CN103149133B - 基于电磁波的煤尘检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种基于电磁波的煤尘检测方法及装置，属于煤矿环境检测方法及装置。装置由电磁波发生器、煤尘检测腔、标准煤样、电磁波检测器、煤尘浓度检测器、微处理器、显示器、存储电路和通信电路构成，电磁波发生器产生的电磁波频率为碳的吸收特征频率，该电磁波同时通过煤尘检测腔和标准煤样，输出到电磁波检测器的输入端、电磁波检测器的输出信号与煤尘浓度检测器的输出同时输入到微处理器，经过分析处理，显示煤尘的灰分参数，分析结果存储到存储电路中，并且通过通信电路传输至监测网络。优点：能够实时监测煤尘的灰分参数，对评价煤尘爆炸的危险性提供重要的依据。适合煤矿安全环境的监测。

Description

基于电磁波的煤尘检测方法及装置

技术领域

本发明涉及一种基于电磁波的煤尘检测方法及装置，特别是一种煤矿环境中煤尘的检测方法及装置。

技术背景

随着煤矿开采强度和机械化水平的提高,在提高煤炭产量的同时，矿井作业场所的煤尘浓度也大大提高。煤尘不仅会对矿工的呼吸器官危害极大，诱发职业病——尘肺病。还会导致煤尘燃烧和爆炸，前的煤尘的检测方法主要针对环保的呼吸性粉尘，检测的参数主要是煤尘浓度，但是，真正影响煤尘爆炸危险性的参数除了煤尘浓度外，还有灰度参数，煤尘的灰度目前只有人工分析方法，不仅操作复杂，也不利于实时监测。

发明内容

本发明的目的是要提供一种基于电磁波的煤尘检测方法及装置，解决目前煤尘灰分参数的实时检测问题。

本发明的目的是这样实现的：装置由电磁波发生器、煤尘检测腔、电磁波检测器、煤尘浓度检测器、微处理器、显示器、存储电路和通信电路构成，所述煤尘检测腔与外部环境相通，煤尘检测腔内放置有待测标准煤样，煤尘检测腔上设有煤尘浓度检测器，煤尘检测腔两侧设有位置相对应的电磁波发声器和电磁波检测器，电磁波检测器和煤尘浓度检测器的输出端分别与微处理器相连接，微处理器的输出端分别与显示器、存储电路和通信电路的输入端相连接，所述的电磁波发生器包括顺序连接的高频振荡器、倍频器、功率放大器和环形天线；所述的电磁波检测器有两组，每组电磁波检测器包括与微处理器顺序相连接的解调电路、混频电路、放大器、锁相器和环形天线，混频电路还连接有倍频器，倍频器上连接有高频振荡器；所述煤尘浓度检测器包括与微处理器顺序连接的光电信号放大器，光电信号放大器上连接有光电管和红外管，所述光电管和红外管分别设在煤尘检测腔的两侧。

所述混频电路采用型号为MBA-16的集成电路，解调电路采用型号为ATR0797的集成电路，产生煤尘吸收的特征频率电磁波，频率为3.26GHz。

使用上所述装置的基于电磁波的煤尘检测方法：将纯度为100%的干燥煤粉作为煤样，封闭在密闭的非金属容器中，通过电磁波发生器向设置在煤尘检测腔中的环境煤尘和标准煤样发射可以测量煤尘中碳成分吸收频率的电磁波信号，电磁波穿过煤尘检测腔由两个电磁波检测器接收，两个电磁波检测器将接收到的电磁波信号发送给微处理器处理；通过煤尘浓度检测器采集煤尘检测腔内的煤尘浓度，并将煤尘浓度信息发送给微处理器，微处理器通过公式：

$x=1-\frac{C}{k_2\·k_3\·B\·D}$

式中：B=k₁·A

得出被测煤尘x的数值，既环境中煤尘含碳的百分比参数，公式中:k₁为通过标准煤样的电磁波被煤吸收而衰减的系数，k₂为煤吸收电磁波衰减系数与煤尘浓度的相关系数,k₃为煤吸收电磁波衰减系数与其纯度的相关系数,D为被测煤尘检测腔2中的煤尘浓度，B和C分别为透过标准煤样和煤尘的电磁波强度；

微处理器计算出被测煤尘的数值之后，将被测煤尘的数值在显示器中显示出来并存储在存储电路里，微处理器通过通信电路将被测煤尘的数值发送给控制主机。

有益效果，由于采用了上述方案，由电磁波发生器产生煤尘中碳成分吸收频率的电磁波信号，分别通过煤尘检测腔中的环境煤尘和标准煤样，通过不同成分的煤样和煤尘对电磁波的吸收，使得接收的电磁波信号幅度产生差异，同时为了消除由于煤尘浓度对电磁波吸收的影响，将煤尘浓度检测信号进行对比处理，最终获得环境中煤尘含碳的百分比参数，进而获得煤尘的灰分参数。可以很方便地实时监测煤尘的灰分参数，对判断环境煤尘爆炸的危险性提供重要的依据。其优点：

本发明解决了目前煤尘灰分参数的实时检测问题，可以通过矿井监测系统实时监测环境煤尘的参数，对煤尘爆炸的危险性进行判断和预警，避免爆炸事故的发生，保障煤矿的安全生产。其结构简单，使用方便，效果好，具有广泛的实用性。

附图说明

图1是本发明的原理结构图；

图2是本发明的电磁波发生器的结构框图；

图3是本发明的电磁波检测器的结构框图；

图4是本发明的煤尘浓度检测器的结构框图；

图5是本发明的煤尘检测示意图。

图中：1、电磁波发生器；2、煤尘检测腔；3、标准煤样；4、电磁波检测器；5、煤尘浓度检测器；6、微处理器；7、显示器；8、存储电路；9、通信电路；10、高频振荡器；11、倍频器；12、功率放大器；13、环形天线；14、锁相器；15、放大器；16、混频电路；17、解调电路；18、红外管；19、光电管；20、光电信号放大器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：

如图1所示，本发明的基于电磁波的煤尘检测装置，主要由电磁波发生器1、煤尘检测腔2、标准煤样3、电磁波检测器4、煤尘浓度检测器5、微处理器6、显示器7、存储电路8和通信电路9构成，电磁波发生器1产生的电磁波同时通过煤尘检测腔2和标准煤样3，所述的标准煤样3是纯度为100%的干燥煤粉。所述的煤尘检测腔2与外部环境相通，环境中的煤尘可以进入至煤尘检测腔内。输出到电磁波检测器4的输入端、电磁波检测器4的输出信号与煤尘浓度检测器5的输出同时输入到微处理器6，微处理器6的输出分别接显示器7、存储电路8和通信电路9；所述的微处理器6采用ATMEGA16单片机；所述的显示器7显示的是环境中煤尘的灰分参数；通信电路9可以是无线通信、CAN总线通信和485通信电路，主要根据矿井网络监测的需要；煤尘浓度检测器5采用激光原理的检测器。

图2为电磁波发生器1的结构框图，由高频振荡器10、倍频器11、功率放大器12和环形天线13顺序连接构成，产生碳吸收的特征频率电磁波，频率为3.26GHz。

图3为电磁波检测器4的结构框图，电磁波检测器4为两个，分别检测通过煤尘检测腔内被测煤尘和标准煤样的电磁波。电磁波检测器4由环形天线13、锁相器14、放大器15、高频振荡器10、倍频器11、混频电路16和解调电路17顺序连接构成。所述的混频电路16采用型号为MBA-16的集成电路，解调电路采用型号为ATR0797的集成电路，

图4为煤尘浓度检测器结构图，由红外管18、光电管19和光电信号放大器构成，检测原理根据朗伯—比尔(Lambert-beer)定律，当光波通过煤尘物质时，会与煤尘发生相互作用。光波一部分被煤尘吸收，转化为热能；一部分被煤尘散射，偏离了原来的传播方向，剩下的部分仍按原来的传播方向通过煤尘。透过部分的光强与入射光强之间符合朗伯—比尔定律。通过测量入射光强与出射光强，经过计算可以得到煤尘浓度。

本发明基于电磁波的煤尘的检测方法是：将纯度为100%的干燥煤粉作为煤样，封闭在密闭的非金属容器中，通过电磁波发生器向设置在煤尘检测腔中的环境煤尘和标准煤样发射可以测量煤尘中碳成分吸收频率的电磁波信号，电磁波发生器1产生煤尘中碳成分吸收频率3.26GHz的电磁波信号，电磁波发生器1产生煤尘中碳成分吸收频率3.26GHz的电磁波信号，分别通过煤尘检测腔2中的环境煤尘和标准煤样3，通过不同成分的煤样和煤尘对电磁波的吸收，使得接收的电磁波信号幅度产生差异，电磁波穿过煤尘检测腔由两个电磁波检测器接收，两个电磁波检测器将接收到的电磁波信号发送给微处理器处理；通过煤尘浓度检测器采集煤尘检测腔内的煤尘浓度，并将煤尘浓度信息发送给微处理器，同时为了消除由于煤尘浓度对电磁波吸收的影响，将煤尘浓度检测器5检测的煤尘浓度信号进行对比处理，最终获得环境中煤尘含碳的百分比参数，进而获得煤尘的灰分参数。微处理器通过公式：

$x=1-\frac{C}{k_2\·k_3\·B\·D}$

式中：B=k₁·A

得出被测煤尘x的数值，既环境中煤尘含碳的百分比参数，公式中:k₁为通过标准煤样的电磁波被煤吸收而衰减的系数，k₂为煤吸收电磁波衰减系数与煤尘浓度的相关系数,k₃为煤吸收电磁波衰减系数与其纯度的相关系数,D为被测煤尘检测腔2中的煤尘浓度，B和C分别为透过标准煤样和煤尘的电磁波强度；

微处理器计算出被测煤尘的数值之后，将被测煤尘的数值在显示器中显示出来并存储在存储电路里，微处理器通过通信电路将被测煤尘的数值发送给控制主机。

图5为是煤尘灰分参数检测原理图，为方便说明检测原理，假设各量之间的关系为线性关系。设电磁波发生器1产生的电磁波强度为A，该电磁波通过标准煤样后，电磁波检测器4检测到的电磁波强度为B，电磁波通过煤尘检测腔后2，电磁波检测器4检测到的电磁波强度为C，煤尘浓度检测器5检测的煤尘浓度为D。

再假设标准煤样的灰分为0%（纯煤，不含矸石等其它物质），空间百分比浓度为100%，根据煤会吸收特征频率的电磁波原理，设通过标准煤样的电磁波的初始强度为A，吸收后的电磁波强度为B，则由于被煤吸收而衰减的系数为K₁，有，

k₁=B/A

或B＝k₁·A

假设煤吸收电磁波衰减系数与煤尘浓度的相关系数为k₂,则，假设标准煤样的浓度假为D₁时，初始强度为A的电磁波通过该煤样的强度为B₁,则有关系：

B₁=k₁k₂·D₁·A

假设煤吸收电磁波衰减系数与其纯度的相关系数为k₃,则，标准煤样换成灰分为X₁、浓度为D₁的煤样时，初始强度为A的电磁波通过该煤样的强度为B₂，则有关系：

B₂=k₁·k₂·k₃(1-x₁)·D₁·A

所以，在实际检测中，假设煤尘检测腔2中的煤尘浓度为D，灰分为x时，通过煤尘吸收后的电磁波强度为C，则有：

C=k₁·k₂·k₃(1-x)·D·A

将B＝k₁·A代人上式，即可得到检测的煤尘灰度参数为：

$x=1-\frac{C}{k_2\·k_3\·B\·D}$

因此，根据图1检测的三个参数（2个电磁波强度和1个煤尘浓度）即可得到被测环境中煤尘的灰分参数。k₁、k₂和k₃均由实验和计算得到。

所述的电磁波发生器1由高频振荡器、倍频器、功率放大器和环形天线构成；产生煤尘吸收的特征频率电磁波，频率为3.26GHz。

所述的煤尘检测腔2与外部环境相通，环境中的煤尘可以经过煤尘检测腔；

所述的显示器显示的是环境中煤尘的灰分参数；

所述的电磁波检测器有2个，分别检测通过煤尘检测腔和标准煤样的电磁波；

所述的标准煤样，是纯度为100%的干燥煤粉，封闭在密闭的非金属容器中；

所述的电磁波检测器4由环形天线、锁相器、放大器、高频振荡器、倍频器、混频电路和解调电路构成。

Claims (3)

1.一种基于电磁波的煤尘检测装置，其特征是：装置由电磁波发生器、煤尘检测腔、电磁波检测器、煤尘浓度检测器、微处理器、显示器、存储电路和通信电路构成，所述煤尘检测腔与外部环境相通，煤尘检测腔内放置有待测标准煤样，所述的标准煤样是纯度为100%的干燥煤粉；煤尘检测腔上设有煤尘浓度检测器，煤尘检测腔两侧设有位置相对应的电磁波发声器和电磁波检测器，电磁波检测器和煤尘浓度检测器的输出端分别与微处理器相连接，微处理器的输出端分别与显示器、存储电路和通信电路的输入端相连接，所述的电磁波发生器包括顺序连接的高频振荡器、倍频器、功率放大器和环形天线；所述的电磁波检测器有两组，分别检测通过煤尘检测腔内被测煤尘和标准煤样的电磁波；每组电磁波检测器包括与微处理器顺序相连接的解调电路、混频电路、放大器、锁相器和环形天线，混频电路还连接有倍频器，倍频器上连接有高频振荡器；所述煤尘浓度检测器包括与微处理器顺序连接的光电信号放大器，光电信号放大器上连接有光电管和红外管，所述光电管和红外管分别设在煤尘检测腔的两侧。

2.根据权利要求1所述的基于电磁波的煤尘检测装置，其特征是：所述混频电路采用型号为MBA-16的集成电路，解调电路采用型号为ATR0797的集成电路，产生煤尘吸收的特征频率电磁波，频率为3.26GHz。

3.一种使用权利要求1所述装置的基于电磁波的煤尘检测方法，其特征是：将纯度为100%的干燥煤粉作为煤样，封闭在密闭的非金属容器中，通过电磁波发生器向设置在煤尘检测腔中的环境煤尘和标准煤样发射可以测量煤尘中碳成分吸收频率的电磁波信号，电磁波穿过煤尘检测腔由两个电磁波检测器接收，两个电磁波检测器将接收到的电磁波信号发送给微处理器处理；通过煤尘浓度检测器采集煤尘检测腔内的煤尘浓度，并将煤尘浓度信息发送给微处理器，微处理器通过公式：

        

式中：

得出被测煤尘x的数值，即环境中煤尘含碳的百分比参数，公式中:k ₁ 为通过标准煤样的电磁波被煤吸收而衰减的系数，k ₂ 为煤吸收电磁波衰减系数与煤尘浓度的相关系数, k ₃ 为煤吸收电磁波衰减系数与其纯度的相关系数, D为被测煤尘检测腔2中的煤尘浓度，B和C分别为透过标准煤样和煤尘的电磁波强度，A为标准煤样初始电磁波强度；

微处理器计算出被测煤尘的数值之后，将被测煤尘的数值在显示器中显示出来并存储在存储电路里，微处理器通过通信电路将被测煤尘的数值发送给控制主机。