粉塵與風速之間的關系與粉塵濃度的測量

粉塵危害是煤礦生產的六大自然災害之一，對其防治及其重要。由于粉塵濃度與風速之間存在一種“拋物線”樣式的關系，為達到降塵*效果，本文運用粉塵粒子的散射消光作用和風速與熱敏電阻散熱快慢之間的關系，將粉塵濃度傳感器和風速傳感器合二為一，得到了此種雙傳感器的理論和計算方法，并對其工作流程進行了框圖設計。為礦井綜合防塵提供了一種新的方法。
　礦塵(也稱粉塵)是礦山生產過程中所產生的礦石與巖石的微細顆粒。粉塵是礦塵的一種,當具有爆炸性的粉塵濃度達到45～2000g/m3、遇700～800℃高溫火源時會發生爆炸, 并產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, 另外礦塵還會使長期接塵的職工患塵肺病。懸浮于空氣中的粉塵稱為浮塵, 已沉落的粉塵稱為積沉, 礦井防塵的主要對象是浮塵。
　　礦井各生產過程都生產礦塵, 以鑿巖、爆破、裝運和破碎工序zui為嚴重。鑿巖產生礦塵持續時間長, 塵粒較細, 是達到衛生標準合格率較低的一個工序。爆破產生礦塵特點是短時間產生大量的礦塵并伴有炮煙, 可能污染和影響其他工作地區。隨著生產設備和工藝的發展,產生礦塵狀況也將發生變化, 應該經常進行觀測研究, 及時采取防塵措施, 以保證作業場所礦塵濃度達到國家規定的要求, 使井下工作人員能有一個良好工的環境[1]。
　　對于礦井防塵，前人大多都將粉塵的濃度和風速分開來研究探討，這樣就造成監測系統的復雜和信息失真。由于粉塵濃度的大小與風速的大小之間存在拋物線關系，本文運用雙傳感技術，將要求防治地點的粉塵濃度和風速同時檢測出來，將得到的信息反饋到數據處理器中，調整風速大小，能達到*的降塵效果。
　　
　　1 風速與粉塵濃度之間的關系
　　
　　礦井通風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，合理的通風能夠有效地控制采掘工作面的粉塵濃度，風速的大小直接采掘工作面粉塵濃度高低[2]。風速與粉塵濃度之間存在一種“拋物線”樣式的關系：風速過低，粗粒礦塵將與空氣分離下沉，不易排出；風速過高，能將落塵揚起，增大礦內空氣的粉塵濃度。因此，通風除塵效果是隨風速的增加而逐漸增加的，達到*效果后，如果再增大風速，效果又開始下降。
　　所以排除井巷中的浮塵要有一定的風速。把能使呼吸性粉塵保持懸浮并隨風流運動而排出的zui低風速稱為zui低排塵風速，把zui大限度排除粉塵而又不致使落塵二次飛揚的風速稱為*排塵風速。一般來說，掘進工作面的*風速為0.4～0.7m/s，機械化采煤工作面的*風速為1.5～2.5m/s。
　　
　　2 雙傳感技術理論
　　
　　本文所用的雙傳感技術就是將礦井中用于檢測粉塵濃度的傳感器和用于檢測風速的傳感器合二為一，組成一種新的可同時測量出粉塵濃度和風速大小的雙傳感器。其理論由粉塵濃度檢測理論和風速測量理論組成。
　　
　　2.1 粉塵濃度檢測理論
　　
　　當光波通過不均勻媒質（如粉塵）時，與媒質會發生相互作用，光強要發生衰減，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量粉塵濃度所要利用的基本原理。根據Mie 理論［4］，只要測量出塵粒的散射光強，選擇合適的散射接收角和光源波長，則可以直接監測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立散射，即各個單獨粒子的散射光強服從迭加原理，當考慮小區域范圍時，可以忽略多次散射的影響［5］。
　　
　　2.2 風速測量理論加熱的物體
　　
　　在空氣中冷卻速度與風速有關。風速越大冷卻速度越快，物體在空氣中的散熱是個對流換熱過程，散熱量大小與風速和空氣溫度有關，利用這種關系可以測定風速。如果通過一定的恒定電流加熱熱敏電阻，當加熱量和散熱量相等時，熱敏電阻溫度趨于穩定，則可以根據熱敏電阻的阻值變化或端電壓變化確定風速［8］。
　　當風速為零時，熱敏電阻有一個工作穩定點，當熱敏電阻周圍介質的風速不為零時，空氣的流動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。且在恒定風速下又趨于一個新的平衡點，對于不同的風速熱敏電阻有不同的熱平衡狀態，zui后阻值趨于一個穩定值，此時熱敏電阻的消耗功率等于該風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外，風速大小對它散熱快慢有直接影響。因此可把熱敏電阻接入一個平衡電橋作為橋臂，在風速為零時，調整電橋使橋路平衡輸出為零，當有風流過熱敏電阻時，不同的風速就可以將熱敏電阻阻值的變化變成電信號輸出［10］。根據風速和輸出電壓之間的對應的關系，反過來通過輸出電壓的大小，可測得風速的大小。
　　
　　3 雙傳感器的工作流程和系統設計
　　
　　3.1 工作流程
　　
　　運用上述原理，同時采用粉塵傳感技術和風速傳感技術，將粉塵傳感器和風速傳感器通過相關技術流程合成為一種雙傳感器（雙傳感器為作者的創新，正在研究階段），此傳感器能同時工作，分別檢測待測地點空氣的風速大小和粉塵濃度信息，將傳感器得到的信號放大后轉化成電流信號通過輸送線路送到控制臺的計算機中，實現實時監測。此種雙傳感器的運用，能很好的解決傳統方法中運用一種技術（單獨運用粉塵傳感技術或風速傳感技術）分開檢測礦井空氣的風速大小和粉塵濃度，造成井下監測系統的復雜，并為綜合防塵提供了一種新的方法。
　　
　　3.2 系統設計
　　
　　基于上述理論，由于煤塵的濃度檢測是利用粒子的消光作用進行監測。則可以利用紅外傳感技術，采用煤塵氣室對其濃度進行濃度檢測技術研究。而礦井風速則根據熱敏電阻阻值通過散熱快慢與風速大小之間的關系進行測量。
　　在紅外傳感器的設計中，采用LED 作為紅外線的發光光源，經斬光器濾波后進入測量氣室，在氣室前后安裝有微型探測器，探測前后紅外光的光強。在測量煤塵濃度的氣室前部設有一密閉的參比氣室，內充入純的CH4 氣體，從而消除或zui大限度的減小在測量煤塵粒子的消光作用強度時瓦斯對紅外光的吸收影響。而在風速測量電路中將橋式電路的橋臂接入測量電路，測量風速信號將探測器在氣室前后探測到的光強信號轉換成電壓信號和橋式電路輸出地電壓信號放大后，經鎖相放大器后傳入計算機中進行數據處理、計算，實現對粉塵濃度和風速的同時檢測、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。
　　
　　4 結論
　　
　　風速與粉塵濃度之間存在一種“拋物線”樣式的關系：風速過低，粗粒礦塵將與空氣分離下沉，不易排出；風速過高，能將落塵揚起，增大礦內空氣的粉塵濃度。所以為達到*的除塵效果，必須對粉塵濃度信息和風速都要知道。本文運用粉塵粒子的散射消光作用和風速與熱敏電阻散熱快慢之間的關系，將粉塵濃度傳感器和風速傳感器合二為一，組成一種雙傳感器，能同時檢測出粉塵濃度和風速的大小，將得到的信息反饋到數據處理器中，調整風速大小，能達到*的降塵效果，為礦井綜合防塵提供了一種新的方法。
　　此項技術若能得到應用和推廣，將粉塵監測系統和風速測量系統合二為一，不但能實現綜合防治礦塵，而且也簡化了監測系統的復雜性，有利于監測系統的運行和管理，為煤礦安全生產提供了有力的幫助。