光纤透射法监测煤粉爆炸临界浓度及预警系统探讨.pdf

第37卷第3期 2020年9月 Vol. 37 No. 3 Sep. 2020 bMg do i 10. 3963/j. issn . 1001 -487X. 2020.03.024 光纤透射法监测煤粉爆炸临界浓度及预警系统探讨 余凡“，王玉r■，刘洋2,创＜，董志护,陈先聲 1.武汉理工大学a.安全科学与应急管理学院;b.资源与环境工程学院，武汉430070； ； 2.武汉电力职业技术学院电力工程系，武汉430079； ； 3.西南能矿集团股份有限公司，贵阳550004 摘要可燃性粉尘爆炸事故易发生、难控制，事故后果严重。为了监测粉尘的爆炸临界浓度，研发一款基 于光纤传感技术的粉尘浓度传感器。介绍了基于光纤透射法的粉尘浓度监测技术基本原理，营造均匀粉尘 环境,搭建实验平台对平均粒径为21.583 jim、40.264 和63. 259 fxm的煤粉进行浓度实验。结果表明 消光程度与粉尘浓度值呈现良好线性关系，测量值与实际值的实验误差在10之内。然后对煤粉爆炸临 界浓度进行探讨，开发粉尘爆炸临界浓度预警系统。可实现当浓度达到爆炸临界浓度设定值进行报警，预先 防止粉尘爆炸。 关键词光纤传感；透射法；粉尘监测；爆炸临界浓度；预警系统 中图分类号X936 文献标识码A 文章编号1001 -487X202003 - 0141 -07 Discussion on Monitoring Critical Concentration of Pulverized Coal Explosion and Early Warning System by Optical Fiber Transmission YU Fan“, WANG Yu-jielb ,L IU Yang2 ,REN Shao-fen ,DONG Zki-qiao”, CHEN Xian孑eng“ 1. a . Sch o o l o f Sa fet y Scien ce a n d Emer gen cy Ma n a gemen t ； b. Sch o o l o f Reso u r ces a n d En vir o n men t a l En gin eer in g, Wu h a n Un iver sit y o f Tech n o l o gy, Wu h a n 430070, Ch in a; 2. Depa r t men t o f El ect r ica l En gin eer in g,Wu h a n El ect r ic Tech n o l o gy Co l l ege, Wu h a n 430079,Ch in a； 3. So u t h west En er gy a n d Min er a l Reso u r ces Co r po r a t io n Co . ,Lt d,Gu iy a n g 550004,Ch in a Abstract Combustible dust explosion accidents are easy to occur and the process is difficult to control, and the consequences of the accident is serious. I n order to monitor the critical concentration of dust explosion, a dust con centration sensor based on fiber sensing technolog y was developed. The basic principle of dust concentration monito ring technolog y based on fiber transmission was introduced. A uni dust environment was created by build ing an experimental plat to conduct concentration experiments on coal powder with averag e particle size of 21.583 |im,40.264 xm and 63.259 xm. The results showed that the extinction deg ree and the dust concentration value have a g ood linear relationship, and the experimental error between the measured value and the actual value is within 10. The critical concentration of pulverized coal explosion was discussed and a critical concentration warning system for dust explosion was developed. Once the concentration reaches the set value of the explosion criti cal concentration, an alarm sig nal will be sent to prevent dust explosion in advance. Key Words optical fiber sensing ； ； transmission ; dust monitoring ； ； critical concentration of explosion ； ； early warning system 142爆破2020年9月 粉尘无处不在,可燃性粉尘爆炸事故一直是密 切关注的焦点⑴。粉尘爆炸需要同时具备五个条 件可燃粉尘、氧化剂、点火源、有限空间和分散⑵o 分散指的是粉尘悬浮在空气中形成粉尘云。对粉尘 分散形成的粉尘云浓度进行控制，可防止粉尘爆炸。 当粉尘悬浮时，通过传感器监测出粉尘浓度⑶，对 粉尘浓度实时检测,在达到爆炸临界浓度之前采取 必要措施来保证环境粉尘处于安全状态⑷O 目前粉尘浓度测量方法主要可以分为两大类， 一类是取样法测量⑸，先收集环境粉尘后测量的方 法，就是从环境中收集一部分有代表性的粉尘样品 后再由粉尘测量仪器检测出粉尘浓度。另一种是非 取样法⑷，不用取样而是利用粉尘颗粒的光学电学 声学等物理特征宜接进行浓度的检测。李德文等人 根据金属粉尘的静电特性，研究了基于电荷感应法对 金属粉尘浓度的连续检测⑺；赵政等人基于MIE散 射法的粉尘浓度检测技术基本原理，设计了 MIE散 射法的光学检测气路和结构,实现了粉尘浓度的长时 间检测⑷;孙泽睿利用平行板电容器中介质不同电容 量不同原理，提出使用电容法来检测粉尘浓度切。 光学方法是目前使用最多的测量方法口］,提出 一种利用光纤宽带光源对粉尘浓度进行实时检 测⑴］。一方面，能实时监测粉尘浓度;另一方面，预 警系统能判定环境浓度状态,确保环境粉尘浓度在 爆炸临界浓度内。 光纤光栅测量是一种基于全散射法的测量方 法“⑷，光纤本身具有不带电、体积小、质量轻、易 弯曲、抗电磁干扰、抗辐射等优点［⑷，适合应用于易 燃、易爆、空间受限及强电磁干扰等环境，并且具有 高效率传输光能力，在浓度检测方面具有广泛的应 用前景3。 1基于光透射法的实验原理 透射法是光散射颗粒测量技术中的一种，原理 是当光束穿过颗粒物时，由于颗粒的散射和吸收，使 穿过颗粒介质后的光强衰减,其衰减程度与颗粒的 大小和浓度有一定关系,这就为颗粒测量提供一个 尺度泅。 当一束平行单色光照射到被测颗粒时，由于颗 收稿日 132020-04-30 作者简介余 凡1995 -，男，硕士研究生，从事安全监测技术研 究,E-mail664961844 qq. como 通讯作者陈先锋 1975 -，男，教授、博士，研究方向为工业安全与 防火防爆技术，E-mail cxf618 whut. edu. cno 基金项目国家重点研发计划项目 2018YFC0808500；；国家自然科 学基金项目 51774221 粒对光的散射和吸收透射光的光强将会衰减,这可 以用La mber t -Beer定律进行解释，出射光强I与 入射光强厶的关系为 I Io exp - tL 1 式中T为浊度;Z为颗粒介质的厚度。在实际 情况下，被测量的颗粒是具有一定尺寸分布范围的 多分散颗粒系，此时该介质的浊度T为 t 覚曲⑼心⑴ 2 式中D为直径;心为消光系数。代入式1可得 巾K”为平均消光系数;P为颗粒 密度;。32为颗粒平均直径。由式8可知，已知光程 厶颗粒密度P，颗粒的索太尔直径032以及平均消光 系数就可以得到消光程度［-加〃厶］与粉尘 浓度C”的线性关系。 在透射法中,最重要的就是计算消光系数，针对 消光系数的计算方法，国内外有很多学者进行了研 究和改进氏呵，消光系数与无量纲尺寸因子a有一 定的关系。 a ttD/A 9 式9为a的计算关系式，与颗粒物粒径D和 入射光波长A有关。图1所示，对于不同折射率m 的颗粒物，消光系数心”先增大后减小最后趋于稳 定。当a达到一定值后，消光系数可以直接取 2,这样就大大简化测量和数据处理「如。得到颗粒 物的消光系数后,就可以计算出粉尘场所颗粒 第37卷第3期余 凡,王玉杰，刘 洋，等 光纤透射法监测煤粉爆炸临界浓度及预警系统探讨143 物的平均消光系数K。 图1不同折射率的消光系数与Q的关系曲线 Fig . 1 Relationship between extinction coefficient of different refractive indices and a 力泵,马尔文发尘器,风嗣,测速仪,变频风机，静电 除尘器和计算机组成。计算机控制系统通过调节风 机转速控制风速大小，风速在2〜8m/s可调。发尘 器与管道端中心相连接,传感器安放在管道中部的 中心位置。当风速稳定，均匀的发出定量的粉尘，形 成一定浓度的粉尘环境,在风嗣中进行实验,验证光 纤光栅粉尘浓度传感器的可行性和准确性。 2.2监测系统监测系统 监测系统由笔记本,光纤光栅解调仪,光纤以及 准直器构成,光纤光栅解调仪发出波长为1560 n m 的宽带光源,通过光纤到达准直器一端,经过中间的 监测区域（监测区域光程厶二60 mm）到达准直器另 一端，光经过光栅后反射，一部分光反射回到解调 仪。电脑上光纤光栅解调仪软件上显示变化后的光 2 2.1 实验平台搭建和实验 实验平台实验平台 根据实验要求，搭建如图2实验平台，平台由压 计算机控制平台 2.3实验步骤实验步骤 实验粉体为煤粉,煤粉经过24h烘干。打开空 压机待压力稳定,将煤粉放入发尘器,通过控制发尘 器开口大小和岀尘口压力来调节发出的粉尘浓度， 待风嗣中风速稳定至4 m/s,打开发尘器，发出的粉 尘均匀通过风嗣，打开粉尘采样仪进行采样,采样流 量20 I/min ,采样时间为1 min ,同时光纤光栅解调 仪接收粉尘场所变化前后的光信号，并将光信号传输 到电脑。同一粉尘浓度环境下进行5组平行实验，求 平均值的方法计算出实际浓度值和测量浓度值。 3实验结果及爆炸预警探讨 3.1光纤粉尘浓度传感器可行性实验光纤粉尘浓度传感器可行性实验 采样器的浓度为当前环境下的实际粉尘浓度， 通过滤膜称重法求出，为了减小实验过程中产生的 误差,每组实验进行5组平行实验,取平均值作为实 际浓度。消光程度通过测量光强前后变化量计算得 强值。当监测区域有粉尘通过时，粉尘由于吸收和 散射,导致光强值会变化。若粉尘浓度稳定,则光强 变化趋于稳定值。见图3。 出。对于此传感器，发射端同时是接受端，光从解调 仪发出，先经过浓度场所后，反射回来又一次进入浓 度场最后回到解调仪中，相当于光在浓度场所经过 原来两倍的光程，因此在进行浓度计算时,出射光强 与入射光强的对应关系是两倍光程下测量的结果。 假设初始光强为厶,第一次经过测量区域后的出射 光强为厶，反射回测量区域后的出射光强为厶,光程 为厶,那么消光程度和浓度的关系式变成 -加（厶/厶）3（2厶）心3L Km G 2pZ）32 PD 32 a“ 10 11 此实验所用的粉尘为工业煤粉，已知煤粉的密 度p 0. 86 g/cm3，采用马尔文 Ma st er sizer 2000 激光 粒度仪对煤粉的粒度进行取样测量，采样速率达 1000次/分钟。经测量，平均粒径（索太尔直径）为 21.583（jLmo实验测量光程60 mm,解调仪发岀 144爆破2020年9月 的光为宽带光源，波长为入二1560 n mo由上一节式 9可以计算出02二21.583 Mm煤粉粒径对应的Q 值为43.5。查表可知,可以取Km2o根据已知量 可以求出4值为0.01936。由式4可知，测量出消 光程度值［-力〃厶］的大小，就可以得到传感器 测量的粉尘浓度值久。图4〜图7为不同浓度条 件下,光纤传感器的光强值随时间的变化曲线。可 以看出，光强值的变化和浓度成正相关关系,浓度越 大，光强值变化也越大，也就是消光程度越大。测量 过程中，在第5 s时，打开发尘器，粉尘经过准直器, 光强明显衰减,到达一定值后上下波动。 图3光纤光栅监测系统 Fig . 3 Fiber brag g g rating monitoring system Q Q 9 0 2 9 0 2 来 30500 30000 29500 29000 28500 28000 27500 27000 26500 26000 25500 25000 0 5 10 15 20 25 30 时间/s 0 5 10 15 20 25 30 时间/s 图4 C0. 5251 g /m3时的光强变化 Fig . 4 Lig ht intensity curve at C 二 0.5251 g /m3 同一浓度进行五组实验,五组实验求平均值。 实验结果如表1所示。 表1中列出了 21.583 pn的实验数据以及误差 大小。其中实际浓度值是通过粉尘采样器测得的数 据,消光程度是反映光强的衰减程度,消光程度随着 浓度的增大而变大。测量浓度值是粉尘浓度传感器 测量的结果。实验浓度范围在010 g/m3o 一共 进行15组浓度实验，每组进行5次平行实验。在低 浓度区间32 21.583 pm pulverized coal experimental 实际浓度值Cm/ g -m-3 消光程度 [-力〃/。] 测量浓度值C。/ g m-3 实验 误差/ 0.10540.002210.11438.4 0.27080.005750.29689.6 0.52530.009310.4806-8.5 0.79080.016610.85808.5 0.95830.017220.8893-7.2 1.20310.025181.30068.1 2.35210.041672.1522-8.5 3.54270.062283.2168-9.2 4.32140.090944.69748.7 5.57940.099165.1219-8.2 6.33820.133516.89608.8 7.86430.139467.2037-8.4 8.23710.172718.92088.3 9.98470.177269.1560 8.3 10.54320.2218711.46058.7 浓度/g m-3 图8 D32 21.583 jxm煤粉消光程度与浓度的关系曲线 Fig . 8 Relationship between the extinction deg ree and concentration of D32 21.583 jxm pulverized coal 3.2光纤粉尘浓度传感器验证实验光纤粉尘浓度传感器验证实验 基于上述的实验平台和实验方法,又开展了对大 粒径粉尘浓度实验的研究。将煤粉通过不同的目数 筛进行筛选，取300目 400目和200目 300目的 粉尘，粒径跨度范围分别对应38 -48 ju u m和48 74 “m。通过粒度分析仪测量得到平均粒径分别对应 D32 40.264 pjn 和 D32 63.259 pjDo计算出不同 D32 直径对应的A值分别为0. 01038和0.00660。实验结 果如图9所示。人值对应图中直线的斜率。两种不 同粒径煤粉消光程度随浓度的变化曲线，包括测量值 关系曲线和理论值关系曲线。验证了消光程度与浓 度成正比关系，其中二40. 264 jxm煤粉的线性度 为 0.9840 032 二63.259 pjn 煤粉的线性度为 0. 9823, 线性度都较高。测量值与理论值对比分析可知，测量 值在理论值上下波动，且波动范围很小，误差范围也 在 10之内 「 丄鰹咽来 B B 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 浓度/g m-3 图9不同粒径煤粉消光程度和浓度的关系曲线 Fig . 9 Relationship between the extinction deg ree and concentration of pulverized coal with different particle sizes 3.3粉尘爆炸预警探讨粉尘爆炸预警探讨 粉尘爆炸预警系统满足的要求⑵] 1 监测系统即时获取浓度传感器数据,导入浓 度、温度计算公式,将结果显示在软件界面中。不仅 能显示即时值,也能显示一段时间内的变化曲线。 2 通过调查研究,确定粉尘浓度和温度的危险 临界值，能对粉尘浓度或者温度的危险状态进行判 断，并将结果实时显示在界面上。状态显示为危险 或者有危险的趋势时，及时发出预警信号。 关于粉尘浓度预警值考虑粉尘爆炸下限浓度。 当粉尘浓度达到爆炸下限浓度50 ,发出危险警告 信号红色；达到爆炸下限浓度30时，发出提醒 信号黄色；低于30时浓度处于安全状态绿 色；关于环境温度预警值的选取，将环境温度与前 一时间的温度比较,参考火灾差温探测器工作原理, 将温度变化率设置为当温度变化大于9兀/min或 者当温度达到粉尘浓度最低着火温度的50时发 出预警信号。 参考温度如下 此刻温度值一30 s前温度值虫x 9 XJ 60 s min 4. 5弋报警，否则 此刻温度值TO s前温度值工磐x 9 XJ 60 s 146爆破2020年9月 min 二6.0弋报警，否则 此刻温度值一50 s前温度值M弟空x 9 V/ 60 s min 7.5玄报警，否则 此刻温度值一60 s前温度值M磐x 9兀/ oU s min 二9.0弋报警。 图10为粉尘爆炸预警系统的主界面，上方小窗 口显示此时的时间和浓度值，能更直观的观察此刻 的浓度和温度状况。左侧显示浓度和温度的安全状 态，绿色为安全，黄色为警告,红色为危险,当显示为 黄色时,需要注意环境中的浓度以及温度情况,采取 相应措施使其处于安全状态。当显示为红色时，代 表此时环境危险，需要立即停止工作，对粉尘和温度 进行检查。右侧为浓度变化和温度变化曲线关系， 分另IJ是最近10 s和最近30 min的浓度统计值。左 侧曲线能清晰看到此刻的浓度、温度变化关系，右侧 则能看出一段时间内的变化曲线。 图10粉尘爆炸预警系统 Fig . 10 Dust explosion warning system 4结论 1 完成了三种不同粒径的煤粉实验,证明光 纤粉尘浓度传感器能对三种粒径的煤粉进行监测， 误差在以内。但未完成对全粒径的煤粉或者其它粉 尘的实验及探讨，实验还需要进一步完善。 2 运用消光法原理进行数据分析，理论值和 测量值对比发现，通过实验验证了消光程度与粉尘 浓度的线性关系，基于透射法的煤粉浓度监测方法 是可行的，光纤粉尘浓度传感器能应用于对煤粉的 监测。 3 开发了对应于粉尘浓度传感器的粉尘爆炸 预警系统,实时监测环境中的粉尘浓度值和温度值, 将粉尘爆炸下限浓度作为参考设置临界预警值，及 时发出报警信号。 参考文献参考文献References [1]刘振朋，王玉杰,韩高升，等水下爆炸荷载对基底持 力层黏土的性质影响研究[J].爆破,2018,352118- 124. [1 ] LI U Zhen-peng, WANG Yu-jie, HAN Gao-sheng, et al. I n fluence of underwater explosion load on properties of clay in bearing layer[ J]. Blasting,2018,352 118-124. in Chinese [2]陈 瑞,张博伦，赵 拓.浅谈粉尘爆炸和二次爆炸 [J].电气防爆,20183 4-6. [2] CHEN Rui, ZHANG Bo-lun,ZHA0 Tuo. Talking about dust explosion and secondary explosion[ J]. Electrical Ex plosion Protection,20183 4-6. in Chinese [3] 杨冰涛，刘 洋,郭永兴，等.基于光纤光栅的可燃性 粉尘浓度测量技术研究[J].工业安全与环保,2018, 441 1-3. [3] YANG Bing -tao, LI U Yang , GUO Yong -xing , et al. Re search on flammable dust concentration measurement technolog y based on fiber g rating [ J ]. I ndustrial Safety and Environmental Protection,2018,441 1-3. in Chi nese [4] LUO Z,SU B, WANG T,et al. Effects of propane on the flammability limits and chemical kinetics of methane-air explosions [ J ]. Combustion Science and Technolog y, 2019,133 464-470. [5] 贺振怀，王 杰基于P射线吸收法的粉尘浓度测量 技术[J ] 煤矿安全,2019,50780-83,87. [5] HE Zhen-huai, WANG Jie. Measurement technolog y of dust concentration based on 0-ray absorption [ J ]. 第37卷第3期余 凡,王玉杰，刘 洋，等 光纤透射法监测煤粉爆炸临界浓度及预警系统探讨147 Coal Mine Safety,2019,507 80-83,87. in Chinese [6]陈继民，陈鹤天激光在粉尘检测领域的进展与应用 [Jh 应用激光,2018,383496-501. [6] CHEN Ji-min,CHEN He-tian. Prog ress and application of laser in the field of dust detection [ J]. Applied Laser, 2018,383 496-501. in Chinese [7] 李德文，陈建阁,安文斗，等电荷感应式粉尘浓度检 测技术[J].能源与环保,2018,408 59 [7] LI De-wen,CHEN Jian-g e,AN Wen-dou,et al. Charg e in duction dust concentration detection technolog y [J] . Ener g y and Environment,2018 ,408 5-9. in Chinese [8] 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,20185108-110,119. [8] ZHAO Zheng . Detection technolog y of metal dust concen tration based on mie scattering [ J ]. I nstrument Technolog y and Sensor,20185 108-110,119. in Chi nese [9] 孙泽睿.电容法粉尘浓度检测技术[J].科技风， 2018321. [9 ] SUN Ze-rui. Capacitance dust concentration detection technolog y [J] . Science and Technolog y Wind,2018 3 21. in Chinese [10] 张珊珊，雷志勇.基于光散射与透射原理的粉尘浓度 测量方法研究[j].计算机与数字工程,2016,442 362-366. [10] ZHANG Shan-shan ,LEI Zhi-yong . Research on dust con centration measurement based on lig ht scattering and transmission principles [ J ]. Computer and Dig ital Eng ineering ,2016,442 362-366. in Chinese [11] 丁云峰，郭永兴,陈先锋，等.粉尘质量浓度的光纤光 栅传感测量技术[J ]爆炸与冲击,2019,391 86- 91. [11 ] DI NG Yun-feng , GUO Yong -xing , CHEN Xian-feng, et al. Fiber brag g g rating sensor measurement technolog y for dust mass concentration [ J ]. Explosion and Shock ,2019, 391 86-91. in Chinese [12] DU W C,TAO X M. Fiber brag g g rating cavity sensor for simultaneous measurement of strain and temperature [J ]. I EEE Photonics Technolog y Letters, 1999,111 105-107. [13] PEREI RA, DI ONI SI O A, FRAZAO, et al. Fiber brag g g rating sensing system for simultaneous measurement of salinity and temperature[ J]. Optical Eng ineering,2004, 432299-304. [14] XU R J P. Lig ht scattering A review of particle charac terization app丘cations [ J]. Particuolog y, 2015,18 1 11-21. [15]刘 洋，高文傲,李登科，等.基于光纤传感技术的易 燃易爆气体泄漏监测研究[J].爆破,2017,34422- 26. [15] LI U Yang,GAO Wen-ao,LI Deng -ke,et al. Monitoring of flammable and explosive g as leakag e based on optical fi ber sensing technolog y [ J]. Blasting,2017,34 4 22- 26. in Chinese [16] 蔡小舒.颗粒粒度测量技术及应用[M].北京化学 工业出版社,2010. [16] CAI Xiao-shu. Particle size measurement technolog y and application[ M] . BeijingChemical I ndustry Press,2010. in Chinese [17] 徐义书，刘小伟，崔 江，等.激光全散射法测量燃煤 颗粒物浓度的实验研究[J]工程热物理学报,2017, 38刀 1496-1502. [17] XU Yi-shu, LI U Xiao-wei, CUI Jiang, et al. Experimental study on measurement of coal combustion particulate matter by laser total scattering [ J ]. Journal of Eng ineering Thermophysics, 2017,38 7 1496-1502. in Chinese [18] MROCZKA J,SZCZUCZY SKI D J a 0. Simulation re search on improved reg ularized solution of the inverse problem in spectral extinction measurements [ J ]. Ap plied Optics ,2012,51 11 1715. [19] 王小东，吴 健，邱 荣，等.MI E散射系数的改进算 法[J]・光电工程,2006,33324-27. [19] WANG Xiao-dong , WU Jian,QI U Rong,et al. I mproved MI E scattering coefficient alg orithm [ J] . Optoelectronic Eng ineering,2006,333 24-27. in Chinese [20] 崔 江,刘小伟，陈 栋，等颗粒粒径分布对全散射 法测量颗粒质量浓度的影响[J].中国电机工程学 报,2016,3616 4415-4421,452 [20] CUI Jiang, LI U Xiao-wei, CHEN Dong, et al. Effect of particle size distribution on particle mass concentration measurement by total scattering [ J ] . Proceeding s of the CSEE,2016,3616 4415-4421,4528. in Chi nese [21] 路志远.煤矿粉尘浓度监控系统方案研究[J].机械 管理开发,2019,348 229-231. [21] LU Zhi-yuan. Research on coal mine dust concentration monitoring system scheme [ J ]. Machinery Manag ement Development,2019,348 229-231. in Chinese 英文编辑黄刚