一种木制粉尘点火源光谱测量实验仪

本发明属于物理实验领域，具体涉及一种木制粉尘点火源光谱测量实验仪。

背景技术：

1、随着现代工业的迅速发展，农林、轻工、木材加工等很多行业都采取用粉体为原料进行生产。从安全生产角度考虑，很多工厂都会安装除尘设施，即采用气流输送的方式对车间进行除尘。由于除尘管道内输送的粉尘多处于干燥状态，并且其中往往混杂金属，石块等杂质，在输送过程中会与管壁摩擦产生火花，非常容易引起燃烧或爆炸。据资料统计，很多粉尘爆炸事故是由除尘系统中的点火花、高温颗粒等点火源引起的，再加上较多工厂在生产过程中对除尘管道系统缺乏详细的管理。这也致使工厂生产过程中，粉尘爆炸事故越来越多。因此，需要实时探测除尘管道内部的火花和高温颗粒，消除其潜在危险性，避免火灾、爆炸及生产中断，达到安全高效生产。

2、现有技术中，火花监测系统主要由三部分组成：火花探测器、控制器以及灭火装置。三者相互配合，在火花出现的初期将其熄灭，防患于未然。其中火花探测器是火花监测系统的核心部件。在火花探测及熄灭系统研究方面比较有名的有德国的ews、grecon公司以及美国的clark’s公司，他们的产品在很多国家的工业现场得到了广泛应用，几乎对我国市场形成了价格垄断。然而，对我国木材加工企业的调研表明，这些产品在实际使用过程中经常会出现误报，一旦误报，控制器会启动灭火装置，在管道中进行喷淋，生产被中断，除尘管道会部分堵塞，给企业造成经济损失。

3、国外火花探测主要选择近红外波段作为探测波段，选择硅光电二极管探测火花的红外辐射能，在此基础上进行探测器的设计及后续对探测信号的处理。我国木材加工企业的生产环境与国外有很大区别。由于我国木材产品消费市场庞大，企业要生产各种档次的产品，因此企业使用的木材原料种类繁多、各个厂区生产设备所处的环境也不一样，这会导致点火源的特征光谱更为复杂，根据gb 25285.1-2010《爆炸性环境爆炸预防和防护》有13种点火源。其中引起粉尘爆炸的点燃方式按事故发生频率主要有冲击或摩擦、静电火花、熔接或熔断火花、自燃火花、明火、金属过热和电气火花等七种。在不同领域，不同的点火源引发粉尘事故的频率不同，其中，在木材加工行业，冲击或摩擦引发的粉尘爆炸占比最高为29.19％，静电火花占比17.70％，炙热颗粒物等点火源出现频率较高占比3％-5％。而国外产品在设计研发时，仅仅在近红外波段分析和探测信号，精度较低，因此会发生误报。

4、综上所述，需要研发出一种对各类点火源在不同环境下的光谱进行实验研究，分析各种点火源在不同条件下的特征光谱，选用合适的火花监测传感器，采用新的分析算法，重新设计火花监测设备。

技术实现思路

1、本发明针对上述问题，公开了一种木制粉尘点火源光谱测量实验仪，解决了现有技术中火花探测精度较低等问题，提出一种对各类点火源在不同环境下的光谱进行实验研究，分析各种点火源在不同条件下的特征光谱，选用合适的火花监测传感器，采用新的分析算法，重新设计火花监测设备。

2、具体的技术方案如下：

3、一种木制粉尘点火源光谱测量实验仪，包括实验箱、暗箱以及气源组件，所述实验箱用于光谱实验，所述暗箱用于对实验箱进行遮光，所述暗箱为方形箱体结构，所述暗箱两侧设置有对开门，所述暗箱底部四周固定设置有滑轮。

4、所述实验箱设置于所述暗箱内部，所述气源组件设置于所述暗箱外部，所述气源组件包括相互连接的气泵和气源三联件；

5、为了方便实验时观察，所述实验箱呈透明的扇形箱体结构，所述实验箱一端通过铰链可转动设置有透明门，所述透明门上设置有把手，方便打开；

6、为了提高实验箱的稳定性，增加摩擦力，所述实验箱底部四周固定设置有个脚垫；

7、所述实验箱一侧设置有高压气管接口和实验箱电源口；实验箱内部还设置有开关电源和电磁阀组，开关电源用于给通风扇和加热灯供电，电磁阀组数量为四组，其中，两组电磁阀组安装在气泵连接均粉装置的气管上，用于控制气管内的高压气体；另两组电磁阀组安装在气泵连接通气孔的气管上，用于控制气管内的高压气体。

8、实验箱内部还设置有两个线盒，其中，一个线盒为控制通风扇和加热灯，根据温度传感器和粉尘均匀程度对内部系统进行闭环控制；另一个线盒为电磁阀控制，根据不同的实验步骤，进行不同电磁阀的控制。

9、为了方便实验操作，实验箱的盖板，侧板均为可拆卸盖板及可拆卸侧板，可拆卸结构选用如螺栓螺母连接，螺钉连接等现有技术中的可拆卸结构，该技术手段为公知常识，在此不做赘述。

10、所述实验箱内包括：

11、温度传感器组件，包括温度传感器座和温度传感器，用于对实验箱内部的实时测量温度；所述温度传感器组件的数量为三个，均匀设置在所述实验箱顶部；所述温度传感器座固定安装在所述实验箱顶部，温度传感器座内口设置有内螺纹，实验时，所述温度传感器通过螺纹安装在温度传感器座内部，实验完成后，将温度传感器从温度传感器座上取出，并安装上堵头螺栓。

12、光传感器组件，包括光传感器接口和光传感器；光传感器接口数量为个，均匀呈矩阵分布设置在所述实验箱一端弧形面上；所述光传感器接口内口设置有内螺纹，实验时，光传感器通过螺纹安装在光传感器接口内部，实验完成后，将光传感器从光传感器接口上取出，并安装上堵头螺栓。

13、通风组件，包括通风扇和通气孔，所述通风扇数量为四个，均匀设置在所述实验箱内部一侧，通风扇用于将实验箱内部气体流动更加均匀，且在实验结束后用于清洁风尘，使用通风扇排风；所述通气孔设置于所述实验箱侧面，所述通气孔数量为个，分布在实验箱弧形面的两侧，每侧上下设置两个通气孔，在需要换气的情况下，接入气泵，通气孔向外抽气；不需要换气的情况下，使用堵头螺栓进行密封。

14、加热灯，用于给内部环境加热，使实验箱内部恒定温度；数量为个，呈矩阵分布均匀设置在所述实验箱一侧。

15、弧形阻断板，用于阻止点火源与粉尘接触，避免点火源点燃粉尘形成爆炸；弧形阻断板竖直设置于所述实验箱内部，所述实验箱内底部设置有与弧形阻断板相对应的弧形凹槽，弧形阻断板将插接在所述弧形凹槽内部，弧形阻断板将实验箱内部分隔成点火源测试区域和粉尘测试区域。

16、均粉装置，用于将待测试的木粉均匀分布在粉尘测试区域内部；所述均粉装置与所述气源组件相连接；所述均粉装置包括高压气体通入管、木粉碗以及泄气球；所述木粉碗为向上开口的中空半球体，使用时，用于放置待测试的木粉；所述高压气体通入管一端连接气源组件，另一端贯穿所述木粉碗底部，并连接所述泄气球；所述泄气球为中空的球体结构，所述泄气球底部四周均匀设置有若干个高压气体泄气孔；使用时，气源组件产生的高压气体通过高压气体通入管进入泄气球，并经过若干个向下设置的高压气体泄气孔对木粉碗内的待测木粉进行均散。

17、可调节光聚座，用于放置不同形式的点火源，所述可调节光聚座滑动设置于所述点火源测试区内，所述可调节光聚座一侧设置有刻度尺，用于可调节光聚座的位置粗调；

18、所述可调节光聚座自上而下依次包括快拆座、三维微调底座以及光聚座滑块；

19、所述快拆座用于快速拆卸点火源，所述快拆座结构与所述可拆卸块结构相对应，所述可拆卸块安装在所述快拆座顶部；

20、所述三维微调底座用于调节点火源的高度和左右距离；

21、所述光聚座滑块用于调节所述可调节光聚座位置，所述点火源测试区内设置有与所述光聚座滑块对应的位移装置，本实施例中采取的位移装置为与光聚座滑块形状对应的滑道，使用时光聚座滑块套合在滑道上，且光聚座滑块底部设置有两个锁紧螺栓，锁紧螺栓旋转，向光聚座滑块内伸入抵住滑道实现锁紧。需要调节时，手动推动光聚座滑块在滑道上直线运动，需要锁紧时，锁紧螺栓拧紧即可实现将光聚座滑块固定在滑道上。

22、除了本实施例采用的手动调节的方式外，也可以采用所述位移装置为直线模组的方式，通过螺栓螺母将所述光聚座滑块安装在位移装置上实现直线运动。

23、所述快拆座为方形结构，通过螺栓与所述三维微调底座实现固定连接，所述快拆座顶部设置有卡槽，所述卡槽一侧转动设置有异型扳手扣；

24、所述可拆卸块为上宽下窄的棱台结构，所述异型扳手扣为倒l型结构，使用时，现将异型扳手扣向外转动打开，将所述可拆卸块放入至所述卡槽内部，随后将异型扳手扣向内转动，将异型扳手扣抵住所述可拆卸块，实现将所述可拆卸块锁紧在快拆座内部。

25、所述异型扳手扣通过螺栓与所述快拆座连接，使用时，通过螺栓的拧紧与拧松实现异型扳手扣转动调节。

26、所述三维微调底座自上而下依次包括第一连接板、x轴调节块、第二连接板、y轴调节块和z轴调节块；所述第一连接板呈倒l型结构，顶部固定连接快拆座，一侧固定连接x轴调节块；所述第二连接板呈倒t行结构，所述第二连接板顶部一侧连接x轴调节块，底部固定连接所述y轴调节块；所述所述y轴调节块底部固定连接所述z轴调节块；所述z轴调节块底部固定连接所述光聚座滑块；

27、所述x轴调节块用于调节点火源竖直方向位移；

28、所述y轴调节块用于调节点火源水平面左右方向位移；

29、所述z轴调节块用于调节点火源水平面前后方向位移；

30、所述x轴调节块、所述y轴调节块和所述z轴调节块结构相同，包括底部块、调节块、连接板以及调节旋钮；所述调节块滑动设置于底部块上，所述连接板固定设置于底部块一端，所述连接板上设置有螺纹通孔，所述调节旋钮上设有螺纹，所述调节旋钮一端穿过连接板上的螺纹通孔与调节块固定连接，通过旋转调节旋钮实现调节块在底部块上左右位移，完成所述x轴调节块、所述y轴调节块和所述z轴调节块的位移调节。

31、放置在所述可调节光聚座上的点火源，通过可拆卸块固定在所述可调节光聚座上，点火源的种类为多种，使用时选取单一点火源放置在可调节光聚座上，本实施例中，点火源选取电极模块，用于模拟静电火花。

32、电极模块包括电极支架、两个位置相对设置的电极、两个电极固定螺栓、两个电极锁紧螺母、电极电源接口、两个电源鳄鱼夹以及高压放电模块；

33、电极电源接口用于给高压放电模块供电，所述高压放电模块电连接两个所述电极；

34、两个电极贯穿设置于所述电极支架顶部两端的电极放置孔内，电极一端呈尖角结构，另一端连接一个电源鳄鱼夹，所述电极支架顶部两端各竖直设置有一个电极固定通孔，所述电极锁紧螺母固定设置于所述电极固定通孔内部，电源固定螺栓与所述电极锁紧螺母相适配，向下锁紧，将位于电极固定通孔底部的电极锁紧在所述电极支架的电极固定通孔内；

35、所述电极模块还设置有电压调节钮和电流调节钮，电压调节钮用于调节电极尖端放电电压强弱，电流调节钮用于调节电极尖端放电电流强弱。

36、在一个可选实施例中，点火源选取电热丝模块，用于模拟金属过热；

37、所述电热丝模块包括电热丝支架、两个相对设置的绝缘隔热管、电热丝、两个电热丝固定螺栓、两个电热丝锁紧螺母、电热丝电源接口以及电热丝放置孔；

38、所述电热丝电源接口用于给所述电热丝供电；

39、两个绝缘隔热管贯穿设置于所述电热丝支架支架顶部两端的电热丝放置孔内部；所述电热丝两端分别穿入两个绝缘隔热管；所述电热丝支架顶部两端各设置一个电热丝固定通孔，所述电热丝锁紧螺母固定设置于所述电热丝固定通孔内部，所述电热丝固定螺栓与所述电热丝锁紧螺母相适配，向下锁紧，将位于电热丝固定通孔底部的电热丝锁紧在所述电热丝支架的电热丝放置孔内。

40、所述电热丝模块还设置有电压调节钮和电流调节钮，电压调节钮用于调节电热丝放电电压强弱，电流调节钮用于调节电热丝尖端放电电流强弱。

41、在一个可选实施例中，点火源选取磨屑模块，用于模拟摩擦火花；

42、所述磨屑模块包括磨屑支架、可更换钉子模块和砂轮模块；

43、所述磨削支架为一体式结构，包括一个砂轮支架以及两个相对设置的钉子支架，所述砂轮支架用于安装砂轮模块；所述钉子支架用于安装所述可更换钉子模块；

44、所述可更换钉子模块包括方形壳体、设置在方形壳体两侧的两个压板槽、设置在方形壳体一侧的放置槽、设置在方形壳体两侧的若干个第一螺纹孔、设置在方形壳体一端的钉子孔、设置于方形壳体内部的压板弹簧、压板以及钉子；

45、所述压板弹簧一端固定所述方形壳体内部，另一端固定所述压板；所述压板槽为腰型孔；所述压板为中间圆形，两侧条形结构，所述压板两侧分别从方形壳体两侧的两个压板槽中伸出；所述钉子从所述放置槽内放入方形壳体内部，所述钉子尖端穿过所述钉子孔伸出至方形壳体的外部，另一端抵住所述压板；

46、所述砂轮模块包括直流电机、电机旋转轴、轮盘联轴器、轮盘、涨紧轮以及砂带；所述直流电机固定安装在所述砂轮支架上，所述直流电机连接电机旋转轴，所述电机旋转轴一端连接轮盘联轴器，所述轮盘联轴器连接所述轮盘，所述轮盘上设置有轮盘锁紧螺栓，所述涨紧轮设置在所述轮盘外周，所述砂带设置于所述涨紧轮外周；使用时砂带抵住钉子，使得钉子向方形壳体内施力，通过压板弹簧的作用压紧在方形壳体内；

47、所述钉子支架的数量为两个，两个所述钉子支架呈相对设置，所述钉子支架自上而下依次有第二螺纹孔和弧形连接孔，所述第二螺纹孔和弧形连接孔均通过螺栓螺母与第一螺纹孔连接，实现可更换钉子模块安装在所述所述钉子支架上。

48、在一个可选实施例中，点火源选取明火模块，用于模拟明火；

49、所述明火模块包括明火模块体、明火气罐和明火气罐固定座；所述明火气罐固定座设置于所述明火模块体顶部位置，所述明火气罐固定座顶部形状与所述明火气罐底部形状相适配，所述明火气罐通过嵌合在所述明火气罐固定座顶部实现固定在所述明火模块体上。

50、所述明火模块体上还设置有火焰大小旋钮、打火旋钮、明火电源接口以及打火模块；火焰大小旋钮用于控制明火气罐火焰大小，与明火气气罐连接；所述明火电源接口用于接入直流电源，给打火模块供电；所述打火旋钮用于点火，与打火模块电连接。

51、在一个可选实施例中，点火源选取炙热颗粒物模块，用于模拟炙热颗粒物引起的火花；所述炙热颗粒物模块包括底座、固定设置在底座顶部四周的若干个隔热柱、固定设置在隔热柱顶部的隔热平台、设置在隔热平台上的加热网、开关钮、温度调节钮、温度显示数码管、炙热颗粒物模块电流接口、加热陶瓷板以及控温电路；

52、所述加热陶瓷板用于加热，设置在所述加热网下方；

53、所述炙热颗粒物模块电流接口给控温电路供电；所述开关钮、温度调节钮、温度显示数码管以及加热陶瓷板均与控温电路电连接，实现信号传递。

54、使用时，炙热颗粒物模块电流接口接通直流电源，被加热颗粒物放置在所述加热网上，通过开关钮打开所述加热陶瓷板，所述加热陶瓷板显示在温度显示数码管上，通过温度调节钮调节所述加热陶瓷板的温度高低。

55、基于一种木制粉尘点火源光谱测量实验仪的木制粉尘点火源光谱测量方法，具体步骤如下：

56、1.打开暗箱，将暗箱的对开门打开。

57、2.打开内实验箱的透明门。

58、3.安装点火源。

59、3.1安装电极模块

60、选择合适的电极，本实施例中选取铝棒作为电极，将其装入可更换电极模块底座，通过旋紧两个电极固定螺栓，将电极进行固定，可更换电极底座上有刻度，来确保两个放电电极尖的间距；在电极两侧，夹上电源鳄鱼夹；将电源插上可更换电极模块底座，通过旋转调节电压旋钮和调节电流旋钮，来调节的合适电弧，完成电极模块的安装工作。

61、3.2安装电热丝模块。

62、选择合适的电热丝(例如不同阻值材质)，在电热丝的两端，套有绝缘隔热管，插入电热丝放置孔中，通过旋紧两个电热丝锁紧螺母，将电热丝和隔热管固定。将电源接入可更换电热丝模块，通过旋转调节电压旋钮和调节电流旋钮，来调节合适的温度。等待实验。

63、3.3安装磨屑模块。

64、3.31选择不同材质的钉子(例如含碳量不同)，将钉子安装在可更换钉子模块上，通过克服弹簧的弹力将压板压到最后，将钉子从放置槽内放入，再将压板释放，通过弹簧的弹力将钉子进行固定。

65、3.32将可更换钉子模块，安装在钉子支架上，通过螺栓配合第二螺纹孔以及和弧形连接孔，调节可更换钉子模块的角度，在调节合适的角度后，拴紧螺栓以固定。

66、通过松开轮盘锁紧螺栓，可以取下轮盘。更换不同目数的砂带，进行探索不同目数的砂带打磨金属产生火花的关系，更换砂带后，轮盘上带有涨紧轮，涨紧轮涨紧砂带。

67、3.33调节可更换钉子模块和砂轮模块的相对位置，保证可以打磨出金属火花。将直流电源供电接可更换磨屑模块，通过旋转电机转速旋钮和电机转向旋钮，以保证有火花产生。等待实验。

68、3.4安装明火模块。

69、选择不同气体的明火气罐，安装在可更换明火模块底座上，以探索不同颜色的火焰对于粉尘爆炸的影响。将直流电源接入可更换明火模块，通过旋转打火旋钮进行点火，通过旋转调节旋钮，以保证合适的火焰大小。等待实验。

70、3.5安装炙热颗粒物模块。

71、3.51选择不同材质的被加热颗粒物，放置在加热网上方。将直流电源接入模块的电源接口处。旋转调节开关旋钮，打开加热平台，此时数码管高亮显示。通过调节温度旋钮，调节合适的温度。等待实验。

72、3.52实验结束后，旋转调节开关旋钮，将加热平台关闭，等待被加热颗粒物自然冷却后，再收拾实验配件。

73、4.安装可调节光聚座。

74、4.1在三维微调底座上，安装电极模块：打开异形卡扣扳手，将电极模块底部的可拆卸块放入快拆座内，旋转异型扳手扣，将其锁紧在快拆座内部。

75、4.2将三维微调底座安装在内实验箱的可调节光聚座上，松开光聚座滑块的锁紧螺栓，移动三维微调装置底座，配合刻度尺调节到中间的位置后，拧紧，实现固定。

76、4.3微调三维微调底座，分别调节x，y，z的旋转调节旋钮，保证点火源，在整体内点火源测试区正中。

77、5.放置木粉。

78、打开内实验箱上部盖板，将一定量的待测木粉，放置在均粉装置的木粉碗中，并且，木粉的高度不能超过泄气球处。

79、6.安装光传感器

80、关闭内实验箱上部盖板，在需要测量的位置上，安装光传感器，安装时，将光传感器通过螺纹连接在光传感器接口上；在不需要测量的位置，安装上堵头螺栓，保证内部的粉尘不泄露。

81、7.安装温度传感器

82、在内实验箱体的上部，需要测定温度处，安装温度传感器，安装时，将温度传感器通过螺纹安装在温度传感器座上；在不要测定温度处，安装堵头螺栓，保证内部的粉尘不泄露。

83、8.安装内实验箱上部盖板和侧板，并在通气孔安装堵头螺栓，保证整个实验箱体的密封性。

84、9.将内实验箱体接入电源。

85、10.将温度传感器，光传感器等，接入电脑，记录测量数据。

86、11.将气泵接入电源；调节气动三联件，调节气动三联件自带的减压阀，以获得合适的气压。

87、12.关闭暗箱的对开门，保证内实验箱体，除点火源外，无其他光。

88、13.将光谱仪上的串口，通过串口线，接入电脑，打开电脑上位机，等待测量。

89、14.在上位机界面上，点击开始实验，先点击“打开空压机”，电磁阀打开，高压空气，通入均粉装置。根据实验要求的不同的均匀程度，选择同时开启多少个风扇，再点击“开启内部风扇”，内部风扇开始工作，将内部的粉尘气流均匀，当内部环境的粉尘处于较为均匀且稳定的程度后，点击“稳定环境”，风扇会以慢速旋转。此时可以进行实验的测量。

90、15.研究不同温度粉尘影响。再上述实验步骤之后，点击“打开加热灯”，并输入加热的温度“多少摄氏度”，在内部实验箱体的两侧的加热灯，会进行加温，当加热到一定的温度后，关闭加热灯，确保黑暗的环境，实时测量，随着温度的降低曲线。

91、16.测量结束后，在上位机软件上，点击停止测量，风扇，加热灯，高压均粉装置将停止。

92、17.清理实验箱。

93、取下在实验箱的通气孔处的堵头螺栓，在通气孔处连接气泵，往外侧抽空气。在上位机软件上，点击，排风，风扇会反转，将内部的气体往外排。在上位机软件上，点击打开空气压缩机，电磁阀再次打开，高压气体通入。清理实验箱15分钟后清洁完毕。

94、18.取下光学传感器。

95、19.取下温度传感器。

96、20.打开内部实验箱盖门，取出点火源。

97、21.关闭空气压缩机电源。

98、22.关闭内实验箱体电源。

99、23.结束实验。

100、本发明的有益效果体现在：

101、(1)模拟生产实际设计制作了五种点火源，可模拟静电火花、金属过热、摩擦火花、明火、炙热颗粒物引起的火花，并设计了快拆座配合可拆卸块，可快速切换多种点火源，保证了装置能够实时对多种点火源进行测量。该装置的实验结果是设计高精度火花监测装置的依据，对我国破除国外同类产品的垄断具有重要意义。

102、(2)本发明光纤连接光谱仪，保证了在装置环境中能够有稳定的光信号进入光谱仪。

103、(3)本发明设计了粉尘箱及其隔断，既避免了实验过程中可能产生爆炸，又可以模拟木粉环境对点火源光谱的影响。

104、(4)本发明粉尘箱可以筛分固定粒径范围的木粉，通过风路结构保证粉尘在粉尘箱中均匀分布，粉尘箱还可以改变温度，模拟不同环境温度对光谱特征的影响。

105、(5)装置结构灵活，有可更换的配件和结构，可以模拟我国各种生产条件下的点火源。

106、(6)本发明装置不仅可以用于测试木粉还可用于其他粉尘的测量。

107、(7)本发明装置结构简单，既可作为科研设备也可以作为木材科学、防爆安全等相关专业的教学实验装置。