基于光散射多源耦合的粉尘浓度检测技术.pdf

195移动扫码阅读Safety in Coal Mines,2023.54(8):195-201ZHAO2Zheng.Dust concentration detection technology based on light scattering multi-source coupling J.赵政.基于光散射浓度检测技54(8):195-201SafetyinCoal MinesAug.20232023年8 月No.8Vol.54煤砺发全第8 期第54 卷D0I:10.13347/ki.mkaq.2023.08.026基于光散射多源耦合的粉尘浓度检测技术赵政（中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆4 0 0 0 37）摘要：光散射法在粉尘检测领域被广泛应用，而技术的核心是检测误差；为进一步减小粉尘浓度的检测误差，提出一种光散射多源耦合的粉尘浓度检测技术。分析了MIE光散射的基本原理，数学推演得到光散射多源耦合理论，确定了光散射的2 个最佳角度，研制出光散射多源耦合粉尘浓度检测单元及样机；基于试验准备与系统，对样机的光电传感器1和传感器2 进行试验，采用多源数据耦合方法，将光电传感器1和传感器2 的AD值进行耦合，提出一种粉尘浓度检测算法，形成了光散射多源耦合粉尘浓度检测技术。试验发现：光散射多源耦合样机的检测相对误差9.5%，比光电传感器1小4.7%，比光电传感器2 小4.9%，证明光散射多源耦合样机比单角度的检测相对误差减小4.7%。关键词：光散射；粉尘浓度；检测误差；多源耦合；光电传感器中图分类号：TD714+.3文献标志码：B文章编号：10 0 3-4 9 6 X(2023)08-0195-07Dust concentration detection technology based on light scattersource couplingZHAO Zheng(China Coal Technology Engineering GroupChongqing Research Institute,Chongqing 400037,China)Abstract:The light scattering method is widely used in the field of dust detection,and the core of the technology is the detectionerror.In order to further reduce the detection error of dust concentration,a light scattering multi-source coupling dustconcentration detection technology is proposed in this paper.The study analyzes the basic principle of MIE light scattering,mathematically deduces the light scattering multi-source coupling theory,determines the two optimal angles of light scattering,anddevelops the light scattering multi-source coupling dust concentration detection unit and prototype.Based on the test preparationand system,the photoelectric sensors 1 and 2 of the prototype are tested.The multi-source data coupling method is used tocouple the AD values of the photoelectric sensors 1 and 2,and a dust concentration detection algorithm is proposed to form thelight scattering multi-source coupled dust concentration detection technology.The test found that the detection relative error of thelight scattering multi-source coupling prototype is less than 9.5%,which is 4.7%smaller than that of photoelectric sensor 1 and4.9%smaller than that of photoelectric sensor 2.It is proved that the relative error of the light scattering multi-source couplingprototype is reduced by 4.7%compared with the single-angle detection.Key words:light scattering;dust concentration;detection error;multi-source coupling;photoelectric sensor煤矿井下工作面在生产时将产生大量粉尘，不仅降低能见度影响现场生产和加大粉尘爆炸风险，而且增加了作业人员罹患尘肺病的风险 2 ，使得作业人员的作业环境安全和身心健康均得不到保障。为了保障安全生产和降低尘肺病患病风险，需要对粉尘污染进行快速治理，而治理的依据是粉尘浓度收稿日期：2 0 2 2-0 3-2 5责任编辑：兰莹基金项目：重庆市自然科学基金面上资助项目（cstc2020jcyj-msxmX0512）；中国煤炭科工集团重点资助项目（2 0 2 1-2-TD-ZD009）作者简介：赵政（19 8 3一），男，四川苍溪人，副研究员，博士，从事粉尘监测和尘肺预警的科研工作。E-mail:zhaozheng-:196+Om+1再令Io，将0 部分进行三角3Tdm由决定则lo、入、Ppvm、d 也被确定。此时粉尘浓度的检测仅旦入射光和被测粉尘确定但在现实使用中浓度检测与值相关,而k与lo、Pp v m、d相关。根据式（2）,pAm与I成正比；同时也发现，粉尘SafetyinCoal MinesAug.20232023年8 月煤砺岁全No.8Vol.54第54 卷第8 期准确检测，以测促治实现除尘。目前粉尘浓度在线检测的主要方法是光散射法 3。为了进一步降低粉尘浓度检测误差，国内外对光散射粉尘浓度检测技术研究的学者较多，从微观的粉尘颗粒光学特性到宏观的光散射结构和电路等均有涉及。ALEXAN-DERKonoshonki等 4 分别研究了0.532 m和1.0 6 4m2个波长的全光散射矩阵，得到了光散射消光系数与粉尘粒子空间取向数的关系，表明后向散射光矩阵的元素服从幂函数;HALDERPrithish等 5 研究了具有广泛孔隙率(0.59 0.9 8)的粉尘（0.7 2.0 m）的光散射特性;JENNIFERMAlexander等 实验测量了煤矿粉尘气溶胶的红外消光和可见光散射等光学特性，并与T-矩阵理论的模拟结果进行了比较；付士根等 7 基于光散射方法研制了以红外线发光二极管作为光源的呼吸性粉尘浓度个体监测仪；贾茜媛 8 推导了了多颗粒系的散射光能分布模型，且研制了粉尘颗粒测量系统及其测量软件；赵政9 基于光散射法研究了低功耗、高精度、高可靠性、运算处理高速度的粉尘浓度传感器。虽如此，目前仍缺乏针对煤矿井下粉尘检测的光散射多源耦合相关研究，其相关检测单元和算法存在差异。因此,针对煤矿粉尘，提出一种光散射多源耦合的粉尘浓度检测技术，通过试验验证了该技术减小了检测相对误差。1光散射法基本原理光散射检测粉尘浓度被广泛应用于煤矿采掘等工作面,MIE散射法粉尘浓度检测基本原理如图1 10 。PX图1MIE散射法粉尘浓度检测基本原理Fig.1Basic principle of dust concentration detection byMIE scattering method当1束强度为Io、波长为入的平行光，人射到达0点时，此时由于0 点粉尘颗粒的散射作用,将向各个方向发出散射光；当在P设置接收点，可以及时得到在该点的散射光强I。图1中0 点粉尘颗粒的真密度为pp；对光的折射率为m。研究发现,P点的散射光强I与此时O点的粉尘浓度pAm成正比 12 ：2I=3Tdm?-11+cos?0loPam(1)4p,入4m2+1式中：1为散射光强；为散射光的散射角，（）；d为被测粉尘颗粒直径,mm。2m?-1如果令k=3Td1+cos?Io,式(1)可4p入4m?+1以转换成：I=kpAm（2）由式(2)可见1与成正比例关系由式(2)可见，I与pAm成正比例关系2光散射多源耦合理论函数变化，得到：21I=kiCOs 20pAm(3)32在粉尘浓度检测过程中,ki确定不变，散射光在各个方向上的强度也被确定，此时只需寻找散射光强最大的位置（散射角度)来获取散射光强，实现粉尘浓度的最优检测将式（3)被测粉尘浓度与散射光强之间的关系变为式(4)。PAm(4)21COs 2032综上，当I一定，式（4)的分母足够小，则pAm就越容易被检测。再根据三角函数特性，当0=/2和9=3元/2 时，可以满足以上要求。可见，最有利于收集散射光强度的散射角度有2 个，若将这两者进行多源耦合可进一步降低粉尘检测误差。3光散射多源耦合粉尘检测单元根据以上分析，在散射角度为0=T/2和3/2进行多源散射光收集将进一步降低检测误差。因此，在这2 个角度位置分别设计光散射接收器件，2 个角度中间采用中空结构使粉尘快速通过，光散射多源耦合检测单元原理示意图如图2。197SafetyinCoal Mines2023年8 月Aug.2023煤防发全No.8Vol.54第8 期第54 卷检测电路1光电传感器1光学透镜组光敏感区激光光源被测粉尘光陷阱光电传感器2检测电路2图2光散射多源耦合检测单元原理示意图Fig.2Schematic diagram of light scatteringmulti-source coupled detection unit光散射多源耦合检测单元由3个部分（5种部件)组成：第1个是入射光发出部分，包含了1个激光光源和1个光学透镜组；第2 个部分是散射光收集部分，由2 个光电传感器（光电传感器1和光电传感器2)和2 个检测电路（检测电路1和检测电路2）组成；第3个部分是光陷阱，用于吸收入射光的无效反射光。当被测粉尘在光敏感区，粉尘颗粒将人射光进行散射，光电传感器1和光电传感器2 收集散射光转换成电信号，再经过检测电路1和检测电路2 得到MIE光散射法检测的被测粉尘的浓度值及对应的AD值。光散射多源耦合检测单元及被测粉尘运移示意图如图3。激光光源光学透镜组光电传感器2光电传感器1被测粉尘图3光散射多源耦合检测单元及被测粉尘运移示意图Fig.3Schematic diagram of light scattering multi-sourcecoupled detection unit and the movement ofthe measured dust从4 5角度观察，被测粉尘从光电传感器1和光电传感器2 中间平行运移飞出多源耦合检测单元。由于光陷阱的作用是让人射光不原路返回而干扰散射光，此处直接去掉光陷阱的作用是一样的，同时还可以使该单元结构更紧凑。4光散射多源耦合粉尘检测算法多源数据耦合技术是指在同一个平台上将多种数据源进行耦合处理，可以吸收不同数据源的特征，经过数学处理后可以提高平台的可靠性、生存能力，甚至可挖掘出平台新的特性及信息，扩大了平台的空间和时间覆盖率 13-16 。基于多源数据耦合方法，使用图3的光散射多源耦合粉尘检测单元，对进人光敏感区的被测粉尘在光电传感器1和光电传感器2检测得到的检测数据进行耦合，提出一种光散射多源耦合的粉尘浓度检测算法。而光散射多源耦合检测算法的数据来源完备的试验4.1试验系统试验系统主要指粉尘发尘系统，包含7 个部分，分别是压气泵、定量发尘器、风碉、风速测定仪、电脑控制平台、静电除尘器和变频风机，粉尘浓度检测试验系统示意图如图4，其中，定量发尘器的发尘范围为0 10 0 0 mg/m，风速测定仪的测量范围为0 30 m/s。电脑控制平台风速测定仪进风口广风碉定量发尘器444变频风机一风压气泵静电除尘器图4 粉尘浓度检测试验系统示意图Fig.4Schematic diagram of dust concentrationdetection test system试验的一致性是非常重要的，除了试验过程的操作和试验材料、仪器外，最重要的是试验系统的稳定性。为了尽可能排出系统误差，试验风碉内各个位置的风速均匀性误差5%，通过定量发尘器喷人风碉内的粉尘在垂直截面上的浓度均匀性误差5%、在水平截面上的浓度均匀性误差2%。自行研制的光散射多源耦合粉尘浓度检测样机。通过处理后将散射角0=T/2和0=3元/2 处分别的光电传感器1和光电传感器2 的检测值传输到MCU，得到不同粉尘浓度下的不同接收角度的AD值。4.2试验粉尘及标准仪器1)试验粉尘。由于研究主要针对煤矿工作面的粉尘检测，因此试验粉尘需要尽量与工业现场一致，:198Safety inCoal Mines2023年8 月Aug.2023No.8Vol.54煤防发全第54 卷第8 期其试验粉尘的制备过程如下：从工业现场采回较大的煤炭碎块，将其放人破碎机中进行对此破碎，使其成为颗粒较大的煤炭粉末；将煤炭粉末倒入到研磨机中，多次精细研磨是煤炭粉末的粒径进一步减小；使用自动筛选设备对研磨后的粉尘进行筛选,得到中位粒径7 5m的粉尘;将筛选出来的煤粉放人恒温箱中进行2 4 h恒伟处理，以备试验使用。2)标准仪器。粉尘浓度检测试验使用的标准仪器是国际通用的粉尘采样器，误差10%；称重使用的仪器是1/10 0 0 0 0 平台，量程0 4 2 g，分辨率0.010.1 mg。4.3试验方法及环境试验方法：采用国际通用的滤膜采样法，将含尘气流的粉尘采样到滤膜上，通过称量采样前后滤膜的质量，再除以采样流量和时间相乘得到的采样体积,可以计算得到被测粉尘浓度值 17-18 。粉尘浓度的计算公式如下：PAm=mzmL106(5)Qt式中：m1、m2 为滤膜采样前后的质量,mg;Q为采样流量，L/min;t为采样时间，min。试验环境：试验环境的差异也会影响粉尘浓度检测误差，因此试验系统建立在安装了恒温空调的实验室内。为了尽量排除环境对试验结果的影响，试验过程中，开启空调保持实验室内的温度恒定为(255)C,相对湿度6 0%。4.4试验过程1)从恒温箱中选取1张干净滤膜，置于天平中称重，记录质量为m1o2)开启图4 的试验系统，使粉尘均匀分布在风中，再将粉尘采样器和研制的光散射多源耦合样机置于风碉中同一截面的同一位置进行粉尘采样和浓度检测。3)经过一段时间后,结束采样和粉尘浓度检测，将采样器和样机取出，记录采样流量Q。4)从采样器中小心取出含尘的滤膜在天平上进行第2 次称重，记录质量为m2。5)根据式（5)计算得到采样器称重测量的浓度值pAm，作为试验的标准值。6)将样机的粉尘浓度测量值及相应的AD值与标准值进行对比分析。7)调节定量发尘器的发尘口,改变发尘浓度,重复1)6)步骤进行其他粉尘浓度下的对比试验。8）试验完成，关闭所有设备，将采样器和样机从风碉中取出归置。4.5光散射多源数据耦合及检测算法4.5.1光散射多源数据耦合根据试验准备，以粉尘采样器称重得到的浓度值作为标准值，对研制的光散射多源耦合样机进行不同粉尘浓度下的对比试验，得到2 个角度接收源的光电传感器1和光电传感器2 在不同浓度下的AD值以及样机测量值，将其进行记录整理。经过30次试验，抽取代表性的数据，光散射多源耦合粉尘浓度检测样机的光电传感器1和光电传感器2 检测粉尘浓度试验数据表见表1。表1光散射多源耦合粉尘浓度检测样机的光电传感器1和光电传感器2 检测粉尘浓度试验数据表Table 1 Photoelectric sensor 1 and photoelectric sensor 2of light scattering multi-source coupling dustconcentration detection prototype test datatablefor dust concentration detection测量浓度/mgm）检测相对误差/%AD值光电传光电传光电传光电传光电传光电传采样器感器1感器2感器1感器2感器1感器23.03.33.38.59.36.476300715.016.416.59.510.26581316536.840.340.89.710.96740335940.244.544.710.611.26.8473.44946.351.851.711.911.86929370756.551.662.1-8.79.97 150415778.886.572.89.9-7.67550421988.581.896.7-7.69.376104321115.3128.8127.011.810.28 1775 018159.5180.1177.512.911.386355581165.5188.2183.413.710.89.3766287180.5204.3203.613.212.89 4736.462191.0215.1213.012.611.59.5176 634194.0221.4219.614.113.29.6426 696226.0254.5258.112.614.211 6508418230.5260.9261.813.213.612.5408897277.0313.6310.013.211.913 0659354380.5433.4428.113.912.5133309.789388.5443.3435.514.112.1138029874395.5441.0364.711.5-7.813.98010216401.5440.8458.59.814.21435210 567418.0460.6476.910.214.114525 10756421.5476.7478.813.113.616 27111 983426.5394.5481.5-7.512.917 00612 648457.0513.2517.312.313.217 30212.784555.0635.5629.914.513.517 88913 849光散射多源耦合粉尘浓度检测样机2 个角度的光电传感器1和光电传感器2 输出的AD值是粉尘199SafetyinCoal MinesAug.20232023年8 月No.8Vol.54煤矿发全第8 期第54 卷浓度标定的基础，绘制的AD值与粉尘浓度之间的关系曲线分别为m（x）、n（x），光散射多源耦合粉尘浓度检测样机的光电传感器1和光电传感器2 的AD值曲线图如图5。1800016 0001400012000100008 0006 0004 000光电传感器1的AD值曲线m（x）2 000一光电传感器2 的AD值曲线n（x）0100.0200.0300.0400.0500.0600.0粉尘浓度/（mgm3）)图5光散射多源耦合粉尘浓度检测样机的光电传感器1和光电传感器2 的AD值曲线图Fig.5AD value curves of photoelectric sensor 1 andphotoelectric sensor 2 of light scattering multi-sourcecoupled dust concentration detection prototype由表1可知：光散射多源耦合粉尘浓度检测样机的2 个角度对应的光电传感器1和光电传感器2的粉尘浓度检测相对误差分别为-8.7%14.5%、-7.8%14.2%，其相对误差跨度较大，最大误差值也较大。可见，单角度粉尘浓度检测的相对误差较大，检测相对误差仍需减小。借助于2 个光散射接收角度的光电传感器1和光电传感器2 输出的AD值，基于多源数据耦合方法，探寻一种能减小粉尘浓度检测误差的AD融合值，即是多源耦合值。将被测粉尘浓度划分为n段:0 xi 10 0 mg/m的较小，说明光散射式粉尘浓度传感器更适用于测量粉尘浓度较低的工业现场。6结语经过多源耦合理论分析，研制了光散射多源耦合粉尘浓度检测单元及样机。采用实验和理论分析的方法，完成了光散射多源耦合粉尘浓度检测算法，形成了光散射多源耦合粉尘浓度检测技术。试验证明：光散射多源耦合检测样机的检测相对误差9.5%，比光电传感器1的检测相对误差小4.7%，比光电传感器2 的检测相对误差小4.9%。针对试验结果进行分析，光散射式粉尘浓度传感器更加适用于测量粉尘浓度较低的工业现场。参考文献(References):1PORTARAPILLO Maria,DANZI Enrico,SANCHIRICORoberto,et al.Energy Recovery from Vinery Waste:DustExplosion IssuesJ.Applied Sciences,2021,11(23):11188.2ABBASI Behrooz,WANG Xiaoliang,CHOW Judith C,et al.Review of respirable coal mine dust characteriza-tion for mass concentration,size distribution and chemi-cal compositionJ.Minerals,2021,11(4):426.3KELLY K E,WHITAKER J,PETTY A,et al.Ambientand laboratory evaluation of a low-cost particulate mat-ter sensorJ.Environmental Pollution,2017,221:491-500.4ALEXANDER Konoshonkin,NATALIA Kustova,ANA-TOLI Borovoi,et al.Using the Physical Optics Approxi-mation for Estimating the Light Scattering Properties ofLarge Dust Particles for 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