1、安全与生产激光粉尘传感器在煤矿安全监控系统升级改造中的应用许石磊(国家能源集团新疆能源有限责任公司，新疆乌鲁木齐830027)摘要:现有煤矿安全监控系统使用的矿用粉尘浓度传感器功耗大、不能有效地远距离传输，本文根据激光测量粉尘浓度原理，设计一款粉尘浓度传感器，主要特点是功耗低、传输距离远、测量准确，符合煤矿安全监控系统升级改造后的各种技术要求，支持煤矿安全监控系统通用的 S485 总线通信和 CAN 总线通信。该传感器测量范围是 01000mg/m3，精度为15%，是应用于煤矿粉尘浓度监测的可靠传感器。关键词:粉尘浓度传感器;光散射;光度计;粉尘浓度测量中图分类号:TP212文献标识码:B文章
2、编号:10080155(2023)02007903随着煤炭工业的发展，粉尘浓度的监测已经成为生产重要内容之一。煤炭开采会产生大量的粉尘，粉尘散布在作业环境后，不仅会对人的身体健康造成极大危害，成为职业病的诱因之一，还可能因为浓度过高引起爆炸，酿成事故。因此，研究和使用粉尘浓度的在线监测方法，对保证人身安全和提高环境质量具有重要意义。激光测量原理的矿用粉尘浓度传感器具有功耗低、灵敏度高、响应速度快、寿命长、传输距离远等特点，在煤矿安全监控系统中取得了极好的应用效果。1 粉尘浓度传感器在煤矿监控系统的使用概况11 粉尘浓度传感器在煤矿安全监控系统的应用煤炭生产机械化程度不断提高，掘进、开采、爆破、
3、运输等环节都会产生大量煤尘，严重时会污染作业环境。对人体健康的危害如下:在大量煤尘环境条件下，工作人员长时间吸入煤尘，会引起肺部组织的纤维化病变、硬化，丧失正常的呼吸功能，从而导致职业病尘肺病。对环境的危害如下:与瓦斯气体一样，煤尘沉积到一定程度后存在爆炸危险。所以，实时监测粉尘浓度是了解矿井环境的必要手段，做好煤矿综合粉尘的测尘工作，对促进煤矿的安全生产具有重要意义。12 粉尘浓度传感器在乌东煤矿安全监控系统中的使用状况升级改造前，乌东煤矿使用的粉尘浓度传感器功耗大，本安电源的限制使其难以远距离传输。针对该问题，乌东煤矿在激光检测原理的基础上，提出了使用低功耗、远距离传输的粉尘浓度传感器的方
4、案。2 粉尘浓度检测方法概述对国内外粉尘传感器检测技术进行了解，可知粉尘浓度检测技术分为两种:一种是采样法，另一种是非采样法。对粉尘传感器检测技术的工作原理进行对比，并对煤矿用传感器具体应用环境进行分析，本传感器的设计采用非采样法原理的激光检测传感技术。非采样法与采样法最大的区别是没有采样过程，利用粉尘颗粒的光学特性及物理特性对含尘气体中的粉尘浓度及粒径进行直接测量。非采样法分为黑度法、光散射法、光透射法、MESA法，下文对几种方法进行简单介绍。21 黑度法科学家将烟气黑度分为 6 个级别，标准形式由 6个 1421cm 不同黑度的长方形小块组成，黑色条格面积占 20%的为 1 级、占 40%
5、的为 2 级、占 60%的为 3级、占 80%的为 4 级。评价烟气黑度的图被称为林格曼烟气黑度浓度图。22 光散射法光散射法是普遍应用的矿尘浓度测量方法，主要运用矿尘颗粒对光的散射原理，对散射光进行接收，进而对粉尘浓度进行测量。该方法的原理如图 1 所示。图 1光散射法示意图97DOI:10.13487/ki.imce.02318523 光透射法根据 LambertBeer 定律，粉尘颗粒对通过的单色光具有吸收和散射作用，导致接收端接收的光会有一定衰减。通过光强的衰减程度可以测得矿尘颗粒浓度，公式如下:CM=ln(IoI)4 d2K(，m，d)L43(d2)3(1)式中:CM矿尘浓度，mg/
6、m3;L所测粉尘区域的长度;K消光系数;d矿尘粒径;m折射率;光源波长;I、Io入、出射光强;尘粒密度。光透射法粉尘浓度检测原理如图 2 所示。图 2光透射法示意图24 MESA 法MESA 法利用消光原理和压电振动法，对粉尘的投射和压电振动进行综合测量，从而测得粉尘浓度。该方法的不足之处在于采用了两种测量方法，导致其结构复杂，应用不方便，精度不高，测量误差可能达到30%，无法满足煤矿用粉尘浓度检测要求。MESA 法的原理如图 3 所示。图 3MESA 法示意图25 光度计法光散射原理测量粉尘质量浓度的方法有两种:一种是通过粒子计数方式测量粉尘质量浓度，另一种是光度计粉尘浓度测量法。光度计粉尘
7、浓度测量法是光散射粉尘质量浓度测量方法的一种，其工作原理是粉尘颗粒的质量浓度与光通量探测器相应信号的时间平均值成线性关系。光度计同时接收多个粒子的散射光，然后提供一个气溶胶浓度，这种测量方法取决于入射光、光探测系统的几何参数和气溶胶的参数1。综上，煤矿环境恶劣，干扰因素多而复杂，矿用给传感器受到矿用本质安全电源的限制，导致许多粉尘检测技术不能在矿井下正常使用，大大增加了煤矿井下粉尘实时检测难度。所以，在煤矿井下特定的环境，要实现粉尘浓度的实时检测，就要依靠非采样法。在非采样法中，光散射法应用成熟，精度稳定，受干扰因素少。所以，采用光散射法中的光度计粉尘浓度测量法。3 粉尘浓度传感器总体功能设计
8、煤矿安全监控系统升级改造后的传感器，其设计要遵循 煤矿安全监控系统升级改造方案 和AQ6201煤矿安全监控系统通用技术要求 AQ1029 煤矿安全监控系统及检测仪器使用管理规范 MT/T 1102 煤矿用粉尘浓度传感器 等国家和行业标准，对传感器的要求应遵循以下设计原则:传输数字化。增强抗电磁干扰能力。推广应用先进传感技术及装备。提升传感器的防护等级。完善报警、断电等控制功能。格式规范化。增加自诊断、自评估传感器。设置粉尘监测传感器模块。31 传输数字化设计粉尘浓度传感器的输出采用数字化方式，与分站或上位机实现数字通信，实现粉尘浓度传感器的智能化设计。数字化通信的优点是抗干扰能力强、误码率低、
9、数据传输准确。传感器设计的数字通信协议具有数据校验功能，数据校验功能有双重校验方式，既有与上位机或分站的物理地址码的校验功能，也有数据传输过程中的奇偶校验功能，降低数据传输误码率。同时，其还支持 S485 总线传输通信、CAN 总线传输通信2。32 增强抗电磁干扰能力粉尘浓度传感器设置在与分站通信的接口处，采用增强抗电磁干扰能力的设计。煤矿井下传输空间狭长、大型电气设备多，大型设备启动和运行时，电磁干扰复杂、粉尘容易聚集、空气潮湿，这使其能通过 3 级静电抗扰度试验、2 级电磁辐射抗扰度试验、2 级电快速瞬变脉冲群抗扰度试验、2级浪涌(冲击)抗扰度试验。抗干扰设计要结合粉尘浓度传感器的特点，将
10、干扰程度降到最低。一方面要防止干扰入侵，即抗干扰;另一方面要防止它成为干扰源，即抑制干扰。解决办法如下。321 静电抗干扰设计静电抗干扰设计应从两方面考虑:一是可靠的接地，二是传感器的结构设计。结构设计采用不锈钢金属壳体内嵌 ABS 塑料壳体，2 个壳体融为一体，既保证了对干扰的屏蔽，又保证了对外界的绝缘。322 电快速瞬变脉冲群抗扰度设计快速脉冲会破坏传感器的核心处理芯片，使其无法正常工作。如果高频的脉冲群发生在数据总线上，08则容易导致核心处理芯片出现时序不正确的情况，使核心处理芯片程序错乱或造成更严重的后果。采用吸收组件对不必要的干扰信号进行反射，从而吸收不必要的干扰信号，实现滤波目的。
11、323 浪涌(冲击)抗扰度设计浪涌主要指传感器的电源电流及电压发生变化，无论是雷击天气还是高电压穿入，都容易导致浪涌现象，造成的危害很大。相关设计主要考虑电源的滤波功能，增加电源滤波电路设计，使其输入输出电源隔离、滤波，从而实现抗浪涌(冲击)的设计目的。324 电磁辐射抗扰度设计阻挡电磁波干扰有三种措施:屏蔽、滤波与接地。接地与屏蔽要考虑传感器的结构设计，滤波和抑制要考虑产品设计电路。所以，在电路设计中增加了电源滤波功能电路、浪涌抑制滤波功能电路、脉冲群滤波功能电路，在结构上增加了防静电设计。33 推广应用先进传感器技术及装备激光光源良好的单色性使环境质量浓度的转换系数不受粉尘颜色的影响，保证
12、了检测的稳定性。采用该激光原理的粉尘测量传感技术，使其应用到粉尘浓度的测量中。新的激光粉尘传感技术具有功耗低、测量准确、远距离传输等特点，解决了矿用传感器受到矿用本质安全电源限制、远距离传输困难的问题，其在典型工作电压 12V 时，整机工作电流不大于 30mA。34 提升传感器的防护等级在煤矿井下的采煤和掘进过程中，粉尘容易聚集、空气潮湿。所以，为延长粉尘浓度传感器的使用寿命，将粉尘浓度传感器的防护等级提高到 IP65，以适合在煤矿井下恶劣环境下的传感器使用。提高粉尘浓度传感器的防护等级，加强对粉尘浓度传感器的防护能力，使传感器可以长期稳定地在恶劣环境中使用3。35 完善报警、断电等控制功能粉
13、尘浓度传感器可以通过遥控器自行设置报警门限值、断电门限值，使其在超过报警门限时发出声光报警，超过断电门限时发出断电控制指令。通过遥控器对粉尘浓度传感器的报警门限值、断电门限值、传感器的物理地址进行设置和修改。36 格式规范化规范化设计的粉尘浓度传感器支持煤矿通用的主流通 信 方 式，支持 S485 通信 和 CAN 总线 通 信。S485 通信支持标准格式的 modbus 通信协议，CAN 总线协议支持私有协议。37 增加自诊断、自评估传感器粉尘浓度传感器具有通过遥控器设置功能，也具有接收上位机对传感器直接定义的功能。提供传感器的测量值、工作状态、报警状态、粉尘传感模块是否正常工作等就地显示和
14、远程传输功能。38 一体化激光粉尘测量模块设计粉尘浓度测量元件是一款集成度高、体积小、接口简便、便于安装的粉尘浓度测量器件。元件采用开放式结构，彻底解决了测尘腔易污染、堵塞等问题。元件采用无风机设计，极低的工作电流特别适合远距离供电的工作场所。元件采用光度计原理，使用单谱线激光光源，在 73mm70mm36mm 的体积内集成了光源控制电路、光电检测电路、电源管理电路、数据采集电路、信号处理电路等。元件采用螺纹安装机械接口。独特的光路设计避免了粉尘对激光粉尘检测核心部件造成的影响。TTL 电平的 UAT 电路接口使用简便，便于在危险的作业环境中对现场的粉尘浓度进行连续监测，能准确、及时监测粉尘作
15、业场所中粉尘的污染状况。4 结语作为长期从事煤矿安全监控系统使用和管理的工作者，笔者深刻认识到传感器的稳定性直接影响了煤矿安全监控系统的稳定性，关系到煤矿的安全生产是否能够稳定。粉尘浓度传感器稳定运行，对煤矿职工的职业健康、煤矿粉尘爆炸环境的监测和控制有着不可忽视的作用。提出和设计一款适应煤矿环境的粉尘浓度传感器，其具备检测准确、稳定性好、寿命长、低功耗、长距离传输、低维护成本等特点，能够大大降低维护时间和成本，提高监测的稳定性。参考文献:1 赵紫梅矿用粉尘检测传感器及仪器的研究D 华北科技学院，2019 2 孙博矿井粉尘浓度测量技术研究D 长春理工大学，2014 3 孙金祥激光粉尘传感器的研究及应用D 聊城大学，2017作者简介:许石磊(1976)，男，江苏泰州人，本科，工程师，研究方向:信息化。18
