无动力粉尘浓度检测技术_吴付祥.pdf

第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 无动力粉尘浓度检测技术 吴付祥 （中煤科工集团重庆研究院有限公司， 重庆 400037） 摘要 基于 Mie 散射法提出一种无动力的粉尘浓度检测技术， 通过对无动力关键位置-无动力 通孔直径和长度进行实验对比研究， 优化了无动力机构的尺寸； 对影响无动力检测粉尘浓度的 因素进行了实验分析， 并作出算法补偿； 经过无动力尺寸研究和影响因素分析后， 使无动力单元 能够更加适用于现场检测， 检测误差更小， 延长了维护时间， 并提高了实用性。 关键词 Mie 散射法； 粉尘浓度检测； 无动力机构； 尺寸设计； 影响因素分析 中图分类号 TD714文献标志码 B文章编号 1003-496X （2020 ） 07-0081-05 Detection Technology of Unpowered Dust Concentration WU Fuxiang （China Coal Technology and Engineering Group Chongqing Research Institute, Chongqing 400037, China） Abstract This paper proposes an unpowered dust concentration detection technology based on Mie scattering . Through the experimental comparative study of the unpowered key position and the diameter and length of the unpowered through hole, the size of the unpowered mechanism is optimized; the factors of dust concentration were analyzed experimentally, and the algorithm was compensated. After the study of unpowered size and analysis of influencing factors, the unpowered unit can be more suitable for on-site detection, the detection error is smaller, the maintenance time is extended, and the practicality is improved. Key words Mie scattering ; dust concentration detection; unpowered mechanism; size design; influencing factor analysis 粉尘危害是众所周知的，不仅伤害人体呼吸系 统，严重者成为尘肺病；而且在高粉尘浓度时有粉 体爆炸的危险。因此，对作业场所的粉尘浓度进行 检测是非常重要的[1-2]。粉尘浓度检测主要方法有滤 膜称重法、 β 射线法、 振荡天平法 、 静电电荷感应法 和光散射法等，但这些方法应用在粉尘检测中均存 在一定的缺陷[3-6]。为了解决这些问题并实现粉尘浓 度的快速、 便捷、 准确的检测， 提出一种无动力粉尘 浓度检测技术首先研究基于 Mie 散射原理的无动 力核心检测单元， 消除暗室污染， 减小仪器体积， 实 现工作面粉尘浓度无动力等速采样，提高粉尘浓度 检测的精度， 减小仪器功耗、 体积和质量； 然后对无 动力的检测单元进行各种影响因素的研究。通过研 究掌握光散射法粉尘浓度无动力等速采样测试和在 线检测的核心技术，抢占国内煤矿井下粉尘监测的 高地，打造具备国际领先水平的粉尘检测仪器， 促 进粉尘等职业危害治理的发展。 1光散射法检测粉尘浓度基本原理及技术路线 目前，应用于粉尘浓度检测的光学方法主要是 Mie 散射法[7-8]， 光散射法检测粉尘浓度基本原理如 图 1[9-10]。光散射检测装置由光发射单元激光器、 透 镜、 球面聚光镜、 光陷阱和光接收器等组成[11]。当光 敏感区无粉尘时，激光器发射的激光经透镜后全部 被光陷阱吸收， 光接收器上没有光被接收[12]； 而当光 敏感区有粉尘时，激光器发射的光会被粉尘散射到 各个方向，球面聚光镜尽可能的收集散射光并传递 给光接收器， 接收器将接收的光强转换成电信号[13]； 然后再根据不同粉尘浓度大小，获得不同的光或电 信号[14]。基于此， 完成光散射法检测粉尘浓度。 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.07.016 吴付祥.无动力粉尘浓度检测技术 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （7） 81-85. WU Fuxiang. Detection Technology of Unpowered Dust Concentration ［J］ . Safety in Coal Mines,2020， 51 （7） 81-85. 移动扫码阅读 基金项目 国家重点研发计划资助项目 （2017YFC0805200） 81 ChaoXing 第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 无动力的粉尘浓度检测技术是基于 Mie 散射原 理。首先根据无动力机构的通孔直径和长度在不同 现场风速下对粉尘浓度检测的影响进行研究，优化 无动力机构的尺寸、 消除暗室污染、 减小仪器体积、 实现粉尘等速采样；然后对影响无动力检测仪检测 误差的各种影响因素进行研究， 比如风速、 颜色等。 2无动力机构 提出一种无动力机构，解决传统仪器的检测问 题，实现在不同矿山不同工作面的粉尘等速采样和 浓度检测，进一步减小粉尘浓度检测的误差。无动 力机构如图 2[15-16]。 由图 2 可知，对粉尘等速采样和浓度检测的关 键位置是无动力气路，而无动力气路的通孔直径和 通孔长度均会在现场不同风速下对其表现出不同的 影响。因此，需要对无动力气路的通孔直径和长度 在不同风速下对粉尘检测影响进行研究，最终确定 通孔直径和长度的尺寸。 2.1无动力通孔直径对粉尘检测的影响 2.1.1实验准备 实验选用的粉尘样品是煤粉， 制作过程如下 从 煤矿现场采回较大的煤块；放入破碎机进行初步粉 碎； 再使用研磨机进行精细研磨， 使最终煤粉的中位 径均小于＜75 μm； 最终将煤粉放置到温度为 （255 ） ℃烘箱中进行烘干 24 h。标准仪器选用粉尘浓度测 量的国际通用仪器 手工采样器[17-18]。 实验系统由定量发尘器 （0～1 000 mg/m3） 、 静 电除尘器、 压气泵、 除尘管道 （风硐） 、 风速测定仪 （0～30 m/s） 、电脑控制台及变频风机组成粉尘发尘 系统组成。发尘系统内风速稳定，在变频风机的作 用下， 风速均匀性偏差≤5； 定量发尘器将粉尘喷 入管道，风硐管道截面粉尘浓度均匀性相对标准偏 差≤5。 实验室使用恒温空调使环境相对湿度小于 60RH， 温度为 （255 ）℃， 且稳定。 2.1.2无动力通孔直径尺寸 加工通孔直径为 15、 25、 35、 45、 55、 65 mm 的无 动力机构。激光器、光接收器硅光电池和光陷阱等 装配好后，将不同通孔直径的无动力检测单元分别 放入到实验装置中，根据矿山工作面现场实际情况 将风硐风速分别设置为 0.5、 1、 1.5、 2、 3、 4 m/s； 发尘 器进行发尘，使用手工采样器称重得到发尘浓度 值。然后，使用电脑连接无动力单元 MCU 的输出， 得到不同风速下和不同粉尘浓度下的不同通孔直径 的无动力检测的 AD 值 （16 位） 。不同风速和粉尘浓 度下的不同通孔直径无动力单元 AD 值如图 3。 实验发现 在风速≤1.5 m/s 时， 风阻对不同通 孔直径的无动力机构有影响，而此时激光功率起主 要作用。图 3 （a） ～图 3 （c） 中最大粉尘浓度对应的 AD 最大值分别是 40 152、 47 253、 50 123，且最大AD 值的通孔直径分别为 15、 25、 35 mm； 随着风速增大， 小直径通孔风阻逐步增大， AD 值降低， 而大直径通 孔的风阻小、 粉尘浓度检测分辨率升高； 当风速＞1.5 m/s 且＜4 m/s 时，风阻影响不同通孔直径的无动力 机构检测 AD 值作用增强， 但激光功率仍有影响。 图 3 （c） ～图 3 （e） 中最大粉尘浓度对应的 AD 值最大分 别是 50 123、 51 324、 52 365， 且最大 AD 值的通孔直 径为 35、 35、 45 mm， 粉尘浓度检测的分辨率在逐步上 升； 而当风速是 4 m/s 时， 风阻成为影响不同通孔直 径的无动力机构检测 AD 值的主要因素。图 3 （f） 中 最大粉尘浓度对应的 AD 值最大值是 61 132，分辨 率最大， 最大 AD 值的通孔直径为 55 mm。 实验分析发现通孔直径的风阻和激光器的光 功率会影响粉尘的等速采样和检测 AD 值；无论光 功率还是风阻，对等速采样和检测的影响均表现在 无动力机构检测输出的 AD 值， AD 值输出越大， 其 粉尘浓度检测的分辨率越高， 其检测误差就更小。 图 1光散射法检测粉尘浓度基本原理图 Fig.1Basic principle diagram of dust concentration detection by light scattering 图 2无动力机构 Fig.2No power mechanism 82 ChaoXing 第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 由图 3 可知 通孔直径为 35 mm 时， 无动力机 构受风阻影响较小能满足等速采样的要求，同时检 测输出 AD 值较大， 其分辨率较好。 如果选择的通孔 直径为 55 mm，此时的粉尘浓度检测分辨率与通孔 直径 35 mm 时相比较高， 但是通孔加大会增加整个 仪器的体积和质量，降低仪器的实用性是不可行 的；再若选择的通孔直径为 15 mm，此时虽然体积 小， 但是风阻大， 实现等速采样较困难亦不可取。因 此，为了实现等速采样和粉尘浓度检测高分辨率， 无动力机构的通孔直径选择为 35 mm。 2.2无动力通孔长度对粉尘检测的影响 采用通孔长度为 32、 122 mm 的无动力单元。将 2 种无动力单元完成光学器件安装后分别置于实验 装置中，发尘器进行发尘，使用手工采样器称重得 到发尘的浓度值。然后，使用电脑连接无动力机构 单元 MCU 的输出，得到不同粉尘浓度下的无动力 检测的 AD 值16 位。不同无动力通孔长度在不同 粉尘浓度下的 AD 值如图 4。 经实验发现 在不同的粉尘浓度下， 无动力单元 输出的 AD 值差异不大，其标定的线性度和分辨率 均一致。但是， 在实际的测试时， 当粉尘浓度发生变 化时，通孔长度为 122 mm 的无动力单元输出 AD 值较 32 mm 无动力机构滞后， 时效性较差。 因此， 综 合考虑检测仪的体积及便携性，选用无动力机构的 通孔长度为 32 mm。 3无动力粉尘浓度检测影响因素 3.1环境风速对粉尘检测的影响 由于无动力粉尘检测单元完全暴露于环境空气 图 4不同无动力通孔长度在不同粉尘浓度下的 AD 值 Fig.4AD values of different unpowered through hole lengths under different dust concentrations 图 3不同风速和粉尘浓度下的不同通孔直径无动力单元 AD 值 Fig.3AD values of non-powered units with different through-hole diameters under different wind speeds and dust concentrations 83 ChaoXing 第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 中， 因此对粉尘浓度检测影响最大的因素是风速。 将无动力粉尘检测单元置于实验装置中，发尘 器进行发尘，使用图手工采样器得到发尘的浓度 值。 然后， 使用电脑连接检测单元 MCU 的输出， 得到 不同粉尘浓度下的无动力检测电压输出值。5 种不 同粉尘浓度下的不同风速的输出电压值如图 5。 由图 5 可知， 在 5 种不同的发尘浓度下， 随着风 速的增加无动力检测单元输出的电压值逐步的增 加，风速会影响无动力单元检测的粉尘浓度值。因 此在检测单元中需要安装风速传感器，实时监测风 速；再经过大量的实验室和现场试验，将风速测量 值补偿到粉尘浓度值测量中。补偿之后，使得粉尘 浓度值的测量更精确， 可靠性更高， 分辨率更高。 3.2粉尘颜色对粉尘浓度检测的影响 各种作业场所均可能产生不同种类的粉尘， 比 如 煤矿开采产生的煤炭粉尘、 面粉生产厂的面粉、 水泥厂的水泥粉尘和抛光打磨车间的镁铝合金粉尘 等， 这些粉尘的颜色不尽相同， 分别有黑色、 白色、 灰色、 银色等。 而采用 Mie 散射法，主要部件为激光器和硅光 电池，粉尘颜色会影响散射光的强度，进而影响粉 尘浓度检测的分辨率、 量程和误差等。因此， 需对粉 尘颜色影响粉尘浓度检测进行研究和标定，使其适 用于不同种类的粉尘浓度检测。 选用黑色的煤粉、银色的镁铝合金粉和白色的 面粉 3 种粉尘进行实验，将无动力粉尘检测单元置 于实验装置中，同样的方式发尘和获取粉尘浓度 值， 使用电脑连接检测单元 MCU 的输出， 得到不同 粉尘浓度下的无动力检测单元输出的 AD 值 （16 位） 。不同颜色粉尘的不同浓度的检测单元输出 AD 值如图 6。 由图 6 可知检测单元输出的 AD 值随着粉尘 浓度的升高逐步增大，其与粉尘颜色不相关；在同 一种粉尘浓度下， 3 种不同颜色的粉尘， 随着颜色由 浅入深， AD 输出值相反由大减小， 即白色粉尘在同 种浓度下检测单元输出的 AD 值最大，黑色粉尘时 AD 值最小； 浅色粉尘标定检测单元时， 其粉尘浓度 检测的分辨率最大、 检测精度最高； 而由于 AD 位数 的限制，浅色粉尘标定检测单元的粉尘浓度检测量 程是最小的。 根据实验，探索了不同颜色对粉尘浓度检测的 影响规律。依据此规律，得到不同颜色对粉尘浓度 检测影响的影响因子 k，且在人机交互界面内设置 菜单选择颜色种类以达到选择不同的颜色影响因子 k 的目的。 然后， 检测单元将根据不同颜色的影响因 子进行计算， 得出更加准确的粉尘浓度值。 完成无动力机构尺寸设计优化和无动力检测单 元影响因素研究后，基于 Mie 散射法研制成无动力 粉尘浓度检测仪样机， 使用第 2.1.1 节实验准备， 以 煤粉为测量介质，通过手工采样称重方式为标准对 无动力检测仪的误差进行实验。经过 50 次实验之 后， 从中抽取实验数据， 样机与称重方式粉尘浓度实 验数据见表 1， 样机相对误差小于10。 4结论 1） 提出一种能够实现等速采样的无动力粉尘检 测机构，并对其关键位置的通孔直径和长度进行实 验研究； 基于最优化原则， 根据无动力单元 AD 值标 定分辨率完成了无动力机构的尺寸设计和优化。 2） 对影响无动力单元检测粉尘浓度的影响因 图 55 种不同粉尘浓度下的不同风速的输出电压值 Fig.5Output voltage values of different wind speeds under 5 different dust concentrations 图 6不同颜色粉尘的不同浓度的检测单元输出 AD 值 Fig.6The detection unit output AD values of different concentrations of different colors of dust 84 ChaoXing 第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 作者简介 吴付祥 （1972） ， 重庆人， 副研究员， 硕士， 1997 年毕业于四川大学， 中煤科工集团重庆研究院有限公 司粉尘分院仪表所所长，主要从事粉尘安全仪表和设备的 科研工作。 （收稿日期 2020-03-19； 责任编辑 王福厚） 称重方式粉尘浓 度/ （mg m-3） 样机粉尘浓 度/ （mg m-3） 相对误差/ 23.124.46.2 75.670.4-6.9 99.5106.77.2 123.8132.97.4 175.9161.7-8.1 259.4239.9-7.5 301.6324.27.5 350.9378.37.8 385.6354.8-8 405.7441.48.8 482.6525.68.9 491.3539.99.9 表 1样机与称重方式粉尘浓度实验数据表 Table 1Dust concentration test data table of prototype and weighing 素风速和粉尘颜色进行了对比实验分析，并做出 算法补偿，使无动力单元实用性增强，检测误差减 小， 标定分辨率更高。 3 ） 完成了一种无动力粉尘浓度检测样机， 经过 实验证明 样机检测误差小于 10。 参考文献 ［1］ 李德文， 隋金君， 刘国庆， 等.中国煤矿粉尘危害防治 技术现状及发展方向 ［J］ .矿业安全与环保， 2019， 46 （6） 1-7. ［2］ 赵紫梅.矿用粉尘检测传感器及仪器的研究 ［D］ .三 河 华北科技学院， 2019. ［3］ Shirdel Mariam,Bergdahl Ingvar A,Andersson Britt M, et al. Passive personal air sampling of dust in a working environment-A pilot study ［J］ . Journal of occupational and environmental hygiene, 2019, 16 （10） 675-684. ［4］ Jun Hayashi, Nozomu Hashimoto, Noriaki Nakatsuka, et al. Simultaneous imaging of Mie scattering, PAHs laser induced fluorescence and soot laser induced incandes－ cence to a lab-scale turbulent jet pulverized coal flame ［J］ . Proceedings of the Combustion Institute,2019, 37 （3） 3045-3052. ［5］ 赵健棋.催化装置再生烟气粉尘浓度采样测试方法研 究 ［D］ .上海 华东理工大学， 2016. ［6］ 赵政.基于 MIE 散射法的金属粉尘浓度检测技术 ［J］ . 仪表技术与传感器， 2018 （5） 108-110. ［7］ Xueshan Han, Jianqi Shen, Pengteng Yin, et al. Influ－ ences of refractive index on forward light scattering ［J］ . Optics Communications, 2014, 316198-205. ［8］ Luis A Clementi, Jorge R Vega, Luis M. Gugliotta, Ar－ turo Quirantes. Characterization of spherical coreshell particles by static light scattering. Estimation of the core -and particle -size distributions［J］ . Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, 2012, 113 （17） 2255-2264. ［9］ Schouten Hugo F, Fischer David G, Visser Taco D. Co－ herence modification and phase singularities on scatter－ ing by a sphere Mie ulation ［J］ . Journal of the Optical Society of America A, 2019, 36 （12 ） 2005. ［10］ 黄钰， 申晋， 徐敏， 等.基于 Mie 散射光强的多角度动 态光散射复合角度加权方法 ［J］ .光子学报， 2018， 47 （4） 148-156. ［11］ Petr Chylek, James E Lee, Dian E Romonosky, et al. Mie Scattering Captures Observed Optical Properties of Ambient Biomass Burning Plumes Assuming Uni Black, Brown, and Organic Carbon Mixtures ［J］ . Jour－ nal of Geophysical Research. Atmospheres, 2019, 124 （21） 11406-11427. ［12］Jun Hayashi, Nozomu Hashimoto, Noriaki Nakatsuka, et al. Simultaneous imaging of Mie scattering, PAHs laser induced fluorescence and sootlaser induced in－ candescence to a lab -scale turbulent jet pulverized coal flame ［J］ . Proceedings of the Combustion Insti－ tute, 2019, 37 （3） 3045-3052. ［13］ 江湖一佳.木质粉尘爆炸特性及其典型生产环境风 险评估应用研究 ［D］ .广州 华南理工大学， 2016. ［14］ 胡澄.基于 MIE 散射理论的粉尘浓度测量研究 ［D］ . 苏州 苏州大学， 2007. ［15］ 刘国庆.基于光学的无动力粉尘浓度检测技术 ［J］ .矿 业安全与环保， 2017， 44 （3） 29-32. ［16］ 赵利.无动力微细粉尘采样器的设计与试验研究 ［D］ .保定 华北电力大学， 2005. ［17］ 李德文， 吕二忠， 吴付祥， 等.粉尘质量浓度测量技术 方案对比研究 ［J］ .矿山机械， 2019， 47 （12） 58-62. ［18］ 张全柱， 赵紫梅， 钱会发.矿用智能化高精度粉尘检 测系统的设计 ［J］ .华北科技学院学报， 2018， 15 （5） 49-53. 85 ChaoXing