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度的不斷提高，鑿巖、爆破、裝卸.破碎、運輸?shù)雀鱾€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)場所的環(huán)境，飛揚的粉塵沉積在巷道中還有爆炸的危險?，F(xiàn)有煤礦井下粉塵濃度檢測裝置存在可靠性低，測量速度慢，報警信號不明顯，不能遠(yuǎn)程監(jiān)控等不足，因此有必要研制-?種可靠實用的粉塵濃度檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)對煤塵快速實時準(zhǔn)確檢測，并有明顯聲光報警功能，遠(yuǎn)程監(jiān)控，對抓好礦井綜合防塵測塵工作，促進(jìn)煤礦安全生產(chǎn)具有重大意義。

1粉塵濃度檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

利用暗室里的浮游粉塵在光照時，粉塵性質(zhì)在一定條件下的散射光強正比于質(zhì)量濃度的原理，可將散射光強度轉(zhuǎn)換成電信號從而計算出粉塵的相對質(zhì)量濃度，進(jìn)而計算出粉塵的質(zhì)量濃度，然后通過數(shù)碼管直接顯示并轉(zhuǎn)換成頻率信號輸出，在粉塵濃度超限時實現(xiàn)聲光報警。該系統(tǒng)主要用于各種粉塵作業(yè)場所總粉塵的連續(xù)檢測。該系統(tǒng)主要由6部分組成:傳感模塊、控制模塊、驅(qū)動模塊、報警模塊、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，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。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，經(jīng)計算后得出粉塵的質(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標(biāo)準(zhǔn)粉塵釆樣器，在傳感器測量的同時，用該釆樣器采樣,并記錄下傳感器的測量數(shù)據(jù)10組以上，取其算術(shù)平均值作為傳感器的測量值，標(biāo)準(zhǔn)粉塵采樣器采集粉塵后，用天平稱重法測定粉塵濃度值,并作為標(biāo)準(zhǔn)濃度值，按下式計算比例系數(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)簡單、實用，成本低。電路如圖3所示。

1.4檢測系統(tǒng)主電路設(shè)計

該檢測系統(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，驅(qū)動聲光報警電路。報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，操作簡單。

2粉塵濃度檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計

圖4粉塵濃度傳感器及檢測系統(tǒng)原理圖

3實驗波形

未加粉塵時傳感器輸岀信號頻率為200 Hz,無 控制信號輸出。當(dāng)有含塵氣體吸入時，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，如圖6(a)所示，當(dāng)濃度超限時單片機(jī)輸出脈沖信號,驅(qū)動報警電路報警。圖6(b)驅(qū)動信號脈沖波形。

圖5算法流程圖

圖6檢測系統(tǒng)實驗波形

4結(jié)論

垓粉塵濃度檢測系統(tǒng)在蔣莊煤礦井下成功應(yīng)用，運行情況良好。該系統(tǒng)不但可以即時檢測粉塵濃度，還可以控制噴霧，動作靈敏、可靠，瞭霧打開和關(guān)閉實現(xiàn)智能化控制。實現(xiàn)除塵設(shè)備的經(jīng)濟(jì)運行，大大降低了工人的勞動強度，具有廣闊的推廣前景。