礦井粉塵濃度測量裝置及其測量方法

2023-05-31 08:30:31 3

礦井粉塵濃度測量裝置及其測量方法
【專利摘要】本發明提供的礦井粉塵濃度測量裝置，包括敏感元件、控制電路模塊和上位機，敏感元件包括感應式金屬電極，控制電路模塊包括測量電路、信號調理電路、A/D轉換電路和微處理器，敏感元件在金屬電極上產生微電荷信號，經測量電路、信號調理電路、A/D轉換電路和微處理器進行實時處理後傳送到上位機，上位機進行信息預處理、特徵提取並建立軟測量模型，然後輸出粉塵濃度測量信號。本發明還提供了粉塵濃度測量的方法。其優點在於：有效地克服目前礦井粉塵濃度方法中存在的測量誤差大、溼度影響明顯、使用壽命短、維護不方便等缺點，為煤礦提高精確的測量數據，改善井下作業環境，保護工人身體健康和煤礦安全生產。
【專利說明】礦井粉塵濃度測量裝置及其測量方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及檢測裝置和檢測方法，特別涉及一種礦井粉塵濃度測量裝置及其測量方法。
【背景技術】
[0002]粉塵無處不在，汙染環境和危害人體身體健康。尤其在煤礦井下，粉塵危害更大，其不僅會使礦エ得塵肺病，而且會引發瓦斯爆炸，因此必須準確、快速地檢測出粉塵濃度。目前國內外快速測量礦井粉塵濃度的普遍方法是光散射法，但該類方法存在著測量誤差大、溼度影響明顯、使用壽命短、維護不方便等缺點。因此針對上述方法現狀，提出新的測量礦井粉塵濃度的裝置和方法，對於改善井下作業環境，保護了工人身體健康，防止煤塵爆炸，消除煤礦安全隱患具有重要意義。

【發明內容】

[0003]本發明的目的是克服現有技術的上述缺陷，提供一種礦井粉塵濃度測量裝置及其測量方法，可以代替光散射式測量粉塵濃度傳感器，大大減小測量誤差，並消除溼度影響，延長使用壽命，減少維護量，為煤礦提高精確的測量數據，改善井下作業環境，保護工人身體健康和煤礦安全生產。
[0004]為達到上述目的，本發明提供的礦井粉塵濃度測量裝置，包括敏感元件、與敏感元件依次相連的控制電路模塊和上位機，其中:
[0005]敏感元件包括金屬屏蔽罩、絕緣管、左密封環、右密封環、金屬電極、風機外罩、風機、電路盒和金屬支架，所述金屬屏蔽罩和絕緣管均呈圓筒形，所述金屬屏蔽罩的左端和絕緣管的左端通過所述左密封環扣合相連接，所述金屬屏蔽罩的右端和絕緣管的右端通過所述右密封環扣合相連接，所述絕緣管外壁與所述金屬屏蔽罩內壁之間形成一個密閉的屏蔽空間，所述絕緣管的內壁構成直通式風道，所述風機外罩呈喇叭形，固定連接在所述金屬屏蔽罩的右端，所述風機安裝在所述風機外罩內；所述金屬電極呈圓環形，所述絕緣管的內壁中部設有電極凹槽，所述金屬電極位於所述電極凹槽中；
[0006]所述金屬支架設有屏蔽接地，所述金屬屏蔽罩安裝在所述金屬支架上，所述電路盒安裝在所述金屬屏蔽罩上方，所述電路盒內腔中安裝有控制電路模塊，所述電路盒的前方設有窗ロ，所述窗ロ處安裝有數碼管顯示模塊，所述金屬屏蔽罩的上壁和電路盒的下壁分別設有通孔，所述金屬電極的連接導線穿過兩通孔與所述控制電路模塊電相連；
[0007]控制電路模塊包括測量電路、信號調理電路、A/D轉換電路和微處理器，所述敏感元件在金屬電極上產生微電荷信號，微電荷信號由測量電路轉換為微電壓信號，微電壓信號經信號調理電路後去除噪聲並經A/D轉換電路送到微處理器進行實時處理，然後將信息傳送到所述上位機，所述上位機進行信息預處理、特徵提取並建立軟測量模型，然後輸出粉塵濃度測量信號。
[0008]本發明礦井粉塵濃度測量裝置，其中所述測量電路為電荷轉換電路，採用型號為OPA129的超低偏置電流差動運算放大器晶片構成，信號調理電路採用型號為LMC6001的超低輸入電流放大器晶片構成，A/D轉換電路米用型號為CS5360的晶片構成,微處理器米用型號為MSP430F249的晶片構成。
[0009]本發明礦井粉塵濃度測量裝置，其中所述風機採用型號為AFB0924VH的抽風式風機。
[0010]本發明礦井粉塵濃度測量裝置，其中所述微處理器通過USB通信方式將信息傳送到所述上位機。
[0011]為達到前述目的，本發明提供的ー種礦井粉塵濃度測量的方法，該方法設置敏感元件、控制電路模塊和上位機，該方法包括:
[0012]步驟1，敏感元件採用金屬電極，安裝抽風式風機，控制電路模塊進行包括去噪、信號放大、濾波、去除噪聲的微電壓信息預處理；
[0013]步驟2，對預處理後的微電信號在時域內提取有效值、短時均值、整流值均值三個特徵參數，在頻域內提取短時頻譜、短時自相關、短時能量三個特徵參數，用這些值順序組成特徵值向量，作為識別信息的輸入量；
[0014]步驟3，建立基於RBF的神經網絡軟測量模型，包括設定神經網絡隱含層神經元個數，然後在對採集的待處理樣本信息進行神經網絡訓練識別，將誤差逐漸縮小至所要求範圍之內。
[0015]步驟4，將誤差最小的識別結果用「0」表示，其餘的識別結果用「I」表示，輸出誤差最小的信號即為所需的信號。
[0016]本發明礦井粉塵濃度測量裝置及其測量方法，其中所述步驟3中，對採集的待處理料樣本圖像進行神經網絡訓練識別的步驟是:
[0017]I)制定網絡的拓撲結構，將網絡設置為三層；
[0018]2)設定網絡的參數，包括分類精度、循環次數和樣本特徵值向量的各個常數因子，對網絡進行初始化設置；
[0019]3)計算各層網絡輸入矩陣的權值係數和輸出，判斷該網絡的輸出精度是否達到要求，首先判斷某一祥本的輸出誤差是否達到了預先設定的誤差要求，若否，則修改權值係數後返回重新計算；若是，則繼續判斷全部樣本的輸出誤差是否在要求的範圍之內；若全部樣本的輸出誤差在誤差要求範圍內則繼續向下執行，判斷循環次數是否超過設定的最大循環次數，若是，則該網絡沒有實現預期效果，需要修正網絡的參數。
[0020]4)以修正後的網絡參數對各層網絡輸入矩陣進行上述計算，直到對比實際輸出和期望輸出後，樣本信息識別歸為輸出誤差最小的ー類。
[0021]本發明礦井粉塵濃度測量裝置及其測量方法的優點和積極效果在於:由於採用了感應式敏感元件，由上位機提取特徵並利用軟測量技術進行信號處理，能夠有效地克服目前礦井粉塵濃度方法中存在的測量誤差大、溼度影響明顯、使用壽命短、維護不方便等缺點，為煤礦提高精確的測量數據，改善井下作業環境，保護工人身體健康和煤礦安全生產。
[0022]下面將結合實施例參照附圖進行詳細說明。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1為本發明礦井粉塵濃度測量裝置中敏感元件的結構示意圖；[0024]圖2為絕緣管和金屬電極的結構示意圖；
[0025]圖3為本發明礦井粉塵濃度測量裝置的方框圖。
【具體實施方式】
[0026]下面以實例說明本發明礦井粉塵濃度測量裝置。
[0027]本發明礦井粉塵濃度測量裝置包括敏感元件1，與敏感元件I依次相連的控制電路模塊6和上位機24，其中:
[0028]參照圖1，敏感元件I包括金屬屏蔽罩4、絕緣管2、左密封環12、右密封環13、金屬電極11、風機外罩8、風機7、電路盒5和金屬支架9。
[0029]結合參照圖2，金屬屏蔽罩4和絕緣管2均呈圓筒形，金屬屏蔽罩4的左端和絕緣管2的左端通過左密封環12扣合相連接，金屬屏蔽罩4的右端和絕緣管2的右端通過右密封環13扣合相連接，絕緣管2外壁與金屬屏蔽罩4內壁之間形成ー個密閉的屏蔽空間10，絕緣管2的內壁構成直通式風道3，風機外罩8呈喇叭形，固定連接在金屬屏蔽罩4的右端，風機7安裝在風機外罩8內。
[0030]金屬電極11呈圓環形，絕緣管2的內壁中部設有電極凹槽，金屬電極11位於電極凹槽中。
[0031]金屬支架9設有屏蔽接地，金屬屏蔽罩4安裝在金屬支架9上，電路盒5安裝在金屬屏蔽罩4上方，電路盒5內腔中安裝有控制電路模塊6，電路盒5的前方設有窗ロ，窗ロ處安裝有數碼管顯示模塊，金屬屏蔽罩4的上壁和電路盒5的下壁分別設有通孔，金屬電極11的連接導線14穿過兩通孔與控制電路模塊6電相連。
[0032]控制電路模塊6包括測量電路20、信號調理電路21、A/D轉換電路22和微處理器23,敏感兀件I在金屬電極11上產生微電荷信號，微電荷信號由測量電路20轉換為微電壓信號，微電壓信號經信號調理電路21後去除噪聲並經A/D轉換電路22送到微處理器23進行實時處理，然後通過USB通信方式將信息傳送到上位機24，上位機24進行信息預處理、特徵提取並建立軟測量模型，然後輸出粉塵濃度測量信號。
[0033]測量電路20為電荷轉換電路，採用型號為0PA129的超低偏置電流差動運算放大器晶片構成，信號調理電路21採用型號為LMC6001的超低輸入電流放大器晶片構成，A/D轉換電路22採用型號為CS5360的晶片構成，微處理器23採用型號為MSP430F249的晶片構成。
[0034]風機7採用型號為AFB0924VH的抽風式風機。
[0035]參照圖1和圖3，ー種礦井粉塵濃度測量的方法，該方法包括:
[0036]步驟I，敏感元件I採用金屬電極11，安裝抽風式風機7，控制電路模塊6進行包括去噪、信號放大、濾波、去除噪聲的微電壓信息預處理；
[0037]步驟2，對預處理後的微電信號在時域內提取有效值、短時均值、整流值均值三個特徵參數，在頻域內提取短時頻譜、短時自相關、短時能量三個特徵參數，用這些值順序組成特徵值向量，作為識別信息的輸入量；
[0038]步驟3，建立基於RBF的神經網絡軟測量模型，包括設定神經網絡隱含層神經元個數，然後在對採集的待處理樣本信息進行神經網絡訓練識別，將誤差逐漸縮小至所要求範圍之內。對採集的待處理料樣本圖像進行神經網絡訓練識別的步驟是:[0039]I)制定網絡的拓撲結構，將網絡設置為三層；
[0040]2)設定網絡的參數，包括分類精度、循環次數和樣本特徵值向量的各個常數因子，對網絡進行初始化設置；
[0041]3)計算各層網絡輸入矩陣的權值係數和輸出，判斷該網絡的輸出精度是否達到要求，首先判斷某一祥本的輸出誤差是否達到了預先設定的誤差要求，若否，則修改權值係數後返回重新計算；若是，則繼續判斷全部樣本的輸出誤差是否在要求的範圍之內；若全部樣本的輸出誤差在誤差要求範圍內則繼續向下執行，判斷循環次數是否超過設定的最大循環次數，若是，則該網絡沒有實現預期效果，需要修正網絡的參數。
[0042]4)以修正後的網絡參數對各層網絡輸入矩陣進行上述計算，直到對比實際輸出和期望輸出後，樣本信息識別歸為輸出誤差最小的ー類。
[0043]步驟4，將誤差最小的識別結果用「0」表示，其餘的識別結果用「 I」表示，輸出誤差最小的信號即為所需的信號。
[0044]下面詳細說明本發明中煤與矸石分選的工作過程。
[0045]由風機7控制的流速在3-6米/秒的粉塵在粉塵濃度測量裝置的通道3中流動，在敏感兀件I的金屬電極11上產生微電荷信號，微電荷信號由測量電路20轉換為微電壓信號，微電壓信號經信號調理電路21後去除了噪聲和信號得到了放大，並放大到信號滿足A/D轉換電路22的量程要求，信號經A/D轉換由微處理器23對其進行實時採集並通過微處理器23進行實時處理，然後通過USB通信方式將信息傳送到上位機24中。在上位機24中進行信息預處理、特徵提取、軟測量模式建立及輸出信號。這ー裝置可完全代替光散射式測量粉塵濃度傳感器，大大減小測量誤差，並消除溼度影響，延長使用壽命，減少維護量，為煤礦提高精確的測量數據，保護了工人身體健康和煤礦安全生產。
[0046]上面所述的實施例僅僅是對本發明的優選實施方式進行描述，並非對本發明的構思和範圍進行限定，在不脫離本發明設計方案前提下，本領域中普通工程技術人員對本發明的技術方案做出的各種變型和改進，均應落入本發明的保護範圍，本發明請求保護的技術內容，已經全部記載在權利要求書中。
【權利要求】
1.一種礦井粉塵濃度測量裝置，包括敏感元件(I)，其特徵在於:還包括與敏感元件(1)依次相連的控制電路模塊(6)和上位機(24)，其中: 所述敏感元件(I)包括金屬屏蔽罩(4)、絕緣管(2)、左密封環(12)、右密封環(13)、金屬電極(11)、風機外罩(8 )、風機(7 )、電路盒(5 )和金屬支架(9 ), 所述金屬屏蔽罩(4)和絕緣管(2)均呈圓筒形，所述金屬屏蔽罩(4)的左端和絕緣管(2)的左端通過所述左密封環(12)扣合相連接，所述金屬屏蔽罩(4)的右端和絕緣管(2)的右端通過所述右密封環(13)扣合相連接，所述絕緣管(2)外壁與所述金屬屏蔽罩(4)內壁之間形成ー個密閉的屏蔽空間(10)，所述絕緣管(2)的內壁構成直通式風道(3)，所述風機外罩(8)呈喇叭形，固定連接在所述金屬屏蔽罩(4)的右端，所述風機(7)安裝在所述風機外罩(8)內； 所述金屬電極(11)呈圓環形，所述絕緣管(2)的內壁中部設有電極凹槽，所述金屬電極(11)位於所述電極凹槽中；所述金屬支架(9)設有屏蔽接地，所述金屬屏蔽罩(4)安裝在所述金屬支架(9)上，所述電路盒(5)安裝在所述金屬屏蔽罩(4)上方，所述電路盒(5)內腔中安裝有控制電路模塊 (6)，所述電路盒(5)的前方設有窗ロ，所述窗ロ處安裝有數碼管顯示模塊，所述金屬屏蔽罩(4)的上壁和電路盒(5)的下壁分別設有通孔，所述金屬電極(11)的連接導線(14)穿過兩通孔與所述控制電路模塊(6)電相連； 控制電路模塊(6)包括測量電路(20)、信號調理電路(21)、A/D轉換電路(22)和微處理器(23)，所述敏感元件(I)在金屬電極(11)上產生微電荷信號，微電荷信號由測量電路(20)轉換為微電壓信號，微電壓信號經信號調理電路(21)後去除噪聲並經A/D轉換電路(22)送到微處理器(23)進行實時處理，然後將信息傳送到所述上位機(24)，所述上位機(24)進行信息預處理、特徵提取並建立軟測量模型，然後輸出粉塵濃度測量信號。
2.根據權利要求1所述的礦井粉塵濃度測量裝置，其特徵在於:其中所述測量電路(20)為電荷轉換電路，採用型號為OPA129的超低偏置電流差動運算放大器晶片構成，信號調理電路(21)採用型號為LMC6001的超低輸入電流放大器晶片構成，A/D轉換電路(22)採用型號為CS5360的晶片構成，微處理器(23)採用型號為MSP430F249的晶片構成。
3.根據權利要求1或2所述的礦井粉塵濃度測量裝置，其特徵在於:其中所述風機(7)採用型號為AFB0924VH的抽風式風機。
4.根據權利要求3所述的礦井粉塵濃度測量裝置，其特徵在於:其中所述微處理器(23)通過USB通信方式將信息傳送到所述上位機(24)。
5.ー種礦井粉塵濃度測量的方法，該方法設置敏感元件(I)、控制電路模塊(6)和上位機(24)，該方法包括: 步驟I，敏感元件(I)採用金屬電極(11)，安裝抽風式風機(7 )，控制電路模塊(6 )進行包括去噪、信號放大、濾波、去除噪聲的微電壓信息預處理； 步驟2，對預處理後的微電信號在時域內提取有效值、短時均值、整流值均值三個特徵參數，在頻域內提取短時頻譜、短時自相關、短時能量三個特徵參數，用這些值順序組成特徵值向量，作為識別信息的輸入量；步驟3，建立基於RBF的神經網絡軟測量模型，包括設定神經網絡隱含層神經元個數，然後在對採集的待處理樣本信息進行神經網絡訓練識別，將誤差逐漸縮小至所要求範圍之內。 步驟4，將誤差最小的識別結果用「0」表示，其餘的識別結果用「I」表示，輸出誤差最小的信號即為所需的信號。
6.根據權利要求5所述的礦井粉塵濃度測量方法，其特徵在於:其中所述步驟3中，對採集的待處理料樣本圖像進行神經網絡訓練識別的步驟是: 1)制定網絡的拓撲結構，將網絡設置為三層； 2)設定網絡的參數，包括分類精度、循環次數和樣本特徵值向量的各個常數因子，對網絡進行初始化設置； 3)計算各層網絡輸入矩陣的權值係數和輸出，判斷該網絡的輸出精度是否達到要求，首先判斷某一祥本的輸出誤差是否達到了預先設定的誤差要求，若否，則修改權值係數後返回重新計算；若是，則繼續判斷全部樣本的輸出誤差是否在要求的範圍之內；若全部樣本的輸出誤差在誤差要求範圍內則繼續向下執行，判斷循環次數是否超過設定的最大循環次數，若是，則該網絡沒有實現預期效果，需要修正網絡的參數。 4)以修正後的網絡參數對各層網絡輸入矩陣進行上述計算，直到對比實際輸出和期望輸出後，樣本信息識別歸為輸出誤差最小的`ー類。
【文檔編號】G01N15/06GK103454196SQ201310452572
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年9月27日 優先權日:2013年9月27日
【發明者】程學珍, 逄明祥, 衛阿盈, 鞏乃奇, 李成宇 申請人:山東科技大學