粉尘与风速双传感技术在防尘中的应用研究
粉尘，防尘，传感器，防尘箱 粉尘 生产过程中所产生的矿石与岩石的微细颗粒。粉尘是矿尘的一种,当具有爆炸性的粉尘浓度达到45～2000g/m3、遇700～800℃高温火源时会发生爆炸, 并产生大量的有毒有害气体(如CO) , 甚至还能引起瓦斯爆炸和矿井火灾, 另外矿尘还会使长期接尘的职工患尘肺病。悬浮于空气中的粉尘称为浮尘, 已沉落的粉尘称为积沉, 矿井防尘的主要对象是浮尘。
　　矿井各生产过程都生产矿尘, 以凿岩、爆破、装运和破碎工序最为严重。凿岩产生矿尘持续时间长, 尘粒较细, 是达到卫生标准合格率较低的一个工序。爆破产生矿尘特点是短时间产生大量的矿尘并伴有炮烟, 可能污染和影响其他工作地区。随着生产设备和工艺的发展,产生矿尘状况也将发生变化, 应该经常进行观测研究, 及时采取防尘措施, 以保证作业场所矿尘浓度达到国家规定的要求, 使井下工作人员能有一个良好工的环境[1]。
　　对于矿井防尘，前人大多都将粉尘的浓度和风速分开来研究探讨，这样就造成监测系统的复杂和信息失真。由于粉尘浓度的大小与风速的大小之间存在抛物线关系，本文运用双传感技术，将要求防治地点的粉尘浓度和风速同时检测出来，将得到的信息反馈到数据处理器中，调整风速大小，能达到最佳的降尘效果。
　　
　　1 风速与粉尘浓度之间的关系
　　
　　粉尘，防尘，传感器，防尘箱 粉尘 矿井通风的目的之一就是将井下粉尘稀释到安全浓度以下并排出矿井，合理的通风能够有效地控制采掘工作面的粉尘浓度，风速的大小直接采掘工作面粉尘浓度高低[2]。风速与粉尘浓度之间存在一种“抛物线”样式的关系：风速过低，粗粒矿尘将与空气分离下沉，不易排出；风速过高，能将落尘扬起，增大矿内空气的粉尘浓度。因此，通风除尘效果是随风速的增加而逐渐增加的，达到最佳效果后，如果再增大风速，效果又开始下降。
　　所以排除井巷中的浮尘要有一定的风速。把能使呼吸性粉尘保持悬浮并随风流运动而排出的最低风速称为最低排尘风速，把最大限度排除粉尘而又不致使落尘二次飞扬的风速称为最优排尘风速。一般来说，掘进工作面的最优风速为0.4～0.7m/s，机械化采煤工作面的最优风速为1.5～2.5m/s。
　　
　　2 双传感技术理论
　　
　　本文所用的双传感技术就是将矿井中用于检测粉尘浓度的传感器和用于检测风速的传感器合二为一，组成一种新的可同时测量出粉尘浓度和风速大小的双传感器。其理论由粉尘浓度检测理论和风速测量理论组成。
　　
　　2.1 粉尘浓度检测理论
　　
　　当光波通过不均匀媒质（如粉尘）时，与媒质会发生相互作用，光强要发生衰减，称之为消光作用，消光作用又可以看作吸收和散射共同作用造成的。而吸收与散射正是测量粉尘浓度所要利用的基本原理。根据Mie 理论［4］，只要测量出尘粒的散射光强，选择合适的散射接收角和光源波长，则可以直接监测出空气中浮游粉尘的浓度。
　　煤矿井下浮游粉尘的光散射属于独立散射，即各个单独粒子的散射光强服从迭加原理，当考虑小区域范围时，可以忽略多次散射的影响［5］。
　　
　　2.2 风速测量理论加热的物体
　　
　　在空气中冷却速度与风速有关。风速越大冷却速度越快，物体在空气中的散热是个对流换热过程，散热量大小与风速和空气温度有关，利用这种关系可以测定风速。如果通过一定的恒定电流加热热敏电阻，当加热量和散热量相等时，热敏电阻温度趋于稳定，则可以根据热敏电阻的阻值变化或端电压变化确定风速［8］。
　　当风速为零时，热敏电阻有一个工作稳定点，当热敏电阻周围介质的风速不为零时，空气的流动带走热敏电阻表明的热量，使热敏电阻本身的温度下降，阻值上升。且在恒定风速下又趋于一个新的平衡点，对于不同的风速热敏电阻有不同的热平衡状态，最后阻值趋于一个稳定值，此时热敏电阻的消耗功率等于该风速下传递给周围空气的热量。
　　热敏电阻阻值R 的变化除了与本身的工作温度有关外，风速大小对它散热快慢有直接影响。因此可把热敏电阻接入一个平衡电桥作为桥臂，在风速为零时，调整电桥使桥路平衡输出为零，当有风流过热敏电阻时，不同的风速就可以将热敏电阻阻值的变化变成电信号输出［10］。根据风速和输出电压之间的对应的关系，反过来通过输出电压的大小，可测得风速的大小。
　　
　　粉尘与风速双传感技术在防尘中的应用研究3 双传感器的工作流程和系统设计
　　
　　3.1 工作流程
　　
　　运用上述原理，同时采用粉尘传感技术和风速传感技术，将粉尘传感器和风速传感器通过相关技术流程合成为一种双传感器（双传感器为作者的创新，正在研究阶段），此传感器能同时工作，分别检测待测地点空气的风速大小和粉尘浓度信息，将传感器得到的信号放大后转化成电流信号通过输送线路送到控制台的计算机中，实现实时监测。此种双传感器的运用，能很好的解决传统方法中运用一种技术（单独运用粉尘传感技术或风速传感技术）分开检测矿井空气的风速大小和粉尘浓度，造成井下监测系统的复杂，并为综合防尘提供了一种新的方法。
　　
　　3.2 系统设计
　　
　　基于上述理论，由于煤尘的浓度检测是利用粒子的消光作用进行监测。则可以利用红外传感技术，采用煤尘气室对其浓度进行浓度检测技术研究。而矿井风速则根据热敏电阻阻值通过散热快慢与风速大小之间的关系进行测量。
　　在红外传感器的设计中，采用LED 作为红外线的发光光源，经斩光器滤波后进入测量气室，在气室前后安装有微型探测器，探测前后红外光的光强。在测量煤尘浓度的气室前部设有一密闭的参比气室，内充入纯的CH4 气体，从而消除或最大限度的减小在测量煤尘粒子的消光作用强度时瓦斯对红外光的吸收影响。而在风速测量电路中将桥式电路的桥臂接入测量电路，测量风速信号将探测器在气室前后探测到的光强信号转换成电压信号和桥式电路输出地电压信号放大后，经锁相放大器后传入计算机中进行数据处理、计算，实现对粉尘浓度和风速的同时检测、综合分析。为煤矿工作人员综合防治粉尘提供重要的决策依据。
　　
　　4 结论
　　
　　风速与粉尘浓度之间存在一种“抛物线”样式的关系：风速过低，粗粒矿尘将与空气分离下沉，不易排出；风速过高，能将落尘扬起，增大矿内空气的粉尘浓度。所以为达到最佳的除尘效果，必须对粉尘浓度信息和风速都要知道。本文运用粉尘粒子的散射消光作用和风速与热敏电阻散热快慢之间的关系，将粉尘浓度传感器和风速传感器合二为一，组成一种双传感器，能同时检测出粉尘浓度和风速的大小，将得到的信息反馈到数据处理器中，调整风速大小，能达到最佳的降尘效果，为矿井综合防尘提供了一种新的方法。
　　此项技术若能得到应用和推广，将粉尘监测系统和风速测量系统合二为一，不但能实现综合防治矿尘，而且也简化了监测系统的复杂性，有利于监测系统的运行和管理，为煤矿安全生产提供了有力的帮助。