礦用煙霧傳感器檢測系統(tǒng)的設計與分析

天地（常州）自動化股份有限公司 潘祥生

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礦用煙霧傳感器檢測系統(tǒng)的設計與分析

天地（常州）自動化股份有限公司 潘祥生

【摘要】針對MT382-2011礦用煙霧傳感器檢測系統(tǒng)的研制要求，設計一種新型礦用煙霧傳感檢測系統(tǒng)。基于朗伯-比爾定律，建立檢測系統(tǒng)測算減光率的數(shù)學計算模型，得出激光穿過煙霧后投射光強與散射光強之間的線性關系，由此算出煙霧濃度。該系統(tǒng)結構簡單、實時性和穩(wěn)定性好。

【關鍵詞】礦用煙霧傳感器；檢測系統(tǒng)；煙霧粒子；減光率

火災是影響煤礦安全生產的重大危害之一［1］。礦用煙霧傳感器是早期火災監(jiān)測、預警的重要設備。目前，氣敏型、離子型、光電型傳感技術發(fā)展較為成熟，且廣泛運用于煤炭行業(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制造成本低，但對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；光電型探測器測量火災煙霧粒子濃度或粒子對光的遮擋效果［2］。隨著傳感技術的不斷發(fā)展，光電型傳感技術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象，根據(jù)朗伯-比爾定律，建立檢測裝置的遮光率數(shù)學計算模型，利用激光穿透粒子后發(fā)生散射原理及透射光強與散射光強之間的線性關系，設計一種新型礦用煙霧傳感器檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)檢測系統(tǒng)在量程內任意煙霧濃度值下快速、實時檢測煙霧傳感器的響應時間，并結合實驗驗證檢測系統(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，會發(fā)生吸收和散射，激光的入射光強會發(fā)生改變，通過檢測煙霧粒子對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］，利用光學方法替代原來的質量濃度法對煙霧濃度進行檢測，設參數(shù)為S，表示光穿過1m厚度的煙霧后被遮擋的程度，數(shù)學表達為：

—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際達不到1m，因此，需要將實際檢測的遮光率換算成1m厚煙霧的等效遮光率。假設檢測系統(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；IoL—測試透射光強；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和透射光強就可以算出煙霧濃度。實際上在火災前期，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和透射光強算出煙霧濃度，則結果誤差較大。

當單色光穿透煙霧粒子時，會發(fā)生散射現(xiàn)象，為獲得高精度、高靈敏度的測試結果，可通過散射光強的大小反應煙霧濃度的高低［4］，由此可得：

由（5）、（6）式可得：

2 檢測系統(tǒng)設計

檢測系統(tǒng)主要包括檢測裝置和電子模塊兩個部分。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的煙霧粒子上，光電探測器將檢測到的激光信號轉換成電信號輸出，其結構如圖1所示。

注：①激光器；②檢測裝置；③散射光；④入射光；⑤信號處理電路；⑥數(shù)字信號處理器；⑦觸摸屏；⑧上位機。圖1 檢驗系統(tǒng)結構示意圖

2.1 檢測裝置設計

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，結構如圖2所示。檢測裝置采用封閉式回型設計，該設計可得到穩(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算機精確控制［5］。進氣裝置在測試時向檢測裝置內駐入清潔空氣，使檢測裝置內部形成標準規(guī)定的氣流速度。加熱裝置用于內部檢測環(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時間，整個裝置結構簡單，造價便宜，測量精度高。

圖2 檢測裝置結構示意圖

2.2 電子模塊設計

電子模塊主要由信號處理電路、數(shù)字信號處理器、觸摸屏和上位機四部分組成。信號處理電路包括放大電路和A/D轉換電路兩部分。本系統(tǒng)采用兩級放大電路實現(xiàn)信號I/V轉換和放大。前級放大電路將電流信號轉換為電壓信號，后級放大電路將電壓信號發(fā)大至A/D轉換芯片所需的范圍內，然后再轉換成數(shù)字信號，數(shù)字信號通過數(shù)據(jù)總線傳遞給處理器進行處理［6］。整個系統(tǒng)控制核心主要完成以下任務：控制A/D轉換芯片；對信號進行數(shù)字濾波；計算煙霧濃度；控制觸摸屏；與上位機通信。

圖3 濃度誤差分布圖

3 實驗分析

3.1 檢測裝置實驗

本檢測系統(tǒng)利用采集散射光強，換算獲得煙霧的標準濃度值。

根據(jù)MT382-2011中試驗規(guī)定，在室溫25℃，相對濕度50%的試驗環(huán)境下，將棉繩陰燃，使用上述設計的檢測系統(tǒng)檢測煙霧濃度［7］。現(xiàn)測試1000組數(shù)據(jù)，以煙霧標準濃度為橫坐標，透射光強為縱坐標繪制散點圖，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時間的誤差，透射光強和散射光強的測量值具有良好的線性關系，結果如圖4所示。

圖4 光強與遮光率的關系曲線

由圖4（a）、（b）可以看出，利用散光光強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 對比實驗

為了驗證測試系統(tǒng)的精度，將檢測系統(tǒng)與國外AW Technology公司生產的煙霧傳感器檢測系統(tǒng)（1800型）進行實驗對比［8］。AW Technology生產的檢測系統(tǒng)也是通過散射光強測算煙霧濃度，其測試精度在行業(yè)內得到廣泛認可，但1800型檢測系統(tǒng)結構復雜，價格昂貴。

將測試系統(tǒng)與AW Technology生產的1800型檢測系統(tǒng)同時檢測同一煙霧，對比檢測結果如圖5所示。

圖5 對比結果圖

從圖5（a）可以看出，AW Technology公司生產的1800型檢測系統(tǒng)檢測出的響應時間比設計的檢測系統(tǒng)滯后，設計的檢測系統(tǒng)實時性更好，對及時報警火災具有重要意義。將圖5（a）中的曲線平移，使得兩曲線的起點重合，如圖5（b）所示。從圖5（b）可以看出，設計的檢測系統(tǒng)與AW Technology公司生產的1800型檢測系統(tǒng)都具有較高的靈敏度，但設計的檢測系統(tǒng)穩(wěn)定性更好。

4 結論

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

2）本文設計的檢測系統(tǒng)實時性好、靈敏度高，尤其對于低濃度煙霧具有較高的96測量精度。

3）和現(xiàn)有的AW Technology公司生產的1800型檢測系統(tǒng)相比，本文設計的檢測裝置成本低、實時性好、穩(wěn)定高，可用于以遮光率為指標的煙霧傳感器的型式檢驗和出廠校準等。

參考文獻

［1］國家安全生產監(jiān)督管理總局，國家煤礦安全監(jiān)察局.煤礦安全規(guī)程［M］.北京﹕煤炭工業(yè)出版社，2011﹕134-135，201.

［2］疏學明.火災煙霧顆粒粒徑測量與散射特性研究［D］.合肥﹕中國科技大學，2004﹕24-26.

［3］M Loepfe，P Ryser，C Tompkin，et al..Optical properties of fire and non-dire aerosols［J］.Fire Safety Journal，1997，29﹕185.

［4］謝天羽，龐波.煙霧傳感器靈敏度與煙霧濃度關系的研究［J］.煤礦設計，1996（10）﹕36-39.

［5］唐臻宇，耿海翔，楊光群.粉塵濃度測量方法的研究及測量儀器的研制［J］.四川大學學報，2000，32（4）﹕28-31.

［6］邱健.基于火災煙霧的光學在線檢測系統(tǒng)設計［D］.哈爾濱﹕哈爾濱工業(yè)大學，2011.

［7］Kerker Milton.The Scattering of Light and Other Electromagnetic Radiation ［M］.New York﹕Academic Press，1969﹕157-182.

［8］C F Bohren，D R Huffman.Absorption and Scattering of Light by Small Particles［M］.New York﹕John Wiley & Sons，1983﹕83-129.

作者簡介：

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