劉國慶

中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司 重慶 400037

粉塵危害是作業(yè)場所主要的危害之一，易引發(fā)塵肺病和粉塵爆炸性事故。對粉塵質(zhì)量濃度的監(jiān)測是判斷防降塵措施效果、考察從業(yè)人員接塵情況的主要手段。在綜采工作面，采煤機(jī)在割煤時會產(chǎn)生大量的粉塵，粉塵質(zhì)量濃度有時會高達(dá)幾千甚至上萬毫克每立方米，而現(xiàn)有常用的粉塵質(zhì)量傳感器的量程基本在 1 000 mg/m3以內(nèi)，采煤機(jī)割煤時的粉塵質(zhì)量濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過現(xiàn)有粉塵濃度傳感器的測量范圍[1-2]，使用現(xiàn)有的監(jiān)測設(shè)備無法準(zhǔn)確監(jiān)測采煤機(jī)割煤時的粉塵質(zhì)量濃度。筆者設(shè)計了一種基于光吸收法的粉塵質(zhì)量濃度檢測技術(shù)，可實現(xiàn)粉塵高質(zhì)量濃度的精確檢測。

1 光吸收法的基本原理

光吸收法檢測原理如圖 1 所示[3]，入射光強(qiáng)為I0的光經(jīng)過質(zhì)量濃度為C、光程為L的介質(zhì)，經(jīng)介質(zhì)對光吸收后，輸出光強(qiáng)為I。

圖1 光吸收法檢測原理Fig.1 Detecting principle of light absorption method

在吸收光譜學(xué)中，一般用吸光度A來表征被測物質(zhì)的吸收光強(qiáng)的程度。吸光度是指光線通過某一介質(zhì)（液體或氣體）前的入射光強(qiáng)度與該光線通過該介質(zhì)后的透射光強(qiáng)度比值的對數(shù)。

式中：I0為入射光強(qiáng)度，cd；I為吸收光強(qiáng)度，cd；K為吸光系數(shù)，m2/mg；C為粉塵質(zhì)量濃度，mg/m3；L為光程，m。

由式（1）可以看出，當(dāng)檢測系統(tǒng)中的光程和吸光度不變的情況下，吸光度與介質(zhì)質(zhì)量濃度成線性關(guān)系。因此當(dāng)入射光波長不變時，只要測出粉塵的吸光度A，即可檢測出粉塵的質(zhì)量濃度；而當(dāng)檢測系統(tǒng)確定后，其入射光強(qiáng)度I0就是固定值，因此吸收光強(qiáng)度

2 硬件設(shè)計

2.1 光源

從光吸收粉塵檢測理論分析可以看出，選定光源、確定結(jié)構(gòu)及光電轉(zhuǎn)換器件是研究采集信號與粉塵質(zhì)量濃度對應(yīng)關(guān)系的前提。目前煤礦井下發(fā)光源（主要為防爆日光管與礦燈）中含有較多 600～700 nm 波長的光，且含量很高。為消除可見光對粉塵質(zhì)量濃度測量的影響，提高測量的精度，必須選擇該波段范圍以外波長的非可見光激光器作為發(fā)光光源。常用的非可見光主要包括紅外光和紫外光線 2 種，而紅外光激光器在制作周期、成本方面都優(yōu)于紫外光激光器。因此選擇 850 nm 波段的紅外激光管作為發(fā)射光源。

2.2 光電傳感器

光電傳感器作為光源光強(qiáng)的接收終端，是將透射過含塵氣流的光能轉(zhuǎn)化為電信號，是光電系統(tǒng)的核心組成部分。光電傳感器在光電系統(tǒng)中起著發(fā)現(xiàn)、測量信號，為 MCU 提供用于運算的數(shù)值信號，對整個傳感器的設(shè)計至關(guān)重要[4]。目前市場上光電傳感器的類型有硅光電池、光電倍增管、光照度傳感器和弱光傳感器。其中光電倍增管具有光強(qiáng)輸入范圍寬、靈敏度高和性能穩(wěn)定的優(yōu)點，因此選擇光電倍增管作為光電轉(zhuǎn)換器件。

2.3 光路結(jié)構(gòu)設(shè)計

采掘面采煤機(jī)工作前后粉塵質(zhì)量濃度變化相差很大。在粉塵質(zhì)量濃度較低的情況下，若還是采用光吸收法來檢測粉塵質(zhì)量濃度，就會造成較大的測量誤差，從而不符合設(shè)計要求。為此我們采用光吸收法與光散射法相結(jié)合的方式來設(shè)計傳感器光路，如圖 2 所示。當(dāng)粉塵質(zhì)量濃度較低時，采用散射式進(jìn)行測量；當(dāng)粉塵質(zhì)量濃度超過散射式測量范圍時，自動切換為光吸收法進(jìn)行測量。

圖2 光學(xué)結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Optical structural sketch

通過在光學(xué)結(jié)構(gòu)中增加衰減片、帶通濾光片、光學(xué)陷阱等方式，降低激光管反射光強(qiáng)度，從而減小反射光對光電倍增管輸出信號的影響，有利于減少干擾，提高傳感器的檢測精度。

2.4 暗室結(jié)構(gòu)設(shè)計

暗室結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。將進(jìn)塵口與出塵口設(shè)計為一體，暗室腔體內(nèi)的氣流運動并不劇烈，同時空間大小也限制了粉塵的運動。當(dāng)粉塵運動在光電倍增管之路上運動一段距離后就會自動停止，通過實際的樣機(jī)試驗，把光電倍增管布置到距進(jìn)氣管一定距離后，幾乎不再有粉塵沉積，減少了光學(xué)窗口的污染情況。

圖3 暗室結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of darkroom

為了避免粉塵在暗室中沉積，采用 Fluent 軟件對設(shè)計的暗室結(jié)構(gòu)進(jìn)行流場仿真，如圖 4 所示。

圖4 暗室結(jié)構(gòu)流場仿真Fig.4 Simulation on flow field of darkroom

由圖 4 可以看出，由于進(jìn)塵口與出塵口為一體，因此暗室腔體內(nèi)的氣流運動并不劇烈，同時空間也限制了粉塵的運動。當(dāng)粉塵運動在光電倍增管之路上運動一段距離后，就會自動停止。把光電倍增管布置到距進(jìn)氣管＞8 cm 處后，幾乎不再有粉塵沉積，滿足了實際需求。

3 軟件設(shè)計

3.1 總體軟件流程

總體軟件流程如圖 5 所示。系統(tǒng)開始運行時，首先對傳感器的運行參數(shù)進(jìn)行初始化，然后對粉塵進(jìn)行采樣，將采集的電壓值通過 A/D 轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字量后，進(jìn)行數(shù)字濾波，最后對數(shù)字量進(jìn)行處理，計算出粉塵質(zhì)量濃度值并顯示。在檢測過程中，如果有地面監(jiān)控中心下發(fā)命令，則先執(zhí)行中斷服務(wù)程序。

圖5 總體軟件流程Fig.5 Overall software flow

3.2 A/D 轉(zhuǎn)換程序

A/D 轉(zhuǎn)換是傳感器的最重要的組成部分，A/D轉(zhuǎn)換程序流程如圖 6 所示。

圖6 A/D 轉(zhuǎn)換程序流程Fig.6 A/D conversion program flow

CS5532 帶電后，首先進(jìn)行一小段延時，以便芯片完成初始化過程，再按照數(shù)據(jù)手冊發(fā)生數(shù)據(jù)完成復(fù)位過程，然后依次設(shè)置 A/D 芯片的 RS、VRS、CSR等寄存器，開始 A/D 轉(zhuǎn)換工作，最終得到數(shù)字量[5]。

3 無線數(shù)據(jù)傳輸

3.1 硬件設(shè)計

無線數(shù)據(jù)傳輸硬件結(jié)構(gòu)如圖 7 所示。MCU 主控電路通過 RS485 與粉塵采集主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，下發(fā)讀取命令和上傳粉塵質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)，并根據(jù)本地功能設(shè)置，控制無線數(shù)傳模塊收發(fā)數(shù)據(jù)，傳到下一級無線數(shù)傳中繼或接收主機(jī)。

圖7 無線數(shù)據(jù)傳輸硬件結(jié)構(gòu)Fig.7 Hardware structure of wireless datatransmission system

3.2 軟件設(shè)計

無線數(shù)傳功能示意如圖 8 所示。無線數(shù)傳采用Mesh 組網(wǎng)結(jié)構(gòu)[6]，無線 Mesh 路由器以多跳互連的方式形成自組織網(wǎng)絡(luò)，中繼最大為 256 級（編碼 0～255），由粉塵質(zhì)量濃度傳感器采集到的數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)采集主機(jī)，采用多跳互聯(lián)的方式，通過任意無線數(shù)傳，傳輸?shù)浇邮罩鳈C(jī)，接受主機(jī)與分站通信或本地顯示。

圖8 無線數(shù)據(jù)傳輸軟件結(jié)構(gòu)Fig.8 Software structure of wireless data transmission system

4 標(biāo)定試驗

為確定光吸收法粉塵質(zhì)量濃度與采集光電信號的對應(yīng)關(guān)系，采用高質(zhì)量濃度發(fā)塵器產(chǎn)生 1 500 mg/m3以上的粉塵環(huán)境，用粉塵采樣器作為粉塵的標(biāo)準(zhǔn)儀器，將傳感器與粉塵采樣器放入粉塵環(huán)境中進(jìn)行平行采樣，并進(jìn)行對比標(biāo)定試驗。光電信號的電壓值通過AD 轉(zhuǎn)換芯片 CS5532 轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后送入 MCU 進(jìn)行采集，其試驗數(shù)據(jù)如表 1 所列。

表1 光吸收法粉塵質(zhì)量濃度檢測試驗Tab.1 Detecting test for mass concentration of dust with light absorption method

由表 1 可以看出，隨著質(zhì)量濃度的增加，光吸收信號與粉塵質(zhì)量濃度的比例系數(shù)隨之增加。質(zhì)量濃度在 1 500～3 500 mg/m3范圍內(nèi)比例系數(shù)為 5.4，質(zhì)量濃度在 3 500～5 300 mg/m3范圍內(nèi)比例系數(shù)為 6.51；質(zhì)量濃度在 ＞5 300 mg/m3范圍內(nèi)比例系數(shù)為 7.25。經(jīng)過三段擬合，測試誤差不大于 10%，可以獲得較好的檢測結(jié)果。

5 結(jié)語

提出了基于光吸收法的高質(zhì)量濃度（＞1 000 m g/m3）的粉塵檢測方法，根據(jù)光吸收法的基本原理，實現(xiàn)了粉塵高質(zhì)量濃度的精確檢測。通過無線Mesh 自組網(wǎng)形式，將檢測的粉塵質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)傳輸至采集主機(jī)。通過標(biāo)定試驗證明，對不同粉塵質(zhì)量濃度，采用相應(yīng)的標(biāo)定系數(shù)，可以使得檢測誤差均小于10%，實現(xiàn)了煤礦井下采煤機(jī)割煤時的粉塵質(zhì)量濃度的精確測量，同時可以將粉塵質(zhì)量濃度上傳至地面監(jiān)控中心，實現(xiàn)了對煤礦井下粉塵質(zhì)量濃度的在線實時監(jiān)測。