有关煤矿井下等效温度传感器的研究

胡拓宇

摘要：研究与开发一种智能传感器，能够同时采集温度、相对湿度和风速，并自动计算出当前的等效温度，对煤矿井下作业地点环境气象条件的评价具有很大现实意义。该设备的开发将填补目前国内煤矿等效温度检测仪器的空白，为我院在煤矿热害治理上增添新的技术手段和产品。因此本课题的实施具有重要的现实意义，并能为设计院带来一定的经济效益。

关键词：煤矿;井下;等效;温度;传感器

1主要试验内容

等效温度智能传感器主要包含基础传感器、采集电路、控制及计算电路、内部电源、校准电路、信息传输电路和防爆隔爆处理七个部分。基础传感器包括干湿球温湿度传感器、风速传感器。干湿球温湿度传感器输出的是干球温度和2m/S的风速条件下的湿球温度，输出信号是模拟量信号。风速传感器是电子式，测定的是实时风速，输出的也是模拟量信号。采集电路负责把传感器传过来的模拟量信号经过滤波和清洗变换成数字量信号，给控制和计算电路提供准确的数字支撑。控制部分是用来控制湿球温度传感器的风机启停及转速。计算电路主要是根据外部提供的数据根据算法模型计算出对应的等效温度值。内部电源主要负责把外部的输入的交流电或者直流电经过滤波后变换成低压的直流电，供给其他的电路使用。在不同的工作环境，校准电路定期的对采集电路进行校准，消除温度漂移和其他因素带来的误差，让采集过来的信号更精确。信息传输电路包含485总线接口或网络接口等通讯模式，使用者可以根据需求选择其中一种通讯模式。防爆隔爆处理主要是对电路部分进行防爆处理。

2预期目标

总体目标：通过对等效温度传感技术的研究，开发出用于煤矿井下的智能等效温度传感器。

预期成果：形成《煤矿井下等效温度传感器研究与开发》科研报告和开发出智能等效温度传感器产品;申请专利1～2项;在国家级期刊发表论文1～2篇论文。

3生理等效温度的研究

3.1研究方法

研究在能够控制微小气候诸参数的高温仓内进行。气温40～60℃、相对湿度25～75%、风速0.25～1.00米/秒，对于上述条件进行不同组合，由年龄22～35岁、身体健康的男性青年参加。实验室身穿棉质矿工服。所采用的指标有：心跳频率、直肠温度、五点皮肤温度、出汗量及主诉询问等项。实验室除间隔工作能力指标外，处于相对安静状态，以达到人体对高温的生理耐受限度作为结束实验指征。所谓生理耐受限度是指在高温条件下，身体依靠其本身与体温调节有关的各种生理活动，能够适应高温的最大能力。

3.2研究内容

3.2.1风速改变对生理机能反应的影响

在控制相同的温度（45℃～60℃）和湿度（51%～54%）条件下，观察两种风速（1.00和0.25米/秒）对生理机能变化的影响。发现不论是总出汗量、心跳频率、皮肤温度和直肠温度，风速较大的组（1.00米/秒，简称有风组）均比风速较小的组（0.25米/秒，简称无风组）变化要快，以气温45℃条件下的实验结果为例。高温条件下增大风速促进各项生理机能变化加剧，最终也反应在生理耐受限度的改变上。与无风的比较，有风各温度组的耐受时间均相应缩短。经统计学分析处理，两者间的差别非常显著（P≤0.001）。

3.2.2湿度改变对生理機能反应的影响

在温度和风速一致的情况下，体温、心率和出汗量等反应速度和程度，均随湿球温度降低而减弱。这一现象也在机体与环境间进行热交换有关的几个指标上得到反映：湿度降低、汗液蒸发率提高、散热能力增强、体内积热速率减慢、最终导致出汗量减少。上述因湿度改变导致生理机能和热交换等参数的变化，也影响人体对高温的耐受限度。

3.2.3温度、湿度和风速改变对人体耐受时间的影响

（1）与温度的关系：在湿度、风速恒定条件下，气温增高引起耐受时间明显缩短。

（2）与湿度的关系：当气温和风速完全相同时，一旦湿度下降，耐受时间明显增长。表1中风速均为0.25米/秒，在气温50、55及60℃三组实验里，当湿度从51%～54%下降到25%时，耐受时间由相应的66、43和28分钟分别增至184、102和58分钟。

（3）与风速关系：高温下风速对耐受时间的影响，既与当时温度有关，又与湿度有关。以表1中50℃组为例，在相对湿度51～54%条件下，两种不同风速（0.25及1.00米每秒）引起耐受时间有很大差别，分别为66分钟和39分钟，相差达40.9%，但在相对湿度25%时，同样风速改变引起耐受时间的差别便很小了。分别为184分钟和178分钟，相差是有3.3%。

3.2.4生理等效温度

所谓生理等效温度是指人体耐受时间相同的各种微小气候因素的不同组合。例如在气温57℃、相对湿度25%、风速0.25米每秒条件下和在气温46℃、相对湿度51%、风速1.00米/秒时人体均能耐受90分钟。从生理学观点考察，可以认为上述两种条件是等效的。

3.3研究结果分析

（1）同一因素在不同条件下，对人体影响程度不完全一样。45℃有风组的各项生理反应均比无风组剧烈，其原因在于高温无风时汗液蒸发散热的结果，体表温度（指皮肤温度和服装表面温度）通常比当时所处的环境温度低，风速增加使由风带来的热空气，不断置换身体表面层温度较低的空气，这样增加风速实际上对身体起到对流加热的作用，从而导致有风各温度组的耐受时间均比无风组要短。反之，当气温低于体表温度时，风速通过对流起到冷却散热的效果。可以看出：同一风速的因素在不同气温条件下，对人体的作用不完全一样。此外风速对人体的影响还取决于当时的湿度条件，这是因为风速促进蒸发散热作用，受到环境湿度高低的影响。当环境湿度较大时，相对湿度为51～54%时，由风速促进蒸发散热的作用就显示不出来，相反，它的对流加热作用就很明显，1.00米/秒风速下的耐受时间比0.25米/秒下的短的多。但当环境湿度较低时（相对湿度为25%），风速促进蒸发散热作用便得到良好的发挥，由于不断置换身体表面因汗液蒸发而基本接近饱和湿度的空气，从而有利于汗液进一步蒸发，抵消了大部分对流加热的影响，因此它既使耐受时间大大增长，又使因风速不同而引起耐受时间的差异显著缩小。总得来说，在高温情况下当湿度较高时，风速作用以对流加热影响为主，而当湿度较低时，促进蒸发散热的作用比较突出。

4结语

上述这些研究结果所显示的特点，如能充分利用，则可能对实际工作有着重要的指导意义。我们考虑：耐受时间既综合了微小气候诸因素对人体的影响，又综合了身体生理机能变化的各种反应，因而等效温度是一个比较全面而又客观的生物学指标。利用大量实验结果所推导的微小气候诸因素与人体对高温耐受时间关系的数学模型，找出相同耐受时间的各种微小气候因素的不同组合，做出生理等效温度曲线，符合客观实际而又易于应用。

参考文献

[1]邱黎明，李忠辉，王恩元，等.煤与瓦斯突出远程智能监测预警系统研究[J].工矿自动化，2018.

[2]白亚腾，孙彦景，孙建光，等.基于无线传感器网络的液压支架压力监测系统设计[J].煤炭科学技术，2014.