Multi-wave-length Extinction Detection Method for Coal Mine Dust
Tang Gang
Physics Teaching Research Room, CUMT(Xuzhou 221008)
Abstract Based on the needs of coal mine dust measuring, the author puts forward that measuring dust accuracy using multi-wave-length extinction and introduces the principle and principal designing scheme.
Key words coal mines optic dust measurer dust concentration dust dispersion degree
1 引言
光学式粉尘浓度测量仪(从原理上可分为光吸收式和光散射式)因具有快速,直读,便携和操作方便等优点,在煤矿粉尘测量中被广泛采用。但因其测量精度低(一般仅为±25%),而往往满足不了实际测尘的需要。分析精度低的原因,是其原理上的缺陷:粉尘的粒度分布影响测量结果,而普通测尘仪通常所使用的常数标定法,因耗时费力,又不能随时进行,很难适应尘样的变化,因而无法从根本上提高粉尘的测量精度。解决问题的唯一办法是能实时地跟踪粉尘粒度分布的变化[1]。
从原理上讲,采用多波长消光法测尘将能实现对煤矿粉尘浓度的高精度测量,技术也是可行的。本文将介绍多波长消光法测尘的基本原理,并根据测尘的实际需要,提出了原理性设计方案。
2 测量原理
多波长消光法测尘的原理见图1。令一束强度为I0的单色平行光照射含有尘样的测量区,由于消光作用(光的吸收和散射),出射光强会发生衰减。

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图1 光的透射 根据贝格-比尔云尘理论,对于均匀分散粒径均一的尘样,入射光强与出射光强的关系为[2]: I=I0exp(-Q.N.A.L)=I0exp(-3QWL/2ρd) (1) 式中:Q为消光系数(无量纲),它与入射光波长λ,尘粒直径d和尘粒物质折射率m有关,可以按Mie理论和专门编制的程序算出[3];N为尘粒的数量密度;A为粒径为d的尘粒的截面积;W为尘粒的质量浓度;ρ为尘粒固体物质的质量密度。
(2) 式中:C=3L/2ρ,对于某种粉尘和测量系统而言,C是一常数,为方便起见,可以取为1;M为测量时粉尘尘粒按粒径的分档数。
(3) 式(3)是在单色入射光情况下得到的,如果采用多波长光入射,对于每一波长λj,都可以得到一个式(3),由此得到一线性方程组: E=TW (4) 式中:E=(ln(I0/I) 1 ,ln(I0/I)2,…,ln(I0/I)M)T为消光列向量,可以通过实测各个波长对应的I0及I求得;而
(5) T中各元素为
可以预先由计算机算出。T称为消光系数矩阵。为求解方程方便,入射光的波长数应等于测量时粒径分档数,因而T为M×M的方矩阵。W=(W1,W2,…, WM)T为粉尘质量浓度分布列向量。求解方程组(4)便可求得W及粉尘总的质量浓度。 3 原理性设计方案 根据多波长消光测尘的基本原理以及煤矿粉尘测量的实际需要,这里提出了多波长消光测尘系统的原理性设计方案,其装置原理见图2。 |

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图2 多波长消光测尘系统原理 白光光源发出的白光,准直后经单色选择系统,选择不同波长的单色光通过。分光器将入射的单色光分为强度相等的两束光:一束作为信号光束照射测量区,然后进入光电探测器;另一束作为参考光束,直接进入光电探测器。参考光束的光强可以认为是入射光强I0,信号光束的光强则是出射光强I。两路光信号经放大后都进入信号处理系统处理,然后输进计算机。变换入射光的波长,在不同波长下进行测量,计算机根据测得的各个波长下的I0及I解方程组(4),可以求出粉尘的质量浓度、粒度分布和平均粒径等,最后测量结果由屏幕显示或打印出。需要指出的是,方程组(4)是一严重的病态方程,因而对它的求解,需要用最优化方法[5][6]。 4 结束语 本文提出了多波长消光测量这一新的粉尘检测方法,介绍了多波长消光测尘的基本原理,并提出了原理性的设计方案。分析表明,测量原理是完善的,技术上是可行的,具有较高应用价值和市场潜力。本文的分析讨论为研制出高精度的煤矿粉尘测量系统提供了一定的理论依据,具有一定的指导意义。 作者单位:唐刚 (中国矿业大学物理教研室(徐州 221008)) 参考文献 1 赵永林等.井下粉尘统计参数对粉尘检测的影响.煤炭学报,1995,20(5):503~506. |
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