究自動(dòng)清潔系統(tǒng)，為保證光學(xué)檢測(cè)器件在煤礦井下長(zhǎng)期有效的工作，必須研究試制一種可保證光學(xué)系統(tǒng)清潔可靠的方法和結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)上采用雙通道反風(fēng)流技術(shù)，通過(guò)嵌入式軟件自動(dòng)控制傳感器的氣室輪換工作，保證了傳感器在礦山、水泥廠(chǎng)等高污染地區(qū)工作的連續(xù)性和可靠性，獨(dú)有的反風(fēng)流技術(shù)定時(shí)自動(dòng)清理氣室及光學(xué)系統(tǒng)，利用原有泵吸得反向風(fēng)流，再經(jīng)清潔過(guò)濾處理后形成螺旋風(fēng)來(lái)清潔另一待用氣室，通過(guò)嵌入式軟件控制傳感器定時(shí)自動(dòng)清理，保持光學(xué)系統(tǒng)始終不受煤礦井下特殊環(huán)境條件的影響，確保了傳感傳感器的精確性和免維護(hù)性。

3 傳感器的創(chuàng)新之處

(1)結(jié)構(gòu)上采用雙通道反風(fēng)流技術(shù)，通過(guò)嵌入式軟件自動(dòng)控制傳感器的氣室輪換工作，還可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)零、調(diào)靈敏度及線(xiàn)性調(diào)整。從而保證了傳感器在礦山、水泥廠(chǎng)等高污染地區(qū)工作的連續(xù)性和可靠性。

(2)采用獨(dú)有的反風(fēng)流技術(shù)定時(shí)自動(dòng)清理氣室及光學(xué)系統(tǒng)，利用原有泵吸得反向風(fēng)流，再經(jīng)清潔過(guò)濾處理后形成螺旋風(fēng)來(lái)清潔另一待用氣室，通過(guò)嵌入式軟件控制傳感器定時(shí)自動(dòng)清理，保持光學(xué)系統(tǒng)始終不受煤礦井下特殊環(huán)境條件的影響，確保了傳感傳感器的精確性和免維護(hù)性。

4 結(jié)論

本傳感器采用先進(jìn)的激光散射式粉塵濃度在線(xiàn)測(cè)量方法具有穩(wěn)定性好、靈敏度高的特點(diǎn)。本傳感器傳感器設(shè)計(jì)獨(dú)特的雙通道氣室反風(fēng)流結(jié)構(gòu)，采用輪換工作方式，利用原有泵吸得反向風(fēng)流，再經(jīng)清潔過(guò)濾處理后形成螺旋風(fēng)來(lái)清潔另一待用氣室，通過(guò)嵌入式軟件控制傳感器定時(shí)自動(dòng)清理，保持光學(xué)系統(tǒng)始終不受煤礦、水泥廠(chǎng)等特殊環(huán)境條件的影響，確保了傳感傳感器的精確性和免維護(hù)性，能有效解決國(guó)內(nèi)現(xiàn)有粉塵檢測(cè)儀器存在的難題。本傳感器是采用新技術(shù)、新材料、光機(jī)電一體化技術(shù)研制新型的礦用傳感監(jiān)測(cè)傳感器。技術(shù)水平具有國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。它將為粉塵作業(yè)場(chǎng)所安全生產(chǎn)，粉塵防治及保障工作人員人身安全、健康，起到非常重要的作用。

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The development of anti-air automatic cleaning direct reading dust concentration sensor

Luo Wenhao，Li Dongmei，Peng Yongfei
（Jiangxi Coal Industry Scientific Research Institute，Nanchang，330029，China）

OutputDeveloping a can be used in the coal mine dust and metal non-metal mines and other operating environment，the scene of total dust concentration in continuous monitoring environment，and can automatically clean up the air chamber regularly，ensure the optical system of the gas chamber is not affected by environmental pollution of a dust concentration monitoring sensors.The research of the sensor can be the solution of the shortcomings of the existing dust detection technology，such as the measurement accuracy is not high，instrument working current is too large，unreasonable structure of air chamber is not easy to maintenance etc.The sensor can accurately and quickly detect the concentration of dust，prevent and reduce the occurrence of occupational diseases，in line with the requirements of the state to improve the working environment and prevent occupational diseases.

monitoring；the romantic；automatic cleaning

羅文浩（1986—），江西南昌人，2015年碩士畢業(yè)于南昌大學(xué)電子與通信工程專(zhuān)業(yè)，工程師，2008年至今工作于江西省煤炭工業(yè)科學(xué)研究所。