CN106644865B - 一种粉尘浓度标定系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种粉尘浓度标定系统，该系统包括粉尘添加模块、标定浓度块制造模块、粉尘浓度标定测量模块和标定数据处理模块，粉尘添加模块包括位于上端的粉尘储存仓和粉尘输送管道，在粉尘输送管道上设有电磁阀，标定浓度块制造模块包括位于下端的扇形称重仪和标定透明器，粉尘浓度标定测量模块置于标定透明器的两侧，由线激光器、光电探测器、滑台等组成。本发明采用光学透射法对大范围内的粉尘浓度进行标定，提高系统灵敏度，使标定结果更加准确，此外，装置本身实现了全自动化，无需人为称重，节约人力物力。
Description
技术领域
本发明涉及标定系统，特别地涉及一种针对粉尘浓度的标定系统。
背景技术
现如今，国内外所采用的粉尘浓度检测系统的测量结果因粉尘颗粒自身的特性受到了很大的影响。在对粉尘浓度进行测量时，为了使测量结果达到准确性和精确性的要求，就必须要对粉尘浓度进行标定。目前，针对粉尘浓度标定与测量而言，以往最常见的方法是手工称重标定法，具体步骤是：粉尘颗粒经过滤膜后，被截留在滤膜上，对滤膜上的粉尘进行称重，并与测量环境体积进行运算，便可得到标定数据，目前用这种方法经标准操作所获得的标定数据是最为精确的。但是采用这种手工称重标定法，操作费时费力，且操作要求极高，很难达到人们对测量结果的理想要求。
目前，光电探测法中的光透射法具有实用、简单和不干扰测量场的优点，因而在粉尘浓度测量中被广泛采用，这种方法的具体步骤是：利用经过粉尘作用后的入射光与出射光的差值，即光衰减量以从另一方面反映粉尘浓度，包括建立粉尘浓度与光信号之间的关系，从而获取粉尘浓度标定值。尽管这种方法避免了通过手动操作进行粉尘颗粒重量的测量，但存在着由于激光光源的限制，测量粉尘空间范围小，测量结果误差大，对等问题。因此，对于现有技术无法准确检测低粉尘浓度环境、无法获知粉尘在空间范围的分布情况以及空间范围较大的粉尘环境，粉尘浓度标定过程中难以获取精确标定数据的问题，尚未存在全自动的粉尘浓度标定装置能够实现粉尘浓度标定装置大范围精确测量。
发明内容
针对现有技术存在的上述缺陷，本发明要解决的技术问题是提供一种实现大范围高精度测量和标定的粉尘浓度标定系统。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种粉尘浓度标定系统，其包括粉尘添加模块、标定浓度块制造模块、粉尘浓度标定测量模块和标定数据处理模块，其中，粉尘添加模块与标定浓度块制造模块相连接，粉尘添加模块包括位于上端的粉尘储存仓和粉尘输送管道，粉尘储存仓的下部与粉尘输送管道相连接，在粉尘输送管道上设有电磁阀，电磁阀通过标定数据处理模块控制，其用于控制将预定量的粉尘颗粒输送到标定浓度块制造模块中，标定数据处理模块包括计算机，标定浓度块制造模块位于粉尘添加模块的下方，其包括位于下端的扇形称重仪和标定透明器。
作为优选，扇形称重仪包括称重盘、计重传感器和拨尘片，计重传感器布置在称重盘的底部并与标定数据处理模块相连接，拨尘片置于称重盘的上表面上。
作为优选，在称重盘下方还设有电机，电机的输出轴与扇叶支撑轴连接，扇叶支撑轴与拨尘片相连接，标定数据处理模块通过控制电机的转速，从而通过扇叶支撑轴驱动拨尘片转动。
作为优选，标定透明器位于扇形称重仪的下方，标定透明器内含一定量的水，在标定透明器的上部设有进尘口，进尘口与称重盘的出口相连通。
作为优选，在标定透明器上还设有超声搅拌仪，超声搅拌仪与标定数据处理模块相连接，标定数据处理模块能够控制超声搅拌仪在粉尘颗粒进入标定透明器后与水之间进行短时间的均匀搅拌操作。
作为优选，粉尘浓度标定测量模块包括光源发射模块和光电接收模块，其中，光源发射模块位于标定透明器的一侧，光电接收模块位于标定浓度块制造模块的另一侧并与光源发射模块相对，光源发射模块和光电接收模块均包括滑台，在滑台上设置有升降台，滑台的顶部安装有步进电机，其中，在光源发射模块中，在滑台的升降台上固定有线激光器，在步进电机的作用下线激光器随着升降台上下移动，在光电接收模块中，在滑台的升降台上固定有光电探测器和菲涅尔透镜，在步进电机的作用下光电探测器和菲涅尔透镜随着升降台上下移动。
作为优选，菲涅尔透镜位于标定浓度块制造模块和光电探测器之间，光电探测器位于菲涅尔透镜的焦点处。
作为优选，粉尘浓度标定测量模块的线激光器和光电探测器光学对准，在计算机的控制下同步升降。
作为优选，扇形称重仪的外表面采用聚四氟乙烯涂层。
本发明还提供一种粉尘浓度标定方法，其采用粉尘浓度标定系统对粉尘颗粒浓度进行标定，包括以下步骤：
(1)将粉尘浓度标定系统放置于平坦光滑的平台上，调节使称重盘的平面水平，使光源发射模块和光电接收模块放置于同一水平面，光电探测器至于菲涅尔透镜焦点处，通过计算机控制将线激光器与光电探测器进行校准。
(2)开启标定数据处理模块并打开光源发射模块及光电探测模块，待各部件处于稳定状态后开始工作；
(3)在无粉尘环境下进行测量和标定，线激光器发出的光入射进无粉尘的浓度标定块的标定透明器中，经菲涅尔透镜将透射出的光在光电探测装置上汇聚为一点，利用信号处理放大电路，将所获取的电信号传入计算机。在粉尘浓度为0时，将电信号的值记为V0；
(4)计算机控制电磁阀，使粉尘颗粒在粉尘储存仓中经粉尘输送管道输送至扇形称重仪上，当计重传感器上的数值达到某一预先设定的值m时，计算机控制电磁阀关闭，质量为m的粉尘颗粒布置在称重盘上，计算机控制电机转动，使拨尘片将扇形称重仪上质量为m的粉尘颗粒从进尘口加入到标定浓度块制造模块中；
(5)计重传感器把剩余的粉尘颗粒进行称重，然后传输给计算机，若称得质量不为0，将其记为m1，则添加至标定浓度块制造模块中的粉尘颗粒质量为m-m1；若称得重量为0，说明添加至标定浓度块制造模块的粉尘质量为m-m1，其中m1为0；
(6)利用计算机控制超声搅拌仪搅拌待测量的含尘液体，搅拌均匀后停止；在标定透明器一侧自下而上依次选取间距相等的N个测试点，通过计算机控制线激光器在预定的N个测试点分别测量。检测入射光经过标定浓度块制造模块后的透射光电信号幅值，并将其传输给计算机计算其平均值，记为V1。记录在粉尘质量为m-m1时，所获取的光信号为V1；
(7)建立粉尘浓度与电压值的关系，包括粉尘标定浓度块的体积为一恒定的值v，在添加了质量为m-m1的粉尘后，粉尘浓度标定块的浓度为所对应的光信号衰减量为V0-V1；
(8)重复步骤4及步骤6.记录在粉尘质量为m-m1+m-m2，即2m-m1-m2时，所对应的光信号平均值为V2，建立粉尘浓度与电压值的关系，在粉尘浓度标定块浓度为时，所对应的光衰减量为V0-V2；
(9)重复以上步骤，获取粉尘浓度与电信号之间的对应关系，通过计算机建立表格，形成粉尘浓度标定数据表，完成标定工作。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明的标定装置采用了扇形称重仪，两次称重，使粉尘浓度块的制作更加精准，同时引入的升降台，可以对大范围内的粉尘浓度进行标定，通过多次测量其不同高度下的粉尘浓度值求平均值，获取更精准的标定数据。粉尘的分布与粒径对对标定结果影响小，通过采用线激光器后使光受到更多粉尘颗粒作用，光衰减明显，大大提高系统灵敏度，使标定结果更加准确。本发明除了能够让测量结果更为精确外，装置本身实现了全自动化，相较于传统的粉尘浓度标定方法，无需人为称重，节约人力物力。
附图说明
图1为本发明的粉尘浓度标定系统的结构示意图；
图2为本发明的粉尘浓度标定系统中粉尘添加的示意图；
图3为本发明的粉尘浓度标定系统中标定过程的示意图。
其中：1、粉尘储存仓；2、粉尘输送管道；3、电磁阀；4、扇叶支承轴；5、称重盘；6、计重传感器；7、电机；8、拨尘片；9、滑台；10、步进电机；11、升降台；12、线激光器；13、光电探测器；14、菲涅尔透镜；15、进尘口；16、超声搅拌仪；17、标定透明器；18、计算机。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。
本实施例涉及一种粉尘浓度标定系统，其采用光学测量标定方法并且以水为载体，具体包括粉尘添加模块、标定浓度块制造模块、粉尘浓度标定测量模块和标定数据处理模块，如图1所示，其中，粉尘添加模块与标定浓度块制造模块相连接，粉尘添加模块包括位于上端的粉尘储存仓1和粉尘输送管道2，粉尘储存仓1配置地用于存放待测粉尘颗粒，粉尘储存仓1的下部与粉尘输送管道2相连接，在粉尘输送管道2上设有电磁阀3，粉尘储存仓1中的待测粉尘颗粒通过粉尘输送管道2输送到标定浓度块制造模块中，电磁阀3通过标定数据处理模块控制，其用于控制将预定量的粉尘颗粒输送到标定浓度块制造模块中，标定数据处理模块，其实现对整个标定系统的控制以及对标定数据的处理，具体地，该标定数据处理模块包括计算机18和信号处理放大电路。
如图2所示，标定浓度块制造模块位于粉尘添加模块的下方，其包括位于下端的扇形称重仪和标定透明器17，从粉尘添加模块中输出的待测粉尘颗粒被输送到扇形称重仪上测量重量，扇形称重仪所承受的粉尘颗粒重量通过标定数据处理模块显示。其中，扇形称重仪包括称重盘5、计重传感器6和拨尘片8，计重传感器6布置在称重盘5的底部并与标定数据处理模块相连接，拨尘片8置于称重盘5的上表面上，在称重盘5下方中部还设有电机7，电机7的输出轴与扇叶支撑轴4连接，扇叶支撑轴4与拨尘片8相连接，标定数据处理模块通过控制电机7的转速，从而通过扇叶支撑轴4驱动拨尘片8转动。此外，扇形称重仪的外表面，包括拨尘片8等与粉尘颗粒直接接触的装置的外表面采用聚四氟乙烯涂层，这样可以达到不沾粘粉尘的效果。
标定透明器17位于扇形称重仪的下方，其由透光性强的超白玻璃制成，标定透明器17内含一定量的水，在标定透明器17的上部设有进尘口15，该进尘口15与扇形称重仪中称重盘5上的出口相连通，称重盘5上的拨尘片8将粉尘颗粒拨动到出口处并通过进尘口15输送到标定透明器17中，在标定透明器17上还设有超声搅拌仪16，超声搅拌仪16与标定数据处理模块相连接，标定数据处理模块能够控制超声搅拌仪16在粉尘颗粒进入标定透明器17后与水之间进行短时间的均匀搅拌操作，从而以水为载体，利用超声搅拌作用，模拟粉尘颗粒悬浮在空气中均匀分布的状态，使得粉尘颗粒置于标定透明器17的水中进行标定操作，既能实现粉尘颗粒在水中的均匀分布，而且操作安全卫生。此外，由于在水中和在空气中的光学现象均为线性关系，并且两种介质在发生物理变化时，如大气的流动、水面的波动等现象时，不会引入非线性误差。
如图3所示，粉尘浓度标定测量模块包括光源发射模块和光电接收模块，其中，光源发射模块位于标定浓度块制造模块的一侧，光电接收模块位于标定浓度块制造模块的另一侧并与光源发射模块相对，光源发射模块和光电接收模块均包括滑台9，在滑台9上设置有升降台，滑台9的顶部安装有步进电机10，其中，在光源发射模块中，在滑台9的升降台11上固定有线激光器12，在步进电机10的作用下线激光器12可以随着升降台11上下移动，线激光器发出的线形激光入射进标定透明器17中的待测区域，大大增加入射进粉尘标定区域的入射光面，使得更多粉尘颗粒与入射光发生相互作用,提高了整体标定系统的灵敏度。
在光电接收模块中，在滑台9的升降台11上固定有光电探测器13和菲涅尔透镜14，在步进电机10的作用下光电探测器13和菲涅尔透镜14可以随着升降台11上下移动，菲涅尔透镜14位于标定浓度块制造模块和光电探测器13之间，同时光电探测器13位于菲涅尔透镜14的焦点处，从标定透明器17射出的透射光的光传播方向不变，能量较为分散，这样，入射到标定透明器17中并经过粉尘作用的透射光经过菲涅尔透镜14后实现汇聚，能量被聚集起来，最终被光电探测器13接收并进行光电转换。
在实际标定过程中，线激光器12与光电探测器13在测量过程中需要进行光学对准，通过计算机18分别控制位于滑台9上的线激光器12以及光电探测器13等速同步移动，当线激光器12移动至待测位置时控制线激光器12所在的升降台11停止移动并控制线激光器12开始工作，此时光电探测器13所在升降台11在激光细线附近小幅移动，并不断读取光电探测器13检测到的光电信号幅值，当检测到光电信号幅值最大时控制光电探测器13所在的升降台11停止，并将该信号幅值采集到计算机18上进行后续的数据处理。
采用上述标定系统，本发明能够对粉尘浓度进行标定测量，具体方法的步骤如下：
1、将粉尘浓度标定系统放置于平坦光滑的平台上，调节使称重盘5的平面水平，使光源发射模块和光电接收模块放置于同一水平面，光电探测器13至于菲涅尔透镜14焦点处，通过计算机控制将线激光器12与光电探测器13进行校准。；
2、开启标定数据处理模块中的程序并打开光源发射器与光电探测装置，待各部件处于稳定状态后开始工作；
3、在无粉尘环境下进行测量和标定，线激光器12发出的光入射进无粉尘的浓度标定块的标定透明器17中，经菲涅尔透镜将透射出的光在光电探测装置上汇聚为一点，利用信号处理放大电路，将所获取的电信号传入计算机18。在粉尘浓度为0时，将获取的电信号的值记录为V0；
4、计算机18控制电磁阀3，使粉尘颗粒在粉尘储存仓1中经粉尘输送管道2输送至扇形称重仪上，当与计重传感器6上的数值达到某一预先设定的值m时，计算机18控制电磁阀3关闭，质量为m的粉尘颗粒布置在称重盘5上，计算机18控制电机7转动，使拨尘片8将扇形称重仪5上质量为m的粉尘颗粒从进尘口15加入到标定浓度块制造模块中；
5、为了标定数据的精确，计重传感器6把剩余的例如可能粘附在拨尘片8上的粉尘颗粒进行称重，然后传输给计算机18，若称得质量不为0，将其记为m1，则添加至标定浓度块制造模块中的粉尘颗粒质量为m-m1；若称得重量为0，说明添加至标定浓度块制造模块的粉尘质量为m-m1，其中m1为0；
7、利用计算机18控制超声搅拌仪16搅拌待测量的含尘液体，搅拌均匀后停止；在标定透明器17一侧自下而上依次选取间距相等的N个测试点，通过计算机18控制线激光器12在预定的N个测试点分别测量。检测入射光经过标定浓度块制造模块后的透射光电信号幅值，并将其传输给计算机18计算其平均值，记为V1。记录在粉尘质量为m-m1时，所获取的光信号为V1；
8、建立粉尘浓度与电压值的关系，包括粉尘标定浓度块的体积为一恒定的值v，在添加了质量为m-m1的粉尘后，粉尘浓度标定块的浓度为所对应的光信号衰减量为V0-V1；
9、重复步骤4及步骤6.记录在粉尘质量为m-m1+m-m2，即2m-m1-m2时，所对应的光信号为V2，建立粉尘浓度与电压值的关系，在粉尘浓度标定块浓度为时，所对应的光衰减量为V0-V2；
10、重复以上步骤，获取大量粉尘浓度与电信号之间的对应关系，通过计算机建立表格，形成粉尘浓度标定数据表，利用透射法进行粉尘浓度测量，可根据电信号与粉尘浓度值之间的关系将测量系统所测得电信号直接换算为具体的粉尘浓度值。
当然，以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种粉尘浓度标定系统，其包括粉尘添加模块、标定浓度块制造模块、粉尘浓度标定测量模块和标定数据处理模块，其中，所述粉尘添加模块与所述标定浓度块制造模块相连接，所述粉尘添加模块包括位于上端的粉尘储存仓(1)和粉尘输送管道(2)，所述粉尘储存仓(1)的下部与所述粉尘输送管道(2)相连接，在所述粉尘输送管道(2)上设有电磁阀(3)，所述标定数据处理模块包括计算机(18)，所述标定浓度块制造模块位于所述粉尘添加模块的下方，其包括位于下端的扇形称重仪和标定透明器(17)，所述粉尘浓度标定测量模块位于标定透明器(17)的两侧，包括线激光器(12)、光电探测器(13)、菲涅尔透镜(14)、滑台(9)、步进电机(10)和升降台(11)，其中，所述粉尘浓度标定测量模块包括光源发射模块和光电接收模块，所述光源发射模块位于所述标定透明器(17)的一侧，所述光电接收模块位于所述标定浓度块制造模块的另一侧并与所述光源发射模块相对，所述光源发射模块和所述光电接收模块均包括滑台(9)，在所述滑台(9)上设置有升降台(11)，所述滑台(9)的顶部安装有步进电机(10)，其中，在所述光源发射模块中，在所述滑台(9)的所述升降台(11)上固定有线激光器(12)，在所述步进电机(10)的作用下线激光器(12)随着升降台(11)上下移动，在所述光电接收模块中，在所述滑台(9)的所述升降台(11)上固定有光电探测器(13)和菲涅尔透镜(14)，在所述步进电机(10)的作用下所述光电探测器(13)和所述菲涅尔透镜(14)随着所述升降台(11)上下移动。
2.根据权利要求1所述的粉尘浓度标定系统，其特征在于，所述扇形称重仪包括称重盘(5)、计重传感器(6)和拨尘片(8)，所述计重传感器(6)布置在所述称重盘(5)的底部并与所述标定数据处理模块相连接，所述拨尘片(8)置于所述称重盘(5)的上表面上。
3.根据权利要求2所述的粉尘浓度标定系统，其特征在于，在所述称重盘(5)下方还设有电机(7)，所述电机(7)的输出轴与扇叶支撑轴(4)连接，所述扇叶支撑轴(4)与所述拨尘片(8)相连接，所述标定数据处理模块通过控制所述电机(7)的转速，从而通过所述扇叶支撑轴(4)驱动所述拨尘片(8)转动。
4.根据权利要求3所述的粉尘浓度标定系统，其特征在于，所述标定透明器(17)位于所述扇形称重仪的下方，所述标定透明器(17)内含一定量的水，在所述标定透明器(17)的上部设有进尘口(15)，所述进尘口(15)与所述称重盘(5)的出口相连通。
5.根据权利要求4所述的粉尘浓度标定系统，其特征在于，在所述标定透明器(17)上还设有超声搅拌仪(16)，所述超声搅拌仪(16)与所述标定数据处理模块相连接，所述标定数据处理模块能够控制所述超声搅拌仪(16)在粉尘颗粒进入所述标定透明器(17)后与水之间进行短时间的均匀搅拌操作。
6.根据权利要求5所述的粉尘浓度标定系统，其特征在于，所述菲涅尔透镜(14)位于所述标定浓度块制造模块和所述光电探测器(13)之间，所述光电探测器(13)位于菲涅尔透镜(14)的焦点处。
7.根据权利要求6所述的粉尘浓度标定系统，其特征在于，所述粉尘浓度标定测量模块的所述线激光器(12)和所述光电探测器(13)光学对准，在所述计算机(18)的控制下同步升降。
8.根据权利要求7所述的粉尘浓度标定系统，其特征在于，所述扇形称重仪的称重盘(5)的外表面采用聚四氟乙烯涂层。
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