CN102062301A - 节能型多功能一体化矿灯 - Google Patents

Abstract

节能型多功能一体化矿灯属矿灯领域，是国内外煤矿井下所用传统矿灯的彻底变革，不再是安全帽和插在安全帽前部的灯，而是电池在安全帽后部，用铁板保护。由于节能设计可使灯整个工作时间内照度不变。辅灯为左右两个小灯，从前额斜向射出，供坑道行走时照亮脚前两米范围，工人可抬头挺胸行走而不必拿着灯低头左右找路。开主灯后，每五分钟自动加热并检测瓦斯含量一次，如瓦斯含量体积比达1％则主灯闪光一次，达1.5％则闪光两次，随后每三分钟检测一次，如达2％，则闪光三次，提示考虑离开现场，比例标准可根据不同煤矿设定，工人在坑道分叉处进出时，自动发出本人代码，经光缆传出可定位。本矿灯比现有矿灯加安全帽轻，成本低，舒适安全方便。

Description

节能型多功能一体化矿灯

技术领域：本发明属矿灯领域，是根据近年来科技发展和煤矿安全需要对传统矿灯的全面改进和变革。

背景技术：现在我国所有矿井绝大多数还使用传统的由两部份组成的分体式井下矿灯，一为腰部背负的储存电能的蓄电池，一为插在头盔上的照明灯，经电缆接插相连，矿工们在井下工作时，总感到电缆刮扯束缚，右侧电池负重别扭，特别是肩部扛抬物件时，这完全应该从结构上加以解决的。

随着近年的科技进步，如白色高亮度发光二极管LED，由于是冷光源，与传统的白炽灯相比，节电效率可高达80％，寿命长达20000小时，当用于矿灯，则相应的蓄电池容量体积和重量可大大缩小，而近年蓄电池技术的进步，镍氢电池、锂离子电池等都可以做到体积小、容量大、无腐蚀，携带使用方便，这就促使本发明人想到将小体积蓄电池放在头盔内部而使矿灯头盔成为一体，又增加两个小型辅灯斜向自动左右照路，兼作备用，这样矿工下井时只须戴一个头盔，体态自由平衡，轻巧方便，腰部不再有侧向受力和电缆刮扯。如是设计为产品，并申请了专利，头盔电池一体化矿灯，但是又感到工人在井下，最担心的还有瓦斯爆炸，而瓦斯(CH4甲烷)与煤矿是不可分的，只有多和少的问题，高瓦斯矿和低瓦斯矿，但只有当瓦斯浓度超过一定量，才有可能由火花引爆，为了彻底解决工人下井后顾之忧，促进井下各处通风良好，保证安全生产，将瓦斯检测及超标报警电路小型化后，放在头盔内，共用一个电池供电，定时检测，如果达到一定浓度(例如1％《体积比》)，则有提示声，引起注意，随即告之井下通风管理人员密切关注，如达2％则立即声光报警，如不能尽快改善，则考虑离开险区逃命，由于检测报警电路在自己头顶上，反应时间不到20秒，随即可以得知何处安全，如是又申请了第二个专利，头盔电池瓦斯报警一体化矿灯，专利号：ZL200520124928.7，其样品先后在兖州矿务局下属煤矿试用，当征求改进意见时，广大工人都说好，非常受欢迎，因为轻巧方便又满足走路时自动照路和工作时高亮度照明要求，但是不久兖矿负责安全检测部门告之，如称具有瓦斯报警功能的矿灯，则按井下报警器材规定，每半年必须检测一次，每次检测费用为300元，比整个矿灯价格还高，真令人啼笑皆非，如是我们改称为“瓦斯提示”，是指在远未达报警危险程度之前，提前告之瓦斯浓度的增长变化趋势，只是使之密切关注的提示。这就不必要求严格的定量误差检定，如每五分钟检测瓦斯浓度一次，若达1％(体积比)，则主灯闪光一次，如达1.5％，则闪光两次，并缩短检测时间为每三分钟检测一次，如达2％，则闪光三次，提示考虑离开现场，而真正能引起爆炸，在20℃时要4.9％以上时才可能发生。这还有足够时间离开险区，因而不再称瓦斯报警功能。

根据国标GB7957-2003和国家采煤机械质量监督检验中心的检测报告可知，对矿灯照度的要求：点灯开始≥900Lux(以前为800Lux)，点灯11小时后≥600Lux(以前为400Lux)。国家质量监督检验检疫总局订的这个标准，应该说是根据当时科技水平不得已而为之，众所周知，电池充完电，电压最高，而放电11小时后，所存电量不多，电压较低，显然灯泡亮度低，要在点灯后期还维持开始时的照度过去很难实现，并不是认为后期照度低是合理的，应该的，现今都使用大功率(1W)高亮度发光二极管，这里存在两个一般不为人们关注的问题，一是LED的正向电流和端电压，在3.1伏以后是典型的指数曲线，电压增加一小点，电流可大幅度增加，二是大功率LED的发光效率在受到甚至只一次很短时间的大电流冲击，就可能受到伤害而下降，不能再恢复，因而通常都采用低压差调整管进行稳压或稳流，目的是消耗浪费掉高出的那部分电压，而锂离子电池充满时，电压为4.2伏，而且放电的大部份时间为3.7伏，而LED的端电压一般可控制在3.2-3.3伏(300mA时)，这样调整管上会一直浪费很多能量，因而到放电后期调整管上最低压差保不住时，就会输出电压降低，电流变小，亮度降下来，这是现今国内外矿灯普通存在的不足，因而利用好电池能量，进行精打细算的节能设计很有必要，何况我们的电池还要提供瓦斯检测及发送本人代码定位信息两项附加功能的用电，特别是瓦斯检测，传感器要加温到190-200℃以上高温，要烧去表面沾附的油污和不洁物，这就得选用功耗低，热惯性小，反应快的半导体气敏传感器，还得想办法定期采样检测，目的就是充分节能。

煤矿发生的事故是多方面的，有冒顶、透水，当然更多的是瓦斯爆炸，虽然本发明的瓦斯提示功能可有效防止，特别是对贵州云南四川等省的小煤窑，个体户，安检防范措施少的煤矿是很实用的。但各大中型煤矿，井下人员多，事故发生后，如何抢救，抢救时急需知道还有多少人，是谁困在井下，大致位置在什么地方，这是非常关键的问题，不少人提出过卫星定位，也有曾想超声波通信，由于井下地层厚，泥石层严重吸收衰减无线电波，而困在井下的工人所带电源能量极为有限，并且造价还不能高，上述设想是无法实现的。所以本发明人想出了采用信息预存方法，通过光缆先传送到井上，基本上能解决定位问题，而每个一体化矿灯上只须增加一个自动发送本人代码，传送距离仅两三米的微功耗无线电收发模块，造价很低。当然还得在井上有计算机数据处理系统和井下各分叉路口的接收代码装置和光缆，造价也是很低的，不但随时可定位，甚至事故发生后，只要本人不被压住还能动，还可和外界取得联系。这是解决煤矿事故抢救的重大突破。

发明内容：本发明的目的就是为了使用矿灯方便、舒适、安全，而且造价低。因而首先要改变结构，要一体化，其次是合理有效利用电池电能，提高主灯后期使用时的照度，改善照明质量，为了增高井下工人的安全性，增加瓦斯浓度检测提示，和预先存储个人代码信息，以便万一出现事故时的抢救定位和被困时的对外信息联络，其内容为：

(1)取消刮扯束缚的电缆，将电池置于头盔的后部，主灯辅灯和附加功能部件置于头盔前部，供电的走线固定在头盔内部，这就只要一根很短很轻而价廉的双导线，两端焊牢即可。电池采用聚合物电解液的锂离子电池，为了绝对安全，增加强度高于ABS工程塑料(头盔材质)的铁板保护。

(2)照明有主灯和辅灯，辅灯又可视为备用灯，主灯是高亮度在工作时用，为了提高电池放电后期主灯的照度(国家标准可以低到刚开灯时的一半左右即合格)，主灯经同步整流型DC/DC变换器模块供电，为了提高转换效率，工作频率高到1.5MHZ，输入电压范围宽2.5V-5.5V，外部无需肖特基二极管，工作压差低，调压占空比可达100％，基准电压低为0.8V，电流型控制，效率可高达96％，因此能充分有效利用电池电能，如同样4.5安时电池，能使主灯照度达标，并整个11小时主灯照度不变，还可时间更长，而在坑道行走时只开小功率辅灯，为改变过去工人拿着灯左右低头找路(靠近工作面的坑道高低不平，乱石很多)，将辅灯改为左右两个小LED灯，光线从头盔前部呈60度角射向脚前两米处，工人可以两手空空抬头挺胸行走，比以往使用老矿灯方便舒适轻巧。

(3)为了提高井下工人的安全性，增设瓦斯浓度检测及闪光提示功能，传感器采用功耗低、热惯性小、反应快的二氧化锡气敏半导体瓦斯传感器，由单片机定时每五分钟加热和检测瓦斯浓度一次，瓦斯浓度达一定量时闪光，标准可根据各地煤矿制定，如浓度达1％(体积比)，主灯闪光一次(即断电0.2-0.3秒)，达1.5％闪光两次，达

闪光三次，也可在达1.5％浓度后，检测周期缩短为3分钟。附加瓦斯检测提示，共由照明电池供电，造价低，深得工人欢迎。

(4)井下自动定位功能，这是为解决万一矿井出现事故后，知道谁在井下，大致在什么位置，方便抢救，每个头盔上增加微功耗超高频无线收发模块，工人下井通过永久支护的主坑道后，进入分支岔道，各岔道口均设微功耗超高频无线发射和接收站，发射有效距离只一两米，即工人带着头盔经过时，才能收到这信号，收到后，头盔内发送个人代码信息，然后暂时关断接收模块10-15秒，使通过这一段路时不会重复发送代码信息，并开启主灯0.2-0.3秒一次，让工人知道已进行登记，当进入下一个岔道时，又会收到信息，头盔又一次发送代表身份的个人代码，由于各岔道口所设接收站，收到代码信息后，经转换通过光缆存储在井上的计算机数据处理系统，显然知道谁什么时候进入哪一个岔道，在哪一个工作面，当下班回家时，又一次经过岔道口，这次同样发代码，不过是撤消登记，当矿井发生事故被困井下时，知道谁在那一岔道，也可以有意重复发代码，以重复次数作为密码表征个人和井下状况，这时只须关辅灯开关，无线模块断电，随即又开，则又接收到信号，又会发一次代码，只要能到达岔道口有光缆的接收站，就能和外界联系，便于抢救。

本发明是以人为本，充分有效利用电池能量，提高矿灯的照明性能，又增设灯以外有重要意义的附属功能，为改善劳动条件，增加工人安全性，对传统矿灯进行了大刀阔斧的变革与创新，是发明人关怀矿工独立自行完成的微薄贡献。

附图说明：为了对发明整体有一个形象的描述和表述各部件相互位置，特通过附图作进一步的说明。

附图1是本发明一体化矿灯的外形和各部件安装位置示意图。

图1中，1为头盔外壳；2为紧附着外壳的电源走线；3为电池；4为保护用铁板；5为充电插口；6为聚光透镜；7为聚光反射罩；8为大LED；9为两个小LED；10为主灯和辅灯开关；11为瓦斯传感器；12为电控线路板；13为代码发送线路板。

具体实施方式：头盔为普通矿用安全帽，由工程塑料ABS注塑成型，在井下使用，要求阻燃和不产生静电，其后部要按电池外型尺寸向外适当扩大，以便安放聚合物锂离子电池，电池由喷漆的0.3mm铁板保护，以防万一，主灯由大功率1WLED发光，由密封防水的开关开断，有密封防水的聚光透镜及聚光反射罩聚光，辅灯为两个小的∮3LED，由另一个密封防水开关开断，小灯也装于头盔前部，左右一边一个，与垂直方向向下呈60度角安装，以便从头顶可照到脚前两米区域。聚光透镜，聚光反射罩等和现有矿灯所使用的相同，瓦斯检测传感器采用二氧化锡半导体气敏传感器，先用1.3伏130mA快速加热15秒，随后降到1.0伏维持10秒，立即检测传感器输出电压，8次A/D转换后平均，再与传感器1％1.5％2％浓度标准值比较(每个传感器要分别筛选后存入配套的单片机EPROM中)，然后转入不同子程序进行闪光一次两次三次或不闪光，随后等待下一次检测，闪光是单片机I/O口输出一个宽度为200毫秒的正脉冲作为功率三极管基极输入信号，而三极管集电极与发射极又与主灯LED并联，这样就会短路通过主灯的电流而使LED熄灭0.2秒，加热电压的调节是根据反馈电压，单片机另一I/O口输出的脉宽比例变化，控制电池对大电容的充电时间，此电容上的电压又经二极管单向向另一电容锯齿波状放电，再经电感电容滤波后去加热传感器内的铂金丝，先控制大约1.3伏130毫安左右加热15秒，当温度达190℃以上后，降低电压也就是降低脉冲宽度使加热电压为1.0伏，维持10秒，传感器温度稳定后立即检测，随即停止加热，直到五分钟或三分钟以后。至于自动发送个人代码信息的方法，是井上有主计算机，各分叉岔道口内2-3米处设超高频无线发射接收站，发射的信号，被工人头顶所戴一体化矿灯上的无线接收模块收到，此信号启动矿灯上的发射模块，发射由本人代码信息调制的载波，并触发单稳电路，其输出关断接收模块电源，延时约10-15秒，又通过功率三极管瞬时开启主灯闪光0.2-0.3秒，让工人知道已登记，装置工作正常，在10-15秒内能有足够时间通过这接收站有效范围(约3～4米)，使之不会重复发送，因为井上数据处理系统第二次收到同一个人的代码，会认为己离开岔道回家，要消号的，个人代码发送后，接收站无线接收模块收到，经处理后通过光缆送井上数据处理系统存储。这些超高频无线发射接收模块可选用无线电遥控专用模块。航模，小孩玩具中都已广泛使用，业余无线电爱好者都运用纯熟，就不用详细说明。至于发生事故后被困井下，只有走或爬到有光缆的最近岔道口，这时主动关矿灯上的辅灯开关，矿灯上无线发送接收模块的供电是通过辅灯开关控制的，一开就会立即发个人代码，随即又关电源又开，这样又发一次，按以前和井上的约定密码，可以报告井下生存情况，但那些被压住不能动或受伤严重的人是很难和井上进行联络的。光缆一般被泥石压住或被水淹还是可传送信息的。

Claims (3)

1.节能型多功能一体化矿灯是将电池置于头盔后部，灯和其他功能部件在头盔前部而构成一体，其特征在于：

(1)高效利用电池电量，能一个充电周期内维持11小时主灯照度不变；

(2)自动定时检测周边瓦斯含量，以不同闪光次数提示不同瓦斯浓度而促进安全；

(3)在坑道内行走时辅灯随人自动照亮脚前两米区域；

(4)使用信息予先自动存储方法，在通过坑道分叉处时，各人自动发送各人代码信息，可通过光缆传出而定位。

2.根据权利要求1所述节能型多功能一体化矿灯，其特征在于刚充完电后电池电压高，不是通常的消耗浪费高出电压部分的稳压或稳流供电，而是通过逆变，保存有效利用高出电压能量而维持恒压供电使照度不变。

3.根据权利要求1所述节能型多功能一体化矿灯，其特征在于采用低功耗，热惯性小，反应快的半导体气敏传感器，定时先快速加热，温度达到要求并稳定后立即检测，随即断电而节能。

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