CN111398082A - 一种工矿粉尘中游离二氧化硅含量的实时监测装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种工矿粉尘中游离二氧化硅含量的实时监测装置和监测方法，监测装置包括依次设置的滤膜储存盒、集尘罩、检测箱和滤膜回收盒，滤膜储存盒储存集尘滤膜，集尘罩用于向集尘滤膜吹风集尘，检测箱测定集尘滤膜质量、荧光检测，滤膜回收盒则用于回收使用后的集尘滤膜；监测方法包括安装监测装置、集尘采样、质量测定荧光检测、二氧化硅含量分析及无线数据传输五个步骤。本发明实现了工矿作业环境中粉尘采集、二氧化硅含量特征监测的一体化和自动化，提升了检测效率，节省了人力成本；实时监测作业环境空气中的二氧化硅浓度、二氧化硅在总粉尘量中的质量分数，确保了监管工作人员及时获取最新的二氧化硅粉尘特征数据。

Description

一种工矿粉尘中游离二氧化硅含量的实时监测装置和方法
技术领域
本发明涉及工矿粉尘监测技术领域，尤其涉及一种工矿粉尘中游离二氧化硅含量的实时监测装置和方法。
背景技术
涉及矿石开采、加工的作业环境中，常会有粉尘产生并漂浮在空气中，作业人员吸入粉尘后，粒径较小的粉尘颗粒便可能滞留沉积在人体肺部，损害人体健康。工矿粉尘通常是多种成分(如矽尘、煤尘、锅炉尘、石棉尘、水泥尘等)的混合物。其中，游离的二氧化硅是对人体危害极大的成分，吸入人体肺部的二氧化硅由于具有较强的生物活性，会加速肺泡组织的死亡，引发尘肺病。对工矿作业场所粉尘中游离二氧化硅含量的检测，是工矿企业安全卫生水平评估工作中的重要环节。
目前，测定粉尘中游离二氧化硅含量时，普遍采用的方法是现场采集粉尘样品后，带回至实验室，采用《作业场所空气中粉尘测定方法》(GB5748—85)规定的“焦磷酸重量法”进行化验和检测，但该方法存在操作步骤复杂、使用试剂种类繁多、检测周期长等诸多问题难以满足现场批量检测的要求。近年来，行业内部分技术人员开发了红外线、X射线等检测技术，在一定程度上提高了检测粉尘中游离二氧化硅的效率，但仍然无法实现现场实时监测的要求。对工矿作业场所粉尘中的游离二氧化硅含量进行实时监测，有利于完善作业环境安全卫生情况的全面掌握，对指导安全生产、保障作业人员身体健康是十分必要的。
发明内容
为解决工况粉尘中游离二氧化硫含量实时监测困难的技术问题，本发明公开了一种工矿粉尘中游离二氧化硅含量的实时监测装置和方法，具有高效且自动化程度高的优点。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种工矿粉尘中游离二氧化硅含量的实时监测装置，包括从右向左依次顺序布设的滤膜储存盒、集尘罩、检测箱和滤膜回收盒；倒置的滤膜储存盒中叠放有多个集尘滤膜，所述滤膜储存盒的下正方设置支撑板，所述支撑板与滤膜储存盒之间留有容纳一个集尘滤膜的空间；所述集尘罩的正下方设置采样泵，所述集尘罩与采样泵之间留有容纳一个集尘滤膜的空间，集尘罩的顶部还开设有进风口；所述检测箱中设置光度检测器、高压电源、X光管和滤光片，所述高压电源、X光管固定安装于检测箱箱体右侧，所述滤光片固定设置于检测箱右侧侧壁上并朝向X光管照射方向设置，所述光度检测器固定安装于检测箱箱体左侧；所述滤膜回收盒的上部与检测箱的下部相连通，将经过监测后的集尘滤膜收集存放。
进一步地，所述滤膜储存盒的右侧设置伸缩推杆，伸缩推杆朝向左侧的滤膜储存盒设置，伸缩推杆在电控作用下伸出或复位，将位于滤膜储存盒最下层的集尘滤膜向左推送进入集尘罩中，同时将集尘罩中的前一个集尘滤膜向左推送进入检测箱中。
进一步地，所述集尘滤膜均为质量相同的矩形平面结构，四周均采用刚性边框固定，中心部分为聚乙烯纤维膜。
进一步地，所述滤膜回收盒的上方还设置相连接的处理器和无线数据发射器，处理器与光度检测器、天平分别连接，光度检测器对位于天平上的集尘滤膜进行荧光检测，天平测定集尘滤膜的质量，并将数据传输至处理器进行分析并计算粉尘中的游离二氧化硅含量。
进一步地，在支撑板的下方还设置有控制器，控制器固定于底座上，所述控制器与高压电源、伸缩推杆、采样泵均相连接，控制器可设定采样泵的采样频率，伸缩推杆的伸缩时间间隔、采样泵的抽气时间间隔、X光管发光时间间隔与采样频率保持一致。
进一步地，所述支撑板、采样泵和天平均固定置于同一个底座上，且三者的高度保持一致。
本发明的另一个目的在于，公开一种工矿粉尘中游离二氧化硅含量的实时监测方法，采用上述监测装置，具体包括以下步骤：
(1)安装监测装置
根据车间作业环境区域风流特征，将监测装置固定于车间机床间的过道处，通过控制器设定粉尘的采样频率；
(2)集尘采样
伸缩推杆伸出，将滤膜储存盒最下层的第一个集尘滤膜向左推动进入集尘罩中击沉采样，之后伸缩推杆收缩复位，此时原本第二层的集尘滤膜在重力作用下落在支撑板上，补充最下层集尘滤膜离开后产生的空位，采样泵抽气在集尘罩内产生负压，作业环境内的粉尘在空气流带动下经集尘罩上方的进风口进入集尘罩内部，并向下流动，粉尘被过滤滞留在集尘滤膜表面；
(3)质量测定、荧光检测
完成步骤(2)一次采样后，伸缩推杆再次伸出推动第二个集尘滤膜向左滑动进入集尘罩中，同时，位于集尘罩中采样后的第一个集尘滤膜会被第二个集尘滤膜推送进入检测箱中，并停留在天平上，天平将带有粉尘的集尘滤膜称重并将重量数据传输至处理器中；X光管发出X射线照射在第一个集尘滤膜表面的粉尘上，粉尘中的二氧化硅反射发出荧光，荧光强度数据被光度检测器检测并传送至处理器；
以此类推，滤膜储存盒中的集尘滤膜依次顺序被伸缩推杆推送，并进行集尘采样、质量测定、荧光检测。
(4)二氧化硅含量分析
分析计算作业环境风流中的游离二氧化硅浓度C、二氧化硅在粉尘总量中的质量分数N；
(5)无线数据传输
处理器将计算得到的数据传输至无线数据发射器，数据将通过无线信号传输至监测总站，由此可以绘制出粉尘中游离二氧化硅质量Ms、浓度C、质量分数N随时间的变化曲线，供监管人员进行分析。
进一步地，监测开始之前，需预先反复在集尘滤膜上喷涂二氧化硅粉末，用X光照射并检测集尘滤膜上的二氧化硅反射的荧光强度，建立X光荧光反射强度与集尘滤膜表面二氧化硅质量的关系曲线，并将其编程装入处理器，监测过程中，处理器接收到荧光强度数据后，通过程序处理再结合关系曲线，即可自动确定集尘滤膜上的二氧化硅质量Ms。
进一步地，步骤(4)中，采样空气流量Q＝采样持续抽气时间×空气流速，风流中的游离二氧化硅浓度C＝Ms/Q。
进一步地，步骤(4)中，粉尘中二氧化硅质量分数为N＝Ms/Md×100％，
其中：Mo为集尘滤膜质量，Mz为集尘滤膜和粉尘总质量，Md为采集到的粉尘质量。
本发明的有益效果是，实现了工矿作业环境中粉尘采集、二氧化硅含量特征监测的一体化和自动化，提升了检测效率，节省了人力成本。可以实时监测作业环境空气中的二氧化硅浓度、二氧化硅在总粉尘量中的质量分数，通过向企业安全卫生监管部门传输实时监测数据，确保了监管工作人员及时获取最新的二氧化硅粉尘特征数据，并快速评估生产作业安全卫生水平，优化改进工作条件，从而降低工矿粉尘导致的尘肺病发生风险，有效确保工作人员的身体健康。
附图说明
图1为本发明中监测装置结构示意图；
图2为本发明中的集尘滤膜结构示意图；
图3为实施例2中得到的集尘滤膜表面二氧化硅质量关系曲线图。
其中，1、集尘滤膜；2、滤膜储存盒；3、伸缩推杆；4、支撑板；5、控制器；6、集尘罩；7、采样泵；8、检测箱；9、高压电源；10、X光管；11、滤光片；12、天平；13、光度检测器；14、处理器；15、无线数据发射器；16、滤膜回收盒；17、底座；18、边框；19、聚乙烯纤维膜。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
如图1所示，一种工矿粉尘中游离二氧化硅含量的实时监测装置，包括从右向左依次顺序布设的滤膜储存盒2、集尘罩6、检测箱8和滤膜回收盒16，滤膜储存盒2用于储存集尘滤膜1，集尘罩6用于向集尘滤膜1吹风集尘，检测箱8用于测定集尘滤膜1质量、荧光检测，滤膜回收盒16则用于回收使用后的集尘滤膜1。倒置的滤膜储存盒2中叠放有多个集尘滤膜1，上述滤膜储存盒2的下正方设置支撑板4，上述支撑板4与滤膜储存盒2之间留有容纳一个集尘滤膜1的空间，集尘滤膜1可在重力作用下从滤膜储存盒2中下落到支撑板4上；上述集尘罩6的正下方设置采样泵7，上述集尘罩6与采样泵7之间留有容纳一个集尘滤膜1的空间，集尘罩6的顶部还开设有进风口，进入集尘罩6内的集尘滤膜1可将空气中的粉尘滞留到表面上；上述检测箱8中还设置光度检测器13、高压电源9、X光管10和滤光片11，上述高压电源9、X光管10固定安装于检测箱8箱体右侧，高压电源9为X光管10供电，上述滤光片11固定设置于检测箱8右侧侧壁上并朝向X光管10照射方向设置，上述光度检测器13固定安装于检测箱8箱体左侧；上述滤膜回收盒16的上部与检测箱8的下部相连通，将经过监测后的集尘滤膜1收集存放。
特别的，上述滤膜储存盒2的右侧设置伸缩推杆3，伸缩推杆3朝向左侧的滤膜储存盒2设置，伸缩推杆3在电控作用下伸出或复位，将位于滤膜储存盒2最下层的集尘滤膜1向左推送进入集尘罩6中，同时将集尘罩6中的前一个集尘滤膜1向左推送进入检测箱8中，以此实现集尘滤膜1向集尘罩6、检测箱8和滤膜回收盒16的推送过程，自动化程度高。
特别的，上述集尘滤膜1均为质量相同的矩形平面结构，四周均采用刚性边框18固定，中心部分为聚乙烯纤维膜19，该聚乙烯纤维膜19采用现有成品即可实现将粉尘拦截在集尘滤膜1表面的目的，集尘滤膜1结构如图2所示。
特别的，上述滤膜回收盒16的上方还设置相连接的处理器14和无线数据发射器15，处理器14与光度检测器13、天平12分别连接，光度检测器13对位于天平12上的集尘滤膜1进行荧光检测，荧光强度数据被光度检测器13检测并传送至处理器14，天平12测定集尘滤膜1的质量，天平12将带有粉尘的集尘滤膜1称重并将重量数据传输至处理器14中，处理器14分析并计算粉尘中的游离二氧化硅质量分数。
特别的，在支撑板4的下方还设置有控制器5，控制器5固定于底座17上，上述控制器5与高压电源9、伸缩推杆3、采样泵7均相连接，控制器5可设定采样泵7的采样频率，伸缩推杆3的伸缩时间间隔、采样泵7的抽气时间间隔、X光管10发光时间间隔与采样频率保持一致，如采样频率设定为4min/次、5min/次、6min/次、7min/次等，相应的采样泵7的抽气时间间隔和X光管10发光时间间隔为4min、5min、6min、7min等。
特别的，上述支撑板4、采样泵7和天平12均固定置于同一个底座17上，且三者的高度保持一致，保证集尘滤膜1从滤膜储存盒2被以此推送到集尘罩6、检测箱8过程中始终处于同一高度上。
实施例2
本发明还公开一种工矿粉尘中游离二氧化硅含量的实时监测方法，采用实施例1中的监测装置，具体包括以下步骤：
(1)安装监测装置
根据车间作业环境区域风流特征，将监测装置固定于车间机床间的过道处，通过控制器5设定粉尘的采样频率为5min/次，由此确定伸缩推杆3每5min进行一次伸缩动作、采样泵7每5min进行一次持续5min的抽气、X光管10每5min进行一次照射。
(2)集尘采样
按照设定的采样频率，伸缩推杆3伸出，将滤膜储存盒2最下层的第一个集尘滤膜1向左推动进入集尘罩6中击沉采样，之后伸缩推杆3收缩复位，此时原本第二层的集尘滤膜1在重力作用下落在支撑板4上，补充最下层集尘滤膜1离开后产生的空位，开启采样泵7，采样泵7抽气在集尘罩6内产生负压，作业环境内的粉尘在空气流带动下经集尘罩6上方的进风口进入集尘罩6内部，并向下流动，粉尘被过滤、滞留在集尘滤膜1表面。
(3)质量测定、荧光检测
完成步骤(2)一次采样后，伸缩推杆3再次伸出推动第二个集尘滤膜1向左滑动进入集尘罩6中，同时，位于集尘罩6中采样后的第一个集尘滤膜1会被第二个集尘滤膜1推送进入检测箱8中，并停留在天平12上，天平12将带有粉尘的集尘滤膜1称重并将重量数据传输至处理器14中；X光管10发出X射线照射在第一个集尘滤膜1表面的粉尘上，粉尘中的二氧化硅反射发出荧光，荧光强度数据被光度检测器13检测并传送至处理器14；
以此类推，滤膜储存盒2中的集尘滤膜1依次顺序被伸缩推杆3推送，并进行集尘采样、质量测定、荧光检测。
(4)二氧化硅含量分析
分析计算作业环境风流中的游离二氧化硅浓度C、二氧化硅在粉尘总量中的质量分数N。
本发明中，每次采样空气流量Q＝采样持续抽气时间×空气流速，则风流中的游离二氧化硅浓度C＝Ms/Q。
粉尘中二氧化硅质量分数为N＝Ms/Md×100％，
其中：Mo为集尘滤膜1质量，Mz为集尘滤膜1和粉尘总质量，Md为采集到的粉尘质量。
(5)无线数据传输
处理器14将计算得到的数据传输至无线数据发射器15，数据将通过无线信号传输至监测总站，由此可以绘制出粉尘中游离二氧化硅质量Ms、浓度C、质量分数N随时间的变化曲线，供监管人员进行分析。
采用监测装置进行监测前，需预先反复在集尘滤膜1上喷涂二氧化硅粉末，用X光照射并检测集尘滤膜1上的二氧化硅反射的荧光强度，建立X光荧光反射强度与集尘滤膜1表面二氧化硅质量的关系曲线，关系曲线如图3所示，显示二者呈直线关系，并将其编程装入处理器14，监测过程中，处理器14接收到荧光强度数据后，通过程序处理再结合关系曲线，即可自动确定集尘滤膜1上的二氧化硅质量Ms。
本发明通过自动推送集尘滤膜1来实现作业环境下的粉尘连续采样和称重，配合采用X射线照射和荧光强度分析，可有效分析得到各组粉尘样品中的二氧化硅质量、风流中的游离二氧化硅浓度、二氧化硅在粉尘总量中的质量分数。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种工矿粉尘中游离二氧化硅含量的实时监测装置，其特征在于，包括从右向左依次顺序布设的滤膜储存盒、集尘罩、检测箱和滤膜回收盒；倒置的滤膜储存盒中叠放有多个集尘滤膜，所述滤膜储存盒的下正方设置支撑板，所述支撑板与滤膜储存盒之间留有容纳一个集尘滤膜的空间；所述集尘罩的正下方设置采样泵，集尘罩与采样泵之间留有容纳一个集尘滤膜的空间，集尘罩的顶部还开设有进风口；所述检测箱中设置光度检测器、高压电源、X光管和滤光片，高压电源、X光管固定安装于检测箱箱体右侧，滤光片固定设置于检测箱右侧侧壁上并朝向X光管照射方向设置，光度检测器固定安装于检测箱箱体左侧；所述滤膜回收盒的上部与检测箱的下部相连通，将经过监测后的集尘滤膜收集存放。
2.如权利要求1所述的一种工矿粉尘中游离二氧化硅含量的实时监测装置，其特征在于，所述滤膜储存盒的右侧设置伸缩推杆，伸缩推杆朝向左侧的滤膜储存盒设置，伸缩推杆在电控作用下伸出或复位，将位于滤膜储存盒最下层的集尘滤膜向左推送进入集尘罩中，同时将集尘罩中的前一个集尘滤膜向左推送进入检测箱中。
3.如权利要求2所述的一种工矿粉尘中游离二氧化硅含量的实时监测装置，其特征在于，所述集尘滤膜均为质量相同的矩形平面结构，四周均采用刚性边框固定，中心部分为聚乙烯纤维膜。
4.如权利要求2所述的一种工矿粉尘中游离二氧化硅含量的实时监测装置，其特征在于，所述滤膜回收盒的上方还设置相连接的处理器和无线数据发射器，处理器与光度检测器、天平分别连接，光度检测器对位于天平上的集尘滤膜进行荧光检测，天平测定集尘滤膜的质量，并将数据传输至处理器进行分析并计算粉尘中的游离二氧化硅含量。
5.如权利要求1所述的一种工矿粉尘中游离二氧化硅含量的实时监测装置，其特征在于，在支撑板的下方还设置有控制器，控制器固定于底座上，所述控制器与高压电源、伸缩推杆、采样泵均相连接，控制器可设定采样泵的采样频率，伸缩推杆的伸缩时间间隔、采样泵的抽气时间间隔、X光管发光时间间隔与采样频率保持一致。
6.如权利要求5所述的一种工矿粉尘中游离二氧化硅含量的实时监测装置，其特征在于，支撑板、采样泵和天平均固定置于同一个底座上，且三者的高度保持一致。
7.一种工矿粉尘中游离二氧化硅含量的实时监测方法，采用如权利要求1-6中任一所述的监测装置，其特征在于，具体包括以下步骤：
(1)安装监测装置
根据车间作业环境区域风流特征，将监测装置固定于车间机床间的过道处，通过控制器设定粉尘的采样频率；
(2)集尘采样
伸缩推杆伸出，将滤膜储存盒最下层的第一个集尘滤膜向左推动进入集尘罩中击沉采样，之后伸缩推杆收缩复位，此时原本第二层的集尘滤膜在重力作用下落在支撑板上，补充最下层集尘滤膜离开后产生的空位，采样泵抽气在集尘罩内产生负压，作业环境内的粉尘在空气流带动下经集尘罩上方的进风口进入集尘罩内部，并向下流动，粉尘被过滤滞留在集尘滤膜表面；
(3)质量测定、荧光检测
完成步骤(2)一次采样后，伸缩推杆再次伸出推动第二个集尘滤膜向左滑动进入集尘罩中，同时，位于集尘罩中采样后的第一个集尘滤膜会被第二个集尘滤膜推送进入检测箱中，并停留在天平上，天平将带有粉尘的集尘滤膜称重并将重量数据传输至处理器中；X光管发出X射线照射在第一个集尘滤膜表面的粉尘上，粉尘中的二氧化硅反射发出荧光，荧光强度数据被光度检测器检测并传送至处理器；
(4)二氧化硅含量分析
分析计算作业环境风流中的游离二氧化硅浓度C、二氧化硅在粉尘总量中的质量分数N；(5)无线数据传输
处理器将计算得到的数据传输至无线数据发射器，数据将通过无线信号传输至监测总站，由此可以绘制出粉尘中游离二氧化硅质量Ms、浓度C、质量分数N随时间的变化曲线，供监管人员进行分析。
8.如权利要求7所述的一种工矿粉尘中游离二氧化硅含量的实时监测方法，其特征在于，监测开始之前，需预先反复在集尘滤膜上喷涂二氧化硅粉末，用X光照射并检测集尘滤膜上的二氧化硅反射的荧光强度，建立X光荧光反射强度与集尘滤膜表面二氧化硅质量的关系曲线，并将其编程装入处理器，监测过程中，处理器接收到荧光强度数据后，通过程序处理再结合关系曲线，即可自动确定集尘滤膜上的二氧化硅质量Ms。
9.如权利要求7所述的一种工矿粉尘中游离二氧化硅含量的实时监测方法，其特征在于，
步骤(4)中，采样空气流量Q＝采样持续抽气时间×空气流速，风流中的游离二氧化硅浓度C＝Ms/Q。
10.如权利要求7所述的一种工矿粉尘中游离二氧化硅含量的实时监测方法，其特征在于，
步骤(4)中，粉尘中二氧化硅质量分数为N＝Ms/Md×100％，
其中：Mo为集尘滤膜质量，Mz为集尘滤膜和粉尘总质量，Md为采集到的粉尘质量。
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