粉塵濃度傳感器在煤礦井下的應(yīng)用

引言

隨著煤炭生產(chǎn)機(jī)械化程度的加大和釆煤強(qiáng)度的不斷提高，鑿巖、爆破、裝卸.破碎、運(yùn)輸?shù)雀鱾€(gè)作業(yè)段的煤塵產(chǎn)生量在大量增加。在無防塵措施情況下，炮采工作面的粉塵濃度可達(dá)300—500mg/n?,機(jī)采工作面的粉塵濃度可達(dá)到1000?3000mg/m³,綜采工作面的粉塵濃度可達(dá)到4000~8000mg/m\嚴(yán)重污染作業(yè)場(chǎng)所的環(huán)境，飛揚(yáng)的粉塵沉積在巷道中還有爆炸的危險(xiǎn)?，F(xiàn)有煤礦井下粉塵濃度檢測(cè)裝置存在可靠性低，測(cè)量速度慢，報(bào)警信號(hào)不明顯，不能遠(yuǎn)程監(jiān)控等不足，因此有必要研制-?種可靠實(shí)用的粉塵濃度檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤塵快速實(shí)時(shí)準(zhǔn)確檢測(cè)，并有明顯聲光報(bào)警功能，遠(yuǎn)程監(jiān)控，對(duì)抓好礦井綜合防塵測(cè)塵工作，促進(jìn)煤礦安全生產(chǎn)具有重大意義。

1粉塵濃度檢測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

利用暗室里的浮游粉塵在光照時(shí)，粉塵性質(zhì)在一定條件下的散射光強(qiáng)正比于質(zhì)量濃度的原理，可將散射光強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成電信號(hào)從而計(jì)算出粉塵的相對(duì)質(zhì)量濃度，進(jìn)而計(jì)算出粉塵的質(zhì)量濃度，然后通過數(shù)碼管直接顯示并轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)輸出，在粉塵濃度超限時(shí)實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警。該系統(tǒng)主要用于各種粉塵作業(yè)場(chǎng)所總粉塵的連續(xù)檢測(cè)。該系統(tǒng)主要由6部分組成:傳感模塊、控制模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、報(bào)警模塊、顯示模塊和電源模塊，組成框圖如下圖1所示。

1.2傳感器原理

粉塵濃度傳感器的原理圖如圖2所示。含塵氣體進(jìn)入吸引口，經(jīng)導(dǎo)流裝置進(jìn)入檢測(cè)器暗室。暗室內(nèi)的平行光與受光部的視野成直角交叉構(gòu)成靈敏區(qū)，粉塵通過靈敏區(qū)時(shí)，其90°方向散射光透過狹縫射進(jìn)光電倍增管轉(zhuǎn)換成光電流，經(jīng)光電流積分電路
轉(zhuǎn)換成與散射光成正比的電信號(hào)。再通過放大電路和A/D轉(zhuǎn)換電路變換成頻率為200-1000Hz的頻率信號(hào)，經(jīng)計(jì)算后得出粉塵的質(zhì)量濃度。

粉塵光散射比例系數(shù)的標(biāo)定可以釆取平行采樣標(biāo)定法。平行采樣標(biāo)定法是在傳感器的旁邊放置一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)粉塵釆樣器，在傳感器測(cè)量的同時(shí)，用該釆樣器采樣,并記錄下傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)10組以上，取其算術(shù)平均值作為傳感器的測(cè)量值，標(biāo)準(zhǔn)粉塵采樣器采集粉塵后，用天平稱重法測(cè)定粉塵濃度值,并作為標(biāo)準(zhǔn)濃度值，按下式計(jì)算比例系數(shù)：

1.3電源電路

由于井下本安電源用的比較多的是直流12V,18V,該系統(tǒng)中電機(jī)工作電壓是直流18V。報(bào)警模塊的12V電源是通過三端穩(wěn)壓電源7812獲得的。該電源電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)用，成本低。電路如圖3所示。

1.4檢測(cè)系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)

該檢測(cè)系統(tǒng)的主電路連接如圖4所示。該電路采用菱陽16位單片機(jī)SPMC75F2413A-QFP64作為控制核心，單片機(jī)IOC14腳輸出控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)聲光報(bào)警電路。報(bào)警電路的聲音的頻率用2片555芯片來完成。撥碼開關(guān)可進(jìn)行預(yù)值的設(shè)定，操作簡(jiǎn)單。

2粉塵濃度檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖4粉塵濃度傳感器及檢測(cè)系統(tǒng)原理圖

3實(shí)驗(yàn)波形

未加粉塵時(shí)傳感器輸岀信號(hào)頻率為200 Hz,無 控制信號(hào)輸出。當(dāng)有含塵氣體吸入時(shí)，數(shù)碼管立刻顯 示粉塵濃度，傳感器輸出與濃度成正比的頻率信號(hào)，如圖6(a)所示，當(dāng)濃度超限時(shí)單片機(jī)輸出脈沖信號(hào),驅(qū)動(dòng)報(bào)警電路報(bào)警。圖6(b)驅(qū)動(dòng)信號(hào)脈沖波形。

圖5算法流程圖

圖6檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)波形

4結(jié)論

垓粉塵濃度檢測(cè)系統(tǒng)在蔣莊煤礦井下成功應(yīng)用，運(yùn)行情況良好。該系統(tǒng)不但可以即時(shí)檢測(cè)粉塵濃度，還可以控制噴霧，動(dòng)作靈敏、可靠，瞭霧打開和關(guān)閉實(shí)現(xiàn)智能化控制。實(shí)現(xiàn)除塵設(shè)備的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，大大降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，具有廣闊的推廣前景。