CN110333171A - 输煤系统转载点粉尘浓度检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种输煤系统转载点粉尘浓度检测方法及系统，属于煤炭粉尘检测技术领域，用于检测输煤皮带转载点处粉尘浓度，所述的输煤系统转载点粉尘浓度检测系统由用户模块，WSN无线网关模块，数据采集模块以及传感器网络模块四部分组成：其中用户模块负责实时监测，分析和控制整个系统；WSN无线网关模块负责各模块的无线连接；数据采集模块负责实时采集输煤系统转载点处的粉尘浓度信息；传感器网络模块负责实时检测所处转载点处的粉尘浓度。通过采用上述技术方案，本发明能够有效的检测输煤系统转载点处的粉尘浓度，具有实时检测、智能化处理和稳定性高等特点。

Description

输煤系统转载点粉尘浓度检测方法及系统

技术领域

本发明属于煤炭粉尘检测技术领域，尤其涉及一种输煤系统转载点粉尘浓度检测方法及系统。

背景技术

在煤炭生产中，输煤系统的主要功能是处理和输送原料，是煤矿系统中重要的组成部分。随着煤炭工业的现代化发展，煤矿的生产效率大大提高，在此背景，输煤系统转载点处的粉尘浓度也极大的增加。

煤炭粉尘是能较长时间在空气中悬浮的固体微粒的总称。粉尘除继续保持原固体煤炭的主要物理化学性质外，还会出现许多新的特性，如爆炸性、带电性、分散性、可湿性等新特性。其中，带电性是指煤炭在生产运输过程中带有的电荷，主要来源为：在割煤粉碎过程中形成；在运动中粉尘间互相摩擦而产生；与带电荷的粉尘、设备等表面的接触和碰撞都会产生荷电；粉尘离子的扩散作用，可以使颗粒带电。粉尘的电荷量取决于粉尘的粒径大小和密度，同时还受作业环境的温度和湿度影响。而过多的带电粉尘将严重影响煤炭生产中电气设备的正常运行，影响工作效率。

粉尘的电荷性对粉尘在空气中的稳定程度有一定的影响：同性电荷相互排斥，增强了空气中粒子的稳定程度；异性电荷相互吸引，使尘粒碰击、凝聚并沉降。电荷性的颗粒在呼吸道内容易被阻留，使人易得尘肺病等多种疾病，严重危害工作人员的人身安全。

针对粉尘的危害性，提出了输煤系统转载点粉尘浓度检测系统，可以准确的监控粉尘浓度，对于煤矿企业的正常生产和工作人员的生命健康就显得至关重要。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提出了一种输煤系统转载点粉尘浓度检测方法及系统，通过检测输煤系统转载点处的感应电压，进而间接得出输煤系统转载点粉尘浓度信息，最终实现对输煤系统转载点粉尘浓度的实时监测。

本发明的第一发明目的是提供一种输煤系统转载点粉尘浓度检测方法，至少包括如下步骤：

步骤一，建立粉尘浓度f(x)和输煤系统转载点处的电压x之间的映射关系；

f_i(x)＝a₀+a₁x+a₂x²+a₃x³

其中：a₀，a₁，a₂，a₃是常数，

步骤三、利用最小二乘法确定a₀，a₁，a₂，a₃；具体为：

当：得到：

其中：n，A，B，C均为常数；

利用上式解出a₀，a₁，a₂，a₃的值即可得到f(x)；

步骤二，获取输煤系统转载点处的电压x；

步骤三，根据步骤二检测到的电压x和步骤一得到的映射关系，计算得出输煤系统转载点粉尘浓度。

进一步：在步骤二中，采用静电感应式粉尘浓度传感器获取输煤系统转载点处的电压x。

本发明的第二发明目的是提供一种实现上述输煤系统转载点粉尘浓度检测方法的系统，所述系统由用户模块，WSN无线网关模块，数据采集模块以及传感器网络模块四部分组成：其中：

所述传感器网络模块用于实时或定时获取输煤系统转载点处的电压x；

所述数据采集模块用于接收传感器网络模块获取到的电压x，并将上述电压x转发至WSN无线网关模块；

所述用户模块接收WSN无线网关模块发出的电压x，并根据粉尘浓度f(x)和输煤系统转载点处的电压x之间的映射关系，进而计算得出输煤系统转载点粉尘浓度。

本发明的第三发明目的是提供一种实现所述输煤系统转载点粉尘浓度检测方法的计算机程序。

本发明的第四发明目的是提供一种实现所述输煤系统转载点粉尘浓度检测方法的信息数据处理终端。

本发明的第五发明目的是提供一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行所述的输煤系统转载点粉尘浓度检测方法。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：

本发明通过检测输煤系统转载点处的感应电压，进而间接得出输煤系统转载点粉尘浓度信息，最终实现对输煤系统转载点粉尘浓度的实时监测。

附图说明

图1为本发明优选实施例的原理框图；

图2为本发明优选实施例的结构框图；

图3为本发明优选实施例的输煤系统转载点位置示意图；

图4为本发明优选实施例中的静电感应传感器的结构图；

图5为本发明优选实施例中的结构框图；

图6为本发明优选实施例的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1至图6：

一种输煤系统转载点粉尘浓度检测方法，包括如下步骤：

步骤一，建立粉尘浓度f(x)和输煤系统转载点处的电压x之间的映射关系；

f_i(x)＝a₀+a₁x+a₂x²+a₃x³

其中：a₀，a₁，a₂，a₃是常数，

步骤三、利用最小二乘法确定a₀，a₁，a₂，a₃；具体为：

当：得到：

其中：n，A，B，C均为常数；

利用上式解出a₀，a₁，a₂，a₃的值即可得到f(x)；

步骤二，获取输煤系统转载点处的电压x；

步骤三，根据步骤二检测到的电压x和步骤一得到的映射关系，计算得出输煤系统转载点粉尘浓度。

作为：在步骤二中，采用静电感应式粉尘浓度传感器获取输煤系统转载点处的电压x。

一种实现上述输煤系统转载点粉尘浓度检测方法的系统，所述系统由用户模块，WSN无线网关模块，数据采集模块以及传感器网络模块四部分组成：其中：

所述传感器网络模块用于实时或定时获取输煤系统转载点处的电压x；

所述数据采集模块用于接收传感器网络模块获取到的电压x，并将上述电压x转发至WSN无线网关模块；

所述用户模块接收WSN无线网关模块发出的电压x，并根据粉尘浓度f(x)和输煤系统转载点处的电压x之间的映射关系，进而计算得出输煤系统转载点粉尘浓度。

上述优选实施例中的系统由用户模块，WSN无线网关模块，数据采集模块以及传感器网络模块四部分组成：，其中用户模块负责实时监测，分析和控制整个系统；WSN无线网关模块负责各模块的无线连接；数据采集模块负责实时采集输煤系统转载点处的粉尘浓度信息；传感器网络模块负责实时检测所处转载点处的粉尘浓度。

用户模块基于NI公司的Labview图像化编辑语言软件平台，由计算机端和移动用户端组成，计算机端包括：用户登录模块、系统初始化模块、在线监测模块、数据管理模块和用户事件模块；移动用户端包括，用户登录模块和在线监测模块。

WSN无线网关模块由WSN-3202节点和WSN-9791汇聚节点构成。

数据采集模块是由数据采集器组成。

传感器网络模块是一种分布式的静电感应式粉尘浓度传感器网络

一种实现所述输煤系统转载点粉尘浓度检测方法的计算机程序。

一种实现所述输煤系统转载点粉尘浓度检测方法的信息数据处理终端。

工作原理及实现过程：

一、工作原理

1.静电感应式粉尘浓度传感器

所有粉状的物质在气体的流动过程中，都会产生碰撞和摩擦。因此粉体粒子会失去电子而形成带静电荷的粒子和颗粒，随着颗粒浓度及粉体流速的变化，其电荷量也按一定规律变化。通过敏感装置检测颗粒流动过程中产生的静电噪声或颗粒与测试装置之间转移的荷电量，并结合适当的信号处理方法，将粉尘浓度信息转化为电压信号，可实现颗粒的流动参数(速度、浓度、流量)测量，甚至颗粒粒径的实时检测。静电法测量粉尘浓度灵敏度高、结构简单、免维护，这些优点是其他测量方法所不具备的。

2.数据采集模块

数据采集模块由高性能的SK-S7G2数据采集器组成，该数据采集器具有运行速度快和抗干扰能力强的优点，能够满足复杂环境下的工作需求。可将电压信号转化为对应的4-20mA的输出电流。

3.WSN无线网关模块

WSN3202可配置为网状路由器(mesh router)，以拓展网络距离并且将更多节点接入WSN网关。单个无线传感器网络(WSN)网关可连接8个终端节点(星形拓扑)或最多36个测量节点(网状拓扑)，支持最远300米户外视距。

WSN9791是用于NI无线传感器网络(WSN)设备的以太网网关。该网关具有基于ZigBee技术的2.4GHz IEEE 802.15.4无线电，用于采集来自传感器网络的测量数据，同时具有一个10/100Mbits/s以太网端口，提供了与Windows或Labview Real-Time OS主机控制器的灵活连接。

4.用户模块

用户模块基于NI公司的Labview图像化编辑语言软件平台，可与WSN无线网关进行实时数据传输。

二.实现过程

如图1所示，输煤系统转载点粉尘浓度检测系统由用户模块，WSN无线网关模块，数据采集模块以及传感器网络模块四部分组成：其中用户模块负责实时监测，分析和控制整个系统；WSN无线网关模块负责各模块的无线通信；数据采集模块负责实时采集输煤系统转载点处的粉尘浓度信息；传感器网络模块负责实时检测所处转载点处的粉尘浓度。

如图2所示，输煤系统转载点粉尘浓度检测系统的检测装置包括静电感应式粉尘浓度传感器、数据采集器、WSN3202、WSN9791和Labview上位机。

如图3所示输煤系统转载点结构图。其结构包括上层皮带、溜槽、下层皮带、固定杆1、鼓风机3和静电感应式粉尘浓度传感器2。为保证静电感应式粉尘浓度传感器可在转载点处正常运行，采用固定杆固定的方式将静电感应式粉尘浓度传感器固定在下层皮带上方50-60cm处。同时在沿皮带运行方向，在静电感应式粉尘浓度传感器的前方放置一个1600W的鼓风机，该鼓风机可以防止在高粉尘浓度下静电感应式粉尘浓度传感器的探头被粉尘覆盖影响检测精度，其次保证粉尘的流动方向一致提高静电感应式粉尘浓度传感器的检测精度。输煤皮带转载点处采用分布式的静电感应式粉尘浓度传感器排布方式，依据WSN3202强大的并行处理能力，将多传感器的粉尘浓度信息发送至WSN9791中，并最终由上位机进行数据处理。

如图4所示静电感应式粉尘浓度传感器的结构示意图。静电感应式粉尘浓度传感器包括传感器探头、专用数据线和数据输出线。

传感器探头是棒状探头结构，具有良好的导电性。将棒状电极插入传感器的棒状探头内，可实现对粉尘电荷量信号的检测，该方法具有安装简单、体积小、使用方便灵活、便于携带的特点。其中专业数据线和数据输出线使用的是电缆线。

静电感应式粉尘浓度传感器静电感应原理如下：

假定电压有效值为x，假定粉尘浓度为f(x)，假定f(x)与x之间的关系用三次多项式表示如下：

f_i(x)＝a₀+a₁x+a₂x²+a₃x³ (1)

其中a₀，a₁，a₂，a₃是待用最小二乘法确定的系数，只要确定曲线的方差(式1)最小即可，即：

当：得到：

其中：n，A，B，C均为常数；

利用上式解出a₀，a₁，a₂，a₃的值即可得到f(x)。

由于传感器上的电压有效值x是微弱信号，因此在传感器内部设计了一套信号放大系统，其原理为：

假设R为传感器的泄露电阻，Ca为静电传感器的对地电容，Cc为电缆的分布电容，放大器的输入阻抗为输入电容为C，Ui是放大的电压信号。

放大电压和传感器上电压有效值的比值表示为：

其中，C＝Ci+Cc。

Ui/x的幅频特性可以表示为：

静电感应式粉尘浓度传感器感应粉尘所带的电荷量并将其转化为电压信号Ui输出到数据采集器。

数据采集器将得到的电压信号转化为对应的4-20mA的输出电流，将该信号传导到对应的WSN3202节点。

WSN3202节点将得到的粉尘浓度信息传导到WSN9791汇聚节点。

WSN9791汇聚节点将得到的粉尘浓度信息传导到Labview上位机中，在系统界面中实时显示输煤皮带转载点处的粉尘浓度信息。

如图5所示用户模块结构示意图。用户模块由计算机端和移动用户端组成，其中计算机端包括：用户登录模块、系统初始化模块、在线监测模块、数据管理模块和用户事件模块；移动用户端包括，用户登录模块和在线监测模块。

如图6所示用户模块系统流程图。计算机端的用户登录模块，可验证用户的信息，判断用户是否有操作权。若用户有操作权进入系统控制界面。在控制界面，用户可以实现粉尘浓度安全值的设置、粉尘浓度数据的存储、粉尘浓度历史数据的读取、控制报警系统的开关。若用户没有操作权则进入到浏览界面，在浏览界面上系统可以正常的运行，但是不能进行任何的操作，仅能查看粉尘浓度信息。移动用户端仅验证用户信息，进入浏览界面且不具有操作权限。

在控制界面中，Labview首先通过配置串口模块启用数据处理模块，系统可以读取从WSN9791中获得的粉尘浓度信息，并在界面中实时显示数据，同时通过数据存储模块存储得到的粉尘浓度相关信息。当粉尘浓度超过安全值的80％时，系统报警，该报警可在系统界面中关闭。其中系统初始化模块可以实现系统初始化功能。

在控制界面中，通过选择数据读取模块，可以读取所存储的粉尘浓度数据库中的粉尘浓度相关信息，并在显示模块中显示。

数据管理模块由数据记录和数据读取模块组成。数据记录部分实现对采集信息的实时存储功能，该模块基于Labview的数据库功能，建立相应的粉尘浓度数据库，存储内容包括检测区域位置、检测时间、检测区域的粉尘浓度。数据读取部分实现对粉尘浓度数据库的数据读取功能，读取内容包括检测区域位置、检测时间、检测区域的粉尘浓度。用户事件模块实现控制各个模块状态的功能，该模块在计算机端的主界面，可控制系统初始化模块、在线监测模块和数据管理模块的状态。

一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行所述的输煤系统转载点粉尘浓度检测方法

在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘SolidState Disk(SSD))等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种输煤系统转载点粉尘浓度检测方法，其特征在于：至少包括如下步骤：

步骤一，建立第i次测试的粉尘浓度f_i(x)和输煤系统转载点处的电压x之间的映射关系；

f_i(x)＝a₀+a₁x+a₂x²+a₃x³

其中：a₀，a₁，a₂，a₃是常数，

步骤三、利用最小二乘法确定a₀，a₁，a₂，a₃；具体为：

当：得到：

其中：n，A，B，C均为常数；

利用上式解出a₀，a₁，a₂，a₃的值即可得到f(x)；

步骤二，获取输煤系统转载点处的电压x；

步骤三，根据步骤二检测到的电压x和步骤一得到的映射关系，计算得出输煤系统转载点粉尘浓度。

2.根据权利要求1所述的输煤系统转载点粉尘浓度检测方法，其特征在于：在步骤二中，采用静电感应式粉尘浓度传感器获取输煤系统转载点处的电压x。

3.一种基于权利要求1所述输煤系统转载点粉尘浓度检测方法的系统，其特征在于：所述系统由用户模块，WSN无线网关模块，数据采集模块以及传感器网络模块四部分组成：其中：

所述传感器网络模块用于实时或定时获取输煤系统转载点处的电压x；

所述数据采集模块用于接收传感器网络模块获取到的电压x，并将上述电压x转发至WSN无线网关模块；

所述用户模块接收WSN无线网关模块发出的电压x，并根据粉尘浓度f(x)和输煤系统转载点处的电压x之间的映射关系，进而计算得出输煤系统转载点粉尘浓度。

4.一种实现权利要求1-2任一项所述输煤系统转载点粉尘浓度检测方法的计算机程序。

5.一种实现权利要求1-2任一项所述输煤系统转载点粉尘浓度检测方法的信息数据处理终端。

6.一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行如权利要求1-2任一项所述的输煤系统转载点粉尘浓度检测方法。