反風流自動清洗直讀式粉塵濃度傳感器的研制

江西省煤炭工業科學研究所 羅文浩 李冬梅 彭永飛

反風流自動清洗直讀式粉塵濃度傳感器的研制

江西省煤炭工業科學研究所 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環境中，現場連續監測環境中的總粉塵濃度，并且能定時自動清理氣室，保證光學系統和氣室不受環境污染的一種粉塵濃度監測的傳感器。該傳感器的研究能夠解決國內現有粉塵檢測技術方面的不足，如測量精度不高、儀器工作電流過大、氣室結構不合理不易于清理維護等弊端。傳感器能準確快速的檢測出粉塵濃度，預防和減少職業病的發生，符合國家對于企業改良工作環境、預防職業病的要求。

粉塵；監測；反風流；自動清洗

0 引言

煤炭開采運輸過程使煤、巖粉塵飛揚，隨著煤礦開采強度和機械化水平的提高，在提高煤炭產量的同時，產塵量和礦井作業場所的粉塵濃度也大大增加，給作業人員和安全生產造成極大危害。一方面，由于粉塵污染作業環境中的空氣，作業人員長期工作在此環境中會導致塵肺病，嚴重危害工人的身體健康；另一方面，粉塵濃度過高潛伏著粉塵爆炸的危險。因此，各個國家都對粉塵作業場所的粉塵進行了防治和監測，尤其是作業場所的粉塵監測尤為重要。粉塵監測是管理人員掌握現場粉塵狀況的重要手段，是塵害防治和科學管理的重要環節。因此，為了響應國家的號召加強企業安全生產環境，迫切需要研制一直能夠監測粉塵濃度的傳感器，能大大的降低粉塵危害從而提高煤礦安全生產和環境水平。

1 國內外同類產品和技術情況

國內現有產品對于粉塵濃度的測量，主要有以下幾種方式：一種采用粉塵采樣器，利用濾膜計重法原理：抽取一定體積的含塵空氣，粉塵被捕集在濾膜上，根據濾膜上增加的粉塵質量，再利用公式計算出單位體積空氣中粉塵質量濃度。這種方式不僅不便于操作，而且不能連續測量，測量周期長，工序復雜，不能及時反映作業地點的粉塵變化情況。另外一種是直讀式測塵儀，主要利用間接方法如光散射、D源吸收等原理，利用采樣器進行標定，可即時顯示測量出的粉塵濃度值來，但工作時間短，測量次數有限，不能夠對粉塵連續監測，只能作為常規便攜式測塵儀使用。

本傳感器可連續檢測直讀式粉塵濃度。具有快速直讀、便攜和操作方面等優點，傳感器能夠實現在粉塵環境下的連續工作對粉塵濃度進行長時間連續監測、實時顯示濃度值，具有超限聲光報警功能，而且具有多種方式的信號輸出，可直接上傳到地表環境監控主機，可以通過網絡實現遠程的實時監控，傳感器采用獨有的反風流技術定時自動清理氣室及光學系統，利用原有泵吸得反向風流，再經清潔過濾處理后形成螺旋風來清潔另一待用氣室，通過嵌入式軟件控制傳感器定時自動清理，保持光學系統始終不受煤礦井下特殊環境條件的影響，確保了傳感傳感器的精確性和免維護性。

2 傳感器的開發內容、實現方法、技術原理

(1)采用激光散射法測量粉塵，設計一種穩定性好、靈敏度高且結構合理小巧的光電轉換及信號處理傳感器。

含塵空氣從進氣接管進入，經過光照區，在出氣接管排出。激光光源從入射光路進入，經過光照區，從出射光路進入光陷阱。當光在光照區照射到含塵空氣中的塵埃顆粒時，會發生折射，一部分折射光會直接折射進入光探測器的光敏區，另一部分會折射到球面反射鏡上，再由鏡面反射鏡將折射光折射進入光探測器的光敏區，光探測器將接收的光信號轉換為電流，經積分電路轉換成與散射光成正比的電信號，通過放大電路和A/D轉換電路輸入單片機，單片機計算出粉塵的質量濃度并顯示和信號輸出。原理框圖如圖1所示。

圖1 傳感器原理框圖

研究試驗由氣泵將被測空氣抽入光學監測傳感器。光學監測傳感器由照明系統、散射光收集系統組成，這兩個系統的軸線與采樣氣流的軸線相互垂直，交點周圍的一個小區域是測量系統的光敏感區，它是粉塵流過時得到照明并產生散射光的位置。半導體激光器發出的光波穿過具有粉塵的被測區域后，光電二極管將散射光信號轉換成電信號，輸出到信號放大單元；光電轉換包括一個發出激光光束的半導體激光光源，在該激光光源發出光束的前進方向上，依次設有入射光通道，光照區、出射光通道、光陷阱；經過光照區且與光路垂直方向上設有球面反射鏡、半導體光探測器，球面反射鏡和光探測器分別在光照區的兩邊。

光電轉換后的信號極其微弱，需通過信號調整電路對獲得的信號進行處理和放大，以滿足A／D轉換接口的需要。信號放大單元將接收到的電信號進行處理放大并輸出。信號放大單元包括微分放大電路、信號檢測電路、積分與輸出電路。微分放大電路與光電轉換單元中的半導體光探測器電性連接，該微分放大電路對輸入的電信號進行微分、放大；信號檢測電路與微分放大電路電性連接，積分與輸出電路將信號檢測電路取樣檢測的結果進行積分，并轉換為隨粉塵濃度大小變化的直流信號，再將該直流信號傳輸至處理器。信號經A／D轉換器轉換后，送微處理器，基于信號放大單元輸出的電壓信號、以及預存的電壓信號與粉末濃度的比例關系計算粉末濃度，同時將數據進行存儲、顯示，根據需要對測量結果進行打印或將數據傳送至PC機。

(2)設計一種合理的氣體采樣結構解決粉塵采樣時分布不均的問題。

氣體采樣結構設計將進氣管和出氣接管對稱分布在光照區的兩側，進氣接管在光照區的上端，出氣接管在光照區的下端，出氣接管的管徑大于進氣接管的管徑，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中推積，進而可減少維護次數。進氣接管的管孔呈扁平狀，可使塵埃顆粒在管壁中撞擊，對其進行強制整形，改變其分布規律，使塵埃顆粒分布均勻，從而提高測量精度，同時提高量程范圍。

(3)通過低功耗設計解決傳感器工作電流偏大的問題。

本傳感器通過低功耗設計解決傳感器工作電流偏大的問題。傳感器研制采用當前世界最先進的低功耗半導體激光器件H一N 激光器，具有性價比高及壽命長等特點，電路采用低功耗的單片機芯片和元器件，加上從軟件上穩定啟動電流、合理控制抽氣頻率等設計，使得傳感器能降低功耗長時間穩定工作。

(4)采用雙通道反風流技術，通過嵌入式軟件自動控制傳感器的氣室輪換工作，并定時自動清理。

研究自動清潔系統，為保證光學檢測器件在煤礦井下長期有效的工作，必須研究試制一種可保證光學系統清潔可靠的方法和結構。結構上采用雙通道反風流技術，通過嵌入式軟件自動控制傳感器的氣室輪換工作，保證了傳感器在礦山、水泥廠等高污染地區工作的連續性和可靠性，獨有的反風流技術定時自動清理氣室及光學系統，利用原有泵吸得反向風流，再經清潔過濾處理后形成螺旋風來清潔另一待用氣室，通過嵌入式軟件控制傳感器定時自動清理，保持光學系統始終不受煤礦井下特殊環境條件的影響，確保了傳感傳感器的精確性和免維護性。

3 傳感器的創新之處

(1)結構上采用雙通道反風流技術，通過嵌入式軟件自動控制傳感器的氣室輪換工作，還可實現自動調零、調靈敏度及線性調整。從而保證了傳感器在礦山、水泥廠等高污染地區工作的連續性和可靠性。

(2)采用獨有的反風流技術定時自動清理氣室及光學系統，利用原有泵吸得反向風流，再經清潔過濾處理后形成螺旋風來清潔另一待用氣室，通過嵌入式軟件控制傳感器定時自動清理，保持光學系統始終不受煤礦井下特殊環境條件的影響，確保了傳感傳感器的精確性和免維護性。

4 結論

本傳感器采用先進的激光散射式粉塵濃度在線測量方法具有穩定性好、靈敏度高的特點。本傳感器傳感器設計獨特的雙通道氣室反風流結構，采用輪換工作方式，利用原有泵吸得反向風流，再經清潔過濾處理后形成螺旋風來清潔另一待用氣室，通過嵌入式軟件控制傳感器定時自動清理，保持光學系統始終不受煤礦、水泥廠等特殊環境條件的影響，確保了傳感傳感器的精確性和免維護性，能有效解決國內現有粉塵檢測儀器存在的難題。本傳感器是采用新技術、新材料、光機電一體化技術研制新型的礦用傳感監測傳感器。技術水平具有國內領先水平。它將為粉塵作業場所安全生產，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年碩士畢業于南昌大學電子與通信工程專業，工程師，2008年至今工作于江西省煤炭工業科學研究所。