沉积粉尘传感器的研制和应用

李 智, 王自亮, 隋金君, 赵恩彪

(煤炭科学研究总院重庆研究院, 重庆 400037)

摘 要: 介绍了沉积粉尘传感器的原理和结构, 重点阐述了称重传感器信号高精度 A /D 转换电路的设计和电路抗干扰措施的应用, 通过在阳煤集团新景矿的现场试验, 证明了研制的沉积粉尘传感器可以与 K J90等安全监控系统联网使用, 测量误差小于 5% 。

关键词: 沉积粉尘; 传感器; 称重传感器

中图分类号: TD714+ . 4 文献标志码: B 文章编号: 1008- 4495( 2009) S1- 0034- 03

在煤矿生产过程中, 采、掘、运各个工序将产生感器, 其综合误差为 0. 02% , 适合在沉积粉尘传感器

大量粉尘, 给作业人员的身体健康和矿井安全生产中应用。

造成极大危害, 同时飞扬的粉尘沉积在巷道中还潜伏着爆炸的危险。通常巷道中浮游粉尘浓度达不到煤尘爆炸下限 (煤尘的爆炸下限浓度为 45 g /m3,上

限浓度为 2 000 g /m3, 浓度为 300 g /m3 左右时煤尘的爆炸力 ), 但当沉积煤尘受冲击和振荡, 造成二次飞扬, 这时的粉尘浓度有可能达到爆炸下限, 从而造成煤尘爆炸。一旦发生煤尘爆炸, 就会造成人员大量伤亡, 设备严重损坏, 爆炸时产生的高温、高压和冲击波甚至会毁坏整个矿井。

目前对沉积煤尘的测定都采用人工方法, 在井下布置测量皿, 收集煤样后到地面用天平称重, 计算煤尘的沉积速度。煤炭科学研究总院重庆研究院研制的沉积粉尘传感器实现了对沉积粉尘的连续在线监测, 为粉尘沉积强度的测量提供了依据, 可由此来确定清扫周期, 科学管理沉积粉尘, 防止粉尘堆积,有效预防煤尘爆炸。

测量沉积煤尘的质量有 2 种方法, 一种是压电晶体频率感应法, 另一种是应用称重传感器实时测量。压电晶体的线性响应范围小, 晶体必须堆积较重粉尘 ( 1 g 以上 ) 才会适合此种测量方式, 其灵敏度和线性度都大幅降低, 误差增大, 因此不适合作为沉积煤尘传感器; 称重传感器一般用于天平等精密仪器的制造, 对使用环境的要求较高, 而沉积煤尘的测量在煤矿井下, 需要消除粉尘等环境因素的影响, 但称重传感器不受重量的限制, 量程为 500 g的传

1称重传感器测量原理

弹性体 (弹性元件, 敏感梁 ) 在外力作用下产生弹性变形, 使粘贴在其表面的电阻应变片 ( 转换元件 )也随同产生变形, 电阻应变片变形后, 其阻值将发生变化 ( 增大或减小 ), 再经相应的测量电路把此电阻变化转换为电信号, 从而完成将外力变换为电信号的过程。电阻应变片、弹性体和检测电路是称重传感器的几个主要组成部分。

电阻应变片是把 1根电阻丝机械分布在 1块有机材料制成的基底上,即成为一片应变片。假设有1根金属电阻丝, 其长度为 L, 横截面是半径为 r的圆形, 其面积记作 S, 其电阻率记作 Q,这种材料的泊松系数为 L。当这根电阻丝未受外力作用时, 其电阻值 R 为

R = QL /S

当电阻丝受力作用时, 将会伸长, 设其伸长 $L, 其横截面积则缩小, 即截面圆半径减少 $r。金属电阻丝在变形后, 电阻率也会有所改变, 记作 $ Q。通过微分计算, 应变片电阻的变化为

$RR = K $LL

$Q $L

K = 1+ 2L+QL

式中 K 为灵敏度系数, 其大小是由制作金属电阻丝材料的性质决定的一个常数, 与应变片的形状、尺寸大小无关, 不同材料的 K 值一般在 1. 7~ 3. 6; 其次 K 值是一个无因次量, 没有量纲。

弹性体是一个有特殊形状的结构件, 其功能有

二: 首先是承受称重传感器所受的外力, 对外力产生反作用力, 达到相对静平衡; 其次, 要产生一个高品质的应变场, 使粘贴在此区的电阻应变片比较理想地完成应变电信号的转换任务。

检测电路的功能是把电阻应变片的电阻变化转变为电压输出。称重传感器采用全桥式等臂电桥,其灵敏度, 各臂参数一致, 各种干扰的影响容易相互抵销。

2沉积粉尘传感器结构与组成

2. 1  总体结构设计

沉积煤尘传感器主要由外壳、防尘罩、称量盘、称重传感器和电路板组成。为了保证仪器的安全和增加仪器的稳定性, 外壳所用钢板厚度不低于 5 mm, 并在称量盘之上设计了防尘防风罩, 以减少井下风流对仪器的影响,确保测量准确。

2. 2  凹凸咬合式防尘结构的设计

称重传感器的支撑柱支撑着称量盘, 要求不得与其他任何物体接触,否则将严重影响称量的准确性。但另一方面为保证仪器的正常应用, 又必须对仪器进行密封, 为了解决这一矛盾, 特设计了凹凸咬合式防尘结构, 见图 1。

图 1  凹凸咬合式防尘结构图

从防尘罩与称量盘之间的间隙通过的含尘气流, 如果不采取措施, 将通过称重传感器支撑柱与外壳之间的间隙, 而流向仪器内部, 从而影响仪器的使用寿命和测量精度。因此, 设计凹凸咬合式结构, 以防止粉尘从此缝隙进入仪器内部。

3沉积粉尘传感器的电路系统设计

3. 1  硬件电路总体方案设计

电路系统是整个仪器的核心部分, 称重传感器输出信号的处理, 监控系统信号的输送、数据显示、运行模式的切换、红外遥控信号的处理、仪器的调零和标定等功能, 都是通过电路系统完成的。

图 2 为硬件电路系统结构框图, 硬件电路主要包括单片机系统、称重传感器信号高精度 A /D 转换、显示驱动、红外遥控接收电路、数据传输、ISP( 在

系统编程 ) 接口电路和电源电路等。

图 2  硬件电路系统结构框图

3. 2 称重传感器信号高精度 A /D 转换电路

由于称重传感器额定输出为 1. 5 mV /V, 输入电压 5 V, 量程为 600 g,即在满量程 600 g时, 传感器会输出 7. 5 mV 的电压信号。而沉积煤尘传感器显示精度为 0. 01 g, 因此 A /D 转换电路需要能分辨 01000 125 mV 的微弱信号才能到达要求。

CS5532是美国 C irrus Log ic公司推出的一种具有极低噪音的、多通道$) 2 型模拟 /数字转换器,由于其采用电荷平衡技术和极低噪声的可编程增益斩波稳定测量放大器, 可得到高达 24位分辨率的输出结果, 其精度高, 动态特性宽。 CS5532的差动输入端可以直接测量来自传感器的毫伏信号, 简化了与外围电路的连接。可编程增益放大器可使放大倍数从 1~ 32进行设定( 以 2倍步长增加 ), 大大提高了系统的动态特性。多级程控数字滤波器使得数据输出速率可选择 7. 5 H z~ 3. 84 kH z, 方便了与外设的连接。此外, CS5532内部有一个完整的自校正系统, 可进行自校准和系统校准, 可消除 A /D 本身的零点增益和漂移误差, 以及系统通道的失调和增益误差。宽动态特性、可编程输出速率、灵活的供电方式及简便的三线串行输出模式, 使得该 A /D 转换器极易和单片机接口, 非常适用于称重仪器高分辨率测量的情况。

在称重传感器信号处理及 A /D 转换过程中, 由于其信号非常微弱, 很容易受到各种干扰, 如 EM I干扰、地线干扰、电源干扰、电磁波干扰等,最终会严重影响仪器的测量准确度和稳定性, 因此抗干扰措施显得非常重要。在该设计中采用了各种方法来尽量降低各类干扰: EM I三端滤波电容滤除 EM I干扰; PCB 布线设置在大面积覆铜的干净模拟地平面上等方法消除地线干扰; 采用高精度线性稳压电源芯片对芯片独立供电; 采用无感电阻分压后的电压作为 A /D 的参考电源, 以此地消除电源干扰; 采用对 A /D 转换部分加屏蔽罩的方法来消除外界的电磁干扰。A /D 转换部分电路原理框图见图 3。

4现场试验及效果

图 4  沉积粉尘传感器 24 h连续监测曲线图

由于采煤队检修班每天都会对巷道进行冲洗,时间大约在 10: 00) 12: 00,此时粉尘和水雾较大, 在每天上午 12: 00后进入检修班, 此时不割煤, 粉尘较少, 一般到晚上又进入割煤工作状态。由于以上情况, 从图 4的监测曲线可以看出, 仪器的监测数据非常符合现场实际工作情况, 在每天上午 12: 00左右冲洗巷道时, 数据会有一次较大的增加, 然后进入检修班, 粉尘沉积量较小, 在晚上至次日 10: 00左右是工作班, 此时的粉尘浓度大, 粉尘沉积多,仪器测得的数据连续增加。

为了验证沉积粉尘传感器检测数据的准确性,将在井下收集仪器托盘上的粉尘拿到地面用天平称量, 并与传感器显示值进行对比, 测试结果见表 1。

表 1  沉积粉尘传感器与天平称量测试结果对比

5结论

沉积粉尘传感器经过各项实验证明, 该传感器可与 K J90、KJ2000等安全监控系统联网使用, 适合煤矿井下沉积粉尘的连续监测, 测量范围 0~ 100 g, 测量误差小于 5% 。

沉积粉尘传感器的成功研制我国同类仪器的空白, 为煤矿沉积粉尘连续监测提供基本测试手段, 为防止和预防粉尘爆炸提供了重要技术手段。

参考文献:

[ 1]  王自亮. 粉尘浓度传感器的研制和应用 [ J]. 工业安全与

环保, 2006, 32( 4): 24- 27.

(责任编辑: 吕晋英 )