專利名稱：一種基于差動原理的礦井粉塵濃度測量裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種礦井粉塵濃度測量裝置，特別涉及一種基于差動原理的礦井粉塵 濃度測量裝置。
背景技術：
我國是產煤大國，在總的能源構成中，煤炭約占75%左右，這一狀況在今后相當長 的時間內不會有根本性的改變。煤礦井下各作業(yè)點在生產過程中會產生大量粉塵，煤礦粉 塵的危害性很大，可導致煤塵爆炸，同時也能誘發(fā)職業(yè)病——塵肺病。采取有效措施防治粉 塵是煤礦安全生產的一項重要工作，實時在線檢測井下各作業(yè)點的粉塵濃度，是正確評估 粉塵防治措施的必不可少的手段。目前測量粉塵濃度的方法主要包括稱重濾膜法、β射線法、壓電晶振法、超聲波 法、黑度法、消光法、光散射法、電容法等。這些測量方法各有其優(yōu)缺點，稱重濾膜法、黑度法 應用廣泛但操作繁瑣、不能實現(xiàn)在線檢測；因煤礦井下條件的復雜性，具有放射源的設備及 裝置下井，需國家相關部門的批準，因此β射線法沒有在井下采用；壓電晶振法可以實現(xiàn) 在線檢測，但該法需要煩瑣的取樣過程，時延性長，測量誤差較大，在煤礦沒有得到推廣應 用；電容法是通過測量介電常數(shù)的變化而得到粉塵濃度的一種方法，但是其靈敏度低，只能 應用于煤粉氣力輸送等濃相條件，不能應用于礦井等稀相條件下。消光法、光散射法是目前 國內外普遍采用的測量粉塵濃度的方法，長期的應用證明這兩種方法對于粉塵在傳感器內 部堆積的問題很敏感，需要定期清理傳感器，同時光學鏡頭對濕度的依賴性很強，一段時間 后測量誤差變大。因此利用新的理論，探索新的測量方法克服目前測量技術中存在的問題 是非常重要的。靜電法是近十年來在國際上受到重視的一種顆粒濃度在線測量方法，國內通過引 進國外產品主要應用在各類燃煤電廠的煤粉混合流的煤粉質量流量的檢測及袋式除塵器 的泄露檢測中。其工作原理為任何粉體狀的物質在氣體的流動過程中，都會產生碰撞和摩 擦，因此粉體粒子會失去電子而形成帶靜電荷的粒子和顆粒，隨著顆粒濃度及粉體流速的 變化，其電荷量也按一定規(guī)律變化。通過敏感元件檢測顆粒流動過程中產生的靜電噪聲或 顆粒與測試裝置之間轉移的荷電量，并結合適當?shù)男盘柼幚矸椒▽崿F(xiàn)顆粒濃度測量。靜電 法最大的優(yōu)點測量粉塵濃度靈敏度高、結構簡單、免維護，這些優(yōu)點克服了其他測量方法特 別是目前煤礦普遍采用的消光法、光散射法的缺點。目前國內利用靜電法測量粉塵濃度特別是礦井粉塵濃度處于剛剛起步階段，僅處 于利用國外產品在實驗室進行實驗及到井下進行試驗階段，還沒有屬于自己的產品。通過 實驗室實驗、井下試驗驗證現(xiàn)有技術中使用的靜電測量敏感元件，由于粉塵帶電量十分微 弱，其感應電量也十分微弱，同時由于其電極部分暴露在復雜的測量環(huán)境中，缺乏有效的抗 電磁干擾屏蔽，容易耦合進環(huán)境中的各種電磁干擾，尤其是空氣中的工頻干擾比電荷信號 大一至兩個數(shù)量級，只靠后續(xù)的處理電路難以有效地濾除干擾，因此如何提高測量敏感元 件的靈敏度及去除電磁干擾成為亟需解決的問題。

發(fā)明內容
本發(fā)明的任務在于解決現(xiàn)有技術中礦井粉塵濃度靜電法測量裝置所存在的上述 技術缺陷，提供一種基于差動原理的礦井粉塵濃度測量裝置，該礦井粉塵濃度測量裝置中 的敏感元件能夠有效地濾除各種電磁干擾的影響，有利于提高其準確度和靈敏度。其技術解決方案是一種基于差動原理的礦井粉塵濃度測量裝置，包括一只測量敏感元件與一只參 考敏感元件，測量敏感元件與參考敏感元件并列設置在一起，上述測量敏感元件包括絕緣 管、圓環(huán)狀電極與屏蔽罩，絕緣管的兩端管口為開放式，其內管腔作為粉塵流經通道，圓環(huán) 狀電極套置在絕緣管外管壁上，屏蔽罩與絕緣管配合形成一個密閉的屏蔽空間，圓環(huán)狀電 極位于屏蔽空間內，圓環(huán)狀電極的信號導線從屏蔽罩上引出并連接有第一電荷放大器進行 電荷電壓轉換，第一電荷電壓放大器的輸出信號包含一個有效電荷信號與一個第一干擾信 號；參考敏感元件除下述不同外，其他與測量敏感元件對應部分相同，絕緣管的兩端管口采 用絕緣材料封堵，其內管腔成為盲腔，圓環(huán)狀電極的信號導線從屏蔽罩上引出并連接有第 二電荷放大器進行電荷電壓轉換，第二電荷電壓放大器的輸出信號僅包括一個第二干擾信 號，第一干擾信號與第二干擾信號相同，第一電荷放大器與第二電荷放大器同時連接有一 個差分放大電路，上述有效電荷信號、第一干擾信號及第二干擾信號同時輸入差分放大電 路，并由差分放大電路放大差模有用信號，濾除共模干擾信號。上述差分放大電路連接信號調理電路，由信號調理電路將來自差分放大電路的輸 入信號轉換為4 20mA的標準電流信號。上述第一電荷放大器與第二電荷放大器相同，均為超低偏置電流差動運算放大
O上述第一、第二電荷放大器，差分放大電路，以及信號調理電路均設置在一盒艙 內，盒艙從下方固定在測量敏感元件與參考敏感元件鄰接部位的屏蔽罩上，盒艙設置有接 地線。上述礦井粉塵濃度測量裝置還包括能促使粉塵在測量敏感元件的粉塵流經通道 內單向流動的抽風裝置。本發(fā)明具有以下有益技術效果本發(fā)明采取一只測量敏感元件與一只參考敏感元件，各敏感元件中的電極部分即 能防止被電磁干擾，又能防止空氣中的水分及粉塵進入侵襲，能夠有效地濾除各種電磁干 擾對其產生的不良影響，從而提高測量準確度和靈敏度。


下面結合附圖與具體實施方式
對本發(fā)明作進一步說明圖1為本發(fā)明一種實施方式的結構原理示意圖。圖2示出了圖1方式中的測量敏感元件。圖3示出了圖1方式中的第一、第二電荷放大器與差級放大電路部分及其電連接 關系。圖4示出了第一、第二電荷放大器，差級放大電路與信號調理電路的電連接關系。
具體實施例方式結合圖1、圖2、圖3與圖4，一種基于差動原理的礦井粉塵濃度測量裝置，包括一 只測量敏感元件1與一只參考敏感元件2，測量敏感元件1與參考敏感元件2并列設置在 一起，并列設置在一起既可指測量敏感元件1與參考敏感元件2緊緊貼靠在一起的情形，該 情形如圖1所示，又可指測量敏感元件1與參考敏感元件2稍微分離開、固定在同一連接件 上之情形，還可指測量敏感元件1與參考敏感元件2分離開、固定在同一測量點上不同位置 之情形，以前述兩敏感元件緊緊貼靠在一起為優(yōu)選方式。上述測量敏感元件1包括絕緣管 101、圓環(huán)狀電極102與屏蔽罩103，絕緣管101的兩端管口為開放式，其內管腔104作為粉 塵流經通道，圓環(huán)狀電極102套置在絕緣管101外管壁上，屏蔽罩103與絕緣管101配合 形成一個密閉的屏蔽空間，圓環(huán)狀電極位于屏蔽空間內，既能防止電磁對電極的影響，又能 防止空氣中的水分及粉塵進入侵襲的影響，圓環(huán)狀電極102的信號導線從屏蔽罩上引出并 連接有第一電荷放大器3進行電荷電壓轉換，第一電荷電壓放大器3的輸出信號包含一個 有效電荷信號與一個第一干擾信號。參考敏感元件2除下述不同外，其他與上述測量敏感 元件1對應部分相同，絕緣管201的兩端管口采用絕緣材料如塑料塊或片205封堵，內管腔 204由于兩端被封閉成為盲腔，不作為粉塵流經通道，圓環(huán)狀電極202的信號導線從屏蔽罩 上引出并連接有第二電荷放大器4進行電荷電壓轉換，第二電荷電壓放大器4的輸出信號 僅包括一個第二干擾信號。上述第一電荷放大器3與第二電荷放大器4相同，均為超低偏 置電流差動運算放大器，第一干擾信號與第二干擾信號相同，第一電荷放大器與第二電荷 放大器同時連接有一個差分放大電路5，上述有效電荷信號、第一干擾信號及第二干擾信號 同時輸入差分放大電路5，并由差分放大電路5放大差模有用信號，濾除共模干擾信號。上 述差分放大電路5連接信號調理電路，由信號調理電路將來自差分放大電路的輸入信號轉 換為4 20mA的標準電流信號。上述第一、第二電荷放大器3、4，差分放大電路5，以及信 號調理電路6均設置在一盒艙6內，盒艙6從下方固定在測量敏感元件1與參考敏感元件 2鄰接部位的屏蔽罩上，盒艙6設置有接地線，以便保持良好的接地狀態(tài)。下面對上述有關內容再作更進一步地說明上述圓環(huán)狀電極102、202應由良好的導電材料構成，優(yōu)選紫銅片或者不銹鋼片， 屏蔽罩103為了實現(xiàn)電磁屏蔽以及耐腐蝕應選用不銹鋼材料。絕緣管101、201采用耐腐蝕 的特氟龍材料制成。屏蔽罩與絕緣管對應部位緊密結合即形成一個密閉的屏蔽空間，防止 空氣中水分以及粉塵進入絕緣管與屏蔽罩之間區(qū)域影響電極的感應電量。圓環(huán)狀電極緊密 纏繞在絕緣管上，通過非接觸式的電荷感應原理測得粉塵的帶電量。圖2中箭頭所指方向 為礦井下風向，無風條件下應在測量敏感元件的一端安裝抽風裝置保證粉塵在測量敏感元 件的粉塵流經通道內單向流動。上述第一、第二電荷放大器可采取0PA129放大器，用于將電荷轉換為電壓信號。 0PA129放大器是美國TI公司生產的超低偏置電流差動運算放大器，其典型的偏置電流一 般為0. 1PA，這樣的特性使其非常適合構成電荷放大器。圖3中電荷放大器實質上是負反饋 放大器，其中R1，CI為反饋參數(shù)，假設電極感應得到的電荷量為Q，則電荷放大器的輸出為U= 電荷放大器的放大倍數(shù)由Cl確定，電荷放大器的低頻截止頻率f=Y‘，因為感應電荷非常微弱，通常為PF級別，因此反饋電容選擇為InF，為了保證電 2nR\C\
荷放大器足夠低的低頻截止頻率，選擇反饋電阻為IGQ，此時可以保證電荷放大器低頻截 止頻率為0. 16Hz，電荷放大器輸出為毫伏級。兩路電荷放大器輸出的信號包括差模的有 效電荷信號和共模的干擾信號即第一干擾信號與第二干擾信號，其中電荷放大器由于輸入 偏置電流非常小，所以對噪聲非常敏感，通常噪聲信號會比有效信號高出一至兩個數(shù)量級， 上述差分放大電路采用儀表放大器AD620，AD620具有較高的共模抑制比，有較小的輸入溫 漂和較小的失調電壓，增益范圍大且可進行通過調節(jié)外接電阻R3的大小來調節(jié)增益。而 AD620信噪比高，噪聲系數(shù)小的特點尤其適合本裝置輸入信號微弱的特點。將兩路即第一、 第二電荷放大器的輸出分別連接至AD620的正負輸入端，濾除共模干擾信號，通過調整R3 的大小調整放大器的放大倍數(shù)，最終輸出伏級的信號。 上述信號調理電路包括一電壓變換電路7與一兩線制V/I變送器8，上述差分放大 電路輸出的伏級信號經過電壓變換電路調整為0. 4-2V的電壓信號，經過兩線制V/I變送器 轉變?yōu)? 20mA標準電流信號，然后傳送到上位機進行采集處理。采用4 20mA標準電 流信號的好處是可以長距離傳輸而且抗干擾能力強。
權利要求
一種基于差動原理的礦井粉塵濃度測量裝置，特征在于其包括一只測量敏感元件與一只參考敏感元件，測量敏感元件與參考敏感元件并列設置在一起，上述測量敏感元件包括絕緣管、圓環(huán)狀電極與屏蔽罩，絕緣管的兩端管口為開放式，其內管腔作為粉塵流經通道，圓環(huán)狀電極套置在絕緣管外管壁上，屏蔽罩與絕緣管配合形成一個密閉的屏蔽空間，圓環(huán)狀電極位于屏蔽空間內，圓環(huán)狀電極的信號導線從屏蔽罩上引出并連接有第一電荷放大器進行電荷電壓轉換，第一電荷電壓放大器的輸出信號包含一個有效電荷信號與一個第一干擾信號；參考敏感元件除下述不同外，其他與測量敏感元件對應部分相同，絕緣管的兩端管口采用絕緣材料封堵，其內管腔成為盲腔，圓環(huán)狀電極的信號導線從屏蔽罩上引出并連接有第二電荷放大器進行電荷電壓轉換，第二電荷電壓放大器的輸出信號僅包括一個第二干擾信號，第一干擾信號與第二干擾信號相同，第一電荷放大器與第二電荷放大器同時連接有一個差分放大電路，上述有效電荷信號、第一干擾信號及第二干擾信號同時輸入差分放大電路，并由差分放大電路放大差模有用信號，濾除共模干擾信號。
2.根據權利要求1所述的基于差動原理的礦井粉塵濃度測量裝置，其特征在于所述 差分放大電路連接信號調理電路，由信號調理電路將來自差分放大電路的輸入信號轉換為 4 20mA的標準電流信號。
3.根據權利要求1所述的基于差動原理的礦井粉塵濃度測量裝置，其特征在于所述 第一電荷放大器與第二電荷放大器相同，均為超低偏置電流差動運算放大器。
4.根據權利要求2所述的基于差動原理的礦井粉塵濃度測量裝置，其特征在于所述 第一、第二電荷放大器，差分放大電路，以及信號調理電路均設置在一盒艙內，盒艙從下方 固定在測量敏感元件與參考敏感元件鄰接部位的屏蔽罩上，盒艙設置有接地線。
5.根據權利要求1所述的基于差動原理的礦井粉塵濃度測量裝置，其特征在于所述 礦井粉塵濃度測量裝置還包括能促使粉塵在測量敏感元件的粉塵流經通道內單向流動的 抽風裝置。
全文摘要
本發(fā)明公開一種基于差動原理的礦井粉塵濃度測量裝置，測量敏感元件與參考敏感元件并列設置在一起，測量敏感元件電極的信號導線從屏蔽罩上引出并連接有第一電荷放大器進行電荷電壓轉換，輸出信號包含一個有效電荷信號與一個干擾信號；參考敏感元件除下述不同外，其他與測量敏感元件對應部分相同，絕緣管的兩端管口采用絕緣材料封堵，其內管腔成為盲腔，電極的信號導線從屏蔽罩上引出并連接有第二電荷放大器進行電荷電壓轉換，輸出信號僅包括一個同樣干擾信號，各信號同時輸入差分放大電路，放大差模有用信號，濾除共模干擾信號。本發(fā)明能夠有效地濾除各種電磁干擾對其產生的不良影響，從而提高測量準確度和靈敏度。
文檔編號H03F3/45GK101907600SQ201010240428
公開日2010年12月8日 申請日期2010年7月30日 優(yōu)先權日2010年7月30日
發(fā)明者張亮, 曹茂永, 李繼明, 梁慧斌, 程學珍, 逄明祥, 錢曉超 申請人:山東科技大學