粉尘火花探测及熄除系统设计与研究

梅帅杰 梁爽

摘 要：在风管、刨床、干燥、螺旋等等的输送过程中，特别是粉尘的传输过程经常会产生一些不为人注意的微小火花[1]，从而造成严重的后果。若这个火花产生在除尘系统之外，通常不会引起火灾事故，但是这个火花如果没有被及时发现，并被吸尘管道吸入，将进入隐燃状态。当它到达除尘室，由于气压回升到接近常压，将会恢复明火燃烧，而引起较大事故。[2]本粉尘管道运输中火花探测系统直接对管道中的危险火花进行探测，并将信号传至上位机。总体来说火花探测系统有三大模块：火花探测传感器、火花控制处理器和上位机监控管理系统，可以起到遇到预防火灾和爆炸的作用，从根源上消除安全隐患。

关键词：火花探测；传感器；控制器；预防监控

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.13.127

1 引言

粉尘的火灾和爆炸往往会造成财产的巨大损失，具有极强的破坏性，可能会中断生产，甚至危及人身安全，且容易产生二次爆炸。二次爆炸时，粉尘浓度一般比一次爆炸时高得多，故二次爆炸威力比第一次要大得多。近些年来，国家针对相关排放企业的提出必须带有过滤和火灾报警系统，在国外，相关火花探测系统的技术研发已经相当成熟。而国内却相当空白，因粉尘发生的爆炸事故频发，许多中小型企业甚至没有安装相关检测系统，因此火花探测系统的开发研究迫在眉睫。

2 粉塵火花探测及熄除系统基本工作原理和组成部分

本系统首先研究粉尘输送管道中各类火花特征光谱，对高速光敏器件进行选型，匹配探测波长，确保探头能探测到最小的火花颗粒，具备高灵敏性，同时可穿透高密度尘埃进行探测。

在完成火花特征光谱研究和光敏器件选型后，搭建模拟火花生成环境，参照管道环境布置传感器。同时搭接传感器调理电路，测量分析光敏器件在模拟火花环境中的电特性参数，修正调理电路参数。通过光电检测技术、信号处理技术实现火花探测系统传感器模拟信号调理[3]。

下一步使用嵌入式技术、计算机通讯技术及软件编码实现下位机、上位机开发。通过arduino和通讯接口的软硬件结合，实现模拟信号数字化采集及通讯协议转发。上位机端通过协议解析，获取下位机传送的火花信息，进行综合显示。

火花处理控制器（下位机）通过传感器以及其他模块来采集并且转换模拟信号等，并将信号传输至上位机设备。火花探测系统由火花探测头检测火花特征光谱，探测火花或余火的存在，把报警信号发送给控制台，再由控制台给出相对应的措施。控制台可通过网络化通讯方式接收到来自一个或多个火花处理控制器传感器的警报信号，方便工作人员统一管理。

本系统组成部分如下：

2.1 火花探测传感器

整个系统的前提是对火花信号的精确检测，要求火花探测传感器能够快速准确捕获经过输送管道整个横截面的危险因素火花，甚至夹带在高密度物料中间的火花也能够被检测到，以完成大面积、高速度的火花探测。此外，火花探测传感器结构部件的设计对整个工业现场不产生负面影响，火花探测传感器在安装简易性的同时也要保证输送型管道的封闭性。

传感器名称测量波长探测角度

PIN硅光电二极管 300-1100nm 65度

单路火焰传感器模块 760-1100nm 60度

双路火焰传感器模块 760-1100nm 60度

五路火焰传感器模块 700-1100nm 大于120度

BPW34硅光电池 400-1100nm 65度

2.2 火花处理控制器

系统实时接收火花探测传感器检测信号，并根据信号类型数目做出相应判断。在工业管道输送过程中，为了确保实时性，该装置需要没有间断的进行火花检测。因此，火花处理系统支持计数多个火花探测传感器的信号采集，系统信号干扰小，能够实现信号的准确接收。

2.3 上位机监控管理系统

整个系统的上位机监控管理系统提供友好、直观的交互界面，方便操作人员了解系统运行状态及对监控区域的观察及控制，做出高效有用的决策。

三大模块之间需要稳定而及时的通讯建立与系统本身的高可靠性，所以火花探测系统还有如下通讯功能；此系统需要将数据反馈到上位机监控管理系统，以便于用户对监控状态及系统状态进行观察、判断、控制和记录。当然，由于工业现场的广阔性，监控范围过大，单个火花处理控制器所接传感器个数有限，需要多个控制单元协调工作，实现多模块的多机扩展。火花探测系统设计正当的通信协定，用以保证上下位机、多模块扩展等传输数据的可靠性。

3 总结

（1）本文致力于研发一套包含火花探测传感器、火花处理控制器以及上位机系统等模块的完整的粉尘火花及熄除系统，火花处理控制器模块进行扩展数据通讯，并且选择CAN 总线与上位机系统之间进行数据交换，从来一个上位机系统可以控制多个控制器以达到监测较广范围区域的目的。本文所设计的火花探测传感器由于检测波段为近红外范围，故具有一定局限性。而针对一些其他危险情形，可以选择设计其他的探测元器件以达到检测要求。

（2）本文所设计的系统只用于工业现场监测，但是在输送管道中的爆炸产生的原因可能是方方面面的，所以在设计中传感器时可以同时加入粉尘浓度、温湿度等参数来达到全方位安全监测的目的。

参考文献：

[1]阿济格.粉尘爆炸事故频发科学防治是关键[N].中华合作时报，2011-06-07C03.

[2]汪秀清，石建中，王正纲.纺织工业中火花探测熄灭系统的应用[J].中国安全生产科学技术，2012（02）：102-105.

[3]董双文，宫伟.电子测量技术在人造板行业的应用[J].中国人造板，2014（09）：8-11.