煤矿井下pm2.5浓度模拟检测系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种煤矿井下PM2.5浓度模拟检测系统，包括矿井环境风洞、气固稳定流通风系统、粉尘产生系统、温湿度调节系统、PM2.5传感系统以及基于Labview的信号采集分析系统。本发明还提供一种煤矿井下PM2.5浓度模拟检测方法。本发明仿真矿井粉尘产生环境，能全面、准确地反映煤矿井下实时、多空间的总体粉尘情况，有效改善了在井下作业实验困难、矿井地表环境难模拟所引起的对矿井粉尘测量方法与防尘技术难以深入研究的问题，对于获得井下PM2.5主要特征及利用新特征获得测量PM2.5的新方法、新技术具有重要意义。
【专利说明】煤矿井下PM2.5浓度模拟检测系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及煤炭安全生产检测领域，具体涉及一种煤矿井下PM2.5浓度模拟检测系统及PM2.5浓度模拟检测方法。
【背景技术】
[0002]煤矿企业在开采和掘进过程中会产生大量的粉尘。粉尘浓度有时较高，工人在此环境中作业必将吸入大量粉尘而影响身体健康，特别当吸入细粒子即PM2.5时会导致尘肺病；另外粉尘具有爆炸性，严重威胁矿井安全生产。因此必须采取有效措施，控制粉尘的扩散和飞扬，使工作面及巷道中的粉尘浓度降至安全值以下，以保证井下作业的环境和安全生产条件。在检尘方式方面，目前国内普遍采用人工、定时、定点检测浓度的方式，这种方式测得的数据仅反应了测尘时间段内的粉尘状况，并不能全面、准确地反映煤矿井下实时、多空间的总体粉尘情况。在降尘控尘方面，目前国内煤矿在采煤机等设备上均配有除尘设施，并有除尘风机、除尘器、除尘水幕等除尘设备，但是井下空间仍然存在着相当大浓度的矿尘悬浮。究其原因，到井下作业面做实验存在一定难度，在矿井地表环境难以模拟，限制了对矿井粉尘测量方法与防尘技术的深入研究。
[0003]因此，开发一种煤矿井下PM2.5浓度模拟检测系统，仿真矿井粉尘产生环境，对于获得井下PM2.5主要特征及利用新特征获得测量PM2.5的新方法、新技术具有重要意义。
【发明内容】
[0004]本发明的主要目的在于提供一种煤矿井下PM2.5浓度模拟检测系统，利用该系统可以克服现有粉尘检测及降尘技术存在的现场环境难以模拟、井下作业实验困难的问题，从而获得井下PM2.5主要特征。
[0005]本发明提供一种煤矿井下PM2.5浓度模拟检测系统，包括矿井环境风洞、气固稳定流通风系统、粉尘产生系统、温湿度调节系统、PM2.5传感系统、基于Labview的信号采集分析系统。
[0006]所述矿井环境风洞用于产生人造气流，给粉尘产生系统、PM2.5传感系统、信号采集分析系统提供稳定模拟煤矿井下环境。
[0007]所述粉尘产生系统用于制造粉尘颗粒并将制备的粉尘颗粒喷入矿井环境风洞。
[0008]所述PM2.5传感系统用于测量粉尘浓度并将所测浓度信号转化为电信号，传送给信号采集分析系统。
[0009]所述信号采集分析系统用于对粉尘浓度信号进行采集与分析，检测出PM2.5的主要特征。
[0010]所述气固稳定流通风系统用于给矿井环境风洞提供气流，使矿井环境风洞内的流动气体保持在层流状态。
[0011]所述温湿度调节系统用于监控矿井环境风洞内的温度和湿度，使矿井环境风洞中的环境符合煤矿井下环境要求。
[0012]所述矿井环境风洞分别与粉尘产生系统、信号采集分析系统、PM2.5传感系统、气固稳定流通风系统以及温湿度调节系统相连接；所述PM2.5传感系统与信号采集分析系统相连接。
[0013]所述气固稳定流通风系统包括轴流风机和变频器；所述变频器为变频三相异步电机。
[0014]所述温湿度调节系统采用智能控制型调节器，具有直接显示湿度、温度的可视化界面。
[0015]所述矿井环境风洞外壳采用PMMA有机玻璃制作且加入了抗静电剂。
[0016]所述粉尘产生系统包括依次相连接的超声研磨分级系统、气溶胶粉尘发生器、空气压缩净化系统、粉尘产生器。
[0017]所述PM2.5传感系统输出的电信号为电流或频率信号。
[0018]本发明还提供一种煤矿井下PM2.5浓度模拟检测方法，应用于所述的煤矿井下PM2.5浓度模拟检测系统，包括如下步骤:
[0019]变频器带动轴流风机，通过调频方式改变风机速度使矿井环境风洞内的流体达到层流状态；
[0020]温湿度调节系统调节控制矿井环境风洞中的温度和湿度，使矿井环境风洞中的环境符合煤矿井下环境要求；
[0021]通过粉尘产生系统进行气溶胶粉尘制取，而后气溶胶粉尘喷入矿井环境风洞；
[0022]PM2.5传感系统接收到气溶胶粉尘的浓度信号后转化为电信号，传送给信号采集分析系统；
[0023]信号采集分析系统采集信号并传输到上位机，所述上位机进行数据交互，对检测到的数据进行分析，对系统的设备进行控制，得出PM2.5的主要特征。
[0024]所述通过粉尘产生系统进行气溶胶粉尘制取，而后气溶胶粉尘喷入矿井环境风洞，包括如下步骤:
[0025]把煤块放入超声研磨分级系统中，磨制出PM2.5粉尘；
[0026]将PM2.5粉尘引入气溶胶粉尘发生器；
[0027]将从气溶胶粉尘发生器出来的气体引入空气压缩净化系统；
[0028]将经过压缩净化的空气接入粉尘产生器，调整好粉尘进给速度，靠空气压力把气溶胶粉尘喷入矿井环境风洞。
[0029]本发明是一座循环气流小型矿井环境风洞，在该风洞中形成一段气流均匀流动的稳定流区，利用这一经过标定的流场，可以进行各种有关矿井PM2.5等粉尘检测与防尘的科研活动。
[0030]本发明的有益效果在于，本发明仿真矿井粉尘产生环境，能全面、准确地反映煤矿井下实时、多空间的总体粉尘情况，有效改善了在井下作业实验困难、矿井地表环境难模拟所引起的对矿井粉尘测量方法与防尘技术难以深入研究的问题。
【专利附图】
【附图说明】
[0031]图1所示为本发明的原理框图
[0032]图2所示为本发明的模型示意图
【具体实施方式】
[0033]下文将结合附图详细描述本发明的实施例。应当注意的是，下述实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。在下述实施例的附图中，各附图所出现的相同标号代表相同的特征或者部件，可应用于不同实施例中。
[0034]图1所示为本发明的原理框图
[0035]煤矿井下PM2.5浓度模拟检测系统，包括矿井环境风洞、气固稳定流通风系统、粉尘产生系统、温湿度调节系统、PM2.5传感系统、基于Labview的信号采集分析系统。
[0036]所述矿井环境风洞，用于产生人造气流，给粉尘产生系统、PM2.5传感系统、信号采集分析系统提供稳定模拟煤矿井下环境。外壳采用PMMA有机玻璃制作且加入了抗静电剂，以达到降低实验过程中管道壁的静电感应量效果。采用有机玻璃作为材料的优点是:在进行风洞实验过程中，可以形象地观察到内部气体的流动状态，给实验员最直观的感受。为了方便实验人员操作，将整个风洞固定在1.2m高的支架上。
[0037]所述粉尘产生系统包括依次相连接的超声研磨分级系统、气溶胶粉尘发生器、空气压缩净化系统、粉尘产生器，用于制造粉尘颗粒并将制备的粉尘颗粒喷入矿井环境风洞。
[0038]所述PM2.5传感系统采用实验室研发的新型PM2.5传感器，该传感器输出的电信号为电流或频率信号，用于测量粉尘浓度并将所测浓度信号转化为电信号，传送给信号采集分析系统。
[0039]所述信号采集分析系统是基于Labview的信号采集分析系统，采用了 NI公司生产的DAQ信号采集模块，用于对粉尘浓度信号进行采集与分析，检测出PM2.5的主要特征。功能包括风速风压检测、PM2.5浓度检测、粒径检测。工作时，传感器与NI公司生产的DAQ信号采集卡相连，采集卡采集的信号传输到上位机(图中未示出)，所述上位机通过装入的Labview组态软件与DAQ进行数据交互，对信号检测部分检测到的数据进行分析，根据实验要求对系统的设备进行控制，得出PM2.5的主要特征。
[0040]所述气固稳定流通风系统包括轴流风机和变频器，用于给矿井环境风洞提供气流，使矿井环境风洞内的流动气体保持在层流状态。所述变频器为变频三相异步电机。
[0041]所述温湿度调节系统采用HB102智能控制型调节器，具有直接显示湿度、温度的可视化简洁界面，用于监控矿井环境风洞内的温度和湿度，使矿井环境风洞中的环境符合煤矿井下环境要求。
[0042]所述矿井环境风洞分别与粉尘产生系统、信号采集分析系统、PM2.5传感系统、气固稳定流通风系统以及温湿度调节系统相连接；所述PM2.5传感系统与信号采集分析系统相连接。
[0043]图2所示为本发明的模型示意图
[0044]整个系统模型呈环形封闭式也称模拟巷道系统，为了方便模拟巷道系统内测试设备的安装调试及后期维护，在模拟巷道系统一侧开有一个方形窗口，并在窗口处加设封闭窗，以保证模拟巷道系统具有良好的封闭性。除了方形窗口外，为了便于模拟巷道系统内实验设备电源线的引入和信号线的引出，在模拟巷道系统壁上还开有圆孔。
[0045]根据模型外形结构及功能的不同把模拟巷道系统分为:动力段、过渡段、稳定段、实验段。
[0046]所述动力段功能是为矿井环境风洞提供气源，气固稳定流通风系统安装在此。
[0047]所述过渡段是为了保证实验段稳定的气动性能及工作环境所设计的辅助结构，模拟环境中的温湿度调节系统安装在此段。
[0048]所述稳定段由鸟笼式进气口、阻尼网等组成，通过稳定段，气流被整理成理想的流场。为了得到均匀稳定的粉尘浓度，粉尘产生系统安装在此段。
[0049]所述实验段将各种传感器和需校验的工件放入其中心位置，根据需要设定不同的温度、湿度、风量来研究不同环境下的粉尘发生规律与防治。PM2.5传感系统和基于Labview的信号采集分析系统安装在此。
[0050]以下将详细说明应用于本发明煤矿井下PM2.5浓度模拟检测系统的PM2.5浓度模拟检测过程:
[0051]变频器带动轴流风机，通过调频方式改变风机速度使粉尘发生系统产生的粉尘在风机的吹动下达到实验所需要的速度，进而使矿井环境风洞内的流体达到层流状态；
[0052]温湿度调节系统调节控制矿井环境风洞中的温度和湿度，使矿井环境风洞中的环境符合煤矿井下环境要求；
[0053]通过粉尘产生系统进行气溶胶粉尘制取，而后气溶胶粉尘喷入矿井环境风洞。
[0054]PM2.5传感系统接收到气溶胶粉尘的浓度信号后转化为电信号，传送给信号采集分析系统；
[0055]信号采集分析系统中NI公司生产的DAQ信号采集卡采集的信号传输到上位机(图中未示出)，所述上位机通过装入的Labview组态软件与DAQ进行数据交互，对信号检测部分检测到的数据进行分析，根据实验要求对系统的设备进行控制，得出PM2.5的主要特征。
[0056]所述通过粉尘产生系统进行气溶胶粉尘制取，而后气溶胶粉尘喷入矿井环境风洞包括如下步骤:
[0057]把煤块放入超声研磨分级系统中，磨制出PM2.5粉尘；
[0058]将PM2.5粉尘引入气溶胶粉尘发生器；
[0059]将从气溶胶粉尘发生器出来的气体引入空气压缩净化系统；
[0060]将经过压缩净化的空气接入粉尘产生器，调整好粉尘进给速度，靠空气压力把气溶胶粉尘喷入矿井环境风洞。
[0061]本发明仿真矿井粉尘产生环境，能全面、准确地反映煤矿井下实时、多空间的总体粉尘情况，有效改善了在井下作业实验困难、矿井地表环境难模拟所引起的对矿井粉尘测量方法与防尘技术难以深入研究的问题。
[0062]本文虽然已经给出了本发明的一些实施例，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明精神的情况下，可以对本文的实施例进行改变。上述实施例只是示例性的，不应以本文的实施例作为本发明权利范围的限定。
【权利要求】
1.一种煤矿井下PM2.5浓度模拟检测系统，包括矿井环境风洞、粉尘产生系统、PM2.5传感系统以及信号采集分析系统，其特征在于: 矿井环境风洞用于产生人造气流，给粉尘产生系统、PM2.5传感系统、信号采集分析系统提供稳定模拟煤矿井下环境； 粉尘产生系统用于制造粉尘颗粒并将制备的粉尘颗粒喷入矿井环境风洞； PM2.5传感系统用于测量粉尘浓度并将所测浓度信号转化为电信号，传送给信号采集分析系统； 信号采集分析系统用于对粉尘浓度信号进行采集与分析，检测出PM2.5的主要特征。
2.如权利要求1所述的煤矿井下PM2.5浓度模拟检测系统还包括气固稳定流通风系统和温湿度调节系统，其特征在于: 气固稳定流通风系统用于给矿井环境风洞提供气流，使矿井环境风洞内的流动气体保持在层流状态； 温湿度调节系统用于监控矿井环境风洞内的温度和湿度，使矿井环境风洞中的环境符合煤矿井下环境要求。
3.如权利要求2所述的煤矿井下PM2.5浓度模拟检测系统，其特征在于，所述矿井环境风洞分别与粉尘产生系统、信号采集分析系统、PM2.5传感系统、气固稳定流通风系统以及温湿度调节系统相连接；所述PM2.5传感系统与信号采集分析系统相连接。
4.如权利要求2所述的煤矿井下PM2.5浓度模拟检测系统，其特征在于，所述气固稳定流通风系统包括轴流风机和变频器；所述温湿度调节系统采用智能控制型调节器，具有直接显示湿度、温度的可视化界面。
5.如权利要求4所述的煤矿井下PM2.5浓度模拟检测系统，其特征在于，所述变频器为变频三相异步电机。
6.如权利要求1所述的煤矿井下PM2.5浓度模拟检测系统，其特征在于，所述矿井环境风洞外壳采用PMMA有机玻璃制作且加入了抗静电剂。
7.如权利要求1所述的煤矿井下PM2.5浓度模拟检测系统，其特征在于，所述粉尘产生系统包括依次相连接的超声研磨分级系统、气溶胶粉尘发生器、空气压缩净化系统、粉尘产生器。
8.如权利要求1所述的煤矿井下PM2.5浓度模拟检测系统，其特征在于，所述PM2.5传感系统输出的电信号为电流或频率信号。
9.一种煤矿井下PM2.5浓度模拟检测方法,应用于如权利要求1-8任一项所述的煤矿井下PM2.5浓度模拟检测系统，其特征在于，包括如下步骤: 变频器带动轴流风机，通过调频方式改变风机速度使矿井环境风洞内的流体达到层流状态； 温湿度调节系统调节控制矿井环境风洞中的温度和湿度，使矿井环境风洞中的环境符合煤矿井下环境要求； 通过粉尘产生系统进行气溶胶粉尘制取，而后气溶胶粉尘喷入矿井环境风洞； PM2.5传感系统接收到气溶胶粉尘的浓度信号后转化为电信号，传送给信号采集分析系统； 信号采集分析系统采集信号并传输到上位机，所述上位机进行数据交互，对检测到的数据进行分析，对系统的设备进行控制，得出PM2.5的主要特征。
10.如权利要求9所述的煤矿井下PM2.5浓度模拟检测方法，其特征在于，所述通过粉尘产生系统进行气溶胶粉尘制取，而后气溶胶粉尘喷入矿井环境风洞，包括如下步骤:把煤块放入超声研磨分级系统中，磨制出PM2.5粉尘； 将PM2.5粉尘引入气溶胶粉尘发生器； 将从气溶胶粉尘发生器出来的气体引入空气压缩净化系统； 将经过压缩净化的空气接入粉尘产生器，调整好粉尘进给速度，靠空气压力把气溶胶粉尘喷入矿井环境风洞。
【文档编号】G01N15/06GK104296958SQ201410465950
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年9月12日 优先权日:2014年9月12日
【发明者】程学珍, 逄明祥, 于永进, 卫阿盈, 尹唱唱, 张玉曼, 崔立文, 王琰, 刘建航, 王程, 陈强 申请人:山东科技大学