基于光学方法的井下多波段实时黑炭浓度监测仪及方法

本发明属于颗粒浓度监测，具体涉及一种基于光学方法的井下多波段实时黑炭浓度监测仪及方法。

背景技术：

1、柴油机排放颗粒物指柴油机在运行时尾部排气中含有的颗粒物，其主要成分为碳、金属微粒和硫化物等，通常粒径小于1μm。目前矿井下常用的柴油机设备有防爆柴油机、柴油铲运机和柴油牵引车等，在作业过程中，工人会长期接触柴油机排放颗粒物，长此以往会引起一系列健康的问题，如肺部疾病、心血管疾病和呼吸道疾病等，因此，在矿井井下监测柴油机排放颗粒物的浓度是很有必要的。现有技术中，常见的柴油机排放颗粒物浓度监测方法有：1.采样分析法，如niosh method 5040，即对柴油机排放颗粒物先进行分离，再进行仪器检测或化学分析检测，这种方法精确度高，采样时间长，需要在实验室中进行，且需要预处理；2.光散射法，如aethalometer法，这种方法利用柴油机排放颗粒物的光散射性能，分析光强度变化进而获得浓度，可以做到近实时采样，不需要实验室环境，但是其精确度一般，无法排除小颗粒煤尘的干扰；3.称重法，如teom法，这种方法使气流以一定的排气量通过滤纸，以滤纸上留下的碳粒重量来计算振荡频率变化与颗粒物浓度的关系，这种方法精度较好，但依然无法排除小颗粒煤尘的干扰。

2、因此，亟需提供一种在矿井下能应用的柴油机排放颗粒物实时监测方法，来解决柴油机排放污染浓度测量实时采集信号困难、无法排除小颗粒煤尘干扰等问题。

技术实现思路

1、针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于光学方法的井下多波段实时黑炭浓度监测仪，该监测仪结构简单、维护方便、制造成本低，检测精度高，其可以在线高效的实现井下多波段的黑炭浓度的检测作业。该方法步骤简单，检测精度高，能够有效解决现有柴油机排放颗粒物浓度测试技术中实时采集信号困难，且易受到井下小颗粒煤尘干扰的问题。

2、为了实现上述目的，本发明提供了一种基于光学方法的井下多波段实时黑炭浓度监测仪，包括壳体、主动卷筒、从动卷筒、步进电机、滤膜带、采样检测筒、对照检测筒、取样泵、激光平行光管一、激光平行光管二、采样光度接收器、对照光度接收器、升降支架和数据处理器；

3、所述壳体为本安防爆型壳体，其防尘等级为ip68；壳体上开设有主进气口和主出气口；

4、所述主动卷筒和从动卷筒分别设置在壳体内腔的左部和右部，且分别通过各自中心的旋转轴与壳体可转动的连接；

5、所述步进电机安装在壳体的内腔中，且其输出轴与主动卷筒中心的转轴连接；

6、所述滤膜带的中段水平地设置在主动卷筒下圆面和从动卷筒下圆面的下部，其一端绕设连接在主动卷筒上，其另一端绕设连接在从动卷筒上；

7、所述采样检测筒和对照检测筒并排地设置在主动卷筒和从动卷筒之间的区域；采样检测筒由尺寸相适配的上采样筒体和下采样筒体组成，且二者相对的一端均为敞口结构；对照检测筒由尺寸相适配的上对照筒体和下对照筒体组成，且二者相对的一端均为敞口结构；上采样筒体和上对照筒体均与壳体固定连接，二者的上端中心均开设有入射孔，且二者的下开口端均与滤膜带的上表面滑动接触；下采样筒体和下对照筒体分别设置在上采样筒体和上对照筒体的下方，二者的下开口端均开设有检测孔，且二者的上开口端分别与上采样筒体和上对照筒体的下开口端相对应地设置；在上采样筒体的中部开设有进气孔，在下采样筒体的中部开设有出气孔，所述进气孔通过进气管路与主进气口连接；

8、所述取样泵安装在壳体的内部，其进气端通过连通管路与出气孔连接，其出气端通过排气管路与主出气口连接；

9、所述激光平行光管一和激光平行光管二的型号相同，其内部均具有波长为420nm和880nm的激光二极管元件；所述激光平行光管一和激光平行光管二分别安装在上采样筒体和上对照筒体的上端，且激光平行光管一和激光平行光管二的发射面分别设置在上采样筒体和上对照筒体的入射孔中；

10、所述采样光度接收器和对照光度接收器分别安装在下采样筒体和下对照筒体的下端，且采样光度接收器和对照光度接收器的接收面分别设置在下采样筒体和下对照筒体的检测孔中，并分别对应激光平行光管一和激光平行光管二发射面的设置；

11、所述升降支架由并排设置的两个直线电动推杆组成；两个直线电动推杆分别位于采样光度接收器和对照光度接收器的下方，两个直线电动推杆的座体与壳体固定连接，两个直线电动推杆的杆端分别通过采样光度接收器和对照光度接收器与下采样筒体的下端和下对照筒体的下端连接，用于在同步伸缩过程中驱动下采样筒体和下对照筒体的同步上升和同步下降动作；

12、所述数据处理器分别与步进电机、取样泵、激光平行光管一、激光平行光管二、采样光度接收器、对照光度接收器和直线电动推杆连接。

13、进一步，为了方便实时获得气流的流速，所述连通管路上串接有流量计，所述流量计与数据处理器连接。

14、进一步，为了方便操作人员实时查看各项数据，同时，为了方便向操作人员提供人机接口，所述壳体上分别安装有显示屏、控制面板和开关，所述显示屏、开关和控制面板均与数据处理器连接。

15、进一步，为了方便对柴油机排放颗粒进行粒径初步筛选，所述主进气口中设置有尼龙旋风分离器，所述尼龙旋风分离器与数据处理器连接。

16、本发明中，通过并排设置采样检测筒和对照检测筒，并于采样检测筒和对照检测筒的上端分别装配激光平行光管一和激光平行光管二，于采样检测筒和对照检测筒的下端分别装配采样光度接收器和对照光度接收器，同时，使滤膜带横向的穿过采样检测筒和对照检测筒，如此，便可以利用激光平行光管二、对照检测筒和对照光度接收器形成的对照组，进而可以利用对照组对通过气流前的滤膜带进行光信号检测，同时，可以利用激光平行光管一、采样检测筒和采样光度接收器形成检测组，进而可以利用检测组对通过气流后的滤膜带进行光信号检测。该监测仪可以利用同步对照的方式对气流通过前后的光通量进行同步检测，进而不仅可以方便的获得颗粒气流的浓度，而且能有效提高检测精度。通过使激光平行光管一和激光平行光管二的内部均包括波长420nm和880nm的激光二极管元件，可以使激光平行光管一和激光平行光管二同步选用其中的一种波段进行作业，进而可以使该监测仪具备多波段的检测能力。同时，还能便于在某一特定环境下对某一特定气体中的颗粒物进行不同波长光信号的检测作业，从而可以便于获得不同波长下光信号的比值。利用两个直线电动推杆组成升降支架，可以方便的对下采样筒体和下对照筒体进行同步的升降控制，这样，能方便的控制下采样筒体和下对照筒体分别脱离上采样筒体和上对照筒体，从而能方便进行该监测仪的维护工作，也能方便进行滤膜带的装配作业，还能方便的控制下采样筒体和下对照筒体分别靠近上采样筒体和上对照筒体，并使下采样筒体和上采样筒体之间、下对照筒体和上对照筒体之间形成供滤膜带可滑动穿过的间隙，从而便于滤膜带的连续移动操作；该监测仪结构简单、维护方便、制造成本低，检测精度高，可以在线高效的实现井下多波段的颗粒物浓度检测作业。

17、本发明还提供了一种基于光学方法的井下多波段实时黑炭浓度监测方法，采用一种基于光学方法的井下多波段实时黑炭浓度监测仪，包括以下步骤：

18、步骤一：获得柴油机尾气中颗粒物在880nm波长下光信号与在420nm波长下光信号的比值；

19、s11：将基于光学方法的井下多波段实时黑炭浓度监测仪置于仅具有柴油机尾气的测试空间中；通过数据处理器控制升降支架向外部伸出设定长度，使下采样筒体和下对照筒体同步上升到靠近上采样筒体和上对照筒体的位置，并确保在上升动作后下采样筒体和上采样筒体之间形成的间隙、下对照筒体和上对照筒体之间形成的间隙与滤膜带的厚度相匹配；

20、s12：通过数据处理器控制取样泵启动工作，利用取样泵负压作用于采样检测筒，使样品流通过主进气口、进气管路和进气孔进入到上采样筒体中，并通过滤膜带进入到下采样筒体中，再通过出气孔、连通管路、取样泵、排气管路和主出气口排出到外部；

21、同步地，控制激光平行光管一发出880nm波长的激光，并利用位于采样检测筒中的一段滤膜带收集样品流中的颗粒物，同时，利用采样光度接收器对通过气流后的一段滤膜带进行光信号检测，并获得第一采样光信号，再将第一采样光信号转换为第一采样电信号v880后发送给数据处理器；

22、s13：通过数据处理器控制取样泵停止工作，控制激光平行光管一停止工作，并控制步进电机启动工作，并在步进电机顺时针旋转过设定角度后再控制其停止工作，该过程中，利用主动卷筒的同步转动带动滤膜带向左侧移动设定距离，使未使用过的一段滤膜带进入到采样检测筒中；

23、s14:通过数据处理器控制取样泵启动工作，同步地，控制激光平行光管一发出420nm波长的激光，并利用位于采样检测筒中的一段滤膜带收集样品流中的颗粒物，同时，利用采样光度接收器对通过气流后的一段滤膜带进行光信号检测，并获得第二采样光信号，再将第二采样光信号转换为第二采样电信号v420后发送给数据处理器；

24、s15:通过数据处理器控制取样泵停止工作、控制激光平行光管一停止工作；

25、s16:通过数据处理器根据所接收到的第一采样电信号v880和第二采样电信号v420获得柴油机尾气中颗粒物在880nm波长下光信号与在420nm波长下光信号的比值

26、步骤二：获得煤尘中颗粒物在880nm波长下光信号与在420nm波长下光信号的比值；

27、s21：将基于光学方法的井下多波段实时黑炭浓度监测仪置于仅具有煤尘的测试空间中；

28、s22：通过数据处理器控制取样泵启动工作，利用取样泵负压作用于采样检测筒，使样品流通过主进气口、进气管路和进气孔进入到上采样筒体中，并通过滤膜带进入到下采样筒体中，再通过出气孔、连通管路、取样泵、排气管路和主出气口排出到外部；

29、同步地，控制激光平行光管一发出880nm波长的激光，并利用位于采样检测筒中的一段滤膜带收集样品流中的颗粒物，同时，利用采样光度接收器对通过气流后的一段滤膜带进行光信号检测，并获得第三采样光信号，再将第三采样光信号转换为第三采样电信号v880后发送给数据处理器；

30、s23：通过数据处理器控制取样泵停止工作，控制激光平行光管一停止工作，并控制步进电机启动工作，并在步进电机顺时针旋转过设定角度后再控制其停止工作，该过程中，利用主动卷筒的同步转动带动滤膜带向左侧移动设定距离，使未使用过的一段滤膜带进入到采样检测筒中；

31、s24:通过数据处理器控制取样泵启动工作，同步地，控制激光平行光管一发出420nm波长的激光，并利用位于采样检测筒中的一段滤膜带收集样品流中的颗粒物，同时，利用采样光度接收器对通过气流后的一段滤膜带进行光信号检测，并获得第四采样光信号，再将第四采样光信号转换为第四采样电信号v420后发送给数据处理器；

32、s25:通过数据处理器控制取样泵停止工作、控制激光平行光管一停止工作；

33、s26:通过数据处理器根据所接收到的第三采样电信号v880和第四采样电信号v420获得煤尘中颗粒物在880nm波长下光信号与在420nm波长下光信号的比值

34、步骤三：获得柴油机尾气和煤尘气流所形成的混合气流在880nm波长下光信号和在420nm波长下光信号的比值；

35、s31：将基于光学方法的井下多波段实时黑炭浓度监测仪置于井下的测试空间中，该测试空间中具有柴油机尾气和煤尘气流的混合气流；

36、s32：通过数据处理器控制取样泵启动工作，利用取样泵负压作用于采样检测筒，使样品流通过主进气口、进气管路和进气孔进入到上采样筒体中，并通过滤膜带进入到下采样筒体中，再通过出气孔、连通管路、取样泵、排气管路和主出气口排出到外部；

37、同步地，控制激光平行光管一发出880nm波长的激光，并利用位于采样检测筒中的一段滤膜带收集样品流中的颗粒物，同时，利用采样光度接收器对通过气流后的一段滤膜带进行光信号检测，并获得第五采样光信号，再将第五采样光信号转换为第五采样电信号v880后发送给数据处理器；

38、s33：通过数据处理器控制取样泵停止工作，控制激光平行光管一停止工作，并控制步进电机启动工作，并在步进电机顺时针旋转过设定角度后再控制其停止工作，该过程中，利用主动卷筒的同步转动带动滤膜带向左侧移动设定距离，使未使用过的一段滤膜带进入到采样检测筒中；

39、s34:通过数据处理器控制取样泵启动工作，同步地，控制激光平行光管一发出420nm波长的激光，并利用位于采样检测筒中的一段滤膜带收集样品流中的颗粒物，同时，利用采样光度接收器对通过气流后的一段滤膜带进行光信号检测，并获得第六采样光信号，再将第六采样光信号转换为第六采样电信号v420后发送给数据处理器；

40、s35:通过数据处理器控制取样泵停止工作、控制激光平行光管一停止工作；

41、s36:通过数据处理器根据所接收到的第五采样电信号v880和第六采样电信号v420获得混合气流中颗粒物在880nm波长下光信号与在420nm波长下光信号的比值

42、步骤四：获得煤尘中颗粒物的百分比含量y与柴油机尾气中颗粒物的百分比含量x；

43、对于混合气流，数据处理器利用公式(1)和公式(2)计算出煤尘中颗粒物的百分比含量y与柴油机尾气中颗粒物的百分比含量x；

44、x+y＝1(1)；

45、

46、其中，表示柴油机尾气中颗粒物在880nm波长下光信号与在420nm波长下光信号的比值；表示煤尘中颗粒物在880nm波长下光信号和在420nm波长下光信号的比值；表示柴油机尾气和煤尘气流所形成的混合气流在880nm波长下光信号和在420nm波长下光信号的比值；

47、步骤五：获得井下测试空间中气流的总颗粒物浓度c1；

48、s51：将基于光学方法的井下多波段实时黑炭浓度监测仪置于井下的测试空间中；

49、s52：通过数据处理器控制取样泵启动工作，控制步进电机以间歇的方式启动工作，并控制激光平行光管一和激光平行光管二发出同一波长的激光，利用取样泵负压作用于采样检测筒，使样品流通过主进气口、进气管路和进气孔进入到上采样筒体中，并通过滤膜带进入到下采样筒体中，再通过出气孔、连通管路、取样泵、排气管路和主出气口排出到外部；

50、该过程中，利用位于采样检测筒中的一段滤膜带收集样品流中的颗粒物；同时，利用对照光度接收器对通过气流前的一段滤膜带进行光信号检测，并获得对照光信号，再将对照光信号转换为对照电信号v0后发送给数据处理器；利用采样光度接收器对通过气流后的一段滤膜带进行光信号检测，并获得混合气流采样光信号，再将混合气流采样光信号转换为混合气流采样电信号v后发送给数据处理器；

51、s53：数据处理器利用公式(3)计算出气流的总颗粒物浓度c1；

52、

53、式中，k为单位浓度的颗粒气流消光系数，l为光穿过颗粒气流的厚度；

54、步骤六：获得混合气注中柴油机尾气中颗粒物的浓度cdiesel和煤尘中颗粒物的浓度ccoal；

55、数据处理器利用公式(4)计算出柴油机尾气中颗粒物的浓度cdiesel，利用公式(5)计算出煤尘中颗粒物的浓度ccoal；

56、cdiesel＝x×c1(4)；

57、ccoal＝y×c1(5)。

58、进一步，为了方便操作人员实时查看测试数据，在步骤五的s52中，利用流量计实时采集通过连通管路的流量信号并发送给数据处理器；在步骤六中，根据所接收到的流量信号获得气流的流速，根据内部的计时模块获得监测仪的工作时长，根据步进电机所转过的角度匹配出滤膜带的滤膜使用比，并将柴油机尾气中颗粒物的浓度cdiesel、煤尘中颗粒物的浓度ccoal、气流的流速、工作时长和滤膜使用比发送给显示屏进行实时显示。

59、本方法步骤简单，其通过对照的方式对气流通过前后的滤膜带进行光通量进行检测，进而能实时获得井下混合气流中总颗粒物的浓度，再利用事先已测得的柴油机尾气中颗粒物在880nm波长下光信号与在420nm波长下光信号的比值、事先已测得的煤尘中颗粒物在880nm波长下光信号和在420nm波长下光信号的比值、事先已测得的井下混合气流在880nm波长下光信号和在420nm波长下光信号的比值计算出煤尘中颗粒物的百分比含量及柴油机尾气中颗粒物的百分比含量，便可以有效排除煤尘中颗粒物的干扰，进而能准确的获得柴油机中颗粒物的浓度和煤尘中颗粒物的浓度。本方法充分结合了光吸收效应与光散射效应，通过该方法可极大的提高检测精度，能够有效解决现有柴油机排放颗粒物浓度测试技术中实时采集信号困难，且易受到井下小颗粒煤尘干扰的问题。