粉塵與風(fēng)速之間的關(guān)系與粉塵濃度的測(cè)量

粉塵危害是煤礦生產(chǎn)的六大自然災(zāi)害之一，對(duì)其防治及其重要。由于粉塵濃度與風(fēng)速之間存在一種“拋物線"樣式的關(guān)系，為達(dá)到降塵*效果，本文運(yùn)用粉塵粒子的散射消光作用和風(fēng)速與熱敏電阻散熱快慢之間的關(guān)系，將粉塵濃度傳感器和風(fēng)速傳感器合二為一，得到了此種雙傳感器的理論和計(jì)算方法，并對(duì)其工作流程進(jìn)行了框圖設(shè)計(jì)。為礦井綜合防塵提供了一種新的方法。
　礦塵(也稱粉塵)是礦山生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的礦石與巖石的微細(xì)顆粒。粉塵是礦塵的一種,當(dāng)具有爆炸性的粉塵濃度達(dá)到45～2000g/m3、遇700～800℃高溫火源時(shí)會(huì)發(fā)生爆炸, 并產(chǎn)生大量的有毒有害氣體(如CO) , 甚至還能引起瓦斯爆炸和礦井火災(zāi), 另外礦塵還會(huì)使長(zhǎng)期接塵的職工患?jí)m肺病。懸浮于空氣中的粉塵稱為浮塵, 已沉落的粉塵稱為積沉, 礦井防塵的主要對(duì)象是浮塵。
　　礦井各生產(chǎn)過程都生產(chǎn)礦塵, 以鑿巖、爆破、裝運(yùn)和破碎工序zui為嚴(yán)重。鑿巖產(chǎn)生礦塵持續(xù)時(shí)間長(zhǎng), 塵粒較細(xì), 是達(dá)到衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)合格率較低的一個(gè)工序。爆破產(chǎn)生礦塵特點(diǎn)是短時(shí)間產(chǎn)生大量的礦塵并伴有炮煙, 可能污染和影響其他工作地區(qū)。隨著生產(chǎn)設(shè)備和工藝的發(fā)展,產(chǎn)生礦塵狀況也將發(fā)生變化, 應(yīng)該經(jīng)常進(jìn)行觀測(cè)研究, 及時(shí)采取防塵措施, 以保證作業(yè)場(chǎng)所礦塵濃度達(dá)到國(guó)家規(guī)定的要求, 使井下工作人員能有一個(gè)良好工的環(huán)境[1]。
　　對(duì)于礦井防塵，前人大多都將粉塵的濃度和風(fēng)速分開來研究探討，這樣就造成監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的復(fù)雜和信息失真。由于粉塵濃度的大小與風(fēng)速的大小之間存在拋物線關(guān)系，本文運(yùn)用雙傳感技術(shù)，將要求防治地點(diǎn)的粉塵濃度和風(fēng)速同時(shí)檢測(cè)出來，將得到的信息反饋到數(shù)據(jù)處理器中，調(diào)整風(fēng)速大小，能達(dá)到*的降塵效果。
　　
　　1 風(fēng)速與粉塵濃度之間的關(guān)系
　　
　　礦井通風(fēng)的目的之一就是將井下粉塵稀釋到安全濃度以下并排出礦井，合理的通風(fēng)能夠有效地控制采掘工作面的粉塵濃度，風(fēng)速的大小直接采掘工作面粉塵濃度高低[2]。風(fēng)速與粉塵濃度之間存在一種“拋物線"樣式的關(guān)系：風(fēng)速過低，粗粒礦塵將與空氣分離下沉，不易排出；風(fēng)速過高，能將落塵揚(yáng)起，增大礦內(nèi)空氣的粉塵濃度。因此，通風(fēng)除塵效果是隨風(fēng)速的增加而逐漸增加的，達(dá)到*效果后，如果再增大風(fēng)速，效果又開始下降。
　　所以排除井巷中的浮塵要有一定的風(fēng)速。把能使呼吸性粉塵保持懸浮并隨風(fēng)流運(yùn)動(dòng)而排出的zui低風(fēng)速稱為zui低排塵風(fēng)速，把zui大限度排除粉塵而又不致使落塵二次飛揚(yáng)的風(fēng)速稱為*排塵風(fēng)速。一般來說，掘進(jìn)工作面的*風(fēng)速為0.4～0.7m/s，機(jī)械化采煤工作面的*風(fēng)速為1.5～2.5m/s。
　　
　　2 雙傳感技術(shù)理論
　　
　　本文所用的雙傳感技術(shù)就是將礦井中用于檢測(cè)粉塵濃度的傳感器和用于檢測(cè)風(fēng)速的傳感器合二為一，組成一種新的可同時(shí)測(cè)量出粉塵濃度和風(fēng)速大小的雙傳感器。其理論由粉塵濃度檢測(cè)理論和風(fēng)速測(cè)量理論組成。
　　
　　2.1 粉塵濃度檢測(cè)理論
　　
　　當(dāng)光波通過不均勻媒質(zhì)（如粉塵）時(shí)，與媒質(zhì)會(huì)發(fā)生相互作用，光強(qiáng)要發(fā)生衰減，稱之為消光作用，消光作用又可以看作吸收和散射共同作用造成的。而吸收與散射正是測(cè)量粉塵濃度所要利用的基本原理。根據(jù)Mie 理論［4］，只要測(cè)量出塵粒的散射光強(qiáng)，選擇合適的散射接收角和光源波長(zhǎng)，則可以直接監(jiān)測(cè)出空氣中浮游粉塵的濃度。
　　煤礦井下浮游粉塵的光散射屬于獨(dú)立散射，即各個(gè)單獨(dú)粒子的散射光強(qiáng)服從迭加原理，當(dāng)考慮小區(qū)域范圍時(shí)，可以忽略多次散射的影響［5］。
　　
　　2.2 風(fēng)速測(cè)量理論加熱的物體
　　
　　在空氣中冷卻速度與風(fēng)速有關(guān)。風(fēng)速越大冷卻速度越快，物體在空氣中的散熱是個(gè)對(duì)流換熱過程，散熱量大小與風(fēng)速和空氣溫度有關(guān)，利用這種關(guān)系可以測(cè)定風(fēng)速。如果通過一定的恒定電流加熱熱敏電阻，當(dāng)加熱量和散熱量相等時(shí)，熱敏電阻溫度趨于穩(wěn)定，則可以根據(jù)熱敏電阻的阻值變化或端電壓變化確定風(fēng)速［8］。
　　當(dāng)風(fēng)速為零時(shí)，熱敏電阻有一個(gè)工作穩(wěn)定點(diǎn)，當(dāng)熱敏電阻周圍介質(zhì)的風(fēng)速不為零時(shí)，空氣的流動(dòng)帶走熱敏電阻表明的熱量，使熱敏電阻本身的溫度下降，阻值上升。且在恒定風(fēng)速下又趨于一個(gè)新的平衡點(diǎn)，對(duì)于不同的風(fēng)速熱敏電阻有不同的熱平衡狀態(tài)，zui后阻值趨于一個(gè)穩(wěn)定值，此時(shí)熱敏電阻的消耗功率等于該風(fēng)速下傳遞給周圍空氣的熱量。
　　熱敏電阻阻值R 的變化除了與本身的工作溫度有關(guān)外，風(fēng)速大小對(duì)它散熱快慢有直接影響。因此可把熱敏電阻接入一個(gè)平衡電橋作為橋臂，在風(fēng)速為零時(shí)，調(diào)整電橋使橋路平衡輸出為零，當(dāng)有風(fēng)流過熱敏電阻時(shí)，不同的風(fēng)速就可以將熱敏電阻阻值的變化變成電信號(hào)輸出［10］。根據(jù)風(fēng)速和輸出電壓之間的對(duì)應(yīng)的關(guān)系，反過來通過輸出電壓的大小，可測(cè)得風(fēng)速的大小。
　　
　　3 雙傳感器的工作流程和系統(tǒng)設(shè)計(jì)
　　
　　3.1 工作流程
　　
　　運(yùn)用上述原理，同時(shí)采用粉塵傳感技術(shù)和風(fēng)速傳感技術(shù)，將粉塵傳感器和風(fēng)速傳感器通過相關(guān)技術(shù)流程合成為一種雙傳感器（雙傳感器為作者的創(chuàng)新，正在研究階段），此傳感器能同時(shí)工作，分別檢測(cè)待測(cè)地點(diǎn)空氣的風(fēng)速大小和粉塵濃度信息，將傳感器得到的信號(hào)放大后轉(zhuǎn)化成電流信號(hào)通過輸送線路送到控制臺(tái)的計(jì)算機(jī)中，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。此種雙傳感器的運(yùn)用，能很好的解決傳統(tǒng)方法中運(yùn)用一種技術(shù)（單獨(dú)運(yùn)用粉塵傳感技術(shù)或風(fēng)速傳感技術(shù)）分開檢測(cè)礦井空氣的風(fēng)速大小和粉塵濃度，造成井下監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的復(fù)雜，并為綜合防塵提供了一種新的方法。
　　
　　3.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
　　
　　基于上述理論，由于煤塵的濃度檢測(cè)是利用粒子的消光作用進(jìn)行監(jiān)測(cè)。則可以利用紅外傳感技術(shù)，采用煤塵氣室對(duì)其濃度進(jìn)行濃度檢測(cè)技術(shù)研究。而礦井風(fēng)速則根據(jù)熱敏電阻阻值通過散熱快慢與風(fēng)速大小之間的關(guān)系進(jìn)行測(cè)量。
　　在紅外傳感器的設(shè)計(jì)中，采用LED 作為紅外線的發(fā)光光源，經(jīng)斬光器濾波后進(jìn)入測(cè)量氣室，在氣室前后安裝有微型探測(cè)器，探測(cè)前后紅外光的光強(qiáng)。在測(cè)量煤塵濃度的氣室前部設(shè)有一密閉的參比氣室，內(nèi)充入純的CH4 氣體，從而消除或zui大限度的減小在測(cè)量煤塵粒子的消光作用強(qiáng)度時(shí)瓦斯對(duì)紅外光的吸收影響。而在風(fēng)速測(cè)量電路中將橋式電路的橋臂接入測(cè)量電路，測(cè)量風(fēng)速信號(hào)將探測(cè)器在氣室前后探測(cè)到的光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)和橋式電路輸出地電壓信號(hào)放大后，經(jīng)鎖相放大器后傳入計(jì)算機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)粉塵濃度和風(fēng)速的同時(shí)檢測(cè)、綜合分析。為煤礦工作人員綜合防治粉塵提供重要的決策依據(jù)。
　　
　　4 結(jié)論
　　
　　風(fēng)速與粉塵濃度之間存在一種“拋物線"樣式的關(guān)系：風(fēng)速過低，粗粒礦塵將與空氣分離下沉，不易排出；風(fēng)速過高，能將落塵揚(yáng)起，增大礦內(nèi)空氣的粉塵濃度。所以為達(dá)到*的除塵效果，必須對(duì)粉塵濃度信息和風(fēng)速都要知道。本文運(yùn)用粉塵粒子的散射消光作用和風(fēng)速與熱敏電阻散熱快慢之間的關(guān)系，將粉塵濃度傳感器和風(fēng)速傳感器合二為一，組成一種雙傳感器，能同時(shí)檢測(cè)出粉塵濃度和風(fēng)速的大小，將得到的信息反饋到數(shù)據(jù)處理器中，調(diào)整風(fēng)速大小，能達(dá)到*的降塵效果，為礦井綜合防塵提供了一種新的方法。
　　此項(xiàng)技術(shù)若能得到應(yīng)用和推廣，將粉塵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和風(fēng)速測(cè)量系統(tǒng)合二為一，不但能實(shí)現(xiàn)綜合防治礦塵，而且也簡(jiǎn)化了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的復(fù)雜性，有利于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行和管理，為煤礦安全生產(chǎn)提供了有力的幫助。