反风流自动清洗直读式粉尘浓度传感器的研制

江西省煤炭工业科学研究所 罗文浩 李冬梅 彭永飞

反风流自动清洗直读式粉尘浓度传感器的研制

江西省煤炭工业科学研究所 罗文浩 李冬梅 彭永飞

研制一种可用于煤矿及金属非金属矿山井下及其它有粉尘的作业环境中，现场连续监测环境中的总粉尘浓度，并且能定时自动清理气室，保证光学系统和气室不受环境污染的一种粉尘浓度监测的传感器。该传感器的研究能够解决国内现有粉尘检测技术方面的不足，如测量精度不高、仪器工作电流过大、气室结构不合理不易于清理维护等弊端。传感器能准确快速的检测出粉尘浓度，预防和减少职业病的发生，符合国家对于企业改良工作环境、预防职业病的要求。

粉尘；监测；反风流；自动清洗

0 引言

煤炭开采运输过程使煤、岩粉尘飞扬，随着煤矿开采强度和机械化水平的提高，在提高煤炭产量的同时，产尘量和矿井作业场所的粉尘浓度也大大增加，给作业人员和安全生产造成极大危害。一方面，由于粉尘污染作业环境中的空气，作业人员长期工作在此环境中会导致尘肺病，严重危害工人的身体健康；另一方面，粉尘浓度过高潜伏着粉尘爆炸的危险。因此，各个国家都对粉尘作业场所的粉尘进行了防治和监测，尤其是作业场所的粉尘监测尤为重要。粉尘监测是管理人员掌握现场粉尘状况的重要手段，是尘害防治和科学管理的重要环节。因此，为了响应国家的号召加强企业安全生产环境，迫切需要研制一直能够监测粉尘浓度的传感器，能大大的降低粉尘危害从而提高煤矿安全生产和环境水平。

1 国内外同类产品和技术情况

国内现有产品对于粉尘浓度的测量，主要有以下几种方式：一种采用粉尘采样器，利用滤膜计重法原理：抽取一定体积的含尘空气，粉尘被捕集在滤膜上，根据滤膜上增加的粉尘质量，再利用公式计算出单位体积空气中粉尘质量浓度。这种方式不仅不便于操作，而且不能连续测量，测量周期长，工序复杂，不能及时反映作业地点的粉尘变化情况。另外一种是直读式测尘仪，主要利用间接方法如光散射、D源吸收等原理，利用采样器进行标定，可即时显示测量出的粉尘浓度值来，但工作时间短，测量次数有限，不能够对粉尘连续监测，只能作为常规便携式测尘仪使用。

本传感器可连续检测直读式粉尘浓度。具有快速直读、便携和操作方面等优点，传感器能够实现在粉尘环境下的连续工作对粉尘浓度进行长时间连续监测、实时显示浓度值，具有超限声光报警功能，而且具有多种方式的信号输出，可直接上传到地表环境监控主机，可以通过网络实现远程的实时监控，传感器采用独有的反风流技术定时自动清理气室及光学系统，利用原有泵吸得反向风流，再经清洁过滤处理后形成螺旋风来清洁另一待用气室，通过嵌入式软件控制传感器定时自动清理，保持光学系统始终不受煤矿井下特殊环境条件的影响，确保了传感传感器的精确性和免维护性。

2 传感器的开发内容、实现方法、技术原理

(1)采用激光散射法测量粉尘，设计一种稳定性好、灵敏度高且结构合理小巧的光电转换及信号处理传感器。

含尘空气从进气接管进入，经过光照区，在出气接管排出。激光光源从入射光路进入，经过光照区，从出射光路进入光陷阱。当光在光照区照射到含尘空气中的尘埃颗粒时，会发生折射，一部分折射光会直接折射进入光探测器的光敏区，另一部分会折射到球面反射镜上，再由镜面反射镜将折射光折射进入光探测器的光敏区，光探测器将接收的光信号转换为电流，经积分电路转换成与散射光成正比的电信号，通过放大电路和A/D转换电路输入单片机，单片机计算出粉尘的质量浓度并显示和信号输出。原理框图如图1所示。

图1 传感器原理框图

研究试验由气泵将被测空气抽入光学监测传感器。光学监测传感器由照明系统、散射光收集系统组成，这两个系统的轴线与采样气流的轴线相互垂直，交点周围的一个小区域是测量系统的光敏感区，它是粉尘流过时得到照明并产生散射光的位置。半导体激光器发出的光波穿过具有粉尘的被测区域后，光电二极管将散射光信号转换成电信号，输出到信号放大单元；光电转换包括一个发出激光光束的半导体激光光源，在该激光光源发出光束的前进方向上，依次设有入射光通道，光照区、出射光通道、光陷阱；经过光照区且与光路垂直方向上设有球面反射镜、半导体光探测器，球面反射镜和光探测器分别在光照区的两边。

光电转换后的信号极其微弱，需通过信号调整电路对获得的信号进行处理和放大，以满足A／D转换接口的需要。信号放大单元将接收到的电信号进行处理放大并输出。信号放大单元包括微分放大电路、信号检测电路、积分与输出电路。微分放大电路与光电转换单元中的半导体光探测器电性连接，该微分放大电路对输入的电信号进行微分、放大；信号检测电路与微分放大电路电性连接，积分与输出电路将信号检测电路取样检测的结果进行积分，并转换为随粉尘浓度大小变化的直流信号，再将该直流信号传输至处理器。信号经A／D转换器转换后，送微处理器，基于信号放大单元输出的电压信号、以及预存的电压信号与粉末浓度的比例关系计算粉末浓度，同时将数据进行存储、显示，根据需要对测量结果进行打印或将数据传送至PC机。

(2)设计一种合理的气体采样结构解决粉尘采样时分布不均的问题。

气体采样结构设计将进气管和出气接管对称分布在光照区的两侧，进气接管在光照区的上端，出气接管在光照区的下端，出气接管的管径大于进气接管的管径，形成近似漏斗形，从而减少含尘空气中的尘埃颗粒在光照区中推积，进而可减少维护次数。进气接管的管孔呈扁平状，可使尘埃颗粒在管壁中撞击，对其进行强制整形，改变其分布规律，使尘埃颗粒分布均匀，从而提高测量精度，同时提高量程范围。

(3)通过低功耗设计解决传感器工作电流偏大的问题。

本传感器通过低功耗设计解决传感器工作电流偏大的问题。传感器研制采用当前世界最先进的低功耗半导体激光器件H一N 激光器，具有性价比高及寿命长等特点，电路采用低功耗的单片机芯片和元器件，加上从软件上稳定启动电流、合理控制抽气频率等设计，使得传感器能降低功耗长时间稳定工作。

(4)采用双通道反风流技术，通过嵌入式软件自动控制传感器的气室轮换工作，并定时自动清理。

研究自动清洁系统，为保证光学检测器件在煤矿井下长期有效的工作，必须研究试制一种可保证光学系统清洁可靠的方法和结构。结构上采用双通道反风流技术，通过嵌入式软件自动控制传感器的气室轮换工作，保证了传感器在矿山、水泥厂等高污染地区工作的连续性和可靠性，独有的反风流技术定时自动清理气室及光学系统，利用原有泵吸得反向风流，再经清洁过滤处理后形成螺旋风来清洁另一待用气室，通过嵌入式软件控制传感器定时自动清理，保持光学系统始终不受煤矿井下特殊环境条件的影响，确保了传感传感器的精确性和免维护性。

3 传感器的创新之处

(1)结构上采用双通道反风流技术，通过嵌入式软件自动控制传感器的气室轮换工作，还可实现自动调零、调灵敏度及线性调整。从而保证了传感器在矿山、水泥厂等高污染地区工作的连续性和可靠性。

(2)采用独有的反风流技术定时自动清理气室及光学系统，利用原有泵吸得反向风流，再经清洁过滤处理后形成螺旋风来清洁另一待用气室，通过嵌入式软件控制传感器定时自动清理，保持光学系统始终不受煤矿井下特殊环境条件的影响，确保了传感传感器的精确性和免维护性。

4 结论

本传感器采用先进的激光散射式粉尘浓度在线测量方法具有稳定性好、灵敏度高的特点。本传感器传感器设计独特的双通道气室反风流结构，采用轮换工作方式，利用原有泵吸得反向风流，再经清洁过滤处理后形成螺旋风来清洁另一待用气室，通过嵌入式软件控制传感器定时自动清理，保持光学系统始终不受煤矿、水泥厂等特殊环境条件的影响，确保了传感传感器的精确性和免维护性，能有效解决国内现有粉尘检测仪器存在的难题。本传感器是采用新技术、新材料、光机电一体化技术研制新型的矿用传感监测传感器。技术水平具有国内领先水平。它将为粉尘作业场所安全生产，粉尘防治及保障工作人员人身安全、健康，起到非常重要的作用。

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[5]李智,王自亮,隋金君.沉积粉尘传感器的研制和应用[J].矿业安全与环保,2009.

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

罗文浩（1986—），江西南昌人，2015年硕士毕业于南昌大学电子与通信工程专业，工程师，2008年至今工作于江西省煤炭工业科学研究所。