智能化粉尘浓度设限喷雾降尘装置、 系统和方法 技术领域 本发明涉及矿井安全监测监控领域， 特别涉及一种智能化粉尘浓度设限喷雾降尘 装置， 同时还涉及一种智能化粉尘浓度设限喷雾降尘系统和方法。
背景技术 粉尘危害主要有两方面 ： 一是对人体的危害， 如果人的肺部长期吸入大量的矿尘， 就可患尘肺病， 尘肺病是目前危害较大的一种矿工职业病。 二是煤尘爆炸危害， 煤尘爆炸是 煤矿的严重灾害之一， 它严重威胁着矿井安全。近几年来， 瓦斯煤尘爆炸事故仍时有发生， 严重影响了矿井安全生产和职工生命。因此， 搞好矿井粉尘综合治理已迫在眉睫。
煤矿生产过程中粉尘主要来源于采掘工作面， 尤其是采掘机械的迅速发展， 使煤 矿机械化程度大为提高， 采掘能力也随之加大， 促进煤炭产量成倍增长。但是， 在这种生产 条件下煤矿的产尘强度也随之增大， 采掘工作面的粉尘浓度大幅度增加。 据统计， 在地质条
件和通风状况基本相同情况下， 不同的采掘方法其粉尘浓度相差很大。 例如， 在无防尘措施 条件下， 炮采时的粉尘浓度为 300 ～ 500mg/m3， 而机采时的粉尘浓度可达 1000 ～ 3000mg/ m3， 综采则高达 4000 ～ 8000mg/m3。 因此， 对现代化矿井采掘防尘技术的研究与应用是很有 必要的， 开发先进的粉尘浓度监测监控技术， 及时了解作业场所的粉尘浓度并对粉尘进行 控制， 不仅是尘害防治和科学管理的要求， 也是有效预防控制重大恶性爆炸事故 ( 特别是 瓦斯煤尘爆炸 ) 的要求。
“十五” 期间， 煤炭科学研究总院重庆研究院研制了实现粉尘远程在线监测监控的 关键部件—— GCG500 型粉尘浓度传感器， 填补了国内空白， 为实现粉尘浓度在线监测提供 了条件。但是， 目前我国煤矿在降尘方面， 主要使用常规的洒水装置， 这些洒水装置不管粉 尘浓度高低都进行喷雾， 严重浪费水资源， 导致巷道内积水过多， 给工作带来不便。 因此， 有 必要进行粉尘浓度在线监测监控及智能喷雾降尘系统的相关研究。 发明内容 有鉴于此， 本发明的目的之一是提供一种智能化粉尘浓度设限喷雾降尘装置， 通 过控制单元的作用， 能够根据粉尘浓度自动调整喷雾时间， 从而解决了原有喷雾洒水装置 不管粉尘浓度高低而一直喷雾的缺点， 避免了水资源的浪费和巷道积水， 具有良好和广泛 的推广应用价值 ； 在目的之一的基础上， 本发明的目的之二是提供一种智能化粉尘浓度设 限喷雾降尘系统， 通过地面监控主机来实现在线粉尘浓度的远程在线监测监控 ； 本发明的 目的之三是提供一宗智能化粉尘浓度设限喷雾降尘方法。
本发明的目的之一是通过以下技术方案实现的 ： 。
该智能化粉尘浓度设限喷雾降尘装置包括控制单元、 粉尘浓度传感器、 高压电磁 阀和水幕喷头， 所述粉尘浓度传感器的信号输出端与控制单元的信号输入端相联接， 所述 控制单元的控制信号输出端与电磁阀的控制信号输入端相联接， 所述控制单元通过控制电 磁阀的通断实现对水幕喷头的喷雾控制。
进一步， 所述装置还包括热释电红外探头， 所述热释电红外探头的输出信号至控 制单元， 所述控制单元通过继电器控制电磁阀的电源， 控制其打开或关闭 ；
进一步， 所述高压电磁阀包括防爆壳体、 电磁线圈、 阀体、 阀芯和主活塞， 所述防爆 壳体的轴向上设置有阀芯安装通道， 所述阀芯以滑动配合的方式设置在阀芯安装通道上， 所述电磁线圈围绕阀芯安装通道进行设置 ； 所述阀体安装在防爆壳体的下部， 包括依次连 接的上阀体、 中阀体和下阀体， 其中， 所述中阀体与下阀体之间设置有用于安装主活塞的活 塞安装通道， 所述主活塞与阀芯轴线重合， 所述活塞安装通道的两侧分别连通进水通道和 出水通道， 电磁阀能在水压高达 10MPa 下可靠工作 ；
进一步， 所述装置还包括声光报警器， 所述声光报警器与控制单元相联接 ；
进一步， 所述装置还包括变压装置， 所述变压装置的输出电压分为三路， 经过整流 滤波后分别作为粉尘浓度传感器电源、 热释电红外探头电源和电磁阀电源 ；
进一步， 所述装置还包括显示屏， 所述显示屏的信号输入端与控制单元的信号输 出端相联接 ；
进一步， 所述装置还包括控制箱体， 所述控制箱体分为上、 下两层， 所述上层为本 安结构， 下层为防爆结构， 所说显示屏设置于上层顶面， 所述控制单元和变压装置设置在下 层， 所述控制箱体的上层结构还设置有多个接口， 用于控制单元和变压装置与外部器件之 间的信号传递、 控制联接和供电。
本发明的目的之二是通过以下技术方案实现的 ：
该智能化粉尘浓度设限喷雾降尘系统， 包括如前所述的智能化粉尘浓度设限喷雾 降尘装置， 还包括地面监控主机以及井下安全监控系统分站， 所述井下安全监控系统分站 用于联接分设在矿井各处的智能化粉尘浓度设限喷雾降尘装置， 并将粉尘浓度传感器采集 到的各处浓度数据、 运行工况传输至地面监控主机， 实现粉尘浓度的在线监控。
本发明的目的之三提出的智能化粉尘浓度设限喷雾降尘方法， 包括以下步骤 ：
1) 将粉尘浓度传感器设置在矿井内的相关位置， 采集该处的粉尘浓度信号并传送 至控制单元 ；
2) 控制单元内部写入数据， 设定粉尘浓度的上限值和下限值 ；
3) 判断粉尘浓度信号是否超过上限值， 当粉尘浓度超过上限值时， 控制单元控制 电磁阀的打开， 实现喷雾 ； 当粉尘浓度信号低于下限值时， 控制单元控制电磁阀的关闭， 停 止喷雾。
进一步， 该方法采用分布式架构， 通过采用地面监控主机来实现全局管理， 地面监 控主机下设井下安全监控系统分站， 所述井下安全监控系统分站以一一对应的方式分别联 接设置在矿井各处的控制单元和粉尘浓度传感器， 并将采集到的相关数据传输至地面监控 主机并可通过地面监控主机向控制单元内部写入粉尘浓度的上限值和下限值数据、 远程控 制其运行状态。
本发明的有益效果是 ：
1. 本发明的装置属国内首创， 将喷雾与否与粉尘浓度大小关联起来， 从而可以人 为设定粉尘浓度限制， 当超过上限值时才喷雾， 当低于下限值时停止喷雾， 从而避免了水资 源的无谓浪费， 减少了巷道内的积水， 改善了工作条件， 保证了矿井工人的健康安全 ；
2. 本发明的系统能够实现连续的粉尘浓度远程在线监测监控， 弥补了国内空白，为整个矿井工作的全面良好运行提供了更好的保障 ；
3. 本发明采用了改进的高压防爆电磁阀， 同时还采用了高灵敏度的粉尘浓度传感 器， 监测的粉尘浓度数据准确， 洒水装置的动作可靠， 抗干扰性强， 稳定性好。
本发明的其他优点、 目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述， 并 且在某种程度上， 基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的， 或者可 以从本发明的实践中得到教导。 本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要 求书来实现和获得。 附图说明
为了使本发明的目的、 技术方案和优点更加清楚， 下面将结合附图对本发明作进 一步的详细描述， 其中 ：
图 1 为本发明的装置连接示意图 ；
图 2 为控制箱体内部结构示意图 ；
图 3 为电磁阀结构示意图 ；
图 4 为本发明的系统连接示意图。 具体实施方式 以下将参照附图， 对本发明的优选实施例进行详细的描述。 应当理解， 优选实施例 仅为了说明本发明， 而不是为了限制本发明的保护范围。
如图 1 所示， 本发明的智能化粉尘浓度设限喷雾降尘装置， 包括控制单元 1、 粉尘 浓度传感器 2、 电磁阀 3 和水幕喷头 4， 粉尘浓度传感器 2 的信号输出端与控制单元 1 的信 号输入端相联接， 控制单元 1 的控制信号输出端与电磁阀 3 的控制信号输入端相联接， 控制 单元 1 通过控制电磁阀 3 的通断实现对水幕喷头 4 的喷雾控制。通过在控制单元中设置粉 尘浓度喷雾控制的上、 下限值， 。当粉尘浓度超过设定值时， 粉尘浓度传感器将监测到的信 号传输给控制箱， 单片机接收到信号后给电磁阀发出指令， 电磁阀控制水幕洒水。
本实施例中使用的 GCG500 型粉尘浓度传感器是煤炭科学研究总院重庆研究院研 制成功的， 该仪器采用光散射原理直接测量总粉尘浓度， 主要由光源、 光电转换器、 粉尘测 量系统、 抽气系统、 粉尘过滤器和控制电路组成。该传感器固定安装在作业场所， 测定数据 就地显示， 同时输出与矿井安全监控系统相适应的频率、 电流信号 ( 两种信号任选一种 ) 供 监控系统处理。 其特点是 ： 测量快速准确、 灵敏度高、 性能稳定、 各段粉尘散射比例系数可设 定、 直接显示粉尘质量浓度， 工作电压范围宽 (9 ～ 24VDC)， 工作电流低 ( ≤ 120mA)。
为实现有人通过时停止喷雾、 人员离开后继续喷雾的效果， 本装置还包括热释电 红外探头 9， 热释电红外探头 9 的输出信号至控制单元 1， 控制单元 1 通过继电器控制电磁 阀 3 的电源， 控制其打开或关闭。本实施例采用的热释电传感器通过选用双灵敏元的热释 电红外探头和设计新的信号放大集成电路， 提高光控传感器的灵敏度， 控制距离提高到 10m 以上， 选用的热释电红外探头只感应人体辐射的红外波段， 对其他波段不输出信号， 提高其 抗干扰性能。
热释电红外探头采用热释电材料极化随温度变化的特性探测红外辐射， 采用双灵 敏元互补方法抑制温度变化， 灵敏度高， 使其只感应人体辐射的红外波段， 不受其他辐射
的干扰， 提高传感器的抗干扰性能。其输出电信号＞ 2.0V， 工作温度 -20 ℃～ 60 ℃， 视场 155×145°。 信号放大电路将热释电探头输出的微弱电信号经放大后输出至控制箱的主控 电路板进行调制， 放大， 延时处理。无需调整即可正常工作。
本装置的供电是通过变压装置 6 来实现的， 接入电源采用 36VAC 和 127VAC 两种， 但为了实验方便以及考虑该套装置在地面推广， 故增加一组 220VAC， 电源经过变压装置 6， 变为 3 种电源输出， 即 36VAC/23VAC/12VAC， 36VAC 经过全波整流， 供电磁阀使用， 23VAC 经整 流、 稳压和过流、 过压、 过热保护电路后， 供粉尘浓度传感器使用， 12VAC 经整流、 稳压和安全 栅， 供热释电红外探头使用。
为便于直观地进行数据显示和观察， 本装置还包括显示屏 7， 显示屏 7 的信号输入 端与控制单元 1 的信号输出端相联接。 另外， 为实现及时报警， 本装置还包括声光报警器 5， 声光报警器 5 与控制单元相联接。
如图 2 所示， 本装置还包括控制箱体 8， 箱体 8 分为上、 下两层， 上层为本安结构， 下 层为防爆结构， 所说显示屏 7 设置于上层顶面， 控制单元 1 的电路板和变压装置 6 设置在下 层， 控制箱体 8 的上层结构还设置有多个接口， 用于控制单元 1 和变压装置 6 与外部器件之 间的信号传递、 控制联接和供电。整个结构设计合理、 安全可靠。 如图 3 所示， 本实施例采用的电磁阀 3 包括防爆壳体 31、 电磁线圈 32、 阀体、 阀芯 33 和主活塞 34， 防爆壳体 31 的轴向上设置有阀芯安装通道， 阀芯 33 以滑动配合的方式设 置在阀芯安装通道上， 电磁线圈 32 围绕阀芯安装通道进行设置 ； 阀体安装在防爆壳体 31 的 下部， 包括依次连接的上阀体 35、 中阀体 36 和下阀体 37， 其中， 中阀体 36 与下阀体 37 之间 设置有用于安装主活塞 34 的活塞安装通道， 主活塞 34 与阀芯 33 轴线重合， 活塞安装通道 的两侧分别连通进水通道和出水通道， 电磁阀能在水压高达 10MPa 下可靠工作。
当电磁线圈通电后， 形成磁场， 吸起阀芯， 卸压孔打开， 上腔和下腔的水从卸压孔 流走， 使作用在主活塞上部的压力降低， 从而依靠压差将主活塞推向上方， 使管路畅通 ； 当 电磁线圈断电后， 阀芯因自重及弹簧作用下落， 关闭卸压孔， 与此同时进水通过连通孔流进 下腔和上腔， 使主活塞上表面形成压力， 加上主活塞压簧及自重， 使主活塞下落至阀口， 从 而截断管口。
电磁阀 3 采用先导式的结构， 该阀用不锈钢活塞代替通用的先导式电磁阀的皮 碗， 使阀的承压能力大大提高 ； 不锈钢活塞上有一活塞环， 该环是可伸缩的氟橡胶圈， 由于 氟橡胶圈在工作中同时受到径向压力， 改变了以往活塞的受力状况， 彻底解决了先导式电 磁阀使用水压范围小以及高压关不住、 低压打不开的问题， 在 0.2 ～ 6.3MPa 范围内， 活塞伸 展自如， 同时提高了阀密封性能， 延长阀的使用寿命。
如图 4 所示， 本发明的智能化粉尘浓度设限喷雾降尘系统， 包括智能化粉尘浓度 设限喷雾降尘装置， 还包括地面监控主机 10 以及井下安全监控系统分站，
各井下安全监控系统分站 11 用于联接分设在矿井各处的智能化粉尘浓度设限喷 雾降尘装置， 并将粉尘浓度传感器采集到的各处浓度数据传输至地面监控主机， 实现粉尘 浓度的远程在线监控。
本发明的智能化粉尘浓度设限喷雾降尘方法， 包括以下步骤 ：
1) 将粉尘浓度传感器设置在矿井内的相关位置， 采集该处的粉尘浓度信号并传送 至控制单元 ；
2) 控制单元内部写入数据， 设定粉尘浓度的上限值和下限值 ；
3) 判断粉尘浓度信号是否超过上限值， 当粉尘浓度超过上限值时， 控制单元控制 电磁阀的打开， 实现喷雾 ； 当粉尘浓度信号低于下限值时， 控制单元控制电磁阀的关闭， 停 止喷雾。
其中， 本方法还可以采用分布式架构， 是通过采用地面监控主机来实现全局管理， 监控主机下设井下安全监控系统分站， 所述各井下安全监控系统分站以一一对应的方式分 别联接设置在矿井各处的控制单元和粉尘浓度传感器， 并将采集到的相关数据传输至监控 主机并可通过监控主机向控制单元内部写入粉尘浓度的上限值和下限值数据。
本课题研制的智能化粉尘浓度设限喷雾降尘装置实现了超限喷雾降尘功能， 由其 组成的系统实现了粉尘浓度的远程在线监控功能， 其监测的粉尘浓度数据准确， 洒水装置 的动作可靠， 抗干扰性强， 稳定性好， 填补了国内该项技术的空白， 查新结论表明 ： 该产品的 各项技术性能达到国际先进水平。
最后说明的是， 以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制， 尽管参照较 佳实施例对本发明进行了详细说明， 本领域的普通技术人员应当理解， 可以对本发明的技 术方案进行修改或者等同替换， 而不脱离本技术方案的宗旨和范围， 其均应涵盖在本发明 的权利要求范围当中。