本發(fā)明涉及粉塵顆粒測量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及煤礦粉塵顆粒濃度及粒徑測量系統(tǒng)，同時，也可以應(yīng)用于金屬礦山巖石粉塵、隧道巖石粉塵和空氣污染等顆粒物的濃度及粒徑測量。
背景技術(shù)：
煤礦粉塵指巖塵和煤塵，是煤礦的五大災(zāi)害之一，其產(chǎn)生在煤炭開采過程及運輸?shù)绕渌ば蛑?。具有高產(chǎn)、高效、低耗特點的現(xiàn)代化開采技術(shù)，其產(chǎn)塵量相比傳統(tǒng)開采手段大量增加。研究表明，在無防塵措施的情況下，炮采工作面的粉塵濃度可達300～500mg/m3，機采工作面的粉塵濃度可達1000～3000mg/m3，綜采工作面的粉塵濃度可達4000～8000mg/m3。長期處于含塵環(huán)境的作業(yè)人員吸入大量的粉塵，易導(dǎo)致嚴重的塵肺病。同時，當粉塵濃度達到一定的范圍時，在引爆熱源的作用下，容易發(fā)生劇烈的爆炸。因此，掌控煤礦井下作業(yè)環(huán)境的粉塵濃度和粒徑對綜合防塵和安全生產(chǎn)具有重要意義。
國內(nèi)通常采用人工定時定點檢測方法，這種方法測得的數(shù)據(jù)僅反應(yīng)了測塵時間段內(nèi)的粉塵狀況，并不能全面、準確地反映煤礦井下實時、多空間的總體粉塵情況。目前，在粉塵濃度和粒徑測量方面，主要測量手段有濾膜法、微量振蕩天平法、射線吸收法和黑度法等，然而這些方法均存在自身缺陷。例如，濾膜法需要手動操作將顆粒物捕集于高性能濾膜上，操作繁雜，實驗精度的影響因素較多；微量振蕩天平法存在著受溫度和空氣濕度影響較大；黑度法測量精度易受操作人員視力、判斷力和環(huán)境因素影響?，F(xiàn)有測量裝置和方法存在可靠性低、測量速度慢和操作復(fù)雜等缺點，并且難以在較寬工況范圍內(nèi)同時測量濃度和粒徑。因此，迫切需要尋求一種測量系統(tǒng)以彌補現(xiàn)有技術(shù)的不足。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
為了解決現(xiàn)有技術(shù)中所存在的問題，本發(fā)明的目的是提供一種煤礦粉塵顆粒濃度及粒徑測量系統(tǒng)，其操作簡便，測試響應(yīng)靈敏，測量精度高，使用安全可靠。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種煤礦粉塵顆粒濃度及粒徑測量系統(tǒng)，其特征在于，干燥管和樣品收集器之間管路連接手動泵和第三閥門，樣品收集器通過第二閥門連接樣品池，樣品池通過第四閥門外接真空泵；激光器產(chǎn)生激光束經(jīng)過透鏡，通過第一分光片后經(jīng)過第二反射鏡和第一反射鏡，通過第二分光片穿過樣品池，透過光闌經(jīng)過第四反射鏡和第三反射鏡后穿過濾光片，進入光電計數(shù)管達到數(shù)字相關(guān)器；平流泵外連儲罐，并通過第一閥門和噴嘴連接至樣品收集器，樣品收集器通過第二閥門連接至布設(shè)有濕度傳感器的樣品池；恒溫油浴通過冷卻管連接箱體，表面均勻纏繞電阻絲的樣品池置于箱體內(nèi)，樣品池內(nèi)布設(shè)外接溫度控制器的控溫傳感器和外接交流測溫電橋的測溫傳感器，壓力傳感器通過管路連接樣品池和數(shù)字源表，交流測溫電橋、溫度控制器及數(shù)字源表連接至計算機。
優(yōu)選地，激光器是氫離子激光器，輸出功率為200mw，波長532nm；激光器也可以采用連續(xù)型固體激光器，其輸出功率為300mw，波長532nm。
優(yōu)選地，光電計數(shù)管采用sipc-iii型alv，后脈沖效應(yīng)很小。
優(yōu)選地，數(shù)字相關(guān)器采用alv-lincorr型高速線性相關(guān)器或bi-9000at數(shù)字相關(guān)器。
優(yōu)選地，平流泵采用雙柱塞串聯(lián)式往復(fù)平流泵實現(xiàn)液體增壓，流量范圍為0.001～2ml/min。
優(yōu)選地，濕度傳感器采用氧化鋁電容式濕度傳感器，使用范圍為-10℃～120℃，測量氣體流量為3～5l/min。
優(yōu)選地，噴嘴選用全銅微調(diào)精細霧化噴嘴，工作壓力為1.5～3mpa，360度全覆蓋噴霧，可以較好地滿足霧化加濕控制。
優(yōu)選地，在樣品池均勻纏繞外徑為3mm，長度為18m，電阻為70ω的電阻絲，電阻絲外層包覆硅膠層和玻璃纖維管，耐溫最高可達300℃，為了更好地調(diào)節(jié)電阻值控制加熱量，電阻絲串聯(lián)最大電阻200ω的滑動變阻器。
優(yōu)選地，交流測溫電橋和數(shù)字源表均通過labview語言編制采集程序?qū)崿F(xiàn)實時采集，通過計算機進行處理。
優(yōu)選地，真空泵采用直聯(lián)式旋片機械真空泵或雙級油封旋片真空泵，極限抽壓為6×10-6pa。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效果：
(1)本發(fā)明采用激光測量手段，具有較強的穿透性，實現(xiàn)無接觸測量，操作簡便，測量精度高，使用安全可靠。
(2)本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)快速實時測量，較好地與計算機實現(xiàn)集成，達到測量裝置較高的自動化程度，同時，光電元件響應(yīng)時間很短，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)靈敏度。
(3)本發(fā)明結(jié)合樣品收集和霧化加濕實現(xiàn)對待測樣品的濕度控制，為研究不同濕度條件下粉塵的濃度和粒徑分布規(guī)律提供支持。
(4)本發(fā)明可以在較寬范圍內(nèi)同時測量粉塵顆粒的濃度和粒徑。
附圖說明
圖1是本發(fā)明系統(tǒng)示意圖。
附圖標號：1-儲罐；2-平流泵；3-第一閥門；4-噴嘴；5-第二閥門；6-樣品收集器；7-手動泵；8-第三閥門；9-干燥管；10-第一反射鏡；11-第二反射鏡；12-第一分光片；13-數(shù)字相關(guān)器；14-透鏡；15-光電計數(shù)管；16-激光器；17-濾光片；18-第三反射鏡；19-第四反射鏡；20-光闌；21-恒溫油??；22-箱體；23-樣品池；24-電阻絲；25-冷卻管；26-控溫傳感器；27-濕度傳感器；28-測溫傳感器；29-第二分光片；30-第四閥門；31-真空泵；32-壓力傳感器；33-交流測溫電橋；34-溫度控制器；35-數(shù)字源表；36-計算機。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明做進一步詳細說明。
本發(fā)明公開了煤礦粉塵顆粒濃度及粒徑測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)由樣品收集系統(tǒng)、光學系統(tǒng)、濕度控制系統(tǒng)和溫度及壓力控制測試系統(tǒng)組成。
樣品收集系統(tǒng)包括：第二閥門5，樣品收集器6，手動泵7，第三閥門8，干燥管9，樣品池23，第四閥門30，真空泵31。
關(guān)閉第二閥門5和第三閥門8，打開真空泵31并開啟第四閥門30對樣品池23進行抽真空，關(guān)閉第四閥門30同時打開第三閥門8，含塵氣體通過干燥管9干燥，開啟第二閥門5后進入樣品收集器6，關(guān)閉第二閥門5，旋轉(zhuǎn)手動泵7將收集的樣品壓入樣品池23中。
進一步地，手動泵7為hip50-6-15高壓活塞泵，最大工作壓力可達100mpa，一次沖稱工作容積約20ml，通過正反旋轉(zhuǎn)手柄推動活塞壓縮氣體進行進樣和壓力控制。
進一步地，樣品收集器6采用不銹鋼1cr18ni9ti材料，外徑10mm，壁厚2mm，兩端采用螺紋夾具密封，并與第三閥門連接，可以借助khc-2000b智能雙路大氣采樣器，自動連續(xù)進行樣品采集。
進一步地，樣品池23選用316號(00cr17ni14mo2)不銹鋼材料，有效容積約為48cm3，透光窗口尺寸為φ30×30mm，采用φ22.4×2.65mm規(guī)格的氟素橡膠(fkm)o型圈和聚四氟乙烯墊圈共同實現(xiàn)端面靜密封，聚四氟乙烯工作溫度范圍為-190～250℃，具有優(yōu)良的化學穩(wěn)定性和耐腐蝕性能。
進一步地，真空泵31可以采用zxc-4b直聯(lián)式旋片機械真空泵，極限抽壓為6×10-6pa，采用zdf-5327m微型復(fù)合真空計進行真空度測量，測量范圍為1.0×103～1.0pa。
光學系統(tǒng)包括：第一反射鏡10，第二反射鏡11，第一分光片12，數(shù)字相關(guān)器13，透鏡14，光電計數(shù)管15，激光器16，濾光片17，第三反射鏡18，第四反射鏡19，光闌20，第二分光片29。
激光器16產(chǎn)生激光束經(jīng)過透鏡14準直，通過第一分光片12后經(jīng)過第一反射鏡10和第二反射鏡11，反射后的光束通過第二分光片29經(jīng)過樣品池23內(nèi)的粉塵顆粒進行多次散射，透過光闌20經(jīng)過第四反射鏡19和第三反射鏡18穿過濾光片17，進入光電計數(shù)管15達到數(shù)字相關(guān)器13。
進一步地，激光器16采用氫離子激光器，輸出功率為200mw，波長532nm，激光器也可以采用連續(xù)型固體激光器，其輸出功率為300mw，波長532nm。
進一步地，光電計數(shù)管15采用sipc-iii型alv，后脈沖效應(yīng)小至50ns，短時間計算高達10mhz，同時具有較低噪聲，一般為250cps，也可以采用h6264光子計數(shù)器，響應(yīng)速度100ns，較小的后脈沖。
進一步地，數(shù)字相關(guān)器13采用alv-lincorr型高速線性相關(guān)器或bi-9000at數(shù)字相關(guān)器，采樣時間范圍分別為25ns～40ms和500ns～50ms，最大延遲時間范圍為25ns～1310s，最大計數(shù)速度分別為40m·s-1和80m·s-1，最大計數(shù)通道分別為522和2048。
進一步地，根據(jù)如下的beer-lambert定律進行粉塵顆粒濃度關(guān)聯(lián)計算：
i(λ)＝i0(λ0)e-ραl(1)
式中：i(λ)為入射光強度/mw，i0(λ0)為經(jīng)過顆粒散射后的光強度/mw，ρ為顆粒濃度/ug·cm-3，l為光波經(jīng)歷路程/m，α為顆粒對光的耗散作用系數(shù)。
進一步地，根據(jù)如下的stokes-einstein定律進行粉塵粒徑計算：
式中：kb為玻爾茲曼常數(shù)，t為粉塵顆粒溫度/k，η為粘性系數(shù)/mpa·s，d自擴散系數(shù)。
濕度控制系統(tǒng)包括：儲罐1，平流泵2，第一閥門3，噴嘴4，濕度傳感器27。
通過濕度傳感器27反饋測得樣品池23內(nèi)待測樣品的實時濕度，打開第一閥門3，平流泵2將儲罐1的液體抽取輸送至噴嘴4，通過霧化作用對樣品收集器6內(nèi)的待進樣樣品進行濕度控制。
進一步地，平流泵2采用2pb-0240型雙柱塞串聯(lián)式往復(fù)平流泵實現(xiàn)，流量范圍為0.001～2ml/min，采用先進的電子脈沖抑制技術(shù)，保證了流量的準確性和可靠性，工作壓力范圍為0～40mpa，流量精度高于0.5％。
進一步地，濕度傳感器27采用氧化鋁電容式濕度傳感器，使用范圍為-10℃～120℃，測量氣體流量為3～5(l/min)。
進一步地，噴嘴選用全銅微調(diào)精細霧化噴嘴，工作壓力為1.5～3mpa，360度全覆蓋噴霧，可以較好地滿足霧化加濕控制。
溫度及壓力控制測試系統(tǒng)包括：恒溫油浴21，箱體22，電阻絲24，冷卻管25，控溫傳感器26，測溫傳感器28，壓力傳感器32，交流測溫電橋33，溫度控制器34，數(shù)字源表35，計算機36。
恒溫油浴21利用循環(huán)介質(zhì)通過均勻盤繞在箱體22內(nèi)的冷卻管25實現(xiàn)降溫處理，樣品池23表面均勻纏繞電阻絲24，溫度控制器34利用樣品池23內(nèi)布設(shè)的控溫傳感器26進行溫度控制，交流測溫電橋33利用測溫傳感器28對樣品池23內(nèi)布設(shè)的測溫傳感器28進行溫度實時測量。樣品池內(nèi)的壓力數(shù)據(jù)通過數(shù)字源表35實時采集壓力傳感器32反饋的電信號而獲得，計算機36集中處理數(shù)據(jù)。
進一步地，恒溫油浴21采用fluke7037型恒溫槽，循環(huán)介質(zhì)為二甲基硅油，適用范圍為-40～110℃，溫度波動度小于±2mk，完全能夠滿足溫度控制要求，循環(huán)介質(zhì)通過盤繞在箱體22內(nèi)的φ6mm紫銅冷卻管進行冷卻降溫，其中，箱體22的尺寸規(guī)格為210×140×160(長×寬×高mm3)。
進一步地，控溫傳感器26和測溫傳感器28均采用wzp-100型pt100鉑電阻溫度計，標定使用5698-25標準鉑電阻溫度計8508a(81/2)高精度標準數(shù)字萬用表。
進一步地，壓力傳感器32采用mpm4730陶瓷型智能壓力變送器，壓力測量范圍0～100mpa，輸出電流信號4～20ma，測量精度為±0.1％fs，工作溫度范圍為-40～80℃。
進一步地，在樣品池23均勻纏繞外徑為3mm，長度為18m，電阻為70ω的電阻絲24，其外層包覆硅膠層和玻璃纖維管，耐溫最高可達300℃，為了更好地調(diào)節(jié)電阻值控制加熱量，串聯(lián)最大電阻200ω的滑動變阻器。
進一步地，溫度控制器34采用fluke2200高精度溫度控制器控制溫度，使用溫度范圍為-100～800℃，分辨率為0.01℃，控溫穩(wěn)定性為±0.005～0.02℃。
進一步地，交流測溫電橋33采用asl-f500高精度交流測溫電橋，測溫精度為±5mk，通過labview語言編制溫度采集程序?qū)崿F(xiàn)實時采集，通過計算機36進行處理。
進一步地，數(shù)字源表35用keithley2400(61/2)采集壓力傳感器32輸出的電流信號，其自身獨立作為電壓源或電流源，可直接測量電壓、電流、電阻等信號，精度0.012％，通過labview語言編制壓力采集程序?qū)崿F(xiàn)實時采集，通過計算機36進行處理。
需要說明的是：以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，并不用于限制本發(fā)明，盡管參照前述實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，其依然可以對前述實施例所記載的技術(shù)方案進行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進行同等替換。
凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。