全國咨詢熱線:020-83706905     手機:18802091429 中文 | English

沉積粉塵傳感器的研制和應用

更新時間: 2019-07-09 10:01 來源: 網絡 閱覽: ? 技術文檔
 

沉積粉塵傳感器的研制和應用

李 智, 王自亮, 隋金君, 趙恩彪

(煤炭科學研究總院重慶研究院, 重慶 400037)

摘 要: 介紹了沉積粉塵傳感器的原理和結構, 重點闡述了稱重傳感器信號高精度 A /D 轉換電路的設計和電路抗干擾措施的應用, 通過在陽煤集團新景礦的現場試驗, 證明了研制的沉積粉塵傳感器可以與 K J90等安全監控系統聯網使用, 測量誤差小于 5% 。

關鍵詞: 沉積粉塵; 傳感器; 稱重傳感器

中圖分類號: TD714+ . 4 文獻標志碼: B 文章編號: 1008- 4495( 2009) S1- 0034- 03

在煤礦生產過程中, 采、掘、運各個工序將產生感器, 其綜合誤差為 0. 02% , 適合在沉積粉塵傳感器

大量粉塵, 給作業人員的身體健康和礦井安全生產中應用。

造成極大危害, 同時飛揚的粉塵沉積在巷道中還潛伏著爆炸的危險。通常巷道中浮游粉塵濃度達不到煤塵爆炸下限 (煤塵的爆炸下限濃度為 45 g /m3,上

限濃度為 2 000 g /m3, 濃度為 300 g /m3 左右時煤塵的爆炸力最強 ), 但當沉積煤塵受沖擊和振蕩, 造成二次飛揚, 這時的粉塵濃度有可能達到爆炸下限, 從而造成煤塵爆炸。一旦發生煤塵爆炸, 就會造成人員大量傷亡, 設備嚴重損壞, 爆炸時產生的高溫、高壓和沖擊波甚至會毀壞整個礦井。

目前對沉積煤塵的測定都采用人工方法, 在井下布置測量皿, 收集煤樣后到地面用天平稱重, 計算煤塵的沉積速度。煤炭科學研究總院重慶研究院研制的沉積粉塵傳感器實現了對沉積粉塵的連續在線監測, 為粉塵沉積強度的測量提供了依據, 可由此來確定清掃周期, 科學管理沉積粉塵, 防止粉塵堆積,有效預防煤塵爆炸。

測量沉積煤塵的質量有 2 種方法, 一種是壓電晶體頻率感應法, 另一種是應用稱重傳感器實時測量。壓電晶體的線性響應范圍小, 晶體必須堆積較重粉塵 ( 1 g 以上 ) 才會適合此種測量方式, 其靈敏度和線性度都大幅降低, 誤差增大, 因此不適合作為沉積煤塵傳感器; 稱重傳感器一般用于天平等精密儀器的制造, 對使用環境的要求較高, 而沉積煤塵的測量在煤礦井下, 需要消除粉塵等環境因素的影響, 但稱重傳感器不受重量的限制, 最大量程為 500 g的傳

1稱重傳感器測量原理

彈性體 (彈性元件, 敏感梁 ) 在外力作用下產生彈性變形, 使粘貼在其表面的電阻應變片 ( 轉換元件 )也隨同產生變形, 電阻應變片變形后, 其阻值將發生變化 ( 增大或減小 ), 再經相應的測量電路把此電阻變化轉換為電信號, 從而完成將外力變換為電信號的過程。電阻應變片、彈性體和檢測電路是稱重傳感器的幾個主要組成部分。

電阻應變片是把 1根電阻絲機械分布在 1塊有機材料制成的基底上,即成為一片應變片。假設有1根金屬電阻絲, 其長度為 L, 橫截面是半徑為 r的圓形, 其面積記作 S, 其電阻率記作 Q,這種材料的泊松系數為 L。當這根電阻絲未受外力作用時, 其電阻值 R 為

R = QL /S

當電阻絲受力作用時, 將會伸長, 設其伸長 $L, 其橫截面積則縮小, 即截面圓半徑減少 $r。金屬電阻絲在變形后, 電阻率也會有所改變, 記作 $ Q。通過微分計算, 應變片電阻的變化為

$RR = K $LL

$Q $L

 K = 1+ 2L+QL

式中 K 為靈敏度系數, 其大小是由制作金屬電阻絲材料的性質決定的一個常數, 與應變片的形狀、尺寸大小無關, 不同材料的 K 值一般在 1. 7~ 3. 6; 其次 K 值是一個無因次量, 沒有量綱。

彈性體是一個有特殊形狀的結構件, 其功能有

二: 首先是承受稱重傳感器所受的外力, 對外力產生反作用力, 達到相對靜平衡; 其次, 要產生一個高品質的應變場, 使粘貼在此區的電阻應變片比較理想地完成應變電信號的轉換任務。

檢測電路的功能是把電阻應變片的電阻變化轉變為電壓輸出。稱重傳感器采用全橋式等臂電橋,其靈敏度最高, 各臂參數一致, 各種干擾的影響容易相互抵銷。

2沉積粉塵傳感器結構與組成

2. 1  總體結構設計

沉積煤塵傳感器主要由外殼、防塵罩、稱量盤、稱重傳感器和電路板組成。為了保證儀器的安全和增加儀器的穩定性, 外殼所用鋼板厚度不低于 5 mm, 并在稱量盤之上設計了防塵防風罩, 以減少井下風流對儀器的影響,確保測量準確。

2. 2  凹凸咬合式防塵結構的設計

稱重傳感器的支撐柱支撐著稱量盤, 要求不得與其他任何物體接觸,否則將嚴重影響稱量的準確性。但另一方面為保證儀器的正常應用, 又必須對儀器進行密封, 為了解決這一矛盾, 特設計了凹凸咬合式防塵結構, 見圖 1。

 凹凸咬合式防塵結構圖

圖 1  凹凸咬合式防塵結構圖

從防塵罩與稱量盤之間的間隙通過的含塵氣流, 如果不采取措施, 將通過稱重傳感器支撐柱與外殼之間的間隙, 而流向儀器內部, 從而影響儀器的使用壽命和測量精度。因此, 設計凹凸咬合式結構, 以防止粉塵從此縫隙進入儀器內部。

3沉積粉塵傳感器的電路系統設計

3. 1  硬件電路總體方案設計

電路系統是整個儀器的核心部分, 稱重傳感器輸出信號的處理, 監控系統信號的輸送、數據顯示、運行模式的切換、紅外遙控信號的處理、儀器的調零和標定等功能, 都是通過電路系統完成的。

圖 2 為硬件電路系統結構框圖, 硬件電路主要包括單片機系統、稱重傳感器信號高精度 A /D 轉換、顯示驅動、紅外遙控接收電路、數據傳輸、ISP( 在

系統編程 ) 接口電路和電源電路等。

硬件電路系統結構框圖

圖 2  硬件電路系統結構框圖

3. 2 稱重傳感器信號高精度 A /D 轉換電路

由于稱重傳感器額定輸出為 1. 5 mV /V, 輸入電壓 5 V, 量程為 600 g,即在滿量程 600 g時, 傳感器會輸出 7. 5 mV 的電壓信號。而沉積煤塵傳感器顯示精度為 0. 01 g, 因此 A /D 轉換電路需要能分辨 01000 125 mV 的微弱信號才能到達要求。

CS5532是美國 C irrus Log ic公司推出的一種具有極低噪音的、多通道$) 2 型模擬 /數字轉換器,由于其采用電荷平衡技術和極低噪聲的可編程增益斬波穩定測量放大器, 可得到高達 24位分辨率的輸出結果, 其精度高, 動態特性寬。 CS5532的差動輸入端可以直接測量來自傳感器的毫伏信號, 簡化了與外圍電路的連接??删幊淘鲆娣糯笃骺墒狗糯蟊稊祻?nbsp;1~ 32進行設定( 以 2倍步長增加 ), 大大提高了系統的動態特性。多級程控數字濾波器使得數據輸出速率可選擇 7. 5 H z~ 3. 84 kH z, 方便了與外設的連接。此外, CS5532內部有一個完整的自校正系統, 可進行自校準和系統校準, 可消除 A /D 本身的零點增益和漂移誤差, 以及系統通道的失調和增益誤差。寬動態特性、可編程輸出速率、靈活的供電方式及簡便的三線串行輸出模式, 使得該 A /D 轉換器極易和單片機接口, 非常適用于稱重儀器高分辨率測量的情況。

在稱重傳感器信號處理及 A /D 轉換過程中, 由于其信號非常微弱, 很容易受到各種干擾, 如 EM I干擾、地線干擾、電源干擾、電磁波干擾等,最終會嚴重影響儀器的測量準確度和穩定性, 因此抗干擾措施顯得非常重要。在該設計中采用了各種方法來盡量降低各類干擾: EM I三端濾波電容濾除 EM I干擾; PCB 布線設置在大面積覆銅的干凈模擬地平面上等方法消除地線干擾; 采用高精度線性穩壓電源芯片對芯片獨立供電; 采用無感電阻分壓后的電壓作為 A /D 的參考電源, 以此最大程度地消除電源干擾; 采用對 A /D 轉換部分加屏蔽罩的方法來消除外界的電磁干擾。A /D 轉換部分電路原理框圖見圖 3。

現場試驗及效果

4現場試驗及效果

沉積粉塵傳感器 24 h連續監測曲線圖

圖 4  沉積粉塵傳感器 24 h連續監測曲線圖

由于采煤隊檢修班每天都會對巷道進行沖洗,時間大約在 10: 00) 12: 00,此時粉塵和水霧較大, 在每天上午 12: 00后進入檢修班, 此時不割煤, 粉塵較少, 一般到晚上又進入割煤工作狀態。由于以上情況, 從圖 4的監測曲線可以看出, 儀器的監測數據非常符合現場實際工作情況, 在每天上午 12: 00左右沖洗巷道時, 數據會有一次較大的增加, 然后進入檢修班, 粉塵沉積量較小, 在晚上至次日 10: 00左右是工作班, 此時的粉塵濃度大, 粉塵沉積多,儀器測得的數據連續增加。

為了驗證沉積粉塵傳感器檢測數據的準確性,將在井下收集儀器托盤上的粉塵拿到地面用天平稱量, 并與傳感器顯示值進行對比, 測試結果見表 1。

表 1  沉積粉塵傳感器與天平稱量測試結果對比

序號

沉積時間 /d

天平稱量值 /g

傳感器顯示值 /g 誤差 /%

 

 

 

 

 

 

 

 

1

1

1.

52

1.

46

- 3.

9

2

1

7.

29

7.

60

+ 4.

3

3

2

6.

01

5.

73

- 4.

6

4

2

11. 73

11.

21

- 4.

4

5

3

13. 33

12.

95

- 2.

9

 

 

 

 

 

 

 

 

5結論

沉積粉塵傳感器經過各項實驗證明, 該傳感器可與 K J90、KJ2000等安全監控系統聯網使用, 適合煤礦井下沉積粉塵的連續監測, 測量范圍 0~ 100 g, 測量誤差小于 5% 。

沉積粉塵傳感器的成功研制填補了我國同類儀器的空白, 為煤礦沉積粉塵連續監測提供基本測試手段, 為防止和預防粉塵爆炸提供了重要技術手段。

參考文獻:

[ 1]  王自亮. 粉塵濃度傳感器的研制和應用 [ J]. 工業安全與

環保, 2006, 32( 4): 24- 27.

(責任編輯: 呂晉英 )

勒夫邁傳感器在線申請樣品

勒夫邁傳感器產品優勢

氣體傳感器推薦MORE>>
湖南11选5开奖结果