CN107132166A - 一种直插式粉尘浓度测量仪及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种直插式粉尘浓度测量仪及测量方法，包括金属探针、金属探针固定件、信号处理单元、设于信号处理单元外部的壳体和用于供电的电源模块；所述金属探针固定件包括绝缘套和连接件，所述绝缘套的一端与金属探针相连，其另一端与连接件相连，所述连接件用于将金属探针固定在待检测区域；所述信号处理单元设于待检测区域外部，其包括顺次相连的滤波器、差分放大器、A/D转换芯片和单片机芯片；所述滤波器的输入端与金属探针相连。本发明根据静电感应测量原理，通过测量各种粉尘在悬浮状态产生的静电感应电荷量的大小，计算出粉尘浓度，防止粉尘爆炸，不但缩短响应时间、减小示值误差，而且造价低廉，利于设备普及。
Description
技术领域
本发明属于粉尘浓度检测领域，具体涉及一种直插式粉尘浓度测量仪及测量方法。
背景技术
随着国内的环境保护法日益完善，已经形成了一个总体要求：监测粉尘颗粒物浓度，并保障尾气的颗粒物浓度低于最高执行水平。
粉尘浓度仪可以用来监测环境中的粉尘浓度，是预防粉尘爆炸事故的有效手段。随着现代工业的迅速发展，安全生产监测监控系统的不断完善和提高，粉尘防爆意识的不断增强，传统的管道粉尘仪在准确度、稳定性和可靠性等方面已经不能满足要求。
粉尘浓度仪根据测量原理，一般分为β射线法、光散射法、光透射法及静电感应法，β射线法测量精度高，但β射线对人体有害且造价昂贵；光散射法及光透射法测量响应快，但易污染镜片，维护费用昂贵且稳定性低，易受水汽影响；静电感应法测量精度高、维护较少且响应快。
管道粉尘仪的气体取样一般为抽取式，此方法需要对气体进行预处理，并设置较长的管道气路，具有测量响应时间长、示值误差低、造价昂贵等缺点，不利于设备普及。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种直插式粉尘浓度测量仪及测量方法，根据静电感应测量原理，通过测量各种粉尘在悬浮状态产生的静电感应电荷量的大小，计算出粉尘浓度，防止粉尘爆炸，不但缩短响应时间、减小示值误差，而且造价低廉，利于设备普及。
实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
一种直插式粉尘浓度测量仪，包括金属探针、金属探针固定件、信号处理单元、设于信号处理单元外部的壳体和用于供电的电源模块；
所述金属探针固定件包括绝缘套和连接件，所述绝缘套的一端与金属探针相连，其另一端与连接件相连，所述连接件用于将金属探针固定在待检测区域；
所述信号处理单元设于待检测区域外部，其包括顺次相连的滤波器、差分放大器、A/D转换芯片和单片机芯片；所述滤波器的输入端与金属探针相连。
进一步地，所述金属探针的延伸方向与待检测的烟气的流动方向垂直。
进一步地，当待检测区域为圆管式结构时，金属探针的长度大于其半径且小于其直径。
进一步地，所述的一种直插式粉尘浓度测量仪，还包括触控显示器、LED指示灯和按键，所述触控显示器的数据传输端与单片机芯片相连，所述LED指示灯的输入端与单片机芯片的输出端相连，所述按键与单片机芯片相连，用于输入参数。
进一步地，所述的一种直插式粉尘浓度测量仪，还包括与单片机芯片相连的RS-485接口和/或RS-232接口，用于与上位机连接；或者还包括与单片机芯片的4-20mA模拟量输出模块。
进一步地，所述绝缘套与金属探针之间为可拆卸连接，绝缘套与金属探针上对应位置均设有通孔，用于配合螺栓进行组装。
进一步地，所述绝缘套为聚二苯醚玻璃纤维管，厚度为10～12mm。
进一步地，所述金属感应探针与绝缘套之间的连接处设有第一密封圈，所述绝缘套与连接件之间的连接处设有第二密封圈。
进一步地，所述金属探针由不锈钢材料或者抗腐蚀材料制成；所述壳体由防护等级为IP68的铝合金材料制成。
进一步地，所述连接件为法兰盘。
一种直插式粉尘浓度测量仪的测量方法，包括以下步骤：
步骤一、将金属探针安装固定在待检测区域内，且金属探针的延伸方向与烟气的流向垂直，并与信号处理单元及供电单元相连；
步骤二、金属探针输出的感应电流I首先由信号处理单元中的滤波器进行滤波，然后经差分放大器去除共模噪声，再经A/D转换芯片将其转换为数字信号，最后传入单片机芯片，单片机芯片根据下述计算公式计算出烟道中粉尘的质量流量M，具体为：
其中，Ka是材料的性质常数，M是颗粒的质量流量，V是粒子速度，b粒子常数，d粒子直径，I为测量得到的感应电流，由于粒子速度及颗粒物的分布对感应电流影响小，对指示性系统无关紧要，将其视为常量，利用上面的公式计算出质量流量M，即为粉尘浓度。
本发明的有益效果：
本发明的直插式在线粉尘电荷浓度测量仪及测量方法，基于静电感应原理，利用金属感应探针与粉尘颗粒物的静电感应电荷量来测量粉尘颗粒物浓度，成本低，具有普及应用的良好前景；金属感应探针的测量是接触式的，灵敏度高且响应快，测量仪与烟气接触的部件都采用防护等级为IP68的铝合金材料制成，能够实现响应快、高精度、耐腐蚀、耐高温、低误差的直插式在线粉尘浓度测量；此外，本发明的粉尘浓度仪为插入式的安装方式，拆卸、维修及清洁保养操作简便，维护成本低。
附图说明
图1为本发明一种实施例的结构示意图；
图2为本发明一种实施例的原理示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
本发明基于静电感应原理，利用金属探针与不同浓度粉尘颗粒物的静电感应电荷量来测量颗粒物浓度，利用金属探针与待检测区域中游离状态颗粒物碰撞，使得金属探针摩擦带电，然后利用信号处理单元得到被测量粉尘颗粒物的静电感应电荷量，以得到测量颗粒物浓度，具体实施方案为：
如图1-2所示，一种直插式粉尘浓度测量仪，包括金属探针1、金属探针固定件、信号处理单元5、设于信号处理单元5外部的壳体和用于供电的电源模块6；
所述金属探针固定件包括绝缘套2和连接件3，所述绝缘套2的一端与金属探针1相连，其另一端与连接件3相连，所述的绝缘套2用于起到保护探针、绝缘电荷的功能，其与金属探针1同轴设置，所述连接件3用于将金属探针1固定在待检测区域，连接件3的延伸方向与金属探针1的延伸方向垂直；前述的连接件3可以采用法兰盘等具有固定功能的器件，用于将金属探针1固定在待检测区域7内，所述的待检测区域可以是烟道等；
所述信号处理单元5设于待检测区域外部(即位于烟道的外部)，其包括顺次相连的滤波器501、差分放大器502、A/D转换芯片503和单片机芯片504，所述滤波器501的输入端通过屏蔽线与金属探针1相连，金属探针1的输出信号首先由滤波器501进行滤波，然后经差分放大器502去除共模噪声，再经A/D转换芯片503将模拟信号转换为数字信号，最后传入单片机芯片504。
优选地，为了提高测量精度、灵敏度和响应速度，上述方案中的直插式在线粉尘电荷浓度测量仪在安装时，将金属探针1的延伸方向设置为与烟气的流动方向垂直，增大粉尘与金属探针1的接触；进一步地，当待检测区域为圆管式结构(比如烟道)时，将金属探针1沿着与烟气流向垂直的方向布置，且金属探针1的长度大于其半径且小于其直径。
进一步地，为了便于维护金属探针1，所述绝缘套2与金属探针1之间为可拆卸连接，绝缘套2与金属探针1上对应位置均设有通孔4，用于配合螺栓进行组装。
进一步地，所述绝缘套2为聚二苯醚玻璃纤维管，厚度为10～12mm。
进一步地，为了提高密封效果，防止烟气对信号处理单元5造成影响，从而影响到检测结构，所述金属感应探针与绝缘套2之间的连接处设有第一密封圈(图中未示出)，所述绝缘套2与连接件3之间的连接处设有第二密封圈(图中未示出)，以起到防水、防尘、保护内部部件的作用。
进一步地，为了实现响应快、高精度、耐腐蚀、耐高温、低误差的直插式在线粉尘浓度测量，所述金属探针1由不锈钢材料或者抗腐蚀材料制成；所述壳体由防护等级为IP68的铝合金材料制成。
下面对本发明的粉尘仪的测量方法进行简要介绍，正如前述，该粉尘仪的测量原理基于静电感应原理，由于烟道内的烟气一般是高温高速的，所以我们将其理想成形态、速度不变的热气团，根据感应电流即可计算得到流速。
该方法具体包括以下步骤：
(1)、将金属柱体探针安装固定在烟道内，且金属柱体探针的延伸方向与烟气的流向垂直，并与信号处理单元及供电单元相连；
(2)、信号处理单元根据金属柱体探针输出的感应电流I，结合下述计算公式计算出烟道中粉尘的质量流量M，具体为：
其中，Ka是材料的性质常数，M是颗粒的质量流量，V是粒子速度，b粒子常数，d粒子直径，I为测量得到的感应电流，由于粒子速度及颗粒物的分布对感应电流影响极小，对指示性系统无关紧要，将其视为常量，利用上面的函数计算出质量流量M，也就是粉尘浓度。
实施例二
基于实施例一，所述的一种直插式粉尘浓度测量仪，还包括触控显示器505、LED指示灯506和按键507；所述触控显示器505的数据传输端与单片机芯片504相连，信号处理单元5接受并处理来自金属探针1的信号，然后实时传输测量结果至触控显示器505进行实时显示；所述LED指示灯506的输入端与单片机芯片504的输出端相连，所述按键507与单片机芯片504相连，用于输入参数。
进一步地，所述的一种直插式粉尘浓度测量仪，还包括与单片机芯片相连的RS-485接口508和/或RS-232接口509，用于与上位机连接；或者还包括与单片机芯片504的4-20mA模拟量输出模块510。
上述方案用于将信号处理单元计算出来的烟道中粉尘的质量流量M进行显示或者传输到上位机中。
实施例三
一种直插式粉尘浓度测量仪的测量方法，包括以下步骤：
步骤一、将金属探针安装固定在待检测区域内，且金属探针的延伸方向与烟气的流向垂直，并与信号处理单元及供电单元相连；
步骤二、金属探针输出的感应电流I首先由信号处理单元中的滤波器进行滤波，然后经差分放大器去除共模噪声，再经A/D转换芯片将其转换为数字信号，最后传入单片机芯片，单片机芯片根据下述计算公式计算出烟道中粉尘的质量流量M，具体为：
其中，Ka是材料的性质常数，M是颗粒的质量流量，V是粒子速度，b粒子常数，d粒子直径，I为测量得到的感应电流，由于粒子速度及颗粒物的分布对感应电流影响小，对指示性系统无关紧要，将其视为常量，利用上面的公式计算出质量流量M，即为粉尘浓度。
本实施例中的直插式粉尘浓度测量仪的测量方法可以基于实施例一或者实施例二中的直插式粉尘浓度测量仪进行测量。
综上所述：
本发明的直插式粉尘浓度测量仪及测量方法，基于静电感应原理，利用金属感应探针与粉尘颗粒物的静电感应电荷量来测量粉尘颗粒物浓度，成本低，具有普及应用的良好前景；另外，本发明中的金属感应探针的测量是接触式的，灵敏度高且响应快，测量仪与烟气接触的部件都采用防护等级为IP68的铝合金材料制成，能够实现响应快、高精度、耐腐蚀、耐高温、低误差的直插式在线粉尘浓度测量；此外，本发明的粉尘浓度仪为插入式的安装方式，拆卸、维修及清洁保养操作简便，维护成本低。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (10)
1.一种直插式粉尘浓度测量仪，其特征在于：包括金属探针、金属探针固定件、信号处理单元、设于信号处理单元外部的壳体和用于供电的电源模块；
所述金属探针固定件包括绝缘套和连接件，所述绝缘套的一端与金属探针相连，其另一端与连接件相连；所述连接件用于将金属探针固定在待检测区域；
所述信号处理单元设于待检测区域外部，其包括顺次相连的滤波器、差分放大器、A/D转换芯片和单片机芯片；所述滤波器的输入端与金属探针相连。
2.根据权利要求1所述的一种直插式粉尘浓度测量仪，其特征在于：所述金属探针的延伸方向与待检测的烟气的流动方向垂直。
3.根据权利要求1所述的一种直插式粉尘浓度测量仪，其特征在于：当待检测区域为圆管式结构时，金属探针的长度大于其半径且小于其直径。
4.根据权利要求1所述的一种直插式粉尘浓度测量仪，其特征在于：还包括触控显示器、LED指示灯和按键，所述触控显示器的数据传输端与单片机芯片相连，所述LED指示灯的输入端与单片机芯片的输出端相连，所述按键与单片机芯片相连，用于输入参数。
5.根据权利要求1所述的一种直插式粉尘浓度测量仪，其特征在于：还包括与单片机芯片相连的RS-485接口和/或RS-232接口，用于与上位机连接；或者还包括与单片机芯片的4-20mA模拟量输出模块。
6.根据权利要求1所述的一种直插式粉尘浓度测量仪，其特征在于：所述绝缘套与金属探针之间为可拆卸连接，绝缘套与金属探针上对应位置处均设有通孔，用于配合螺栓进行组装。
7.根据权利要求1所述的一种直插式粉尘浓度测量仪，其特征在于：所述绝缘套为聚二苯醚玻璃纤维管，厚度为10～12mm。
8.根据权利要求1所述的一种直插式粉尘浓度测量仪，其特征在于：所述金属感应探针与绝缘套之间的连接处设有第一密封圈，所述绝缘套与连接件之间的连接处设有第二密封圈。
9.根据权利要求1所述的一种直插式粉尘浓度测量仪，其特征在于：所述金属探针由不锈钢材料或者抗腐蚀材料制成；所述壳体由防护等级为IP68的铝合金材料制成；所述连接件为法兰盘。
10.一种直插式粉尘浓度测量仪的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、将金属探针安装固定在待检测区域内，且金属探针的延伸方向与烟气的流向垂直，并与信号处理单元及供电单元相连；
步骤二、金属探针输出的感应电流I首先由信号处理单元中的滤波器进行滤波，然后经差分放大器去除共模噪声，再经A/D转换芯片将其转换为数字信号，最后传入单片机芯片，单片机芯片根据下述计算公式计算出烟道中粉尘的质量流量M，具体为：
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其中，Ka是材料的性质常数，M是颗粒的质量流量，V是粒子速度，b粒子常数，d粒子直径，I为测量得到的感应电流，由于粒子速度及颗粒物的分布对感应电流影响小，对指示性系统无关紧要，将其视为常量，利用上面的公式计算出质量流量M，即为粉尘浓度。
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