智能化粉塵濃度設限噴霧降塵裝置、系統和方法
2023-07-23 03:19:21
專利名稱：智能化粉塵濃度設限噴霧降塵裝置、系統和方法
技術領域：
本發明涉及礦井安全監測監控領域，特別涉及一種智能化粉塵濃度設限噴霧降塵 裝置，同時還涉及一種智能化粉塵濃度設限噴霧降塵系統和方法。
背景技術：
粉塵危害主要有兩方面一是對人體的危害，如果人的肺部長期吸入大量的礦塵， 就可患塵肺病，塵肺病是目前危害較大的一種礦工職業病。二是煤塵爆炸危害，煤塵爆炸是 煤礦的嚴重災害之一，它嚴重威脅著礦井安全。近幾年來，瓦斯煤塵爆炸事故仍時有發生， 嚴重影響了礦井安全生產和職工生命。因此，搞好礦井粉塵綜合治理已迫在眉睫。煤礦生產過程中粉塵主要來源於採掘工作面，尤其是採掘機械的迅速發展，使煤 礦機械化程度大為提高，採掘能力也隨之加大，促進煤炭產量成倍增長。但是，在這種生產 條件下煤礦的產塵強度也隨之增大，採掘工作面的粉塵濃度大幅度增加。據統計，在地質條 件和通風狀況基本相同情況下，不同的採掘方法其粉塵濃度相差很大。例如，在無防塵措施 條件下，炮採時的粉塵濃度為300 500mg/m3，而機採時的粉塵濃度可達1000 3000mg/ m3，綜採則高達4000 8000mg/m3。因此，對現代化礦井採掘防塵技術的研究與應用是很有 必要的，開發先進的粉塵濃度監測監控技術，及時了解作業場所的粉塵濃度並對粉塵進行 控制，不僅是塵害防治和科學管理的要求，也是有效預防控制重大惡性爆炸事故(特別是 瓦斯煤塵爆炸)的要求。「十五」期間，煤炭科學研究總院重慶研究院研製了實現粉塵遠程在線監測監控的 關鍵部件——GCG500型粉塵濃度傳感器，填補了國內空白，為實現粉塵濃度在線監測提供 了條件。但是，目前我國煤礦在降塵方面，主要使用常規的灑水裝置，這些灑水裝置不管粉 塵濃度高低都進行噴霧，嚴重浪費水資源，導致巷道內積水過多，給工作帶來不便。因此，有 必要進行粉塵濃度在線監測監控及智能噴霧降塵系統的相關研究。
發明內容
有鑑於此，本發明的目的之一是提供一種智能化粉塵濃度設限噴霧降塵裝置，通 過控制單元的作用，能夠根據粉塵濃度自動調整噴霧時間，從而解決了原有噴霧灑水裝置 不管粉塵濃度高低而一直噴霧的缺點，避免了水資源的浪費和巷道積水，具有良好和廣泛 的推廣應用價值；在目的之一的基礎上，本發明的目的之二是提供一種智能化粉塵濃度設 限噴霧降塵系統，通過地面監控主機來實現在線粉塵濃度的遠程在線監測監控；本發明的 目的之三是提供一宗智能化粉塵濃度設限噴霧降塵方法。本發明的目的之一是通過以下技術方案實現的。該智能化粉塵濃度設限噴霧降塵裝置包括控制單元、粉塵濃度傳感器、高壓電磁 閥和水幕噴頭，所述粉塵濃度傳感器的信號輸出端與控制單元的信號輸入端相聯接，所述 控制單元的控制信號輸出端與電磁閥的控制信號輸入端相聯接，所述控制單元通過控制電 磁閥的通斷實現對水幕噴頭的噴霧控制。
進一步，所述裝置還包括熱釋電紅外探頭，所述熱釋電紅外探頭的輸出信號至控 制單元，所述控制單元通過繼電器控制電磁閥的電源，控制其打開或關閉；進一步，所述高壓電磁閥包括防爆殼體、電磁線圈、閥體、閥芯和主活塞，所述防爆 殼體的軸向上設置有閥芯安裝通道，所述閥芯以滑動配合的方式設置在閥芯安裝通道上， 所述電磁線圈圍繞閥芯安裝通道進行設置；所述閥體安裝在防爆殼體的下部，包括依次連 接的上閥體、中閥體和下閥體，其中，所述中閥體與下閥體之間設置有用於安裝主活塞的活 塞安裝通道，所述主活塞與閥芯軸線重合，所述活塞安裝通道的兩側分別連通進水通道和 出水通道，電磁閥能在水壓高達IOMPa下可靠工作；進一步，所述裝置還包括聲光報警器，所述聲光報警器與控制單元相聯接；進一步，所述裝置還包括變壓裝置，所述變壓裝置的輸出電壓分為三路，經過整流 濾波後分別作為粉塵濃度傳感器電源、熱釋電紅外探頭電源和電磁閥電源；進一步，所述裝置還包括顯示屏，所述顯示屏的信號輸入端與控制單元的信號輸 出端相聯接；進一步，所述裝置還包括控制箱體，所述控制箱體分為上、下兩層，所述上層為本 安結構，下層為防爆結構，所說顯示屏設置於上層頂面，所述控制單元和變壓裝置設置在下 層，所述控制箱體的上層結構還設置有多個接口，用於控制單元和變壓裝置與外部器件之 間的信號傳遞、控制聯接和供電。本發明的目的之二是通過以下技術方案實現的該智能化粉塵濃度設限噴霧降塵系統，包括如前所述的智能化粉塵濃度設限噴霧 降塵裝置，還包括地面監控主機以及井下安全監控系統分站，所述井下安全監控系統分站 用於聯接分設在礦井各處的智能化粉塵濃度設限噴霧降塵裝置，並將粉塵濃度傳感器採集 到的各處濃度數據、運行工況傳輸至地面監控主機，實現粉塵濃度的在線監控。本發明的目的之三提出的智能化粉塵濃度設限噴霧降塵方法，包括以下步驟1)將粉塵濃度傳感器設置在礦井內的相關位置，採集該處的粉塵濃度信號並傳送 至控制單元；2)控制單元內部寫入數據，設定粉塵濃度的上限值和下限值；3)判斷粉塵濃度信號是否超過上限值，當粉塵濃度超過上限值時，控制單元控制 電磁閥的打開，實現噴霧；當粉塵濃度信號低於下限值時，控制單元控制電磁閥的關閉，停
止噴霧。進一步，該方法採用分布式架構，通過採用地面監控主機來實現全局管理，地面監 控主機下設井下安全監控系統分站，所述井下安全監控系統分站以一一對應的方式分別聯 接設置在礦井各處的控制單元和粉塵濃度傳感器，並將採集到的相關數據傳輸至地面監控 主機並可通過地面監控主機向控制單元內部寫入粉塵濃度的上限值和下限值數據、遠程控 制其運行狀態。本發明的有益效果是1.本發明的裝置屬國內首創，將噴霧與否與粉塵濃度大小關聯起來，從而可以人 為設定粉塵濃度限制，當超過上限值時才噴霧，當低於下限值時停止噴霧，從而避免了水資 源的無謂浪費，減少了巷道內的積水，改善了工作條件，保證了礦井工人的健康安全；2.本發明的系統能夠實現連續的粉塵濃度遠程在線監測監控，彌補了國內空白，為整個礦井工作的全面良好運行提供了更好的保障；3.本發明採用了改進的高壓防爆電磁閥，同時還採用了高靈敏度的粉塵濃度傳感 器，監測的粉塵濃度數據準確，灑水裝置的動作可靠，抗幹擾性強，穩定性好。本發明的其他優點、目標和特徵在某種程度上將在隨後的說明書中進行闡述，並 且在某種程度上，基於對下文的考察研究對本領域技術人員而言將是顯而易見的，或者可 以從本發明的實踐中得到教導。本發明的目標和其他優點可以通過下面的說明書和權利要 求書來實現和獲得。
為了使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明作進 一步的詳細描述，其中圖1為本發明的裝置連接示意圖；圖2為控制箱體內部結構示意圖；圖3為電磁閥結構示意圖；圖4為本發明的系統連接示意圖。
具體實施例方式
以下將參照附圖，對本發明的優選實施例進行詳細的描述。應當理解，優選實施例 僅為了說明本發明，而不是為了限制本發明的保護範圍。如圖1所示，本發明的智能化粉塵濃度設限噴霧降塵裝置，包括控制單元1、粉塵 濃度傳感器2、電磁閥3和水幕噴頭4，粉塵濃度傳感器2的信號輸出端與控制單元1的信 號輸入端相聯接，控制單元1的控制信號輸出端與電磁閥3的控制信號輸入端相聯接，控制 單元1通過控制電磁閥3的通斷實現對水幕噴頭4的噴霧控制。通過在控制單元中設置粉 塵濃度噴霧控制的上、下限值，。當粉塵濃度超過設定值時，粉塵濃度傳感器將監測到的信 號傳輸給控制箱，單片機接收到信號後給電磁閥發出指令，電磁閥控制水幕灑水。本實施例中使用的GCG500型粉塵濃度傳感器是煤炭科學研究總院重慶研究院研 製成功的，該儀器採用光散射原理直接測量總粉塵濃度，主要由光源、光電轉換器、粉塵測 量系統、抽氣系統、粉塵過濾器和控制電路組成。該傳感器固定安裝在作業場所，測定數據 就地顯示，同時輸出與礦井安全監控系統相適應的頻率、電流信號(兩種信號任選一種)供 監控系統處理。其特點是測量快速準確、靈敏度高、性能穩定、各段粉塵散射比例係數可設 定、直接顯示粉塵質量濃度，工作電壓範圍寬(9 24VDC)，工作電流低((120mA)。為實現有人通過時停止噴霧、人員離開後繼續噴霧的效果，本裝置還包括熱釋電 紅外探頭9，熱釋電紅外探頭9的輸出信號至控制單元1，控制單元1通過繼電器控制電磁 閥3的電源，控制其打開或關閉。本實施例採用的熱釋電傳感器通過選用雙靈敏元的熱釋 電紅外探頭和設計新的信號放大集成電路，提高光控傳感器的靈敏度，控制距離提高到IOm 以上，選用的熱釋電紅外探頭只感應人體輻射的紅外波段，對其他波段不輸出信號，提高其 抗幹擾性能。熱釋電紅外探頭採用熱釋電材料極化隨溫度變化的特性探測紅外輻射，採用雙靈 敏元互補方法抑制溫度變化，靈敏度高，使其只感應人體輻射的紅外波段，不受其他輻射
6的幹擾，提高傳感器的抗幹擾性能。其輸出電信號> 2. 0V，工作溫度-20°C 60°C，視場 155X145°。信號放大電路將熱釋電探頭輸出的微弱電信號經放大後輸出至控制箱的主控 電路板進行調製，放大，延時處理。無需調整即可正常工作。本裝置的供電是通過變壓裝置6來實現的，接入電源採用36VAC和127VAC兩種， 但為了實驗方便以及考慮該套裝置在地面推廣，故增加一組220VAC，電源經過變壓裝置6， 變為3種電源輸出，即36VAC/23VAC/12VAC，36VAC經過全波整流，供電磁閥使用，23VAC經整 流、穩壓和過流、過壓、過熱保護電路後，供粉塵濃度傳感器使用，12VAC經整流、穩壓和安全 柵，供熱釋電紅外探頭使用。為便於直觀地進行數據顯示和觀察，本裝置還包括顯示屏7，顯示屏7的信號輸入 端與控制單元1的信號輸出端相聯接。另外，為實現及時報警，本裝置還包括聲光報警器5， 聲光報警器5與控制單元相聯接。如圖2所示，本裝置還包括控制箱體8，箱體8分為上、下兩層，上層為本安結構，下 層為防爆結構，所說顯示屏7設置於上層頂面，控制單元1的電路板和變壓裝置6設置在下 層，控制箱體8的上層結構還設置有多個接口，用於控制單元1和變壓裝置6與外部器件之 間的信號傳遞、控制聯接和供電。整個結構設計合理、安全可靠。如圖3所示，本實施例採用的電磁閥3包括防爆殼體31、電磁線圈32、閥體、閥芯 33和主活塞34，防爆殼體31的軸向上設置有閥芯安裝通道，閥芯33以滑動配合的方式設 置在閥芯安裝通道上，電磁線圈32圍繞閥芯安裝通道進行設置；閥體安裝在防爆殼體31的 下部，包括依次連接的上閥體35、中閥體36和下閥體37，其中，中閥體36與下閥體37之間 設置有用於安裝主活塞34的活塞安裝通道，主活塞34與閥芯33軸線重合，活塞安裝通道 的兩側分別連通進水通道和出水通道，電磁閥能在水壓高達IOMPa下可靠工作。當電磁線圈通電後，形成磁場，吸起閥芯，卸壓孔打開，上腔和下腔的水從卸壓孔 流走，使作用在主活塞上部的壓力降低，從而依靠壓差將主活塞推向上方，使管路暢通；當 電磁線圈斷電後，閥芯因自重及彈簧作用下落，關閉卸壓孔，與此同時進水通過連通孔流進 下腔和上腔，使主活塞上表面形成壓力，加上主活塞壓簧及自重，使主活塞下落至閥口，從 而截斷管口。電磁閥3採用先導式的結構，該閥用不鏽鋼活塞代替通用的先導式電磁閥的皮 碗，使閥的承壓能力大大提高；不鏽鋼活塞上有一活塞環，該環是可伸縮的氟橡膠圈，由於 氟橡膠圈在工作中同時受到徑向壓力，改變了以往活塞的受力狀況，徹底解決了先導式電 磁閥使用水壓範圍小以及高壓關不住、低壓打不開的問題，在0.2 6. 3MPa範圍內，活塞伸 展自如，同時提高了閥密封性能，延長閥的使用壽命。如圖4所示，本發明的智能化粉塵濃度設限噴霧降塵系統，包括智能化粉塵濃度 設限噴霧降塵裝置，還包括地面監控主機10以及井下安全監控系統分站，各井下安全監控系統分站11用於聯接分設在礦井各處的智能化粉塵濃度設限噴 霧降塵裝置，並將粉塵濃度傳感器採集到的各處濃度數據傳輸至地面監控主機，實現粉塵 濃度的遠程在線監控。本發明的智能化粉塵濃度設限噴霧降塵方法，包括以下步驟1)將粉塵濃度傳感器設置在礦井內的相關位置，採集該處的粉塵濃度信號並傳送 至控制單元；
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2)控制單元內部寫入數據，設定粉塵濃度的上限值和下限值；3)判斷粉塵濃度信號是否超過上限值，當粉塵濃度超過上限值時，控制單元控制 電磁閥的打開，實現噴霧；當粉塵濃度信號低於下限值時，控制單元控制電磁閥的關閉，停
止噴霧。其中，本方法還可以採用分布式架構，是通過採用地面監控主機來實現全局管理， 監控主機下設井下安全監控系統分站，所述各井下安全監控系統分站以一一對應的方式分 別聯接設置在礦井各處的控制單元和粉塵濃度傳感器，並將採集到的相關數據傳輸至監控 主機並可通過監控主機向控制單元內部寫入粉塵濃度的上限值和下限值數據。本課題研製的智能化粉塵濃度設限噴霧降塵裝置實現了超限噴霧降塵功能，由其 組成的系統實現了粉塵濃度的遠程在線監控功能，其監測的粉塵濃度數據準確，灑水裝置 的動作可靠，抗幹擾性強，穩定性好，填補了國內該項技術的空白，查新結論表明該產品的 各項技術性能達到國際先進水平。最後說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管參照較 佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技 術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本技術方案的宗旨和範圍，其均應涵蓋在本發明 的權利要求範圍當中。
權利要求
智能化粉塵濃度設限噴霧降塵裝置，其特徵在於所述裝置包括控制單元(1)、粉塵濃度傳感器(2)、電磁閥(3)和水幕噴頭(4)，所述粉塵濃度傳感器(2)的信號輸出端與控制單元(1)的信號輸入端相聯接，所述控制單元(1)的控制信號輸出端與電磁閥(3)的控制信號輸入端相聯接，所述控制單元(1)通過控制電磁閥(3)的通斷實現對水幕噴頭(4)的噴霧控制。
2.根據權利要求1所述的智能化粉塵濃度設限噴霧降塵裝置，其特徵在於所述裝置 還包括熱釋電紅外探頭(9)，所述熱釋電紅外探頭的輸出信號至控制單元(1)，所述控制單 元(1)通過繼電器控制電磁閥(3)的電源，控制其打開或關閉。
3.根據權利要求1或2所述的智能化粉塵濃度設限噴霧降塵裝置，其特徵在於所述 電磁閥⑶包括防爆殼體(31)、電磁線圈(32)、閥體、閥芯(33)和主活塞(34)，所述防爆 殼體(31)的軸向上設置有閥芯安裝通道，所述閥芯(33)以滑動配合的方式設置在閥芯安 裝通道上，所述電磁線圈(32)圍繞閥芯安裝通道進行設置；所述閥體安裝在防爆殼體(31) 的下部，包括依次連接的上閥體(35)、中閥體(36)和下閥體(37)，其中，所述中閥體(36) 與下閥體(37)之間設置有用於安裝主活塞(34)的活塞安裝通道，所述主活塞(34)與閥芯 (33)軸線重合，所述活塞安裝通道的兩側分別連通進水通道和出水通道。
4.根據權利要求1所述的智能化粉塵濃度設限噴霧降塵裝置，其特徵在於所述裝置 還包括聲光報警器(5)，所述聲光報警器(5)與控制單元相聯接。
5.根據權利要求4所述的智能化粉塵濃度設限噴霧降塵裝置，其特徵在於所述裝置 還包括變壓裝置(6)，所述變壓裝置(6)的輸出電壓分為三路，經過整流濾波後分別作為粉 塵濃度傳感器電源、熱釋電紅外探頭電源和電磁閥電源。
6.根據權利要求5所述的智能化粉塵濃度設限噴霧降塵裝置，其特徵在於所述裝置 還包括顯示屏(7)，所述顯示屏(7)的信號輸入端與控制單元(1)的信號輸出端相聯接。
7.根據權利要求6所述的智能化粉塵濃度設限噴霧降塵裝置，其特徵在於所述裝置 還包括控制箱體(8)，所述箱體(8)分為上、下兩層，所述上層為本安結構，下層為防爆結 構，所說顯示屏(7)設置於上層頂面，所述控制單元(1)和變壓裝置(6)設置在下層，所述 控制箱體(8)的上層結構還設置有多個接口，用於控制單元(1)和變壓裝置(6)與外部器 件之間的信號傳遞、控制聯接和供電。
8.智能化粉塵濃度設限噴霧降塵系統，其特徵在於包括如權利要求1所述的智能化 粉塵濃度設限噴霧降塵裝置，所述系統還包括監控主機(10)以及多個系統分站，所述系統 分站(11)用於聯接分設在礦井各處的智能化粉塵濃度設限噴霧降塵裝置，並將粉塵濃度 傳感器採集到的各處濃度數據傳輸至監控主機，實現粉塵濃度的在線監控。
9.智能化粉塵濃度設限噴霧降塵方法，其特徵在於包括以下步驟1)將粉塵濃度傳感器設置在礦井內的相關位置，採集該處的粉塵濃度信號並傳送至控 制單元；2)控制單元內部寫入數據，設定粉塵濃度的上限值和下限值；3)判斷粉塵濃度信號是否超過上限值，當粉塵濃度超過上限值時，控制單元控制電磁 閥的打開，實現噴霧；當粉塵濃度信號低於下限值時，控制單元控制電磁閥的關閉，停止噴霧。
10.如權利要求9所述的智能化粉塵濃度設限噴霧降塵方法，其特徵在於所述方法採用分布式架構，是通過採用地面監控主機來實現全局管理，地面監控主機下設多個系統分 站，所述系統分站以一一對應的方式分別聯接設置在礦井各處的控制單元和粉塵濃度傳感 器，並將採集到的相關數據傳輸至地面監控主機並可通過地面監控主機向控制單元內部寫 入粉塵濃度的上限值和下限值數據。
全文摘要
本發明公開了一種智能化粉塵濃度設限噴霧降塵裝置，包括控制單元、粉塵濃度傳感器、電磁閥和水幕噴頭，粉塵濃度傳感器的信號輸出端與控制單元的信號輸入端相聯接，控制單元的控制信號輸出端與電磁閥的控制信號輸入端相聯接，控制單元通過控制電磁閥的通斷實現對水幕噴頭的噴霧控制，本發明的裝置通過人為設定粉塵濃度限制，當超過上限值時才噴霧，當低於下限值時停止噴霧，從而避免了水資源的無謂浪費，減少了巷道內的積水，改善了工作條件，保證了礦井工人的健康安全；另外，本發明還公開了一種智能化粉塵濃度設限噴霧降塵系統，可以實現粉塵濃度的遠程在線監測監控，同時，本發明還公開了一種智能化粉塵濃度設限噴霧降塵方法。
文檔編號E21F5/04GK101915116SQ20101022929
公開日2010年12月15日 申請日期2010年7月16日 優先權日2010年7月16日
發明者李德文, 李智, 李愛菊, 王傑, 王自亮, 趙恩彪, 隋金君, 黃衛 申請人:煤炭科學研究總院重慶研究院