一种改进的后散射型光电煤尘传感器

梁红,王凤箫

(中国传媒大学理学院光电系,北京 100024)

1 引言

地下作业的煤炭矿井在生产过程中,各个作业点会产生大量煤尘颗粒。煤尘颗粒特有的性质决定了其具有很大的危害性:加速机械设备磨损、缩短精密仪器的使用寿命、诱发职业性尘肺病,悬浮的煤尘颗粒粒径 ＜1mm时,与空气接触面积大,达到一定浓度时,甚至可能引起爆炸[1]。对煤矿井下的煤尘浓度精确测量和在线检测具有重要的意义[2]。一方面可以保障矿工们的生命安全,减少煤尘爆炸带来的损失;另一方面可以保证井下作业矿工的身体健康减轻由于呼吸性粉尘所引起的尘肺病给矿工的身体健康造成的伤害;还可以保护贵重仪器设备,延长使用寿命。

随着科学技术不断发展,目前国内外开发生产的测尘仪器及采用的测量方法多种多样,它们大致可以分为两类:采样法和非采样法。非采样法中的光散射法保留了光学法的优点,可以实现对排放源的远距离、实时、在线和连续测量。对于光散射法,煤尘浓度探测器按照光学反射原理可分为前散射型、后散射型和前后相结合的双向散射型[3]。当发光器件发出的光线的轴线与受光器件一侧的轴线之间的夹角在 90—180°之间时为前散射型;当发光器件发出的光线的轴线与受光器件一侧的轴线之间的夹角在 0—90°之间时为后散射型。

光电子的低能耗特点可以有效避免成为点燃煤尘的热源和达到瓦斯的引爆温度,适合在煤矿井下应用。光电子技术以其可靠性高、功耗低、抗干扰能力强等优势为煤矿生产安全提供了重要支持和保障,光电子技术大量引入井下已经成为煤矿安全生产的发展趋势。

2 光散射法测量粉尘浓度理论

根据 Mie理论,用光散射法测量粉尘浓度,是要测量出尘粒的散射光强[4],选择合理的散射接收角和光源波长,则可以直接检测空气中的浮游粉尘浓度[5],它的测量原理如下:

对于单个粒子,这入射光强为 I0,距离粒子 r处的的散射光强度为 I,k为波数(k=2π/λ)则有:

对于单一粒径颗粒群,颗粒总数为,散射光强度为I,则:

实际粉尘颗粒时具有一定尺寸分布的,而不同粒径的粒子的 F(θ,φ)不同[6]。对于独立散射系,有:

则有:

上式中的 V为含尘气流的空气。

设 nr(D)为粒子群的归一化频数分布函数,既可以推出粉尘颗粒的粒子数浓度[7]:

换算成质量浓度:

同样由上面的推导可以得出,知道了颗粒的粒径分布及散射光强和入射光强的比以及算出 Mie散射参数后,就可以求出颗粒的浓度。

3 一种改进的后散射型光电煤尘传感器

3.1 后散射型光电煤尘浓度传感器的总体设计

后散射型光电煤尘浓度传感器包括三个部分:光电检测部分、单片机控制系统和计算机处理系统[8]。其中,光电检测部分包括发光器件(光发射器)和发射透镜组成的光发射回路及有受光器件(光接收器)和接收透镜组成的接收回路以及线路板,线路板 8上设置有放大电路 10,A/D转换电路12、主控芯片 13和显示电路 15。如图 1所示。

图 1 后散射型光电煤尘浓度传感器总体框图

具体实施方案:光源发出的光束经过煤尘散射,光接收器接收到的后向散射光信号转换成电信号,电信号经放大电路放大后在输入至解调电路 11,经解调电路解调出的信号再经 A/D转换电路后输入主控芯片。主控芯片经过内部运算后将检测结果通过其相接的显示电路进行同步显示,即可直接从该显示电路读出测试结果,同时主控芯片实时将所检测到的煤尘浓度信号输送至上位机 14。在本电路中,通过供电部分分别为个用电电路提供电源,同时振荡电路 17给调制电路 16提供振源。

3.2 一种改进的后散射型光电煤尘浓度传感器

传统的煤尘浓度传感器光电检测部分存在一些缺点如[9]:光电检测部分上部透光部分大面积使用防尘玻璃,防尘玻璃表面由含氟表面活性剂处理,不沾水不沾油,但对于煤尘这种有机固体微粒的防沾落有一定的限制。当传感器水平放置时,难免会改变周围煤尘的分布情况,阻碍散射光进入受光器件,影响传感器准确性;透光面积较大,很难忽略环境光的影响。发光器件和受光器件所在探测室仍有较大剩余空间,其器壁的反射光较多,背景光过高,降低了信噪比,影响传感器灵敏度。

针对以上指出的缺点,本文对此后散射型光电煤尘浓度传感器的光电检测部分结构作了一定修改。如图 2,遮光顶壁 1和底座 3构成一个暗室,遮挡了外部的环境光线。发光器件前的通道呈锯齿形,用来更有效地吸收背景光。底座 3构成一个支架,支撑发射器,同时起固定作用,固定线路板。发光器件 2设置在底座 3的上端部分,它发出的光线经过透镜 4折射,通过充满锯齿的发射腔,射入到探测区内。

图 2 改进的传感光电检测部分结构

接收器 5可选择平面表贴封装在线路板 8上,通过接收透镜 6接收外界光线,接收光线先射到接收透镜 6上,经过透镜 6聚焦到接收器件 5上。透镜 6所在平面垂直于接收光路。接收光路的光轴中心和发射光路的光轴中心相交,并可以根据需要设计成夹角为 0°—90°范围内的任何角度。

如图 3,光电检测部分的发射回路和接收回路之间的光轴相交透光窗之外且各自光轴与对称之间的夹角 α可在 0°—90°之间,二者间所形成的探测区 1位于整个后散射型光电煤尘浓度传感器的防爆壳体之外。正是由于探测区位于整个传感器之外,传感器可以直接对外界的煤尘做出较准确的检测,不需要先将被测烟尘等通过专用设备送至位于壳体内部的探测室内。因而其检测相对更直接,检测数据更准确。

改进后的煤尘浓度传感器光电检测部分其主要优点是:1.体型小巧,结构简单、紧凑合理;2.传感器本身灵敏度高且密封性能好,本身结构对被测环境煤尘的影响小,尤其是弥散性的煤尘;3.操作简单,使用性强,其探测区设在整个传感器壳体之外,能直接对外界的煤尘作出较准确的检测,不需事先将被测烟尘等通过专门设备抽送至位于壳体内部的探测室内。4.检测更直接,检测数据更准确。

图3 探测区部分的结构示意图

4 结论

传统的煤尘浓度传感器的结构空间与响应性能之间不能得到兼顾,难以满足精度要求以及实时在线检测,而且检测设备安装复杂。本文在后散射型的光电煤尘传感器基础上,针对光电检测部分予以了结构上的改进,不仅保留了其后散射型光学检测的优点,而且利用结构的修改提高了传感器的准确度和灵敏度。

[1] 李安华.煤矿粉尘测定及其测尘仪[J].中州煤炭,1994,(3):23.

[2] 王绪友,刘守华,陈淮新 .煤矿粉尘浓度比对性测量方案可行性探讨[J].工业计量,2000,(S1):34-36.

[3] 李安华.煤矿粉尘测定及其测尘仪[J].中州煤炭,1994,(3):23.

[4] 王乃宁 .颗粒粒径的光学测量技术及应用[M].北京:原子能出版社,2000.

[5] 王自亮 .粉尘粒度分布规律的计算与分析[J].煤炭工程师,1994,(6):22-26.

[6] 石丸,黄润恒,周诗健,译 .随机介质中的波的传播和散射[M],北京:科学出版社,1986.

[7] Fischbach D J,Sorensen C M.Understanding the Mie Theory of Light scattering[J].Op tical Studies,March,1999.

[8] Thomas R,LettieriWilhelmina D,Jenkins Dennis A Swyl.Sizing of individual optically levitated evaporating droplets bymeasurementof resonances in the polarization ration[J].APPLEE OPTICS,March,1981.

[9] 侯金锁,赵振锋 .后散射型光电煤尘浓度传感器[P].发明专利:200720033066.6