煤矿粉尘颗粒浓度及粒径测量系统
技术领域
[0001] 本
发明涉及粉尘颗粒测量技术领域，特别涉及煤矿粉尘颗粒浓度及粒径测量系统，同时，也可以应用于金属矿山
岩石粉尘、隧道岩石粉尘和空气污染等颗粒物的浓度及粒径测量。
背景技术
[0002] 煤矿粉尘指岩尘和煤尘，是煤矿的五大灾害之一，其产生在煤炭开采过程及运输等其他工序中。具有高产、高效、低耗特点的现代化开采技术，其产尘量相比传统开采手段大量增加。研究表明，在无防尘措施的情况下，炮采工作面的粉尘浓度可达300～500mg/m3，3
机采工作面的粉尘浓度可达1000～3000mg/m ，综采工作面的粉尘浓度可达4000～8000mg/m3。长期处于含尘环境的作业人员吸入大量的粉尘，易导致严重的尘
肺病。同时，当粉尘浓度达到一定的范围时，在引爆热源的作用下，容易发生剧烈的爆炸。因此，掌控煤矿井下作业环境的粉尘浓度和粒径对综合防尘和安全生产具有重要意义。
[0003] 国内通常采用人工定时定点检测方法，这种方法测得的数据仅反应了测尘时间段内的粉尘状况，并不能全面、准确地反映煤矿井下实时、多空间的总体粉尘情况。目前，在粉尘浓度和粒径测量方面，主要测量手段有滤膜法、微量振荡天平法、射线吸收法和黑度法等，然而这些方法均存在自身
缺陷。例如，滤膜法需要手动操作将颗粒物捕集于高性能滤膜上，操作繁杂，实验
精度的影响因素较多；微量振荡天平法存在着受
温度和空气湿度影响较大；黑度法测量精度易受操作人员视
力、判断力和环境因素影响。现有测量装置和方法存在可靠性低、测量速度慢和操作复杂等缺点，并且难以在较宽工况范围内同时测量浓度和粒径。因此，迫切需要寻求一种测量系统以弥补
现有技术的不足。
发明内容
[0004] 为了解决现有技术中所存在的问题，本发明的目的是提供一种煤矿粉尘颗粒浓度及粒径测量系统，其操作简便，测试响应灵敏，测量精度高，使用安全可靠。
[0005] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种煤矿粉尘颗粒浓度及粒径测量系统，其特征在于，干燥管和样品收集器之间管路连接手动
泵和第三
阀门，样品收集器通过第二阀门连接样品池，样品池通过第四阀门外接
真空泵；
激光器产生
激光束经过透镜，通过第一分光片后经过第二反射镜和第一反射镜，通过第二分光片穿过样品池，透过光阑经过第四反射镜和第三反射镜后穿过滤光片，进入光电计数管达到数字相关器；平流泵外连储罐，并通过第一阀门和
喷嘴连接至样品收集器，样品收集器通过第二阀门连接至布设有湿度
传感器的样品池；恒温油浴通
过冷却管连接
箱体，表面均匀缠绕
电阻丝的样品池置于箱体内，样品池内布设外接温度
控制器的控温传感器和外接交流测温电桥的测温传感器，
压力传感器通过管路连接样品池和数字源表，交流测温电桥、
温度控制器及数字源表连接至计算机。
[0006] 优选地，激光器是氢离子激光器，输出功率为200mW，
波长532nm；激光器也可以采用连续型固体激光器，其输出功率为300mW，波长532nm。
[0007] 优选地，光电计数管采用SIPC-III型ALV，后脉冲效应很小。
[0008] 优选地，数字相关器采用ALV-LinCorr型高速线性相关器或BI-9000AT数字相关器。
[0009] 优选地，平流泵采用双
柱塞串联式往复平流泵实现液体
增压，流量范围为0.001～2mL/min。
[0010] 优选地，
湿度传感器采用
氧化
铝电容式湿度传感器，使用范围为-10℃～120℃，测量气体流量为3～5L/min。
[0011] 优选地，喷嘴选用全
铜微调精细
雾化喷嘴，工作压力为1.5～3MPa，360度全
覆盖喷雾，可以较好地满足雾化加湿控制。
[0012] 优选地，在样品池均匀缠绕外径为3mm，长度为18m，电阻为70Ω的电阻丝，电阻丝外层包覆
硅胶层和玻璃
纤维管，耐温最高可达300℃，为了更好地调节电阻值控制加热量，电阻丝串联最大电阻200Ω的滑动变阻器。
[0013] 优选地，交流测温电桥和数字源表均通过Labview语言编制采集程序实现实时采集，通过计算机进行处理。
[0014] 优选地，
真空泵采用直联式旋片机械真空泵或双级油封旋片真空泵，极限抽压为6×10-6Pa。
[0015] 本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
[0016] (1)本发明采用激光测量手段，具有较强的穿透性，实现无
接触测量，操作简便，测量精度高，使用安全可靠。
[0017] (2)本发明能够实现快速实时测量，较好地与计算机实现集成，达到测量装置较高的自动化程度，同时，光电元件响应时间很短，提高了系统的响应灵敏度。
[0018] (3)本发明结合样品收集和雾化加湿实现对待测样品的湿度控制，为研究不同湿度条件下粉尘的浓度和粒径分布规律提供支持。
[0019] (4)本发明可以在较宽范围内同时测量粉尘颗粒的浓度和粒径。
附图说明
[0020] 图1是本发明系统示意图。
[0021] 附图标号：1-储罐；2-平流泵；3-第一阀门；4-喷嘴；5-第二阀门；6-样品收集器；7-手动泵；8-第三阀门；9-干燥管；10-第一反射镜；11-第二反射镜；12-第一分光片；13-数字相关器；14-透镜；15-光电计数管；16-激光器；17-滤光片；18-第三反射镜；19-第四反射镜；20-光阑；21-恒温油浴；22-箱体；23-样品池；24-电阻丝；25-冷却管；26-控温传感器；27-湿度传感器；28-测温传感器；29-第二分光片；30-第四阀门；31-真空泵；32-压力传感器；33-交流测温电桥；34-温度控制器；35-数字源表；36-计算机。
具体实施方式
[0022] 下面结合附图和具体
实施例对本发明做进一步详细说明。
[0023] 本发明公开了煤矿粉尘颗粒浓度及粒径测量系统，该系统由样品收集系统、光学系统、湿度控制系统和温度及压力控制测试系统组成。
[0024] 样品收集系统包括：第二阀门5，样品收集器6，手动泵7，第三阀门8，干燥管9，样品池23，第四阀门30，真空泵31。
[0025] 关闭第二阀门5和第三阀门8，打开真空泵31并开启第四阀门30对样品池23进行抽真空，关闭第四阀门30同时打开第三阀门8，含尘气体通过干燥管9干燥，开启第二阀门5后进入样品收集器6，关闭第二阀门5，旋转手动泵7将收集的样品压入样品池23中。
[0026] 进一步地，手动泵7为HIP 50-6-15高压
活塞泵，最大工作压力可达100MPa，一次冲称工作容积约20mL，通过正反旋转
手柄推动活塞压缩气体进行进样和压力控制。
[0027] 进一步地，样品收集器6采用不锈
钢1Cr18Ni9Ti材料，外径10mm，壁厚2mm，两端采用
螺纹夹具密封，并与第三阀门连接，可以借助KHC-2000B智能双路大气
采样器，自动连续进行样品采集。
[0028] 进一步地，样品池23选用316号(00Cr17Ni14Mo2)
不锈钢材料，有效容积约为3
48cm ，透光窗口尺寸为Φ30×30mm，采用Φ22.4×2.65mm规格的氟素
橡胶(FKM)O型圈和聚四氟乙烯
垫圈共同实现端面静密封，聚四氟乙烯
工作温度范围为-190～250℃，具有优良的化学
稳定性和耐
腐蚀性能。
[0029] 进一步地，真空泵31可以采用ZXC-4B直联式旋片机械真空泵，极限抽压为6×10-6 3
Pa，采用ZDF-5327M微型复合真空计进行真空度测量，测量范围为1.0×10～1.0Pa。
[0030] 光学系统包括：第一反射镜10，第二反射镜11，第一分光片12，数字相关器13，透镜14，光电计数管15，激光器16，滤光片17，第三反射镜18，第四反射镜19，光阑20，第二分光片
29。
[0031] 激光器16产生激光束经过透镜14
准直，通过第一分光片12后经过第一反射镜10和第二反射镜11，反射后的光束通过第二分光片29经过样品池23内的粉尘颗粒进行多次散射，透过光阑20经过第四反射镜19和第三反射镜18穿过滤光片17，进入光电计数管15达到数字相关器13。
[0032] 进一步地，激光器16采用氢离子激光器，输出功率为200mW，波长532nm，激光器也可以采用连续型固体激光器，其输出功率为300mW，波长532nm。
[0033] 进一步地，光电计数管15采用SIPC-III型ALV，后脉冲效应小至50ns，短时间计算高达10MHz，同时具有较低噪声，一般为250cps，也可以采用H6264
光子计数器，响应速度100ns，较小的后脉冲。
[0034] 进一步地，数字相关器13采用ALV-LinCorr型高速线性相关器或BI-9000AT数字相关器，采样时间范围分别为25ns～40ms和500ns～50ms，最大延迟时间范围为25ns～1310s，最大计数速度分别为40M·s-1和80M·s-1，最大计数通道分别为522和2048。
[0035] 进一步地，根据如下的Beer-Lambert定律进行粉尘颗粒浓度关联计算：
[0036] I(λ)＝I0(λ0)e-ραL (1)
[0037] 式中：I(λ)为入射光强度/mW，I0(λ0)为经过颗粒散射后的光强度/mW，ρ为颗粒浓度/ug·cm-3，L为光波经历路程/m，α为颗粒对光的耗散作用系数。
[0038] 进一步地，根据如下的Stokes-Einstein定律进行粉尘粒径计算：
[0039]
[0040] 式中：kB为玻尔兹曼常数，T为粉尘颗粒温度/K，η为粘性系数/mPa·s，D自扩散系数。
[0041] 湿度控制系统包括：储罐1，平流泵2，第一阀门3，喷嘴4，湿度传感器27。
[0042] 通过湿度传感器27反馈测得样品池23内待测样品的实时湿度，打开第一阀门3，平流泵2将储罐1的液体
抽取输送至喷嘴4，通过雾化作用对样品收集器6内的待进样样品进行湿度控制。
[0043] 进一步地，平流泵2采用2PB-0240型双柱塞串联式往复平流泵实现，流量范围为0.001～2mL/min，采用先进的
电子脉冲抑制技术，保证了流量的准确性和可靠性，工作压力范围为0～40MPa，流量精度高于0.5％。
[0044] 进一步地，湿度传感器27采用氧化铝电容式湿度传感器，使用范围为-10℃～120℃，测量气体流量为3～5(L/min)。
[0045] 进一步地，喷嘴选用全铜微调精细雾化喷嘴，工作压力为1.5～3MPa，360度全覆盖喷雾，可以较好地满足雾化加湿控制。
[0046] 温度及压力控制测试系统包括：恒温油浴21，箱体22，电阻丝24，冷却管25，控温传感器26，测温传感器28，压力传感器32，交流测温电桥33，温度控制器34，数字源表35，计算机36。
[0047] 恒温油浴21利用循环介质通过均匀盘绕在箱体22内的冷却管25实现降温处理，样品池23表面均匀缠绕电阻丝24，温度控制器34利用样品池23内布设的控温传感器26进行温度控制，交流测温电桥33利用测温传感器28对样品池23内布设的测温传感器28进行温度实时测量。样品池内的压力数据通过数字源表35实时采集压力传感器32反馈的电
信号而获得，计算机36集中处理数据。
[0048] 进一步地，恒温油浴21采用Fluke7037型恒温槽，循环介质为二甲基硅油，适用范围为-40～110℃，温度
波动度小于±2mK，完全能够满足温度控制要求，循环介质通过盘绕在箱体22内的Φ6mm紫铜冷却管进行冷却降温，其中，箱体22的尺寸规格为210×140×160(长×宽×高mm3)。
[0049] 进一步地，控温传感器26和测温传感器28均采用WZP-100型Pt100铂电阻
温度计，标定使用5698-25标准铂电阻温度计8508A(81/2)高精度标准数字万用表。
[0050] 进一步地，压力传感器32采用MPM4730陶瓷型智能压力变送器，压力测量范围0～100MPa，输出
电流信号4～20mA，测量精度为±0.1％FS，工作温度范围为-40～80℃。
[0051] 进一步地，在样品池23均匀缠绕外径为3mm，长度为18m，电阻为70Ω的电阻丝24，其外层包覆硅胶层和玻璃纤维管，耐温最高可达300℃，为了更好地调节电阻值控制加热量，串联最大电阻200Ω的滑动变阻器。
[0052] 进一步地，温度控制器34采用Fluke2200高精度温度控制器控制温度，使用温度范围为-100～800℃，
分辨率为0.01℃，控温稳定性为±0.005～0.02℃。
[0053] 进一步地，交流测温电桥33采用ASL-F500高精度交流测温电桥，测温精度为±5mK，通过Labview语言编制温度采集程序实现实时采集，通过计算机36进行处理。
[0054] 进一步地，数字源表35用KEITHLEY 2400(61/2)采集压力传感器32输出的电流信号，其自身独立作为
电压源或电流源，可直接测量电压、电流、电阻等信号，精度0.012％，通过Labview语言编制压力采集程序实现实时采集，通过计算机36进行处理。
[0055] 需要说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行
修改，或者对其中部分技术特征进行同等替换。
[0056] 凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
