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β射线粉尘测量仪在煤矿粉尘浓度监测中的应用


第19卷第3期
2010年3月


CHINA







V01.19.No.3

MINING MAGAZINE

March

2010

P射线粉尘测量仪在煤矿粉尘

浓度监测中的应用
李宗伦1’2,赵修良1,彭丽婧2,刘丽艳1
(1.南华大学核科学技术学院,湖南衡阳421001;) 2.湖南环境生物职业技术学院,湖南衡阳421005)


要:本文阐述了在煤矿粉尘浓度在线监测中发挥了独特优势的B射线粉尘测量技术发展状态、

工作原理、系统结构以及与其他粉尘浓度测量方法比较的功能区别,研究了B射线粉尘测量技术在煤矿 粉尘监测中的应用情况以及投入使用的效果,提出了为了解决与提高测量精度相关问题而可能采取的技 术方案。 关键词:射线;煤伞测量;粉尘测试仪;测量精度;解决方案
中图分类号:TL81 文献标识码:B

文章编号:1004—4051(2010)03—0107—03

Introduce on theory and applications about dust measurement base

on

p-ray

attendation

LI Zong—lunl’2,ZHAO Xiu—Lian91,PENG

Li—jin92,LIU Li—yanl

(1.School of Nuclear Science and Technology,University of South China,Hengang 421001,China; 2.Hunan Environment and Biology Professional—Technology College,Henyang 421005,China)

Abstract:The development status,working principle and system ment technology,which has played


structure

of the 3-ray dust measure—

important role in on-line monitoring of coal mine dust,are introduced

in this paper.The difference between proposed

pray dust measurement technology with other methods have also been 13-ray measurement techniques in the
can

in the paper.Futhermore,we also study the Application of

coal mine dust

Monitoring,getting
accuracy

the

use

result,and

put

forward the solutions which

be used

to

im—

proving measurement Key

of the technology.

words:pray;dust measuring;dust measuring instrument;measurement accuracy;solutions;

煤矿粉尘影响矿井安全生产,威胁职工身体 健康,是煤矿五大灾害之一。在煤矿开采过程中, 如钻眼、爆破、掘井及采煤作业,顶板管理、煤 的装载运输等各个环节,都会产生大量的粉尘。 各环节产生的粉尘量的比例大致为:采煤工作面 约占45%~80%。掘进工作面约占20%~38%。 锚喷作业点约占10%~15%,运输通风巷道约占 5%~10%,其他作业点约占2%~5%。煤矿粉尘 危害人体健康,轻者会患呼吸道疾病,重者会患 尘肺病;引发爆炸,煤尘的爆炸浓度下限为30~ 509/m3,上限为1000~20009/m3;降低工作场所 的能见度;增加工伤事故的发生;加速机械磨损。

目前,煤矿中使用的粉尘监测方法,有重量 法、X射线衍射法、光学分光镜法、散射光法、压 电天平法、p射线粉尘测量法。其中p射线法测定 尘粒的质量浓度与透过的物质质量有关,而不受 颗粒直径、成分、颜色及分散状态的影响,它是 粉尘浓度的间接测量方法中较准确的一种。能更 有效的监测煤矿粉尘浓度,对抓好矿井综合测尘 工作,促进矿井安全生产,保障职工身体健康具 有重大意义。


8射线粉尘测量仪系统结构与工作原理 一般B射线粉尘测量仪系统,由口射线探测、

粉尘采样、信号处理与单片机(微处理器)系统 组成,系统结构如图l所示。

收稿日期:2009—12一z7 作者简介:李宗伦(1982一).男,助教,在读硕士,现在湖南环 境生物职业技术学院从事环境保护教学工作; 赵修良(1968--),男,教授,硕导,现从事核电子学与探测技术 方面的研究。

B源采用一般14 C,p射线由G-M计数器(探 测器)探测,用滤膜夹将待测滤膜置于放射源与 计数器之间进行测量。所得脉冲信号经过放大成 形后,经单道脉冲幅度分析器分析,选择对应8射

万方数据

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中国矿业

第19卷

图1口射线粉尘测量仪系统结构

线幅度的电压脉冲信号转变为数字脉冲信号。数 字脉冲信号的计数由单片机(微处理器)系统实 现。该系统对数据进行处理、显示,并通过其键 盘和LCD/LED显示器实现人机对话,满足参数设 置与粉尘浓度测量结果输出,即滤膜重量(mg) 及粉尘浓度测量数据,可以自动显示在单片机 (微处理器)系统的液晶或发光二极管显示器上。 B射线粉尘测量仪系统的工作流程,可分为三 个具体步骤: (1)首先,透过空白滤纸样品介质的B射线, 由G—M探测器探测。经过脉冲信号放大成形与 单道脉冲幅度分析器后,由单片机(微处理器) 系统分析处理,并记录透过空白滤纸样品介质B射 线的强度。 (2)在空白滤纸样品测量过程的同时,由单 片机(微处理器)系统控制的抽气泵系统,以恒 定流量通过采气气路抽入一定量的被采样空气, 其气体中颗粒不断吸附在被测滤纸样品面上,其 吸附量与控制采样抽气时间有关。 (3)经过一定的采样抽气时间后,对吸附气 体颗粒(粉尘)的被测滤纸样品的探测、处理, 与透过空白滤纸样品介质G射线强度的测量过程 相同。 p射线粉尘测量仪通过以上过程达到空气中粉 尘浓度测量目的,是基于|3射线吸收法的基本 原理。 B射线吸收法的基本原理为:p射线通过介质 层时,由于介质层的吸收作用,其射线强度将会 减弱,减弱程度与介质层的质量厚度(单位面积 上介质质量)有关,其减弱关系在一定范围内大 致遵从指数衰减规律,如式(1)所示。假设质量

仇的粉尘均匀分布在面积A上,即存在:
In(咒o/竹)一(p/lD)?d
(1)

式中:d=m/A(mg/em2),是粉尘的表面质量; 咒。、竹分别代表采样粉尘前后,计数器每分钟以电 流脉冲方式所记录下来的8粒子数,这个脉冲计数 率表征了放射穿透强度;(t-/0)是质量衰减系数, 该系数是介质层衰减系数与介质层密度的比值, 受粉尘粒子化学成分的影响,与电子密度有关。 对于G射线粉尘测量仪使用的特定场所来说,该系 数是个常值,因此由式(1)得到粉尘的绝对质量 表达式(2),即:

m—A?(ID知)?In(竹o/,2)
分布的表面积,单位cm2。

(2)

式中:m是粉尘的绝对质量,单位mg;A为粉尘

粉尘绝对质量m和气体采样体积Q的比值,就 是粉尘浓度f,关系式(3)所示:
C一优/Q


(3)

G射线粉尘测量仪在煤尘浓度监测中的应用 粉尘含量的测量方法,有重量法、X射线衍射

法、光学分光镜法、散射光法、压电天平法、B射 线粉尘测量法。 重量法作为粉尘测量的最常见的方法,测量 的精度较高,是粉尘测量的标准方法。但该法满 足不了自动、连续、无人操作以及数据的自动记 录和传输的需要。X射线衍射法只能检测大气中游 离的二氧化硅,不能进行全面检测。光学分光镜 法、散射光法、压电天平法,虽然能够及时测得 生产现场的粉尘浓度,但精度均不高,尤其国产 仪器误差较大。 B射线粉尘测量法能自动连续地监测大气中的 总粉尘质量浓度和工作岗位上的总粉尘质量浓度

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第3期

李宗伦等:口射线粉尘测量仪在煤矿粉尘浓度监测中的应用

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或呼吸性粉尘浓度,具有重量法、X射线衍射法、 光学分光镜法、散射光法、压电天平法等粉尘测 量技术无法比拟的优点:它可以直接测出粉尘的 质量浓度,而不受粉尘种类、粒度,分散度、形 状、颜色、光泽等因素的影响;其测量结果可与 经典的标准方法一称重法等效,它可以减少样品 的处理时间和受污染的机会;不会带来人为误差 且无误差积累,不需要经常校准和调零;能实现 自动连续监测;监测过的样品可以保留。 目前,在煤矿中使用的粉尘测量仪,有全自 动式粉尘测试仪、直读式粉尘测试仪、激光式粉 尘测试仪、防爆式粉尘测试仪、便携式粉尘测量 仪及粉尘采样器六种。从理论上讲,全自动式粉 尘测试仪、直读式粉尘测试仪、激光式粉尘测试 仪、防爆式粉尘测试仪、便携式粉尘测量仪有很 多优点。但前些年国产的直读式测尘仪,由于其 测量精度、工作机理等多方面的因素所限制,在 煤矿行业得不到推广应用。国内各煤矿目前普遍 使用的都是粉尘采样器,粉尘采样器的优点是测 量精度较高,理论上能达到±10%,但其缺点也 较多,如影响测量精度的因素较多、占用房间和 设备较多、采样时间较长、操作程序繁杂、仪器 维修量大、花费成本较高等等。国内各煤矿井下 粉尘检测点很多,一般都在100个左右,而且按照 有关规定,每个测尘点每月要测尘两次,测尘采 样、称重、计算等一系列工作相当繁琐;粉尘采 样器测尘方法,远远满足不了测尘工作的需要。 而G射线煤尘测量仪测值稳定,体积小,重量轻, 操作简单,使用方便,更适用于存在易燃易爆可 燃性气体混合的煤矿工作环境。


中较准确的一种。国内外已有多种型号的t3射线测 尘仪,它们大多采用塑料闪烁探头,探测效率较 低,因而要采用较强的B射线源(约60^tCi,即 2.22*106Bq),存在安全隐患。因此,通过大量 的实验与探索降低源的放射性活度,是B射线粉尘 测量急需解决的关键问题。同时,在老式粉尘测 量中,采样器和探测器为两个分离的独立系统; 采样结束后,通过自动化技术将滤膜运输到探测 器中;其间不可避免的会产生测量误差,如:采 样滤纸移位、大气中存在的放射性粉尘等。而新 的测量方法,则可将采样与探测融合为统一的监 测系统,当需要采样时,90。旋转滤膜夹,使之与 气泵连通后开始采样,采样完成后将滤膜夹旋回 原位(图1)。这种融合后的监测系统,将大大降 低粉尘在传输过程中所受到的干扰,提高了测量 精度。8射线粉尘测量仪系统结构设计见图1。


结语

8射线测尘仪具有许多其他测尘方法无法比拟 的优点,到目前为止,已经取得迅速发展:从台 站式到便携式;从测量总粉尘浓度到测量可吸人 粉尘及其他;从一般自动监测到微电脑管理,实 现监测自动化、智能化;从大气环境监测到工作 环境、居住环境监测等,8射线测尘仪正在相关领 域发挥着重要作用。随着科学技术的不断进步, 相信会有更多更好的8射线测尘仪不断面世,为煤 矿安全生产作出贡献。
参考文献



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王绪友,刘守华,陈淮新.煤矿粉尘浓度比对性测量方案 可行性探讨EJ].工业计量,2000(1).

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B射线粉尘测量误差问题探讨 j3射线测尘仪是利用口射线通过介质时被吸收

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的原理设计的,当射线能量恒定时,吸收量与物 质的质量的关系为:
[4]

熊庆国.影响8射线测尘仅测试精度问题探讨I-J].工业 安全与环保,2003,29(6):33—34.

N=Noe--gradp=No∥1
式中:N为采样后被介质吸收后的召粒子计数; No为采样前未经介质吸收的p粒子计数;脚为卢 粒子对特定介质的吸收系数((cm2/rag);d为吸 收介质的厚度(cm);p为介质的相对密度(rag/ cm3);乘积1(1=dp)为吸收介质的面密度 (mg/cm2),也称为质量厚度。 p射线粉尘测定法是粉尘浓度的间接测量方法

[5]

王绪友。刘守华,陈淮新.煤矿粉尘浓度比对性测量方案 可行性探讨[J].工业计量,2000(z1).

[6]Papoulis Athanasios.Probability Random Variables and
Stochastic
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Processes[M],2nd Edition.McGraw—Hill

[7]

Sauada S,Kobayashi

K.Dust

detection using

mutiple

re。

flection[门.Appl.Opt,1991,3D;4966

万方数据

β射线粉尘测量仪在煤矿粉尘浓度监测中的应用
作者: 作者单位: 李宗伦, 赵修良, 彭丽婧, 刘丽艳, LI Zong-lun, ZHAO Xiu-Liang, PENG Li-jing , LIU Li-yan 李宗伦,LI Zong-lun(南华大学,核科学技术学院,湖南,衡阳,421001;湖南环境生物职业技术 学院,湖南,衡阳,421005), 赵修良,刘丽艳,ZHAO Xiu-Liang,LIU Li-yan(南华大学,核科学 技术学院,湖南,衡阳,421001), 彭丽婧,PENG Li-jing(湖南环境生物职业技术学院,湖南 ,衡阳,421005) 中国矿业 CHINA MINING MAGAZINE 2010,19(3) 0次

刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 被引用次数:

参考文献(7条) 1.王绪友.刘守华.陈淮新 煤矿粉尘浓度比对性测量方案可行性探讨[期刊论文]-工业计量 2000(Z1) 2.李静.韩旻晨 用β吸收法测定空气中粉尘质量的实验研究[期刊论文]-辐射防护通讯 2001(2) 3.张玉钧.刘文清.郑朝晖.蒋舸扬.王锋平.周斌 大气中可吸入粉尘(PM10)β射线法测量的理论与数据处理[期刊论 文]-量子电子学报 2001(1) 4.熊庆国 影响β射线测尘仪测试精度问题探讨[期刊论文]-工业安全与环保 2003(6) 5.王绪友.刘守华.陈淮新 煤矿粉尘浓度比对性测量方案可行性探讨[期刊论文]-工业计量 2000(Z1) 6.Papoulis Athanasios Probability Random Variables and Stochastic Processes 1984 7.Sauada S.Kobayashi K Dust detection using mutiple reflection 1991

相似文献(1条) 1.期刊论文 李宗伦.赵修良.彭丽婧.刘丽艳 β射线粉尘测量仪在煤矿粉尘浓度监测中的应用 -中国煤炭 2010,36(3)
阐述了在煤矿粉尘浓度在线监测中发挥了独特优势的β射线粉尘测量技术发展状态、工作原理、系统结构以及与其他粉尘浓度测量方法的功能区别 ,研究了β射线粉尘测量技术在煤矿粉尘监测中的应用情况以及投入使用的效果,提出了为了解决与提高测量精度相关问题而可能采取的技术方案.

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