一種改進的后散射型光電煤塵傳感器

梁紅,王鳳簫

(中國傳媒大學理學院光電系,北京 100024)

1 引言

地下作業的煤炭礦井在生產過程中,各個作業點會產生大量煤塵顆粒。煤塵顆粒特有的性質決定了其具有很大的危害性:加速機械設備磨損、縮短精密儀器的使用壽命、誘發職業性塵肺病,懸浮的煤塵顆粒粒徑 ＜1mm時,與空氣接觸面積大,達到一定濃度時,甚至可能引起爆炸[1]。對煤礦井下的煤塵濃度精確測量和在線檢測具有重要的意義[2]。一方面可以保障礦工們的生命安全,減少煤塵爆炸帶來的損失;另一方面可以保證井下作業礦工的身體健康減輕由于呼吸性粉塵所引起的塵肺病給礦工的身體健康造成的傷害;還可以保護貴重儀器設備,延長使用壽命。

隨著科學技術不斷發展,目前國內外開發生產的測塵儀器及采用的測量方法多種多樣,它們大致可以分為兩類:采樣法和非采樣法。非采樣法中的光散射法保留了光學法的優點,可以實現對排放源的遠距離、實時、在線和連續測量。對于光散射法,煤塵濃度探測器按照光學反射原理可分為前散射型、后散射型和前后相結合的雙向散射型[3]。當發光器件發出的光線的軸線與受光器件一側的軸線之間的夾角在 90—180°之間時為前散射型;當發光器件發出的光線的軸線與受光器件一側的軸線之間的夾角在 0—90°之間時為后散射型。

光電子的低能耗特點可以有效避免成為點燃煤塵的熱源和達到瓦斯的引爆溫度,適合在煤礦井下應用。光電子技術以其可靠性高、功耗低、抗干擾能力強等優勢為煤礦生產安全提供了重要支持和保障,光電子技術大量引入井下已經成為煤礦安全生產的發展趨勢。

2 光散射法測量粉塵濃度理論

根據 Mie理論,用光散射法測量粉塵濃度,是要測量出塵粒的散射光強[4],選擇合理的散射接收角和光源波長,則可以直接檢測空氣中的浮游粉塵濃度[5],它的測量原理如下:

對于單個粒子,這入射光強為 I0,距離粒子 r處的的散射光強度為 I,k為波數(k=2π/λ)則有:

對于單一粒徑顆粒群,顆粒總數為,散射光強度為I,則:

實際粉塵顆粒時具有一定尺寸分布的,而不同粒徑的粒子的 F(θ,φ)不同[6]。對于獨立散射系,有:

則有:

上式中的 V為含塵氣流的空氣。

設 nr(D)為粒子群的歸一化頻數分布函數,既可以推出粉塵顆粒的粒子數濃度[7]:

換算成質量濃度:

同樣由上面的推導可以得出,知道了顆粒的粒徑分布及散射光強和入射光強的比以及算出 Mie散射參數后,就可以求出顆粒的濃度。

3 一種改進的后散射型光電煤塵傳感器

3.1 后散射型光電煤塵濃度傳感器的總體設計

后散射型光電煤塵濃度傳感器包括三個部分:光電檢測部分、單片機控制系統和計算機處理系統[8]。其中,光電檢測部分包括發光器件(光發射器)和發射透鏡組成的光發射回路及有受光器件(光接收器)和接收透鏡組成的接收回路以及線路板,線路板 8上設置有放大電路 10,A/D轉換電路12、主控芯片 13和顯示電路 15。如圖 1所示。

圖 1 后散射型光電煤塵濃度傳感器總體框圖

具體實施方案:光源發出的光束經過煤塵散射,光接收器接收到的后向散射光信號轉換成電信號,電信號經放大電路放大后在輸入至解調電路 11,經解調電路解調出的信號再經 A/D轉換電路后輸入主控芯片。主控芯片經過內部運算后將檢測結果通過其相接的顯示電路進行同步顯示,即可直接從該顯示電路讀出測試結果,同時主控芯片實時將所檢測到的煤塵濃度信號輸送至上位機 14。在本電路中,通過供電部分分別為個用電電路提供電源,同時振蕩電路 17給調制電路 16提供振源。

3.2 一種改進的后散射型光電煤塵濃度傳感器

傳統的煤塵濃度傳感器光電檢測部分存在一些缺點如[9]:光電檢測部分上部透光部分大面積使用防塵玻璃,防塵玻璃表面由含氟表面活性劑處理,不沾水不沾油,但對于煤塵這種有機固體微粒的防沾落有一定的限制。當傳感器水平放置時,難免會改變周圍煤塵的分布情況,阻礙散射光進入受光器件,影響傳感器準確性;透光面積較大,很難忽略環境光的影響。發光器件和受光器件所在探測室仍有較大剩余空間,其器壁的反射光較多,背景光過高,降低了信噪比,影響傳感器靈敏度。

針對以上指出的缺點,本文對此后散射型光電煤塵濃度傳感器的光電檢測部分結構作了一定修改。如圖 2,遮光頂壁 1和底座 3構成一個暗室,遮擋了外部的環境光線。發光器件前的通道呈鋸齒形,用來更有效地吸收背景光。底座 3構成一個支架,支撐發射器,同時起固定作用,固定線路板。發光器件 2設置在底座 3的上端部分,它發出的光線經過透鏡 4折射,通過充滿鋸齒的發射腔,射入到探測區內。

圖 2 改進的傳感光電檢測部分結構

接收器 5可選擇平面表貼封裝在線路板 8上,通過接收透鏡 6接收外界光線,接收光線先射到接收透鏡 6上,經過透鏡 6聚焦到接收器件 5上。透鏡 6所在平面垂直于接收光路。接收光路的光軸中心和發射光路的光軸中心相交,并可以根據需要設計成夾角為 0°—90°范圍內的任何角度。

如圖 3,光電檢測部分的發射回路和接收回路之間的光軸相交透光窗之外且各自光軸與對稱之間的夾角 α可在 0°—90°之間,二者間所形成的探測區 1位于整個后散射型光電煤塵濃度傳感器的防爆殼體之外。正是由于探測區位于整個傳感器之外,傳感器可以直接對外界的煤塵做出較準確的檢測,不需要先將被測煙塵等通過專用設備送至位于殼體內部的探測室內。因而其檢測相對更直接,檢測數據更準確。

改進后的煤塵濃度傳感器光電檢測部分其主要優點是:1.體型小巧,結構簡單、緊湊合理;2.傳感器本身靈敏度高且密封性能好,本身結構對被測環境煤塵的影響小,尤其是彌散性的煤塵;3.操作簡單,使用性強,其探測區設在整個傳感器殼體之外,能直接對外界的煤塵作出較準確的檢測,不需事先將被測煙塵等通過專門設備抽送至位于殼體內部的探測室內。4.檢測更直接,檢測數據更準確。

圖3 探測區部分的結構示意圖

4 結論

傳統的煤塵濃度傳感器的結構空間與響應性能之間不能得到兼顧,難以滿足精度要求以及實時在線檢測,而且檢測設備安裝復雜。本文在后散射型的光電煤塵傳感器基礎上,針對光電檢測部分予以了結構上的改進,不僅保留了其后散射型光學檢測的優點,而且利用結構的修改提高了傳感器的準確度和靈敏度。

[1] 李安華.煤礦粉塵測定及其測塵儀[J].中州煤炭,1994,(3):23.

[2] 王緒友,劉守華,陳淮新 .煤礦粉塵濃度比對性測量方案可行性探討[J].工業計量,2000,(S1):34-36.

[3] 李安華.煤礦粉塵測定及其測塵儀[J].中州煤炭,1994,(3):23.

[4] 王乃寧 .顆粒粒徑的光學測量技術及應用[M].北京:原子能出版社,2000.

[5] 王自亮 .粉塵粒度分布規律的計算與分析[J].煤炭工程師,1994,(6):22-26.

[6] 石丸,黃潤恒,周詩健,譯 .隨機介質中的波的傳播和散射[M],北京:科學出版社,1986.

[7] Fischbach D J,Sorensen C M.Understanding the Mie Theory of Light scattering[J].Op tical Studies,March,1999.

[8] Thomas R,LettieriWilhelmina D,Jenkins Dennis A Swyl.Sizing of individual optically levitated evaporating droplets bymeasurementof resonances in the polarization ration[J].APPLEE OPTICS,March,1981.

[9] 侯金鎖,趙振鋒 .后散射型光電煤塵濃度傳感器[P].發明專利:200720033066.6