有關煤礦井下等效溫度傳感器的研究

胡拓宇

摘要：研究與開發一種智能傳感器，能夠同時采集溫度、相對濕度和風速，并自動計算出當前的等效溫度，對煤礦井下作業地點環境氣象條件的評價具有很大現實意義。該設備的開發將填補目前國內煤礦等效溫度檢測儀器的空白，為我院在煤礦熱害治理上增添新的技術手段和產品。因此本課題的實施具有重要的現實意義，并能為設計院帶來一定的經濟效益。

關鍵詞：煤礦;井下;等效;溫度;傳感器

1主要試驗內容

等效溫度智能傳感器主要包含基礎傳感器、采集電路、控制及計算電路、內部電源、校準電路、信息傳輸電路和防爆隔爆處理七個部分。基礎傳感器包括干濕球溫濕度傳感器、風速傳感器。干濕球溫濕度傳感器輸出的是干球溫度和2m/S的風速條件下的濕球溫度，輸出信號是模擬量信號。風速傳感器是電子式，測定的是實時風速，輸出的也是模擬量信號。采集電路負責把傳感器傳過來的模擬量信號經過濾波和清洗變換成數字量信號，給控制和計算電路提供準確的數字支撐。控制部分是用來控制濕球溫度傳感器的風機啟停及轉速。計算電路主要是根據外部提供的數據根據算法模型計算出對應的等效溫度值。內部電源主要負責把外部的輸入的交流電或者直流電經過濾波后變換成低壓的直流電，供給其他的電路使用。在不同的工作環境，校準電路定期的對采集電路進行校準，消除溫度漂移和其他因素帶來的誤差，讓采集過來的信號更精確。信息傳輸電路包含485總線接口或網絡接口等通訊模式，使用者可以根據需求選擇其中一種通訊模式。防爆隔爆處理主要是對電路部分進行防爆處理。

2預期目標

總體目標：通過對等效溫度傳感技術的研究，開發出用于煤礦井下的智能等效溫度傳感器。

預期成果：形成《煤礦井下等效溫度傳感器研究與開發》科研報告和開發出智能等效溫度傳感器產品;申請專利1～2項;在國家級期刊發表論文1～2篇論文。

3生理等效溫度的研究

3.1研究方法

研究在能夠控制微小氣候諸參數的高溫倉內進行。氣溫40～60℃、相對濕度25～75%、風速0.25～1.00米/秒，對于上述條件進行不同組合，由年齡22～35歲、身體健康的男性青年參加。實驗室身穿棉質礦工服。所采用的指標有：心跳頻率、直腸溫度、五點皮膚溫度、出汗量及主訴詢問等項。實驗室除間隔工作能力指標外，處于相對安靜狀態，以達到人體對高溫的生理耐受限度作為結束實驗指征。所謂生理耐受限度是指在高溫條件下，身體依靠其本身與體溫調節有關的各種生理活動，能夠適應高溫的最大能力。

3.2研究內容

3.2.1風速改變對生理機能反應的影響

在控制相同的溫度（45℃～60℃）和濕度（51%～54%）條件下，觀察兩種風速（1.00和0.25米/秒）對生理機能變化的影響。發現不論是總出汗量、心跳頻率、皮膚溫度和直腸溫度，風速較大的組（1.00米/秒，簡稱有風組）均比風速較小的組（0.25米/秒，簡稱無風組）變化要快，以氣溫45℃條件下的實驗結果為例。高溫條件下增大風速促進各項生理機能變化加劇，最終也反應在生理耐受限度的改變上。與無風的比較，有風各溫度組的耐受時間均相應縮短。經統計學分析處理，兩者間的差別非常顯著（P≤0.001）。

3.2.2濕度改變對生理機能反應的影響

在溫度和風速一致的情況下，體溫、心率和出汗量等反應速度和程度，均隨濕球溫度降低而減弱。這一現象也在機體與環境間進行熱交換有關的幾個指標上得到反映：濕度降低、汗液蒸發率提高、散熱能力增強、體內積熱速率減慢、最終導致出汗量減少。上述因濕度改變導致生理機能和熱交換等參數的變化，也影響人體對高溫的耐受限度。

3.2.3溫度、濕度和風速改變對人體耐受時間的影響

（1）與溫度的關系：在濕度、風速恒定條件下，氣溫增高引起耐受時間明顯縮短。

（2）與濕度的關系：當氣溫和風速完全相同時，一旦濕度下降，耐受時間明顯增長。表1中風速均為0.25米/秒，在氣溫50、55及60℃三組實驗里，當濕度從51%～54%下降到25%時，耐受時間由相應的66、43和28分鐘分別增至184、102和58分鐘。

（3）與風速關系：高溫下風速對耐受時間的影響，既與當時溫度有關，又與濕度有關。以表1中50℃組為例，在相對濕度51～54%條件下，兩種不同風速（0.25及1.00米每秒）引起耐受時間有很大差別，分別為66分鐘和39分鐘，相差達40.9%，但在相對濕度25%時，同樣風速改變引起耐受時間的差別便很小了。分別為184分鐘和178分鐘，相差是有3.3%。

3.2.4生理等效溫度

所謂生理等效溫度是指人體耐受時間相同的各種微小氣候因素的不同組合。例如在氣溫57℃、相對濕度25%、風速0.25米每秒條件下和在氣溫46℃、相對濕度51%、風速1.00米/秒時人體均能耐受90分鐘。從生理學觀點考察，可以認為上述兩種條件是等效的。

3.3研究結果分析

（1）同一因素在不同條件下，對人體影響程度不完全一樣。45℃有風組的各項生理反應均比無風組劇烈，其原因在于高溫無風時汗液蒸發散熱的結果，體表溫度（指皮膚溫度和服裝表面溫度）通常比當時所處的環境溫度低，風速增加使由風帶來的熱空氣，不斷置換身體表面層溫度較低的空氣，這樣增加風速實際上對身體起到對流加熱的作用，從而導致有風各溫度組的耐受時間均比無風組要短。反之，當氣溫低于體表溫度時，風速通過對流起到冷卻散熱的效果。可以看出：同一風速的因素在不同氣溫條件下，對人體的作用不完全一樣。此外風速對人體的影響還取決于當時的濕度條件，這是因為風速促進蒸發散熱作用，受到環境濕度高低的影響。當環境濕度較大時，相對濕度為51～54%時，由風速促進蒸發散熱的作用就顯示不出來，相反，它的對流加熱作用就很明顯，1.00米/秒風速下的耐受時間比0.25米/秒下的短的多。但當環境濕度較低時（相對濕度為25%），風速促進蒸發散熱作用便得到良好的發揮，由于不斷置換身體表面因汗液蒸發而基本接近飽和濕度的空氣，從而有利于汗液進一步蒸發，抵消了大部分對流加熱的影響，因此它既使耐受時間大大增長，又使因風速不同而引起耐受時間的差異顯著縮小。總得來說，在高溫情況下當濕度較高時，風速作用以對流加熱影響為主，而當濕度較低時，促進蒸發散熱的作用比較突出。

4結語

上述這些研究結果所顯示的特點，如能充分利用，則可能對實際工作有著重要的指導意義。我們考慮：耐受時間既綜合了微小氣候諸因素對人體的影響，又綜合了身體生理機能變化的各種反應，因而等效溫度是一個比較全面而又客觀的生物學指標。利用大量實驗結果所推導的微小氣候諸因素與人體對高溫耐受時間關系的數學模型，找出相同耐受時間的各種微小氣候因素的不同組合，做出生理等效溫度曲線，符合客觀實際而又易于應用。

參考文獻

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