基于静电感应的煤矿井下粉尘传感器设计研究

当代化工研究

Modern Chemical Research

技术应用与研究环境工程

2019·05

基于静电感应的煤矿井下粉尘传感器设计研究

＊赵　斌

（汾西矿业两渡煤业 山西 031302）

摘要：井下粉尘严重威胁井下工作人员身体健康，对井下粉尘浓度进行检测对保证井下作业人员处于良好的作业环境具有重要的意义。

基于此，笔者根据静电感应原理，设计出了一种信息的粉尘传感器，并进行了测量精度及免维护实验，结果表明，新设计的粉尘传感器能

取得较好的测试效果。研究结果能起到促进井下粉尘传感器检测技术的发展的作用。关键词：静电感应；煤矿；粉尘传感器

中图分类号：T 文献标识码：A

Design and Research of Coal Mine Dust Sensor Based on Electrostatic Induction

Zhao Bin

(Liangdu Coal Industry of Fenxi Mining Industry, Shanxi, 031302)

Abstract：Underground dust seriously threatens the health of underground workers. Detection of underground dust concentration is of great

significance to ensure that underground workers are in a good working environment. Based on this, according to the principle of electrostatic induction, a dust sensor for information is designed, and the measurement accuracy and maintenance-free experiments are carried out. The results show that the new designed dust sensor can achieve better test results. The research results can play a role in promoting the development of underground dust sensor detection technology.

Key words：electrostatic induction；coal mine；dust sensor

随着经济的不断向前发展，人们对工作环境的关注度日益增加，煤矿井下存在粉尘、瓦斯等有毒有害物质。粉尘作为井下工人职业病主要元凶之一，近些年来国家对粉尘浓度检测技术不断的重视，粉尘浓度传感器的应用日益广泛。目

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通讯协议。结构系统如图1所示。

(3)管理层

(2)通讯参数采集

采用的是S7-1200型PLC，CM1214通讯系统模块与电量模

在地面监控中心中配置安装有WINCC软件的上位机， 块、温度巡检仪模块的通讯采用ModBus通讯协议，通讯效率WINCC软件与使用的PLC之间进行通讯传输，采集层采集的数高，通讯稳定。PLC（CM1214通讯系统模块）作为主站，电据通过PLC传输至上位机后，上位机将数据具体展示出来。量模块、温度巡检仪模块分别作为从站，选择ModBus通讯协为了更为直观的对数据进行展示，需要进行二次开发，采用议，并为不同的从站分配不同的通讯地址，主站与从站的设分级用户管理模式，不同的级别具有的权限不同，只有有权置参数相同就可以进行相关的信息通讯。限的账户才可以对通风机运行进行远程的控制；通过动画设(3)远程控制定，系统采集层收集到的风机工作状态、风门的开启/关闭设计的监控系统具有远程控制以及集中控制两种操作方状态、轴温、CH4、CO、风速、风压、风量、压力等众多需式，在远程控制模式下有权限的操作人员可以在调度中心的要监测数据可以很直观的显示出来。同时设定的风机在线监上位机软件中实现对高、低压控回路的切换操作，控制风机控系统还具有报警功能，当采集层采集的参数于预先设定的

的停/启，风机倒机，高低压回路、风机运行状态参数监控

参数有明显差别时，系统通过对参数数据进行研判，确定通

及设备故障查询。在集中控制操作模式下，操作人员需要到

风机是否有故障。当参数超前时，监控系统就会发出报警信

现场通过PLC控制面板上的触摸屏来实现对控制设备的参数

息，方便监控人员对通风机运行进行管理。

设定设备运行状态的监控以及故障的查询等工作。

2.系统功能实现

(1)模拟量采集

3.总结

设计的基于PLC的主要通风机监控系统可以实现实时的主要风机运行状态监控，系统采用的S7-1200PLC，模块化的设计，扩展功能强大，结合采用工业以太网、现场监控传感器，能够及时主动的对风机的运行状态及参数进行监控，提高了主要通风机的自动化管理水平，可以对风机提供有效安全保障，也为风机设备的维修及管理提供科学依据。

•【作者简介】

张彪（1983-），男，汾西矿业高阳煤矿；研究方向：煤矿机电技术研究。

需要采集的模拟量信息有CH4浓度、振动、温度、压力、CO浓度等参数，这些参数的采集均需要在现场安装对应的传感器，一般为4～20mA传感器。对模拟信号进行处理，主要是采用过线性度的方式来实现变换。PLC将采集层采集到的数据与系统预先设定的参数数值进行比对，当实际测量值较预先设定的数据值有明显的偏差时，系统就会发出相应的故障报警信息，并在上位机的信息显现窗口中显示，提醒相关管理人员安排专门人员对故障报警位置进行维修。

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前煤矿井下重用的传感器类型为基于光分射或者静电感应原

理设计，均不同程度的存在设备的免维修时间短、设备维修较为复杂，井下粉尘传感器迫切需要免维修时间长、设备维修简单、成本较低的传感器。因此，笔者基于静电感应原理设计了一种新型的传感器，在实验测试过程中具有较高的测量精度，井下适应性较强，为保证井下粉尘浓度的精准测量提供了有利的保障。

1.静电感应粉尘浓度检测技术

当井下空气中的粉尘与传感器探头发生碰撞时就会摩擦产生静电，本身具有电荷的粉尘颗粒经过传感器探头时，传感器也会出现一定的电荷运动，这就是静电感应现象。静电感应粉尘传感器就是基于这个原理将传感探头的电荷变化经过信号探头内部控制单元的电路放大器放大、虑波并进行计算后，形成一个与井下粉尘浓度成正比的信号，从而可以确定井下环境的粉尘浓度。

2.粉尘传感器设计

(1)设计系统框图

运用静电感应原理对粉尘浓度进行测量时，带电的粉尘经过传感器探头时，探头会出现一个比较微弱的电信号，电信号经过仪表进行分析后，确定到气体中粉尘的浓度情况。在实际的测试过程中当粉尘传感器探头上附着有少量粉尘时，井下粉尘颗粒物的类型未发生较大改变时，粉尘传感器获得的电信号与气体中成分浓度及流量仍是成正相关，也就是说传感器测得的粉尘浓度不会因传感器探头上有少量粉尘而发生变化。设计的新型粉尘传感器主要包括探头、风机控制装置、载荷静电信息收集装置、ADC采集、单片机、数码显示器及红外遥感控制器等设备，具体如图1所示。

图1 传感器系统设计框图

(2)测定原理分析

由于粉尘携带的电荷量是极其微小的，粉尘传感器探头感应到的电荷变化十分微弱，传感器探头受到外界环境的影响较大，在对粉尘浓度进行测量过程中即使出现少量的噪声，也会对测量结果引起较大的误差。因此，粉尘传感器对检测电路要求程度较高。图2是基于静电原理的粉尘测量原理框图，从图2中可以看出，粉尘传感器接收到粉尘自身或者撞击过程中电荷的变化，电荷量经过放大后进入信号放大，虑波器对放大的电荷信号进行过滤，紧接着进入到信号采集过程，采集到的数值信号仍需要进行进一步的去噪处理，得到较为纯净的信号后，提取粉尘的浓度信息，并对信息进行拟合，最终得到井下传感器测量环境中粉尘的浓度。

图2 静电原理的粉尘测量原理框图

(3)软件设计

在对静电感应测定粉尘浓度原理分析的基础上，对井下

矿用粉尘传感器进行设计，设计的井下粉尘传感器测量范围为0～1500mg/m3，传感器能够支持红外设备对其自身参数进行调整。软件主要包含，设备开启、程序初始化、红外参数设定、信号采集等过程。

3.实验测试分析

将设计好的粉尘传感器在有资质单位的粉尘模拟环境中进行验证分析，以便对传感器本身的性能进行验证，判断是否符合设计需要。传感器测试在0～1500mg/m3范围内分别选取8个测试点，采用粉尘采样器平行测量法对传感器的性能进行验证，每个的取样时间均设定位5min，在测定的时间内，传感器最终显示的数值表示测试环境中的粉尘浓度，具体测量结果如表1所示。从表1中可以看出，设计的新型粉尘传感器的精度在15%以内，能满足井下粉尘浓度测量精度的需要。

编号基准读数（mg/m3）

测定粉尘浓度（mg/m3）

误差(100%)103.5稳定21121198.9433273475.75805881.3657808235.23639637.2771239129911.558

1456

1496

6.02

表1 实验对比结果

新设计的粉尘浓度传感器免维护实验在大量程的范围内进行，选择的粉尘浓度范围约为650mg/m3，将粉尘传感器悬挂在该环境中，持续时间为2个月，实验时间满后将粉尘传感器拿出，重新做粉尘传感器精度测试实验，结果表明粉尘传感器测量结果误差仍在±15%以内，表明设计粉尘传感器的免维护能力较强，能适应煤矿井下具体的工作环境。

4.总结

煤矿井下粉尘对井下工作人员的健康造成严重的不良影响，加大对粉尘传感器的研究，设计出更针对井下复杂环境的传感器对保证井下粉尘的治理具有重要的意义。笔者基于静电感应技术，设计出了一种全新的粉尘传感器，并进行了精度及较长时间的免维护实验，结果表明新设计的粉尘传感器精度及免维护性均具有良好的表现。

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[7]沈周锋.基于ESP8266的粉尘监测仪设计与实现[J].北华大学学报(自然科学版),2018,19(02):272-276.

•【作者简介】

赵斌（19-），男，汾西矿业两渡煤业；研究方向：机械电子工程。