CN104316720A - 自适应流速变化的电荷感应在线粉尘检测装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自适应流速变化的电荷感应在线粉尘检测装置及其方法，包括信号测量模块和计算模块；所述信号测量模块包括若干金属探头及与所述金属探头相连的直流信号测量电路和交流信号测量电路，用于采集粉尘流动时产生的直流信号和交流信号，并将所述直流信号和交流信号传送至所述计算模块；所述计算模块，用于对所述直流信号和交流信号进行选择，以及对多路交流信号进行交相关运算，并根据选择结果与交相关运算的结果对信号进行补偿，再经校准后输出。采用本发明，能够充分利用原始信号包含的所有信息，使颗粒物流量、浓度的测量免受流速变化的影响，从而扩大颗粒物静电感测量技术的应用范围。

Description

自适应流速变化的电荷感应在线粉尘检测装置及其方法

技术领域

本发明涉及测量气流中粉尘的流量和浓度的技术，尤其涉及一种自适应流速变化的电荷感应在线粉尘检测装置及其方法。

背景技术

在夹带粉尘(固体微粒)的气流(气固两相流)中，对粉尘浓度的测量技术在工业领域中得到了广泛的应用。如，电力、热力生产供应业；非金属矿物制品业；黑色金属冶炼及加工业；有色金属冶炼及加工业；化学制品业；石油化工业；以及造纸、纺织、农副产品加工等行业。对这些行业的生产过程进行控制和污染源(一次排放)进行检测，特别是这些污染源在经过粉尘回收、处理之后，在排放入大气(二次排放)之前对其进行实时在线监测，对保护大气的环境质量具有十分重要的意义。

对气固两相流中固体成份浓度进行连续实时在线测量，一直是工业测量技术上的难点。在现有技术中，基于电荷感应原理的技术由于其具有优越的灵敏度、可靠性和可维护性，在工业上得到了广泛的应用。

现有的微电荷感应粉尘浓度监测仪，无论其测量原理是基于交流信号还是直流信号，其测量结果都会受到流速的影响。在只需要对颗粒物进行定性监测的领域，如袋式除尘器泄漏监测，或气体流速比较恒定的排放场合，现有技术完全可以满足要求。但是随着环保监测标准日益严格，对粉尘浓度监测仪器的定量精度测量提出了更高的要求；并且为了拓展在排放点气体流速变化较大的应用领域，如电厂，消除流速变化对信号的影响是对电荷感应粉尘浓度测量技术进一步的要求。

气体流速信号既可以从外部获得，也可以从颗粒物电荷感应信号计算得出。在实际应用中，更完整、可行的方法是从颗粒物电荷感应信号计算得出流速。利用单探头采集的电荷感应信号中包含流速信息，利用单探头信号特征获取流速信息的技术，在中国发明专利ZL200610057401.6和ZL200910081022.4中已有描述，但利用单探头信号特征获取的信号特征只能得出相对流速，还需要通过数据拟合和标定才能得到定量的流速值。

而在气体污染源排放监测领域，排放点气体流速作为一个重要参数，通常是利用传统测量仪器，如利用皮托管或孔板流量计通过压差来进行气体流速测量的，但在气流含尘的情况下，皮托管容易发生堵塞，从而增加维护成本；而利用孔板流量计则会使管道内压头损失过大，从而增加动力损失和能耗。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种自适应流速变化的电荷感应在线粉尘检测装置及其方法，运用新颖的探头设计和优化的交相关算法，充分地利用原始信号包含的所有信息，使颗粒物流量、浓度的测量免受流速变化的影响，从而扩大颗粒物静电感测量技术的应用范围，使得采用本技术的产品满足日益严格的环保排放定量测量的要求。

本发明的另一个目的在于提出一种利用排放气体中粉尘信号特征进行交相关的计算从而精确测量气体流速的方法，以设计或改进相应的探头、电路及其算法。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种自适应流速变化的电荷感应在线粉尘检测装置，包括信号测量模块和计算模块；其中：所述信号测量模块包括若干金属探头及与所述金属探头相连的直流信号测量电路和交流信号测量电路，用于采集粉尘流动时产生的直流信号和交流信号，并将所述直流信号和交流信号传送至所述计算模块；所述计算模块，用于对所述直流信号和交流信号进行选择，以及对多路交流信号进行交相关运算，并根据选择结果与交相关运算的结果对信号进行补偿，再经校准后输出。

其中：所述金属探头包括第一探头、第二探头和第三探头；所述第一探头与直流信号测量电路相连，所述第二探头和第三探头则分别与所述第一交流信号测量电路和第二交流信号测量电路相连。

所述第一探头为圆柱体，其直径为D，置于被测气流上游用于产生卡门涡街效应；第二探头和第三探头为几何尺寸相同的薄片形，置于第一探头的下游；所述第二探头、第三探头的前端与所述第一探头平齐，其有效长度为10D～15D；第一探头与第二探头之间的距离为7.5D～15D，第二探头与第三探头之间的距离为1.5D～4D。

所述信号测量模块的直流信号测量电路与第一探头相连，该直流信号测量电路包括模拟信号预处理部分和模数转换部分；所述模拟信号预处理部分用于滤除4～16Hz以上的噪音，并利用仪器放大器和斩波消除偏差/漂移，使直流信号的精度达到1pA；所述模数转换部分的采样频率为1～16Hz；以及，

所述信号测量模块的交流信号测量电路，包括：与第二探头相连的第一交流信号测量电路，与第三探头相连的第二交流信号测量电路；所述第一、第二交流信号测量电路，均包括模拟信号预处理部分和模数转换部分；所述模拟信号预处理部分用于对信号进行4～8个数量级的放大，并滤除1～16Hz以上的噪音；所述模数转换部分的采样频率为4～64KHz。

所述计算模块包括选择电路、交相关处理子模块、信号补偿子模块以及校准子模块；其中：

选择电路，用于根据需要在直流信号和对交流信号的采集电路之间进行选择；

交相关处理子模块，用于对第二探头、第三探头所采集到的第一交流信号和第二交流信号进行交相关运算；

信号补偿子模块，用于根据选择电路的选择结果以及交相关运算的结果对信号进行补偿；以及，

校准子模块，用于对计算模块的输出结果进行修正。

所述计算模块还用于对所述直流信号、交流信号的相对强度进行比较：

若所述直流信号、交流信号之比大于两个数量级则表明探头的安装或使用出现了问题，具体为：如果直流信号过大则说明探头受到污染，探头导体和接地点之间发生了原电池效应，探头需要及时维护；如果交流信号值过大，则说明探头或电子电路安装不当或受到了干扰，需要额外的电磁屏蔽或电气隔离。

所述计算模块的交相关处理子模块，为DSP、FPGA或其他计算设备。

一种自适应流速变化的电荷感应在线粉尘检测方法，包括：

A、对粉尘颗粒物电荷感应高频信号进行交相关运算的步骤；

B、对粉尘颗粒物电荷感应直流信号、交流信号进行处理以及对数据进行整合的步骤。

其中，步骤A包括：

对第一交流信号测量电路、第二交流信号测量电路产生的信号数据进行交相关运算得到N个数据点的交相关系数，在从第0个到第N/2个交相关系数中查找最大相关系数，其位置为n，结合第一交流信号测量电路和第二交流信号测量电路的采样频率计算湍流特征信号，经第二探头和第三探头的延迟，利用第二探头和第三探头之间的距离计算湍流特征涡旋地流速；在相对稳定的流场中，湍流特征涡旋的移动速度即为气体整体流速，从而得到管道中的气体流速。

步骤B包括：

B1、利用选择电路根据现场条件进行选择，然后经由计算模块利用得到的气体流速对直流信号测量电路所得的直流信号，或对第一交流信号测量电路、第二交流信号测量电路所得的交流信号进行修正；

B2、根据修正后信号对颗粒物的质量流量进行标定的步骤；

B3、最后根据质量流量、流速和管道截面积计算颗粒物浓度。

本发明所提供的自适应流速变化的电荷感应在线粉尘检测装置及其方法，具有以下优点：

采用本发明，能够消除气体流速变化对电荷感应颗粒物测量仪器的影响，使颗粒物浓度、流量的测量结果更加稳定可靠，并将此类电荷感应颗粒物测量仪器的应用领域拓展到流速变化大、对定量测量结果要求高的场合。在含尘气体流速、流量测量领域，采用本发明提供的气体流速的测量方法，比传统的皮托管流量计更易于维护、比传统的孔板流量计更低能耗的气体流速、流量测量。

附图说明

图1为本发明自适应流速变化的电荷感应在线粉尘检测装置的实施例(包括探头、电路和计算处理单元)的示意图；

图2为典型的气流在经过柱状物体之后形成冯卡门涡街的示意图；

图3A为圆柱形探头及其产生的信号的时域特征示意图；

图3B为薄片形探头及其产生的信号的时域特征示意图。

【主要部件符号说明】

1：第一探头

2：第二探头

3：第三探头

4：直流信号测量电路

5：第一交流信号测量电路

6：第二交流信号测量电路。

具体实施方式

下面结合附图及本发明的实施例对本发明自适应流速变化的电荷感应在线粉尘检测装置及其方法作进一步详细的说明。

暴露在夹带粉尘的气流中的接地的导体，即探头，能够感应到由于粉尘颗粒运动所引起的微弱电流。对该微弱电流信号进行测量、分析和处理，可以得到粉尘浓度和流量的信息。

上述的微弱电流是由两种物理过程造成的：一种是运动的颗粒撞击探头所产生的电荷传递现象，由此种原因产生的电流称作转移电流；另一种是运动的颗粒经过探头附近，由颗粒本身所带电荷所产生的静电感应现象，由此种原因产生的电流称作感应电流。由此两种物理过程产生的电流之和称作总电流。

当一粒颗粒物与探头碰撞时，其电荷的传递量不仅取决于颗粒物的物理和化学性质(包括大小、化学组成、介电常数等)还与该颗粒物的流动速度有关。一簇群颗粒物与探头碰撞时，能够在探头上产生微弱的电流信号，且该电流信号的强度与单位时间内碰撞探头的颗粒物的数量成正比。颗粒物在空间中的分布是不均匀，但同时由于它们的流动速度也在平均速度上下浮动，因此该电流信号的强度也会在某一均值附近上下浮动。该电流信号的统计平均值，即信号的直流部分，与颗粒物的流量成正比。该电流信号与其均值之间的偏离值，即信号的交流部分，也与颗粒物的流量成正比。

当一粒颗粒物从探头旁经过时，探头感应电荷量的多少不但取决于探头的形状、探头与颗粒物粒子之间的径向距离、而且还取决于颗粒物所带净电量以及颗粒物的轴向速度。如果将颗粒物通过探头所在的管道截面时所带的电荷当作一个脉冲信号，那么由此感应电荷在探头上生成的电流信号则可视为是这个感应系统的脉冲响应。这样，颗粒物便在探头和它周围的空间形成一个信号过滤器，即“空间过滤效应”。

当随机分布的颗粒物掠过探头时，得到的感应电流信号便可视为是原始随机信号经过滤后的结果，其中包含了关于颗粒物流动和信号过滤器本身的重要信息。该信号的统计平均值为零。该信号和零之间的偏离值即信号的交流部分，与颗粒物的流量成正比。但是由于“空间过滤效应”的作用，所述感应系统相当于一个带通滤波器，导致低频和高频信号都被大大衰减了。

另外，流体中的紊流会使颗粒物粉尘的空间和速度分布更复杂，因此会同时影响到因碰撞引起的电流部分和因静电感应引起的电流部分。在探头上形成的原始电信号，是所有在探头附近随机分布的颗粒物所产生的感应电流信号与所有与探头随机碰撞的颗粒物所产生的因碰撞引起的电流信号的总和。由于感应电信号和紊流引起的信号的直流部分均为零，测量到的信号的直流部分即为一段时间内碰撞电流信号的平均值。而测量值的交流部分是碰撞电流信号的波动、电感应信号和紊流引起的信号的集合，影响信号的每个因素都很复杂而又不尽相同，例如流速和紊流状况。

理论分析和实践表明，直流信号与颗粒物流量、流速的关系为：

I_DC＝K₁·F·v^a

其中：I_DC是直流电流信号；K₁是与颗粒物和探头材料有关的系数；F是颗粒物的质量流量；v是颗粒物的流速，可以用气体整体流速代表；a是流速指数，通常取值在1.8到2.5之间。

交流信号与颗粒物流量、流速的关系为：

I_AC＝K₂·F^b·v^c

其中：I_AC是直流电流信号；K₂是与颗粒物承载电荷和探头几何形状有关的系数；F是颗粒物的质量流量；v是颗粒物的流速，可以用气体整体流速代表；b是流量指数，通常取值在0.5到1.0之间；c是流速指数，通常取值在0.2到0.5之间。

为了测量到准确的颗粒物流量，无论从直流信号入手，还是从交流信号入手，都需要消除流速v的影响。先前的中国专利ZL200610057401.6和ZL200910081022.4中描述了利用单个探头和信号特征估算颗粒物流速，并计算颗粒物流量、浓度的方法，而本发明则提供了一种利用多个探头、多个采样电路和交相关算法来更精确计算流速和颗粒物流量、浓度的自适应流速变化的电荷感应在线粉尘检测装置及其方法。

上述的交相关算法已被广泛应用于信号处理领域，在颗粒物测量领域也曾有过尝试，而且在小管径、高浓度的应用场合，如颗粒状固体物料的气动输送领域，取得了一些较好的应用效果。但是在颗粒物排放监测领域，由于颗粒物浓度低，因而信号弱、信噪比较低；加上大管径管道中气体流动状况复杂，在两探头之间气体流动所造成的颗粒物静电感应特征信号的相似性容易被噪音覆盖，因此，目前还没有将交相关算法应用于颗粒物排放监测领域的成功应用。

在通常的工业气体流动的管道中，雷诺数均大于5000，也就是说气体流动处于湍流状态。湍流中的漩涡对气流中的颗粒物分布有显著的影响：由于离心作用，颗粒物会在漩涡之间的区域富集，有文献显示“Squires KD and Eaton JK1991Preferential concentration of particles by turbulence.Physics of Fluids A 3,1169-1178”，颗粒物在漩涡之间薄膜区的浓度甚至可以达到整体浓度的25倍。漩涡的尺度可以大到和管道直径相同，小到毫米级的Kolmogorov尺度，而在管道内固定位置，颗粒物局部浓度波动频率则是气体经过探头的整体流速和漩涡的尺度之比：

f_T＝v/l

其中：f_T是颗粒物局部浓度波动频率，v是气流整体流速，l是漩涡的尺度。

颗粒物静电感应设备监测到的信号，是经过探头的“空间过滤效应”过滤以后的颗粒物局部浓度波动，由于不同尺度的漩涡所包含的能量不同，造成了信号在不同的频率上的强度不同。在实际应用中，气体流动状况千差万别：管径大小、弯道、突起、风机位置、气体的密度、粘度、流速等都会对信号的频域特征有重要的影响。所以，仅仅利用气体自然的湍流特征，很难在任何运用条件下都使交相关算得到准确的计算结果，尤其在颗粒物浓度较低的排放监测领域，由于信号弱，信噪比低，这个困难就更加突出。

图1为本发明自适应流速变化的电荷感应在线粉尘检测装置的实施例(包括测量模块和计算模块)的示意图。如图1所示，该检测装置主要包括信号测量模块A和计算模块B。其中：

所述测量模块A，包括第一探头1、第二探头2和第三探头3，以及与第一探头1相连的直流信号测量电路4、与第二探头相连的第一交流信号测量电路5和第二交流信号测量电路6。

其中：第一探头1，用于产生卡门涡街效应(如图2所示)，使颗粒物局部浓度产生稳定的、清晰的波动，为第二探头2和第三探头3采集最优的交流信号创造条件。所述第一探头1与直流信号测量电路4相连，还用于采集气流中的颗粒物(粉尘)产生的直流信号。所述第一探头1为金属圆柱体。在流体中安置阻流体(如第一探头1)，在特定条件下会出现不稳定的边界层分离，阻流体下游的两侧，会产生两道非对称地排列的旋涡，其中一侧的旋涡循时针方向转动，另一旋涡则反方向旋转，这两排旋涡相互交错排列，各个旋涡和对面两个旋涡的中间点对齐，如街道两边的街灯般，这种现象，因匈牙利裔美国空气动力学家西奥多·冯·卡门最先从理论上阐明而得名卡门涡街。

第二探头2和第三探头3，分别用于采集用于交相关运算的交流信号。具体为：第二探头2与第一交流信号采集电路5相连，将采集到的第一交流信号分别传送到计算模块B的选择电路和交相关处理子模块；第三探头3与第二交流信号采集电路6相连，将采集到的第二交流信号传送到交相关处理子模块。

所述计算模块B，主要包括选择电路、交相关处理子模块、信号补偿子模块以及校准子模块。

其中：选择电路，用于让用户或现场技术服务人员根据现场条件，在直流信号优化和对交流信号优化的采样电路之间进行选择，从而实现相互印证对比，有利于设备的诊断维护，使其达到稳定可靠运行。

交相关处理子模块，用于对第二探头2、第三探头3所采集到的第一交流信号和第二交流信号进行交相关运算。

信号补偿子模块，用于根据选择电路的选择结果以及交相关运算的结果对信号进行补偿。

校准子模块，用于对计算模块的输出结果进行修正。

本发明的第一个要点是在两个采集交相关信号的探头2、3上游增加一个圆柱体，即第一探头1，从而利用圆柱体产生的卡门涡街效应，使颗粒物局部浓度产生稳定的、清晰的波动，为下游的双探头2、3采集最优的信号创造条件。

当流体流过障碍物时，如果雷诺数在大约102到107之间，则会在障碍物后产生尾涡，涡流的频率是和流速成正比的：

$f=\frac{S\·v}{D}$

其中：f是涡流的频率；D是圆柱体(即第一探头1)直径；v是气流整体流速；S为斯特罗哈尔数(Strouhal Number)，是一个无量纲常数，通常取值在0.18到0.22左右。

这样，漩涡之间的距离可以由整体流速除以涡流频率表示：

$L=\frac{v}{f}=\frac{D}{S}\≈5D$

如图2所示，漩涡之间的距离约为5倍圆柱体直径(D)。

圆柱体之后，在涡流充分发展之后，离圆柱体约7.5～15D的距离位置，布置采集交相关信号的第一个探头即第二探头2。为了避免对不同周期、相同相位的信号出现错误地相关，交相关信号的第二个探头(即第三探头3)与第一个探头(即第一探头2)的距离应该避免是漩涡之间的距离的整数倍，本发明所选择的距离为1.5～4D。

实施例：一种颗粒物电荷感应探头的设计，包括：

1)一个金属材质的圆柱形的第一探头1，直径为D，从管壁垂直插入气流当中，伸入的长度L大于气流在管壁边界层的厚度的3～6倍，探头最前端最好接近管道中心；

2)在沿气流流动方向，圆柱形的第一探头1的下游，与第一探头1平行的一对薄片形第二探头2、第三探头3，该第二探头2和第三探头3的最前端与第一探头1最前端平齐，有效长度为10D～15D，第二探头2、第三探头3的后端则由良好绝缘、屏蔽的底座与管壁固定。所述第一探头1与第二探头2之间的距离为7.5D～15D，第二探头2与第三探头3之间的距离为1.5D～4D。

本发明的第二个要点是，第二探头2和第三探头3均为薄片状交相关探头。为了避免上游交相关探头(即第二探头2)产生的涡流干扰圆柱状的第一探头1产生的涡流从而对交相关运算产出不利影响，第二探头2采用薄片形状；为了保证信号的相似性，要求第三探头3与第二探头2的几何形状完全相同。

采用薄片形探头的另一个益处是，增加颗粒物流动过程中产生电流信号的尖锐度和在时域上的分辨率，从而减小第二探头2和第三探头3之间的相互干扰，增加交相关运算的成功几率。

根据麦克斯韦(Maxwell)第一方程，一个电荷在接地导体上引起的电荷迁移可以近似地认为和带电荷颗粒物在导体上的投影面积成正比，而和带电荷颗粒物与导体距离成反比：

$Q_l=K_l\·\frac{A}{l^2}\·Q_o$

其中：Q_l是电荷迁移量，K_l是与空间介电常数和接地导体几何形状有关的常数，A是电荷在导体上的投影面积，l是电荷与导体之间的距离，Q_o是颗粒物本身所带电荷量。

而感应电流则近似为：

$I_1=\frac{{\mathrm{dQ}}_l}{\mathrm{dt}}=K_l\·Q_o\·\frac{\mathrm{dA}}{\mathrm{dt}}\·(-\frac{1}{l^3})\·\frac{\mathrm{dl}}{\mathrm{dt}}$

其中：I₁是感应电流强度，是在一定流速下，投影面积随时间变化，为在一定流速下，带电颗粒物与探头中心距离随时间变化。

先前中国专利ZL200910081022.4中对不同几何形状的探头的信号特征已经进行了更加精确的计算，本发明利用简单的图示法对普通圆柱形探头和薄片状探头的信号特征进行比较说明。

图3A为圆柱形探头及其产生的信号的时域特征示意图；图3B为薄片形探头及其产生的信号的时域特征示意图。

如图3A所示，一个普通圆柱形探头19，当一个带电颗粒物在位置7时，其与探头中心距离9可用l_c1表示，其在探头上投影面积10可用A_c1表示；当带电颗粒物飞行到位置8时，其与探头中心距离11用l_c2表示，其在探头上投影面积12用A_c2表示。

如图3B所示，一个薄片形探头20，当一个带电颗粒物在位置14时，其与探头中心距离15用l_b1表示，其在探头上投影面积16用A_b1表示；当带电颗粒物飞行到位置14时，其与探头中心距离17用l_b2表示，其在探头上投影面积18可用A_b2表示。在颗粒物与探头相对位置相同的情况下，l_c1到l_c2的变化和l_b1到l_b2的变化是类似的，而A_b1到A_b2的变化远比A_c1到A_c2的变化明显，这就造成了薄片探头20所产生的信号22要比普通圆柱形探头19所产生的信号21要更加尖锐，从而更利于交相关计算。

实施例：一种颗粒物电荷感应高频信号交相关算法的实现方案。

在DSP、FPGA或其他计算设备中，从第一交流信号测量电路5、第二交流信号测量电路6收集不小于500个点的数据作为一个样本，样本中有两个通道，各有N个数据点，对两个通道的数据进行交相关运算得到有N个数据点的交相关系数，在从第0个到第N/2个交相关系数中查找最大相关系数，其位置为n，结合所述的测量电路5、6的采样频率计算湍流特征信号经过第二探头2、第三探头3的时间延迟：

τ＝n/f_s

其中：fs为所述测量电路5和6的采样频率。

然后，根据第二探头2、第三探头3之间的距离计算湍流特征漩涡的流速：

v_T＝L/τ

其中：L为第二探头2、第三探头3之间的距离。

在相对稳定的流场中，湍流特征漩涡的移动速度可以当作气体整体流速v：

v＝v_T

从而计算出管道中气体流速v。

本发明的第三个要点是将作为涡流发生体的圆柱状金属的第一探头1接入为直流信号优化的电路，将其产生的直流信号作为颗粒物流量/浓度计算的一个输入值。先前中国专利ZL200910081022.4揭示了一种直流信号和交流信号同时优化的电路，但是这种电路需要放大器逐级匹配来消除偏差，生产过程中需要对电子元件进行手工筛选，造成成本升高，为本类设备的推广造成了困难。

衡量颗粒物电荷感应测量电路有三个指标：放大倍数、带宽和偏差/漂移。为了控制成本，对其中两个指标进行优化是切实可行的。例如，在本发明中，图1中直流信号测量电路4优化了放大倍数和偏差/漂移指标而放弃了带宽指标，其低通截至频率为1～16Hz，但偏差/漂移控制在1pA左右。图1中所示的第一交流信号测量电路5、第二交流信号测量电路6优化了放大倍数和带宽指标而放弃了偏差/漂移指标，其低通截至频率为4kHz～16KHz。

实施例：一种颗粒物电荷感应电路的设计，包括：

1)一个对直流信号优化的直流信号测量电路4，该测量电路4的输入端与金属圆柱形的第一探头1相连，该测量电路4包括模拟信号预处理和模数转换两部分(图1未示)，模拟信号预处理部分需要过滤掉4～16Hz以上的噪音，并且利用仪器放大器和斩波消除偏差/漂移，满足直流电流信号精度为1pA的要求。模数转换部分采样频率为1～16Hz；

2)两个相同的，对交流信号优化的第一交流信号测量电路5、第二交流信号测量电路6，其输入端分别与第二探头2、第三探头3相连，测量电路包括模拟信号预处理和模数转换部分，模拟信号预处理部分需要对信号进行4～8个数量级的放大，并且过滤掉1～16KHz以上的噪音，模数转换部分的采样频率为4～64KHz，具体采样频率由流速测量的精度要求、两个薄片探头的距离和实际气流流速范围而定。

本发明的第四个要点是综合利用交流信号和直流信号之间的关系检测探头污染和电磁干扰。颗粒物电荷感应的直流信号与交流信号一个物理现象的两个方面，正常的粉尘流动造成的直流信号与交流信号的强度有相应的关系。实验和现场数据表明，直流信号与交流信号的强度相差都在一到两个数量级之内。在实际应用中，探头污染的原电池效应是造成直流信号的探头和电路出现误差的主要原因；而空间或线路中(包括电源和输出、通讯线路)的电磁干扰是造成交流信号的探头和电路误差主要原因。

在本发明中，在信号采集到计算系统(包含计算模块B，可以是DSP或FPGA等)之后，对直流、交流信号的相对强度做出初步判断，如果两个信号之比大于两个数量级(100倍)则说明探头的安装或使用出现了问题：如果直流信号过大(I_DC＞100·I_AC)，则说明探头受到了污染，探头导体和接地点之间发生了原电池效应，探头需要及时维护。信号中如果交流信号值过大(I_AC＞100·I_DC)，则说明探头或电子电路安装不当或受到了干扰，需要额外的电磁屏蔽或电气隔离。在两种情况下，依据本发明所制造的设备都会发出相应的告警。

本发明利用对直流信号优化的和对交流信号优化的两套采样系统，相互印证对比，使设备的诊断维护更加容易，从而达到稳定可靠运行的目的。

实施例：一种检测探头污染和安装位置电磁干扰的方法。

在信号采集到计算系统(DSP或FPGA等)之后，对直流、交流信号的相对强度做出初步比较，如果直流信号超过交流信号大约两个数量级(比如I_DC＞100·I_AC)，则判断探头受到了污染，探头导体和接地点之间发生了原电池效应，探头需要及时维护；信号如果交流信号超过直流信号大约两个数量级(比如I_AC＞100·I_DC)，则判断探头或电子电路受到了干扰，需要额外的电磁屏蔽或电气隔离。在两种情况下，依据本发明所制造的设备都会发出相应的报警。

本发明的第五个要点是经过数据处理和整合，得到准确的颗粒物流速、流量和浓度测量结果。

在已知第二探头2和第三探头3间距的情况下，对于通常的流速范围，为了保证高流速下流速测量的精度，采样频率要大于10KHz；同时，为了保证交相关计算的可信度，进行交相关计算的样本里需要大于500个的数据点，这就对计算模块B或计算设备(如DSP或FPGA)的计算能力和算法实现有一定的要求。对两个通道的数据进行交相关运算得到有N个数据点的交相关系数，在从第0个到第N/2个交相关系数中查找最大相关系数，其位置为n，结合第一交流信号测量电路5和第二交流信号测量电路6的采样频率计算湍流特征信号经过第二探头2和第三探头3的时间延迟：

τ＝n/f_s

其中：fs为第一交流信号测量电路5、第二交流信号测量电路6的采样频率。

然后，根据第二探头2和第三探头3之间的距离计算湍流特征漩涡的流速：

v_T＝L/τ

其中：L为第二探头2和第三探头3之间的距离,

在相对稳定的流场中，湍流特征漩涡的移动速度可以当作气体整体流速v：

v＝v_T

从而计算出管道中气体流速v。

在不同的应用条件下，以直流信号作为计算基准或以交流信号作为计算基准有各自的优势。本发明中，一种实现方案是，提供用户界面，让用户或现场技术服务人员利用选择电路根据现场条件进行选择，然后经由计算模块B利用以上所得的气体流速对直流信号测量电路4所得的直流信号，或对第一交流信号测量电路5、第二交流信号测量电路6所得的交流信号进行修正，修正后的信号为：

I^l＝I/v^b

其中：v是气体流速；b是修正指数，其具体值依据实验结果确定，对于直流信号，b在1.5到3.0的范围内，对于交流信号，b在0.25到0.75的范围内。

在不同的应用条件下，颗粒物流量与信号之间可以表现出线性函数或幂函数的关系。本发明根据修正后信号对颗粒物的质量流量进行标定，标定可以选择线性函数或幂函数：

F＝A·I^l+B或F＝A·I^lB

其中：系数或指数A和B要通过对现场采样的数据回归来确定。

最后，根据质量流量、流速和管道截面积来计算颗粒物浓度C：

C-F/(A·v)

其中：A为管道截面积。

这样，在实现本发明的一种计算设备中就得到了颗粒物流速、流量和浓度的测量结果。

实施例：一种颗粒物电荷感应直流信号、交流信号处理和数据整合算法的设计方案，包括：

步骤1：根据以上所得的气体流速对测量电路4所得的直流信号，或测量电路5、6所得的交流信号进行修正，修正后信号：

I^l＝I/v^b

其中：v是气体流速；b是修正指数，其具体值依据实验结果确定，对于直流信号，b在1.5到3.0的范围内，对于交流信号，b在0.25到0.75的范围内。

步骤2：根据修正后信号对颗粒物的质量流量进行标定，标定可以选择线性函数或幂函数：

F＝A·I^l+B或F＝A·I^lB

其中：系数或指数A和B要通过对现场采样的数据回归来确定。

步骤3：根据质量流量、流速和管道截面积来计算颗粒物浓度：

C＝F/(A·v)

其中：A为管道截面积。

本发明由于在交相关双探头之前安装了涡流发生体(即第一探头1)，使利用电荷感应信号交相关算法测量流速成为了可能，从而消除了气体流速变化对电荷感应颗粒物测量仪器的影响；使用独立的、优化的直流信号和交流信号采样系统使颗粒物浓度、流量的测量结果更加稳定可靠，并将此类电荷感应颗粒物测量仪器的应用领域拓展到流速变化大、对定量测量结果要求高的场合。在含尘气体流速、流量测量领域，本发明也提供了一种比传统的皮托管流量计更易于维护、比传统的孔板流量计更低能耗的气体流速、流量测量方法。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种自适应流速变化的电荷感应在线粉尘检测装置，其特征在于，包括信号测量模块和计算模块；其中：所述信号测量模块包括若干金属探头及与所述金属探头相连的直流信号测量电路和交流信号测量电路，用于采集粉尘流动时产生的直流信号和交流信号，并将所述直流信号和交流信号传送至所述计算模块；所述计算模块，用于对所述直流信号和交流信号进行选择，以及对多路交流信号进行交相关运算，并根据选择结果与交相关运算的结果对信号进行补偿，再经校准后输出。

2.如权利要求1所述的自适应流速变化的电荷感应在线粉尘检测装置，其特征在于，所述金属探头包括第一探头、第二探头和第三探头；所述第一探头与直流信号测量电路相连，所述第二探头和第三探头则分别与所述第一交流信号测量电路和第二交流信号测量电路相连。

3.如权利要求2所述的自适应流速变化的电荷感应在线粉尘检测装置，其特征在于，所述第一探头为圆柱体，其直径为D，置于被测气流上游用于产生卡门涡街效应；第二探头和第三探头为几何尺寸相同的薄片形，置于第一探头的下游；所述第二探头、第三探头的前端与所述第一探头平齐，其有效长度为10D～15D；第一探头与第二探头之间的距离为7.5D～15D，第二探头与第三探头之间的距离为1.5D～4D。

4.如权利要求1所述的自适应流速变化的电荷感应在线粉尘检测装置，其特征在于，所述信号测量模块的直流信号测量电路与第一探头相连，该直流信号测量电路包括模拟信号预处理部分和模数转换部分；所述模拟信号预处理部分用于滤除4～16Hz以上的噪音，并利用仪器放大器和斩波消除偏差/漂移，使直流信号的精度达到1pA；所述模数转换部分的采样频率为1～16Hz；以及，

所述信号测量模块的交流信号测量电路，包括：与第二探头相连的第一交流信号测量电路，与第三探头相连的第二交流信号测量电路；所述第一、第二交流信号测量电路，均包括模拟信号预处理部分和模数转换部分；所述模拟信号预处理部分用于对信号进行4～8个数量级的放大，并滤除1～16Hz以上的噪音；所述模数转换部分的采样频率为4～64KHz。

5.如权利要求1所述的自适应流速变化的电荷感应在线粉尘检测装置，其特征在于，所述计算模块包括选择电路、交相关处理子模块、信号补偿子模块以及校准子模块；其中：

选择电路，用于根据需要在直流信号和对交流信号的采集电路之间进行选择；

交相关处理子模块，用于对第二探头、第三探头所采集到的第一交流信号和第二交流信号进行交相关运算；

信号补偿子模块，用于根据选择电路的选择结果以及交相关运算的结果对信号进行补偿；以及，

校准子模块，用于对计算模块的输出结果进行修正。

6.如权利要求5所述的自适应流速变化的电荷感应在线粉尘检测装置，其特征在于，所述计算模块还用于对所述直流信号、交流信号的相对强度进行比较：

若所述直流信号、交流信号之比大于两个数量级则表明探头的安装或使用出现了问题，具体为：如果直流信号过大则说明探头受到污染，探头导体和接地点之间发生了原电池效应，探头需要及时维护；如果交流信号值过大，则说明探头或电子电路安装不当或受到了干扰，需要额外的电磁屏蔽或电气隔离。

7.如权利要求5所述的自适应流速变化的电荷感应在线粉尘检测装置，其特征在于，所述计算模块的交相关处理子模块，为DSP、FPGA或其他计算设备。

8.一种自适应流速变化的电荷感应在线粉尘检测方法，其特征在于，包括：

A、对粉尘颗粒物电荷感应高频信号进行交相关运算的步骤；

B、对粉尘颗粒物电荷感应直流信号、交流信号进行处理以及对数据进行整合的步骤。

9.如权利要求8所述的自适应流速变化的电荷感应在线粉尘检测方法，其特征在于，步骤A包括：

对第一交流信号测量电路、第二交流信号测量电路产生的信号数据进行交相关运算得到N个数据点的交相关系数，在从第0个到第N/2个交相关系数中查找最大相关系数，其位置为n，结合第一交流信号测量电路和第二交流信号测量电路的采样频率计算湍流特征信号，经第二探头和第三探头的延迟，利用第二探头和第三探头之间的距离计算湍流特征涡旋地流速；在相对稳定的流场中，湍流特征涡旋的移动速度即为气体整体流速，从而得到管道中的气体流速。

10.如权利要求8所述的自适应流速变化的电荷感应在线粉尘检测方法，其特征在于，步骤B包括：

B1、利用选择电路根据现场条件进行选择，然后经由计算模块利用得到的气体流速对直流信号测量电路所得的直流信号，或对第一交流信号测量电路、第二交流信号测量电路所得的交流信号进行修正；

B2、根据修正后信号对粉尘颗粒物的质量流量进行标定的步骤；

B3、最后根据质量流量、流速和管道截面积计算粉尘颗粒物浓度。