无动力粉尘浓度检测技术

吴付祥

（中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆400037）

粉尘危害是众所周知的，不仅伤害人体呼吸系统，严重者成为尘肺病；而且在高粉尘浓度时有粉体爆炸的危险。因此，对作业场所的粉尘浓度进行检测是非常重要的[1-2]。粉尘浓度检测主要方法有滤膜称重法、β 射线法、振荡天平法、静电电荷感应法和光散射法等，但这些方法应用在粉尘检测中均存在一定的缺陷[3-6]。为了解决这些问题并实现粉尘浓度的快速、便捷、准确的检测，提出一种无动力粉尘浓度检测技术：首先研究基于Mie 散射原理的无动力核心检测单元，消除暗室污染，减小仪器体积，实现工作面粉尘浓度无动力等速采样，提高粉尘浓度检测的精度，减小仪器功耗、体积和质量；然后对无动力的检测单元进行各种影响因素的研究。通过研究掌握光散射法粉尘浓度无动力等速采样测试和在线检测的核心技术，抢占国内煤矿井下粉尘监测的高地，打造具备国际领先水平的粉尘检测仪器，促进粉尘等职业危害治理的发展。

1 光散射法检测粉尘浓度基本原理及技术路线

目前，应用于粉尘浓度检测的光学方法主要是Mie 散射法[7-8]，光散射法检测粉尘浓度基本原理如图1[9-10]。光散射检测装置由光发射单元激光器、透镜、球面聚光镜、光陷阱和光接收器等组成[11]。当光敏感区无粉尘时，激光器发射的激光经透镜后全部被光陷阱吸收，光接收器上没有光被接收[12]；而当光敏感区有粉尘时，激光器发射的光会被粉尘散射到各个方向，球面聚光镜尽可能的收集散射光并传递给光接收器，接收器将接收的光强转换成电信号[13]；然后再根据不同粉尘浓度大小，获得不同的光或电信号[14]。基于此，完成光散射法检测粉尘浓度。

图1 光散射法检测粉尘浓度基本原理图Fig.1 Basic principle diagram of dust concentration detection by light scattering method

无动力的粉尘浓度检测技术是基于Mie 散射原理。首先根据无动力机构的通孔直径和长度在不同现场风速下对粉尘浓度检测的影响进行研究，优化无动力机构的尺寸、消除暗室污染、减小仪器体积、实现粉尘等速采样；然后对影响无动力检测仪检测误差的各种影响因素进行研究，比如风速、颜色等。

2 无动力机构

提出一种无动力机构，解决传统仪器的检测问题，实现在不同矿山不同工作面的粉尘等速采样和浓度检测，进一步减小粉尘浓度检测的误差。无动力机构如图2[15-16]。

图2 无动力机构Fig.2 No power mechanism

由图2 可知，对粉尘等速采样和浓度检测的关键位置是无动力气路，而无动力气路的通孔直径和通孔长度均会在现场不同风速下对其表现出不同的影响。因此，需要对无动力气路的通孔直径和长度在不同风速下对粉尘检测影响进行研究，最终确定通孔直径和长度的尺寸。

2.1 无动力通孔直径对粉尘检测的影响

2.1.1 实验准备

实验选用的粉尘样品是煤粉，制作过程如下：从煤矿现场采回较大的煤块；放入破碎机进行初步粉碎；再使用研磨机进行精细研磨，使最终煤粉的中位径均小于＜75 μm；最终将煤粉放置到温度为（25±5）℃烘箱中进行烘干24 h。标准仪器选用粉尘浓度测量的国际通用仪器：手工采样器[17-18]。

实验系统由定量发尘器（0～1 000 mg/m3）、静电除尘器、压气泵、除尘管道（风硐）、风速测定仪（0～30 m/s）、电脑控制台及变频风机组成粉尘发尘系统组成。发尘系统内风速稳定，在变频风机的作用下，风速均匀性偏差≤5%；定量发尘器将粉尘喷入管道，风硐管道截面粉尘浓度均匀性相对标准偏差≤5%。实验室使用恒温空调使环境相对湿度小于60%RH，温度为（25±5）℃，且稳定。

2.1.2 无动力通孔直径尺寸

加工通孔直径为15、25、35、45、55、65 mm 的无动力机构。激光器、光接收器硅光电池和光陷阱等装配好后，将不同通孔直径的无动力检测单元分别放入到实验装置中，根据矿山工作面现场实际情况将风硐风速分别设置为0.5、1、1.5、2、3、4 m/s；发尘器进行发尘，使用手工采样器称重得到发尘浓度值。然后，使用电脑连接无动力单元MCU 的输出，得到不同风速下和不同粉尘浓度下的不同通孔直径的无动力检测的AD 值（16 位）。不同风速和粉尘浓度下的不同通孔直径无动力单元AD 值如图3。

实验发现：在风速≤1.5 m/s 时，风阻对不同通孔直径的无动力机构有影响，而此时激光功率起主要作用。图3（a）～图3（c）中最大粉尘浓度对应的AD 最大值分别是40 152、47 253、50 123，且最大AD值的通孔直径分别为15、25、35 mm；随着风速增大，小直径通孔风阻逐步增大，AD 值降低，而大直径通孔的风阻小、粉尘浓度检测分辨率升高；当风速＞1.5 m/s 且＜4 m/s 时，风阻影响不同通孔直径的无动力机构检测AD 值作用增强，但激光功率仍有影响。图3（c）～图3（e）中最大粉尘浓度对应的AD 值最大分别是50 123、51 324、52 365，且最大AD 值的通孔直径为35、35、45 mm，粉尘浓度检测的分辨率在逐步上升；而当风速是4 m/s 时，风阻成为影响不同通孔直径的无动力机构检测AD 值的主要因素。图3（f）中最大粉尘浓度对应的AD 值最大值是61 132，分辨率最大，最大AD 值的通孔直径为55 mm。

实验分析发现：通孔直径的风阻和激光器的光功率会影响粉尘的等速采样和检测AD 值；无论光功率还是风阻，对等速采样和检测的影响均表现在无动力机构检测输出的AD 值，AD 值输出越大，其粉尘浓度检测的分辨率越高，其检测误差就更小。

图3 不同风速和粉尘浓度下的不同通孔直径无动力单元AD 值Fig.3 AD values of non-powered units with different through-hole diameters under different wind speeds and dust concentrations

由图3 可知：通孔直径为35 mm 时，无动力机构受风阻影响较小能满足等速采样的要求，同时检测输出AD 值较大，其分辨率较好。如果选择的通孔直径为55 mm，此时的粉尘浓度检测分辨率与通孔直径35 mm 时相比较高，但是通孔加大会增加整个仪器的体积和质量，降低仪器的实用性是不可行的；再若选择的通孔直径为15 mm，此时虽然体积小，但是风阻大，实现等速采样较困难亦不可取。因此，为了实现等速采样和粉尘浓度检测高分辨率，无动力机构的通孔直径选择为35 mm。

2.2 无动力通孔长度对粉尘检测的影响

采用通孔长度为32、122 mm 的无动力单元。将2 种无动力单元完成光学器件安装后分别置于实验装置中，发尘器进行发尘，使用手工采样器称重得到发尘的浓度值。然后，使用电脑连接无动力机构单元MCU 的输出，得到不同粉尘浓度下的无动力检测的AD 值(16 位)。不同无动力通孔长度在不同粉尘浓度下的AD 值如图4。

图4 不同无动力通孔长度在不同粉尘浓度下的AD 值Fig.4 AD values of different unpowered through hole lengths under different dust concentrations

经实验发现：在不同的粉尘浓度下，无动力单元输出的AD 值差异不大，其标定的线性度和分辨率均一致。但是，在实际的测试时，当粉尘浓度发生变化时，通孔长度为122 mm 的无动力单元输出AD值较32 mm 无动力机构滞后，时效性较差。因此，综合考虑检测仪的体积及便携性，选用无动力机构的通孔长度为32 mm。

3 无动力粉尘浓度检测影响因素

3.1 环境风速对粉尘检测的影响

由于无动力粉尘检测单元完全暴露于环境空气中，因此对粉尘浓度检测影响最大的因素是风速。

将无动力粉尘检测单元置于实验装置中，发尘器进行发尘，使用图手工采样器得到发尘的浓度值。然后，使用电脑连接检测单元MCU 的输出，得到不同粉尘浓度下的无动力检测电压输出值。5 种不同粉尘浓度下的不同风速的输出电压值如图5。

图5 5 种不同粉尘浓度下的不同风速的输出电压值Fig.5 Output voltage values of different wind speeds under 5 different dust concentrations

由图5 可知，在5 种不同的发尘浓度下，随着风速的增加无动力检测单元输出的电压值逐步的增加，风速会影响无动力单元检测的粉尘浓度值。因此在检测单元中需要安装风速传感器，实时监测风速；再经过大量的实验室和现场试验，将风速测量值补偿到粉尘浓度值测量中。补偿之后，使得粉尘浓度值的测量更精确，可靠性更高，分辨率更高。

3.2 粉尘颜色对粉尘浓度检测的影响

各种作业场所均可能产生不同种类的粉尘，比如：煤矿开采产生的煤炭粉尘、面粉生产厂的面粉、水泥厂的水泥粉尘和抛光打磨车间的镁铝合金粉尘等，这些粉尘的颜色不尽相同，分别有黑色、白色、灰色、银色等。

而采用Mie 散射法，主要部件为激光器和硅光电池，粉尘颜色会影响散射光的强度，进而影响粉尘浓度检测的分辨率、量程和误差等。因此，需对粉尘颜色影响粉尘浓度检测进行研究和标定，使其适用于不同种类的粉尘浓度检测。

选用黑色的煤粉、银色的镁铝合金粉和白色的面粉3 种粉尘进行实验，将无动力粉尘检测单元置于实验装置中，同样的方式发尘和获取粉尘浓度值，使用电脑连接检测单元MCU 的输出，得到不同粉尘浓度下的无动力检测单元输出的AD 值（16位）。不同颜色粉尘的不同浓度的检测单元输出AD值如图6。

图6 不同颜色粉尘的不同浓度的检测单元输出AD 值Fig.6 The detection unit output AD values of different concentrations of different colors of dust

由图6 可知：检测单元输出的AD 值随着粉尘浓度的升高逐步增大，其与粉尘颜色不相关；在同一种粉尘浓度下，3 种不同颜色的粉尘，随着颜色由浅入深，AD 输出值相反由大减小，即白色粉尘在同种浓度下检测单元输出的AD 值最大，黑色粉尘时AD 值最小；浅色粉尘标定检测单元时，其粉尘浓度检测的分辨率最大、检测精度最高；而由于AD 位数的限制，浅色粉尘标定检测单元的粉尘浓度检测量程是最小的。

根据实验，探索了不同颜色对粉尘浓度检测的影响规律。依据此规律，得到不同颜色对粉尘浓度检测影响的影响因子k，且在人机交互界面内设置菜单选择颜色种类以达到选择不同的颜色影响因子k 的目的。然后，检测单元将根据不同颜色的影响因子进行计算，得出更加准确的粉尘浓度值。

完成无动力机构尺寸设计优化和无动力检测单元影响因素研究后，基于Mie 散射法研制成无动力粉尘浓度检测仪样机，使用第2.1.1 节实验准备，以煤粉为测量介质，通过手工采样称重方式为标准对无动力检测仪的误差进行实验。经过50 次实验之后，从中抽取实验数据，样机与称重方式粉尘浓度实验数据见表1，样机相对误差小于±10%。

4 结 论

1）提出一种能够实现等速采样的无动力粉尘检测机构，并对其关键位置的通孔直径和长度进行实验研究；基于最优化原则，根据无动力单元AD 值标定分辨率完成了无动力机构的尺寸设计和优化。

2）对影响无动力单元检测粉尘浓度的影响因素：风速和粉尘颜色进行了对比实验分析，并做出算法补偿，使无动力单元实用性增强，检测误差减小，标定分辨率更高。

表1 样机与称重方式粉尘浓度实验数据表Table 1 Dust concentration test data table of prototype and weighing method

3）完成了一种无动力粉尘浓度检测样机，经过实验证明：样机检测误差小于10%。