CN103439233A - 烟道粉尘浓度检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种烟道粉尘浓度检测系统，包括发射单元、接收单元和信号处理单元，所述的发射单元包括两个相对放置在粉尘烟道中且交替发射红外光的光源，两个光源发射所形成的光路相对于粉尘烟道呈对称分布；每个光源经光路后得到参考光和实时光；所述参考光和实时光经过接收单元变成电压信号后进入信号处理单元处理，基于琅勃比尔定律计算得出粉尘浓度。本发明精度高、结构新颖、制造成本低、便于显示控制操作。
Description
技术领域
本发明涉及一种烟道粉尘浓度检测系统，属于烟气检测设备技术领域。
背景技术
生产性粉尘的危害性很大。一方面粉尘严重危害职工的身体健康，工作人员长期吸入高浓度粉尘极易感染尘肺病，粉尘中含有多种毒性元素，被人体吸入后易于引起中毒。此外，粉尘还会造成眼疾，具有致癌作用，特别是肺癌。另一方面生产过程中粉尘浓度过高，潜伏着粉尘爆炸的危险。煤矿事故中煤尘爆炸所引起的特大事故占有很大比重。因此无论从保护职工健康角度，还是从安全生产角度考虑，都必须采取有效措施对煤矿烟道粉尘进行检测。
现阶段已有的粉尘浓度检测仪器主要有光学、称重式、电荷式几种，其中光学式的使用最为广泛。称重式粉尘仪需要使用采样器采样，需要经过称重、烘干、采样、再烘干、再称重及计算等一系列烦琐的过程,因此不能及时反映现场环境的粉尘浓度。电荷式粉尘仪受风速、风向、含水量等周围环境影响较大，测量结果不够准确。光散射式粉尘仪技术已比较成熟，测量准确，安装方便，但高粉尘浓度的情况下，光在通过烟气时，光强衰减太快，测量的非线性增加明显，使其测量精度很难保证，不适宜高粉尘浓度的测量，光透射式适宜高粉尘浓度的测量。目前已有的光透射式粉尘仪主要采用了单发单收式测量法，单发双收式测量法，双光束测量法。单发单收式测量法，单发双收式测量法存在探测精度差，灵敏度低，采集到的电流信号小，成本较高，在线人员操作不够便携等缺点。已有的双光束测量法测尘仪，如中国专利CN85109253A，虽然对于单发单收、单发双收测量方法在测量精度上有一定的改善，但是所采用的光学结构是一个光学转盘，使用时需要光束进入到转盘内壁，由对侧抛光镜面实现镜面反射实现双发双收测量，这样的结构机械复杂，光学设计复杂，重复稳定性低，外型箱体巨大，成本高。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于，提供一种精度高、结构新颖、制造成本低、便于显示控制操作的在线检测烟道粉尘浓度的仪器。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：烟道粉尘浓度检测系统，其特征在于：包括发射单元、接收单元和信号处理单元，所述的发射单元包括两个相对放置在粉尘烟道中且交替发射红外光的光源，两个光源发射所形成的光路相对于粉尘烟道呈对称分布；每个光源的一侧设有半反半透镜，所述光源发出的入射光与半反半透镜呈45°夹角，所述光源发出的入射光经过半反半透镜后分成反射光和透射光两部分；所述半反半透镜的上方设有全反射镜，所述反射光经过全反射镜反射后，再经过所述半反半透镜，得到参考光；所述半反半透镜一侧设有准直透镜，所述透射光经过准直透镜和粉尘烟道后，进入另一光源的准直透镜和半反半透镜，得到实时光；所述参考光和实时光经过半反半透镜后透射进入接收单元，所述接收单元对两次发射得到的参考光和实时光进行光电转换，变成电压信号后进入信号处理单元；所述信号处理单元将参考光产生的电压信号和实时光产生的电压信号进行处理，基于琅勃比尔定律计算得出粉尘浓度。
进一步的技术方案为：
所述的信号处理单元包括依次相连接的单片机、滤波电路、放大电路、模拟数字转换电路。
还包括信号输出单元，所述的信号输出单元包括与信号处理单元相连接的电流输出模块、通信模块、液晶屏和按键。
所述粉尘浓度的计算公式为：c＝ln(I(λ)/I0(λ))/(Lσ(λ))，其中c代表粉尘浓度，吸收能力用吸收截面σ来表示，I(λ)为信号光强，I(λ0)为参考光强，L表示光程。
所述的半反半透镜由三面抛光的等腰直角三棱镜和近红外波段的半反半透膜组成。
所述的接收单元为探测器。
所述的半反半透镜设置在准直透镜的焦点处，确保发射出平行光束。
所述光源的发射由单片机控制。
所述红外光为近红外波段的光。
本发明的有益效果是：
1.高效率的光路设计。本发明采用半反半透镜，使光路分成等光强的反射光和透射光两部分；同时采用全反射透镜，使光程增加一倍，但整体机械距离没有增加。本发明提高了光能利用率，增加光程，减小整体机械结构间距，光学器件精简，实用性高。
2.测量周期短。本发明与已有的双光束测尘仪相比，缩短了测量周期。一个测量周期，仅需要1个光源开启时，两个探测器同时得到参考光和实时光；再关闭该光源，开启另一个光源，两个探测器再同时得到的参考光和实时光。如此交替往复，缩短了测量时间，提高了测量精度。
3.精简的机械结构，与已有的双光束测尘仪相比，本发明机械结构精简，无需电机转换盘等高耗能，且需精确时间运转的部件，仅需开关光源，便可达到切分光路的效果。本发明整体结构小巧，内部稳定，工作流程简单方便，成本低，实用性高。
4.齐全的显示控制操作功能。本发明不但支持串口232通信，485通信，使与之相连的PC机可直接进行数据监测，参数调整，而且支持4～20mA、0～20mA电流输出，液晶显示屏输出，继电器报警，按键控制的功能。现实操作界面简洁，功能齐全，方便用户实时操作、控制、监测数据。
附图说明
图1是本发明的原理框图；
图2是发射接收单元侧面剖面图；
图3是发射接收单元底面剖面图；
图4是本发明的电路原理框图；
图5是本发明的流程图。
具体实施方式
为进一步揭示本发明的技术方案，下面结合附图详细说明本发明的实施方式：如图1至图3所示，烟道粉尘浓度检测系统，包括发射单元、接收单元和信号处理单元，发射单元包括两个相对放置在粉尘烟道中且交替发射红外光的光源1、1’。光源1’发射所形成的光路与光源1发射所形成的光路相对于粉尘烟道呈对称分布。光源1、1’分别安装在发射接收电路板15上。
光源1、1’的一侧分别设有半反半透镜2、2’，光源1发出的入射光与半反半透镜2呈45°夹角，光源1’发出的入射光与半反半透镜2’呈45°夹角。半反半透镜2、2’具有分光功能，可将一束光分成光强相等的反射光与透射光两部分。半反半透镜2、2’的上方设有全反射镜4、4’，全反射镜4、4’使光线进行无能量损耗的反射。半反半透镜2、2’一侧设有准直透镜，半反半透镜2、2’放置在准直透镜3、3’的焦点处，确保发射出平行光束。
探测器5、5’为接收单元，用以接收经过半反半透镜2、2’的透射光线，并将其光信号通过光电转换形成电压信号。
以光源1发出红外光为例，入射光经过半反半透镜2，得到等光强的反射光束α和透射光束β。反射光束α经过全反射镜4，反射回半反半透镜2表面；最后该光束经过半反半透镜2透射进入探测器5，得到未经过粉尘烟道的参考电压信号。透射光束β经过准直透镜3，发出的平行光束经过粉尘烟道，再经过准直透镜3’，入射在半反半透镜2’表面，最后该光束经过半反半透镜2’反射进入探测器5’，得到经过粉尘烟道的实时电压信号，两种信号同时进入信号处理单元6。
关闭光源1，开启与之对称的另一光源1’，经过与光源1相同的光路，得到未经过粉尘烟道的参考电压信号和经过粉尘烟道的实时电压信号，两种信号同时进入信号处理单元6。
如图4所示，信号处理单元6包括依次相连接的单片机、滤波电路、放大电路、模拟数字转换电路，信号处理单元6基于琅勃比尔定律计算得到粉尘浓度值，粉尘浓度的计算公式为：c＝ln(I(λ)//I0(λ))/(Lσ(λ))其中c代表粉尘浓度，吸收能力用吸收截面σ来表示，I(λ)为信号光强，I(λ0)为参考光强，L表示光程。
还包括信号输出单元，信号输出单元包括与信号处理单元相连接的电流输出模块7、通信模块8、液晶屏9和按键10。电流输出模块7用于输出粉尘浓度值对应的4～20mA或0～20mA电流值，232/485通信模块8连接PC机通信，从而实现PC机实时在线检测功能。液晶屏9用于粉尘浓度值的实时显示输出。按键10用于调控输出。
如图4所示，电路部分的设计框图主要分为三部分：调制发射部分，信号接收部分，信号处理部分。
（1）调制发射部分：单片机控制光源1、1’的发射。
（2）信号接收、处理部分：探测器5、5’的接收，对接收信号进行滤波，放大，模数转换等处理，综合计算求出粉尘浓度值。
（3）信号输出部分：采用不同形式进行输出或报警。
如图5所示，先进行数据量的初始化，检测仪器是否正确安装；然后同时读取光源1发射时的参考信号光强值以及实时信号光强值，再同时读取光源2发射时的参考信号光强值以及实时信号光强值；最后将得到的四个数值进行综合数据运算，得到粉尘浓度值。
以上通过对所列实施方式的介绍，阐述了本发明的基本构思和基本原理。但本发明绝不限于上述所列实施方式，凡是基于本发明的技术方案所作的等同变化、改进及故意变劣等行为，均应属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.烟道粉尘浓度检测系统，其特征在于：包括发射单元、接收单元和信号处理单元，所述的发射单元包括两个相对放置在粉尘烟道中且交替发射红外光的光源，两个光源发射所形成的光路相对于粉尘烟道呈对称分布；每个光源的一侧设有半反半透镜，所述光源发出的入射光与半反半透镜呈45°夹角，所述光源发出的入射光经过半反半透镜后分成反射光和透射光两部分；所述半反半透镜的上方设有全反射镜，所述反射光经过全反射镜反射后，再经过所述半反半透镜，得到参考光；所述半反半透镜一侧设有准直透镜，所述透射光经过准直透镜和粉尘烟道后，进入另一光源的准直透镜和半反半透镜，得到实时光；所述参考光和实时光经过半反半透镜后透射进入接收单元，所述接收单元对两次发射得到的参考光和实时光进行光电转换，变成电压信号后进入信号处理单元；所述信号处理单元将参考光产生的电压信号和实时光产生的电压信号进行处理，基于琅勃比尔定律计算得出粉尘浓度。
2.根据权利要求1所述的烟道粉尘浓度检测系统，其特征在于：所述的信号处理单元包括依次相连接的单片机、滤波电路、放大电路、模拟数字转换电路。
3.根据权利要求1所述的烟道粉尘浓度检测系统，其特征在于：还包括信号输出单元，所述的信号输出单元包括与信号处理单元相连接的电流输出模块、通信模块、液晶屏和按键。
4.根据权利要求1所述的烟道粉尘浓度检测系统，其特征在于：所述粉尘浓度的计算公式为：c＝ln(I(λ)/I0(λ))/(Lσ(λ))，其中c代表粉尘浓度，吸收能力用吸收截面σ来表示，I(λ)为信号光强，I(λ0)为参考光强，L表示光程。
5.根据权利要求1所述的烟道粉尘浓度检测系统，其特征在于：所述的半反半透镜由三面抛光的等腰直角三棱镜和近红外波段的半反半透膜组成。
6.根据权利要求1所述的烟道粉尘浓度检测系统，其特征在于：所述的接收单元为探测器。
7.根据权利要求1所述的烟道粉尘浓度检测系统，其特征在于：所述的半反半透镜设置在准直透镜的焦点处，确保发射出平行光束。
8.根据权利要求1所述的烟道粉尘浓度检测系统，其特征在于：所述光源的发射由单片机控制。
9.根据权利要求1所述的烟道粉尘浓度检测系统，其特征在于：所述红外光为近红外波段的光。
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