基于光学方法的井下多波段实时黑炭浓度监测仪及方法技术

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，装置：主

【技术实现步骤摘要】
基于光学方法的井下多波段实时黑炭浓度监测仪及方法


[0001]本专利技术属于颗粒浓度监测
，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
。

技术介绍

[0002]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1μ
m。
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
。
[0003]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

[0004]针对上述现有技术存在的问题，本专利技术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
。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术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；
[0006]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；
[0007]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；
[0008]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；
[0009]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；
[0010]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；
[0011]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；
[0012]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；
[0013]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；
[0014]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；
[0015]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
。
[0016]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
。
[0017]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
。
[0018]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
。
[0019]本专利技术中，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...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
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
(2)
，所述壳体
(2)
为本安防爆型壳体，其防尘等级为
IP68
；壳体
(2)
上开设有主进气口
(1)
和主出气口；其特征在于，还包括主动卷筒
(14)、
从动卷筒
(16)、
步进电机
(15)、
滤膜带
(8)、
采样检测筒
(13)、
对照检测筒
(17)、
取样泵
(6)、
激光平行光管一
(7)、
激光平行光管二
(12)、
采样光度接收器
(9)、
对照光度接收器
(10)
和数据处理器；所述主动卷筒
(14)
和从动卷筒
(16)
分别设置在壳体
(2)
内腔的左部和右部，且分别通过各自中心的旋转轴与壳体
(2)
可转动的连接；所述步进电机
(15)
安装在壳体
(2)
的内腔中，且其输出轴与主动卷筒
(14)
中心的转轴连接；所述滤膜带
(8)
的中段水平地设置在主动卷筒
(14)
下圆面和从动卷筒
(16)
下圆面的下部，其一端绕设连接在主动卷筒
(14)
上，其另一端绕设连接在从动卷筒
(16)
上；所述采样检测筒
(13)
和对照检测筒
(17)
并排地设置在主动卷筒
(14)
和从动卷筒
(16)
之间的区域；采样检测筒
(13)
由尺寸相适配的上采样筒体
(13
‑
1)
和下采样筒体
(13
‑
2)
组成，且二者相对的一端均为敞口结构；对照检测筒
(17)
由尺寸相适配的上对照筒体
(17
‑
1)
和下对照筒体
(17
‑
2)
组成，且二者相对的一端均为敞口结构；上采样筒体
(13
‑
1)
和上对照筒体
(17
‑
1)
均与壳体
(2)
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
(8)
的上表面滑动接触；下采样筒体
(13
‑
2)
和下对照筒体
(17
‑
2)
分别设置在上采样筒体
(13
‑
1)
和上对照筒体
(17
‑
1)
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
(13
‑
1)
和上对照筒体
(17
‑
1)
的下开口端相对应地设置；在上采样筒体
(13
‑
1)
的中部开设有进气孔
(13
‑
3)
，在下采样筒体
(13
‑
2)
的中部开设有出气孔
(13
‑
4)
，所述进气孔
(13
‑
3)
通过进气管路与主进气口
(1)
连接；所述取样泵
(6)
安装在壳体
(2)
的内部，其进气端通过连通管路与出气孔
(13
‑
4)
连接，其出气端通过排气管路与主出气口连接；所述激光平行光管一
(7)
和激光平行光管二
(12)
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
(7)
和激光平行光管二
(12)
分别安装在上采样筒体
(13
‑
1)
和上对照筒体
(17
‑
1)
的上端，且激光平行光管一
(7)
和激光平行光管二
(12)
的发射面分别设置在上采样筒体
(13
‑
1)
和上对照筒体
(17
‑
1)
的入射孔中；所述采样光度接收器
(9)
和对照光度接收器
(10)
分别安装在下采样筒体
(13
‑
2)
和下对照筒体
(17
‑
2)
的下端，且采样光度接收器
(9)
和对照光度接收器
(10)
的接收面分别设置在下采样筒体
(13
‑
2)
和下对照筒体
(17
‑
2)
的检测孔中，并分别对应激光平行光管一
(7)
和激光平行光管二
(12)
发射面的设置；所述升降支架
(11)
由并排设置的两个直线电动推杆
(18)
组成；两个直线电动推杆
(18)
分别位于采样光度接收器
(9)
和对照光度接收器
(10)
的下方，两个直线电动推杆
(18)
的座体与壳体
(2)
固定连接，两个直线电动推杆
(18)
的杆端分别通过采样光度接收器
(9)
和对照光度接收器
(10)
与下采样筒体
(13
‑
2)
的下端和下对照筒体
(17
‑
2)
的下端连接，用于在同步伸缩过程中驱动下采样筒体
(13
‑
2)
和下对照筒体
(17
‑
2)
的同步上升和同步下降动作；所述数据处理器分别与步进电机
(15)、
取样泵
(6)、
激光平行光管一
(7)、
激光平行光管二
(12)、
采样光度接收器
(9)、
对照光度接收器
(10)
和直线电动推杆
(18)
连接
。2.
根据权利要求1所述的一种基于光学方法的井下多波段实时黑炭浓度监测仪，其特
征在于，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
。3.
根据权利要求1或2所述的一种基于光学方法的井下多波段实时黑炭浓度监测仪，其特征在于，所述壳体
(2)
上分别安装有显示屏
(3)、
控制面板
(4)
和开关
(5)
，所述显示屏
(3)、
开关
(5)
和控制面板
(4)
均与数据处理器连接
。4.
根据权利要求3所述的一种基于光学方法的井下多波段实时黑炭浓度监测仪，其特征在于，所述主进气口
(1)
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
。5.
一种基于光学方法的井下多波段实时黑炭浓度监测方法，采用如权利要求1至4任一项所述的一种基于光学方法的井下多波段实时黑炭浓度监测仪，其特征在于，包括以下步骤：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；
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
(11)
向外部伸出设定长度，使下采样筒体
(13
‑
2)
和下对照筒体
(17
‑
2)
同步上升到靠近上采样筒体
(13
‑
1)
和上对照筒体
(17
‑
1)
的位置，并确保在上升动作后下采样筒体
(13
‑
2)
和上采样筒体
(13
‑
1)
之间形成的间隙
、
下对照筒体
(17
‑
2)
和上对照筒体
(17
‑
1)
之间形成的间隙与滤膜带
(8)
的厚度相匹配；
S12
：通过数据处理器控制取样泵
(6)
启动工作，利用取样泵
(6)
负压作用于采样检测筒
(13)
，使样品流通过主进气口
(1)、
进气管路和进气孔
(13
‑
3)
进入到上采样筒体
(13
‑
1)
中，并通过滤膜带
(8)
进入到下采样筒体
(13
‑
2)
中，再通过出气孔
(13
‑
4)、
连通管路
、
取样泵
(6)、
排气管路和主出气口排出到外部；同步地，控制激光平行光管一
(7)
发出
880nm
波长的激光，并利用位于采样检测筒
(13)
中的一段滤膜带
(8)
收集样品流中的颗粒物，同时，利用采样光度接收器
(9)
对通过气流后的一段滤膜带
(8)
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
V
880
后发送给数据处理器；
S13
：通过数据处理器控制取样泵
(6)
停止工作，控制激光平行光管一
(7)
停止工作，并控制步进电机
(15)
启动工作，并在步进电机
(15)
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
(14)
的同步转动带动滤膜带
(8)
向左侧移动设定距离，使未使用过的一段滤膜带
(8)
进入到采样检测筒
(13)
中；
S14:
通过数据处理器控制取样泵
(6)
启动工作，同步地，控制激光平行光管一
(7)
发出
420nm
波长的激光，并利用位于采样检测筒
(13)
中的一段滤膜带
(8)
收集样品流中的颗粒物，同时，利用采样光度接收器
(9)
对通过气流后的一段滤膜带
(8)
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
V
420
后发送给数...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑丽娜，叶子靖，孔旭辉，董映仪，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：