粉尘浓度传感器在煤矿井下的应用

引言

随着煤炭生产机械化程度的加大和釆煤强度的不断提高，凿岩、爆破、装卸.破碎、运输等各个作业段的煤尘产生量在大量增加。在无防尘措施情况下，炮采工作面的粉尘浓度可达300—500mg/n?,机采工作面的粉尘浓度可达到1000〜3000mg/m³,综采工作面的粉尘浓度可达到4000~8000mg/m\严重污染作业场所的环境，飞扬的粉尘沉积在巷道中还有爆炸的危险。现有煤矿井下粉尘浓度检测装置存在可靠性低，测量速度慢，报警信号不明显，不能远程监控等不足，因此有必要研制-•种可靠实用的粉尘浓度检测系统，实现对煤尘快速实时准确检测，并有明显声光报警功能，远程监控，对抓好矿井综合防尘测尘工作，促进煤矿安全生产具有重大意义。

1粉尘浓度检测系统硬件设计

1.1系统结构

利用暗室里的浮游粉尘在光照时，粉尘性质在一定条件下的散射光强正比于质量浓度的原理，可将散射光强度转换成电信号从而计算出粉尘的相对质量浓度，进而计算出粉尘的质量浓度，然后通过数码管直接显示并转换成频率信号输出，在粉尘浓度超限时实现声光报警。该系统主要用于各种粉尘作业场所总粉尘的连续检测。该系统主要由6部分组成:传感模块、控制模块、驱动模块、报警模块、显示模块和电源模块，组成框图如下图1所示。

1.2传感器原理

粉尘浓度传感器的原理图如图2所示。含尘气体进入吸引口，经导流装置进入检测器暗室。暗室内的平行光与受光部的视野成直角交叉构成灵敏区，粉尘通过灵敏区时，其90°方向散射光透过狭缝射进光电倍增管转换成光电流，经光电流积分电路
转换成与散射光成正比的电信号。再通过放大电路和A/D转换电路变换成频率为200-1000Hz的频率信号，经计算后得出粉尘的质量浓度。

粉尘光散射比例系数的标定可以釆取平行采样标定法。平行采样标定法是在传感器的旁边放置一台标准粉尘釆样器，在传感器测量的同时，用该釆样器采样,并记录下传感器的测量数据10组以上，取其算术平均值作为传感器的测量值，标准粉尘采样器采集粉尘后，用天平称重法测定粉尘浓度值,并作为标准浓度值，按下式计算比例系数：

1.3电源电路

由于井下本安电源用的比较多的是直流12V,18V,该系统中电机工作电压是直流18V。报警模块的12V电源是通过三端稳压电源7812获得的。该电源电路结构简单、实用，成本低。电路如图3所示。

1.4检测系统主电路设计

该检测系统的主电路连接如图4所示。该电路采用菱阳16位单片机SPMC75F2413A-QFP64作为控制核心，单片机IOC14脚输出控制信号，驱动声光报警电路。报警电路的声音的频率用2片555芯片来完成。拨码开关可进行预值的设定，操作简单。

2粉尘浓度检测系统软件设计

图4粉尘浓度传感器及检测系统原理图

3实验波形

未加粉尘时传感器输岀信号频率为200 Hz,无 控制信号输出。当有含尘气体吸入时，数码管立刻显 示粉尘浓度，传感器输出与浓度成正比的频率信号，如图6(a)所示，当浓度超限时单片机输出脉冲信号,驱动报警电路报警。图6(b)驱动信号脉冲波形。

图5算法流程图

图6检测系统实验波形

4结论

垓粉尘浓度检测系统在蒋庄煤矿井下成功应用，运行情况良好。该系统不但可以即时检测粉尘浓度，还可以控制喷雾，动作灵敏、可靠，瞭雾打开和关闭实现智能化控制。实现除尘设备的经济运行，大大降低了工人的劳动强度，具有广阔的推广前景。