激光粉尘传感器在煤矿安全监控系统升级改造中的应用_许石磊.pdf
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1、安全与生产激光粉尘传感器在煤矿安全监控系统升级改造中的应用许石磊(国家能源集团新疆能源有限责任公司,新疆乌鲁木齐830027)摘要:现有煤矿安全监控系统使用的矿用粉尘浓度传感器功耗大、不能有效地远距离传输,本文根据激光测量粉尘浓度原理,设计一款粉尘浓度传感器,主要特点是功耗低、传输距离远、测量准确,符合煤矿安全监控系统升级改造后的各种技术要求,支持煤矿安全监控系统通用的 S485 总线通信和 CAN 总线通信。该传感器测量范围是 01000mg/m3,精度为15%,是应用于煤矿粉尘浓度监测的可靠传感器。关键词:粉尘浓度传感器;光散射;光度计;粉尘浓度测量中图分类号:TP212文献标识码:B文章
2、编号:10080155(2023)02007903随着煤炭工业的发展,粉尘浓度的监测已经成为生产重要内容之一。煤炭开采会产生大量的粉尘,粉尘散布在作业环境后,不仅会对人的身体健康造成极大危害,成为职业病的诱因之一,还可能因为浓度过高引起爆炸,酿成事故。因此,研究和使用粉尘浓度的在线监测方法,对保证人身安全和提高环境质量具有重要意义。激光测量原理的矿用粉尘浓度传感器具有功耗低、灵敏度高、响应速度快、寿命长、传输距离远等特点,在煤矿安全监控系统中取得了极好的应用效果。1 粉尘浓度传感器在煤矿监控系统的使用概况11 粉尘浓度传感器在煤矿安全监控系统的应用煤炭生产机械化程度不断提高,掘进、开采、爆破、
3、运输等环节都会产生大量煤尘,严重时会污染作业环境。对人体健康的危害如下:在大量煤尘环境条件下,工作人员长时间吸入煤尘,会引起肺部组织的纤维化病变、硬化,丧失正常的呼吸功能,从而导致职业病尘肺病。对环境的危害如下:与瓦斯气体一样,煤尘沉积到一定程度后存在爆炸危险。所以,实时监测粉尘浓度是了解矿井环境的必要手段,做好煤矿综合粉尘的测尘工作,对促进煤矿的安全生产具有重要意义。12 粉尘浓度传感器在乌东煤矿安全监控系统中的使用状况升级改造前,乌东煤矿使用的粉尘浓度传感器功耗大,本安电源的限制使其难以远距离传输。针对该问题,乌东煤矿在激光检测原理的基础上,提出了使用低功耗、远距离传输的粉尘浓度传感器的方
4、案。2 粉尘浓度检测方法概述对国内外粉尘传感器检测技术进行了解,可知粉尘浓度检测技术分为两种:一种是采样法,另一种是非采样法。对粉尘传感器检测技术的工作原理进行对比,并对煤矿用传感器具体应用环境进行分析,本传感器的设计采用非采样法原理的激光检测传感技术。非采样法与采样法最大的区别是没有采样过程,利用粉尘颗粒的光学特性及物理特性对含尘气体中的粉尘浓度及粒径进行直接测量。非采样法分为黑度法、光散射法、光透射法、MESA法,下文对几种方法进行简单介绍。21 黑度法科学家将烟气黑度分为 6 个级别,标准形式由 6个 1421cm 不同黑度的长方形小块组成,黑色条格面积占 20%的为 1 级、占 40%
5、的为 2 级、占 60%的为 3级、占 80%的为 4 级。评价烟气黑度的图被称为林格曼烟气黑度浓度图。22 光散射法光散射法是普遍应用的矿尘浓度测量方法,主要运用矿尘颗粒对光的散射原理,对散射光进行接收,进而对粉尘浓度进行测量。该方法的原理如图 1 所示。图 1光散射法示意图97DOI:10.13487/ki.imce.02318523 光透射法根据 LambertBeer 定律,粉尘颗粒对通过的单色光具有吸收和散射作用,导致接收端接收的光会有一定衰减。通过光强的衰减程度可以测得矿尘颗粒浓度,公式如下:CM=ln(IoI)4 d2K(,m,d)L43(d2)3(1)式中:CM矿尘浓度,mg/
6、m3;L所测粉尘区域的长度;K消光系数;d矿尘粒径;m折射率;光源波长;I、Io入、出射光强;尘粒密度。光透射法粉尘浓度检测原理如图 2 所示。图 2光透射法示意图24 MESA 法MESA 法利用消光原理和压电振动法,对粉尘的投射和压电振动进行综合测量,从而测得粉尘浓度。该方法的不足之处在于采用了两种测量方法,导致其结构复杂,应用不方便,精度不高,测量误差可能达到30%,无法满足煤矿用粉尘浓度检测要求。MESA 法的原理如图 3 所示。图 3MESA 法示意图25 光度计法光散射原理测量粉尘质量浓度的方法有两种:一种是通过粒子计数方式测量粉尘质量浓度,另一种是光度计粉尘浓度测量法。光度计粉尘
7、浓度测量法是光散射粉尘质量浓度测量方法的一种,其工作原理是粉尘颗粒的质量浓度与光通量探测器相应信号的时间平均值成线性关系。光度计同时接收多个粒子的散射光,然后提供一个气溶胶浓度,这种测量方法取决于入射光、光探测系统的几何参数和气溶胶的参数1。综上,煤矿环境恶劣,干扰因素多而复杂,矿用给传感器受到矿用本质安全电源的限制,导致许多粉尘检测技术不能在矿井下正常使用,大大增加了煤矿井下粉尘实时检测难度。所以,在煤矿井下特定的环境,要实现粉尘浓度的实时检测,就要依靠非采样法。在非采样法中,光散射法应用成熟,精度稳定,受干扰因素少。所以,采用光散射法中的光度计粉尘浓度测量法。3 粉尘浓度传感器总体功能设计
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