CN201697975U

CN201697975U - 矿井粉尘带电量测量装置

Info

Publication number: CN201697975U
Application number: CN2010202251232U
Authority: CN
Inventors: 程学珍; 曹茂永; 逄明祥; 梁慧斌; 张亮; 钱晓超; 李继明
Original assignee: Shandong University of Science and Technology
Current assignee: Shandong University of Science and Technology
Priority date: 2010-06-13
Filing date: 2010-06-13
Publication date: 2011-01-05
Anticipated expiration: 2020-06-13

Abstract

本实用新型公开一种矿井粉尘带电量测量装置，包括为相应部分提供电能的电源模块、DSP处理模块、人机接口交互模块及测量电量显示模块，特征是还包括用于粉尘电荷量测量的敏感探头、信号调理模块与A/D转换模块，敏感探头与信号调理模块连接，信号调理模块与A/D转换模块连接，A/D转换模块与DSP处理模块连接。本实用新型利用流动的带电粉尘能在敏感探头上感应出一定量电荷量的原理，将敏感探头所检测到的微弱电荷信号转换为更容易处理的电压信号，后经过相应处理并送往DSP处理模块，在DSP处理模块内部实现对信号的进一步滤波处理后，得到粉尘的带电量信号，将获得的带电量信号送往测量电量显示模块进行显示。

Description

矿井粉尘带电量测量装置

技术领域

本实用新型涉及一种用于测量矿井粉尘带电量的测量装置。

背景技术

矿井粉尘是指煤矿在生产等过程中产生和形成的、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。矿井粉尘主要是生产性粉尘，在煤矿生产和运输过程中矿井粉尘容易带有电荷，主要带电来源为：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产生；以及粉尘离子的扩散作用产生。粉尘的电荷量取决于粉尘粒径大小和密度，同时还受作业环境的温度和湿度影响。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。由于粉尘具有分散性，其表面积之和比原物质增大，使静电起电的作用增大。如直径为1米的煤块经研磨后形成直径为1毫米的颗粒，小颗粒的表面积为3.14平方毫米，所有颗粒的表面积之和为3141平方米，表面积增加到1000倍。每个颗粒均可带电，并使粉尘静电电压高达几千伏或几万伏。悬浮性是指粉尘在气体中与大地绝缘，每个粉尘都可以带电。当静电电压满足放电条件时，放电火花即可引起可燃气体和粉尘的爆炸。当带有电荷的粉尘靠近高分子材料和设备时被吸收积聚而形成物体带电，引起静电电位可以高达几十至几百千伏，形成的静电电源就成为酿成瓦斯粉尘爆炸事故的潜在因素。如果因煤体下滑、通风失调、放炮等造成局部瓦斯积聚、粉尘飞扬而且达到爆炸极限的巧合时，此时静电电源放电火花必然引爆瓦斯粉尘，酿成事故。

由上述可以看出，进行对矿井生产性粉尘带电量的检测，不仅关系到矿工的身体健康，关系到煤矿的安全生产，而且是管理人员掌握井下粉尘状况的重要手段，是粉尘危害防治的关键环节。通过检测并掌握环境中粉尘的静电状况，为消除和治理职业性有害因素提供科学依据，为煤矿的安全生产提供保障，同时为防尘措施提供科学的评价依据，对于改善井下作业环境、防止粉尘爆炸、消除煤矿安全隐患具有重要意

实用新型内容

本实用新型的任务在于提供一种矿井粉尘带电量测量装置。

其技术解决方案是：

一种矿井粉尘带电量测量装置，包括为相应部分提供电能的电源模块、DSP处理模块、人机接口交互模块及测量电量显示模块，还包括用于粉尘电荷量测量的敏感探头、信号调理模块与A/D转换模块，敏感探头与信号调理模块连接，信号调理模块与A/D转换模块连接，A/D转换模块与DSP处理模块连接。

上述矿井粉尘带电量测量装置设置有能够输出符合工业标准接口信号的标准信号输出模块，标准信号输出模块与DSP处理模块连接。

上述敏感探头包括筒状金属屏蔽外壳与环状金属电极，筒状金属屏蔽外壳的内筒腔为粉尘进出通道，其内壳壁上设置有环形电极槽，环状金属电极放置在环形电极槽内，环状金属电极与筒状金属屏蔽外壳之间设置有绝缘层，上述金属屏蔽外壳设置有接地线，环状金属电极的信号线从金属屏蔽外壳的壳壁上引出。

上述筒状金属屏蔽外壳与环状金属电极均由紫铜制成。

上述电源模块分别与DSP处理模块、测量电量显示模块、信号调理模块、A/D转换模块、人机接口交互模块与标准信号输出模块连接。

上述标准信号输出模块设置有4～20mA电流输出模块与232/485信号输出模块。

本实用新型具有以下有益技术效果：

本实用新型利用流动的带电粉尘能在敏感探头上感应出一定量电荷量的原理，将敏感探头所检测到的微弱电荷信号转换为更容易处理的电压信号，对电压信号进行放大滤波后输入到A/D转换模块，将模拟信号量化为数字量信息，DSP处理模块采集到A/D转换模块所输出的数字量信号，在DSP处理模块内部实现对信号的进一步滤波处理后，得到粉尘的带电量信号，将获得的带电量信号送往测量电量显示模块进行显示。同时，操作人员还可通过人机接口交互模块来进行有关设定。此外，可通过标准信号输出模块输出符合工业标准的输出信号，便于与其他设备对接。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本实用新型作进一步说明：

图1为本实用新型一种实施方式的结构原理示意框图。

图2为图1方式中敏感探头的一种实施方式的结构原理示意图。

具体实施方式

参看图1与图2，一种矿井粉尘带电量测量装置，包括电源模块1、DSP处理模块2、人机接口交互模块3、显示模块4、敏感探头5、信号调理模块6、A/D转换模块7及标准信号输出模块8。上述敏感探头5与信号调理模块6连接，信号调理模块6与A/D转换模块7连接，A/D转换模块7与DSP处理模块2连接，DSP处理模块2与标准信号输出模块8连接，上述电源模块1分别与DSP处理模块2、显示模块4、信号调理模块6、A/D转换模块7、人机接口交互模块3与标准信号输出模块8连接。上述敏感探头5包括筒状紫铜屏蔽外壳501，其内筒腔502为粉尘进出通道，内壳壁上设置有环形电极槽，环状紫铜电极503放置在环形电极槽内，环状金属电极与筒状金属屏蔽外壳之间设置有绝缘层504，上述金属屏蔽外壳设置有接地线505，环状金属电极的信号线506从金属屏蔽外壳的壳壁上引出。

下面对上述有关部分作更进一步地说明：

关于敏感探头，电极材料选用具有优良的导电性能的紫铜片制作。同时选择紫铜片制作屏蔽外壳，紫铜片具有良好的隔绝电磁干扰的功能，它的不易氧化特性可以防止温度、湿度对传感器探头带来的不良影响。

信号调理模块(电路)主要功能是实现对信号的放大和滤波，放大器选用AD620仪表放大器作为信号调理电路的第一级输入电路。AD620具有较高的共模抑制比，有较小的输入温漂和较小的失调电压，增益范围大且可进行通过调节外接电阻的大小来调节增益。而AD620信噪比高，噪声系数小的特点尤其适合本装置输入信号微弱的特点。AD620作为输入信号的第一级实现了对输入微弱信号的100倍放大，更利于后一级滤波电路对信号进行滤波处理。滤波电路主要是由放大器TL081构成的4阶巴特沃斯有源低通滤波器，截止频率为2000HZ。TL081放大器是美国TI公司放大器芯片，具有非常高的输入阻抗、非常低的偏置电流和输入失调电流。TL081典型的性能参数是：增益带宽积为2.8MHz，开环增益AVD≥100dB，输入失调电压为VIO＜2.2mV，失调电流IIO≤5pA等.最后一级放大电路采用TL081构成的放大电路，将处理信号进一步进行了放大。

A/D转换模块的主要功能是实现对输入信号的量化功能。A/D转换模块采用ADS1212芯片，ADS1212芯片是∑-Δ型A/D转换器，它具有分辨率高(最高可以可达24位)，线性度好，抗干扰能力强(对噪声的抑制能力不亚于双积分ADC)，成本低等优点。ADS1212采用SPI技术可实现与DSP的无缝连接。DSP处理芯片所选下述TMS320C5416带有SPI接口，可实现与该模块的连接。

人机接口交互模块主要由16位按键组成，主要实现测量装置的设置、校正功能。

DSP处理模块(芯片)选用TI公司的TMS320VC5416芯片，主要功能是对所采集数据进行数字处理(数字滤波等)，将处理数据送显示模块显示，并能够送标准输出模块输出。TMS320VC5416是TI公司的一款16bit定点高性能DSP。主要特性有：速率最高达160MI/s；3条16bit数据存储器总线和1条程序存储器总线；1个40bit桶形移位器和2个40bit累加器；1个17×17乘法器和1个40bit专用加法器；最大8M×16bit的扩展寻址空间，内置128k×16bit的RAM和16k×16bit的ROM；3个多通道缓冲串口(McBSP)，尤其适合与A/D模块的对接。

测量电量显示模块主要用于对测量电量的显示。是由74ls164串行移位芯片构成的8位LED显示，能够精确的对所测得的电量信息进行显示。

上述标准信号输出模块包括4-20mA电流输出模块801与232/485信号输出模块802。4-20mA电流输出模块主要由D/A转换器将DSP处理芯片的输出转换为模拟量，后由AD694芯片实现电压量到电流量的转换。D/A转换芯片选用TI公司的串行D/A转换芯片TLC5615。TLC5615是TI公司推出的具有三线串行总线接口10位CMOS电压输出模型转换器，具有高阻抗基准电压输入端，转换后的最大输出模拟电压时基准电压的两倍。输出电压具有和基准电压相同的极性。器件的典型供电电压为+5v，最大功耗仅为1.75mw。AD694芯片是美国模拟器件公司的一种V/I转换产品。该器件精度高，抗干扰能力强，使用时使用时外围电路极为简单，功能较强，该芯片具有很高的线性度(非线性度％0.002)。232/485信号输出模块，主要是输出232/485标准信号。232/485与DSP之间的借口转换芯片是通过MAX232/MAX484芯片完成的。MAX232芯片可在+5v单电源供电的情况下正常工作，它很好的满足RS232的电气规范，该芯片可以与TTL/CMOS电平兼容。RS485与DSP之间的电平转换时通过MAX485芯片完成的，这种芯片内部集成了一个驱动器和一个接收器，是8引脚封装的芯片。

电源模块主要功能是为上述相应部分供电，为了降低TMS320VC5416的功耗，一般采用双电源、低电压设计。内核电源采用1.8v，I/O电源采用3.3v供电。这样既可以降低芯片功耗，又可以方便地和片外设备连接。本设计当中采用+5v输入电源，由TPS67D325芯片产生3.3v和1.8v电压后输出。TPS67D325芯片是TI公司推出的一款双路输出芯片，芯片的输入为2.7-10v(典型输入5v)，可调输出(可调输出在1.5v-5.5v之间)，每路输出最大电流为1A，同时提供宽度为200ms的复位低电平输出。

Claims

1.一种矿井粉尘带电量测量装置，包括为相应部分提供电能的电源模块、DSP处理模块、人机接口交互模块及测量电量显示模块，其特征在于：还包括用于粉尘电荷量测量的敏感探头、信号调理模块与A/D转换模块，敏感探头与信号调理模块连接，信号调理模块与A/D转换模块连接，A/D转换模块与DSP处理模块连接。

2.根据权利要求1所述的矿井粉尘带电量测量装置，其特征在于：所述矿井粉尘带电量测量装置设置有能够输出符合工业标准接口信号的标准信号输出模块，标准信号输出模块与DSP处理模块连接。

3.根据权利要求1所述的矿井粉尘带电量测量装置，其特征在于：所述敏感探头包括筒状金属屏蔽外壳与环状金属电极，筒状金属屏蔽外壳的内筒腔为粉尘进出通道，其内壳壁上设置有环形电极槽，环状金属电极放置在环形电极槽内，环状金属电极与筒状金属屏蔽外壳之间设置有绝缘层，上述金属屏蔽外壳设置有接地线，环状金属电极的信号线从金属屏蔽外壳的壳壁上引出。

4.根据权利要求3所述的矿井粉尘带电量测量装置，其特征在于：所述筒状金属屏蔽外壳与环状金属电极均由紫铜制成。

5.根据权利要求1所述的矿井粉尘带电量测量装置，其特征在于：所述电源模块分别与DSP处理模块、测量电量显示模块、信号调理模块、A/D转换模块、人机接口交互模块与标准信号输出模块连接。

6.根据权利要求2所述的矿井粉尘带电量测量装置，其特征在于：所述标准信号输出模块设置有4～20mA电流输出模块与232/485信号输出模块。