CN107389510A - 固体灰尘颗粒径谱分析仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测量固体颗粒密度与径谱分布的原理及技术。本发明采用喇叭口电晕灰尘带电技术与灰尘成像分析技术，构造固体灰尘径谱识别与灰尘颗粒直径测量。颗粒径谱的显示与测量的环境可以通过自动设置与手动设置完成，并将测量结果显示到LCD屏，为快速灰尘固态颗粒径的测量提供了一种有效、快速的解决方案。
Description
技术领域
本发明公开了一种测量固体颗粒密度与径谱分布的原理及技术。本发明采用喇叭口电晕灰尘带电技术与灰尘成像分析技术，构造固体灰尘径谱识别与灰尘颗粒直径测量。颗粒径谱的显示与测量的环境可以通过自动设置与手动设置完成，并将测量结果显示到LCD屏，为快速灰尘固态颗粒径的测量提供了一种有效、快速的解决方案。
背景技术
灰尘颗粒测量，是灰尘颗粒检测中的一个难点，传统的灰尘检测方式如离子化灰尘探测技术、光电灰尘探测技术，运用了不同的方法获取粒径。传统分析理论使用物理化学方法，进行的模型建设与模拟[1]，实际使用效果不高；空气采样检测灰尘颗粒中，吸气散射法[2]与粉尘法[3]、化学胶体法[4]，仅仅限于对大颗粒灰尘尘感知，而无法获得颗粒径与密度。使用激光全散射法成像形成的颗粒探测[5，6]，由于动态图像分辨率差，成本高，所形成的颗粒径应用性差；传统的灰尘尘图像斑点识别技术[7]限于像素识别，物理直径计算不准确；而用于光学成像测距的斑点物理距离计算[8]，由于没动态捕获斑点最小值算法，智能性不足，在对灰尘场应用中效果较差。灰尘是较大粒径微颗粒，中位值为0.5μm。颗粒带电方式多样，本发明采用低密度小颗粒的感灰尘探测技术，与吸气法的大颗粒感灰尘探测技术综合优点，可以快捷宽谱（颗粒径谱）探测颗粒直径的分布范围。
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发明内容
灰尘颗粒检测传感器部分，解决了灰尘颗粒的泡室腔（下称泡室）取样、泡面粒径图形成、泡面清洗三个过程。其中泡室灰尘取样使用了静电吸附技术与颗粒沉降技术，将颗粒快速沉降到透明的泡面上，形成颗粒沉降层形成颗粒图，电路将获取图像后，进行粒探测器分析。泡面图像完成后，使用高压气体（灰尘沉淀后的气体）清洗泡面，将灰尘从泄气孔吹出泡面，完成一次灰尘取样与泡面灰尘感应图像生成。
1工作原理
灰尘是较大粒径的颗粒，带电性普遍。发明采用灰尘带电与灰尘在电场中降速沉淀相结合，在斑点成像控制基础上对灰尘影像进行图像分析与计算，形成灰尘颗粒直径分布（下称径谱）。
带电荷Q的灰尘颗粒质量m，在电场E的作用下，向一个方向运动，如图1所示。灰尘颗粒在电场的作用下，向一个方向运动并最终停留在边缘。这个时间为公式一，见图12。
Δt为灰尘颗粒到达泡室另一边时间，之后停留在泡室边缘；Q为一个灰尘颗粒所带有电量。对于n个灰尘颗粒，会在边缘形成一层吸附物，并如图2所示。
如果每次泡室Ｖ中有n个灰尘颗粒，完全吸附到边缘（称泡室取样表面，简称泡面）。该泡面面积为s，到达泡面的通道长L，宽(高)为D，每次灰尘尘的数据呈现出斑状态分布。
灰尘的沉淀出现斑状态分布，并依据聚集范围（斑）色值(RGB值)测量出斑的特征面积Sb0，斑数量p0，图像倍率为k0；提高倍率到k时，斑中出现不可再分斑点时，斑的特征面积Sb，斑数量p；斑特征面积由像素为单位计算。假设像素对应泡面物理距离已知且为xd时，则k倍率下斑点直径d为公式2，见图13。
物理距离xd为泡面上深色已知（长度）距离线段，用于确定成像后的像素对应长度距离。若成像后，距离线段xd对应像素为pd个，则每像素对应长度为xd0=xd/pd。
其中的斑点倍率控制算法为：
步骤１；变量为k，初始值为K0
步骤２；像素值为RGB，其中RGB0为已知斑点值，已知阈值△rgb(常数)
步骤３；已知一个像素对应物理长度xd0
步骤４；遍历当前所有像素与相邻像素的RGB差值△RGB
步骤５；记录所有相邻RGB0值与RGB相差大于△rgb的数量pk
步骤6：k+1
步骤7：计算pk+1,且p=pk+1-pk
步骤６；if(p>0)
步骤8；到步骤４
步骤9；else
步骤10；计算当前倍率下每斑点面积（像素Y），斑点数P
步骤11；计算斑点直径d
步骤12：p个斑点在泡面（图像坐标）不同位置直径，形成颗粒径的坐标分布。
灰尘颗粒径检测技术由颗粒吸附、颗粒声像、颗粒测量与径谱计算、显示四个部分组成，如图3所示。
灰尘颗粒群在高电压场带电①加速进入泡室②，后沿泡室降速通过长为L，宽为Ｄ通道④，以不同质量电荷比吸附到泡面③上，泡面③以周期t获取灰尘颗粒堆积图像，图像传感器与图像电路⑨形成一帧图像，图像由arm处理器系统⑥进行计算，依据颗粒质量荷比在泡面上分布，计算形成粒径分布曲线、数据、密度，显示在LCD⑧显示器上。径向高压电路⑤作用在高速通道二侧④形成侧向电压，提高颗粒径分辨率，电压由arm处理系统控制。控制电路④用于形成高电压①以及泡室定向高电压电场。
２泡室吸附原理
高压电场作用有二个，在泡室外形成对流动状态的空间灰尘颗粒充电①，使得灰尘颗粒带电充入泡室②，垂直电场④作用下以惯性降速沉淀到泡面③，定向电场对颗粒带电量与质量比颗粒，形成偏移力并吸附在泡面上。如图4所示。
利用空气负压技术与电子空气活塞技术，进行灰尘颗粒的取样，这个过程分为三步：抽取灰尘颗粒、释放离子、电子加速成像。其中电子成像的本质是获取一个灰尘颗粒吸附层影像，并进行电子成像。详细过程如图5所示。
泡室完成对灰尘颗粒的带电与灰尘量吸入，工作电路是电晕产生，由外层的尖端放电产生带电颗粒；并用高压定向使灰尘颗粒进入泡室。
3泡室取样控制电路
进入泡室的带电灰尘颗粒通过恒定水平加速电场与可调整垂直电场选择灰尘尘颗粒m（电量），在泡面上形成灰尘集聚形成的深色（ＲＧＢ）斑。
泡室工作电路，由高压电场发生电路、清洗(泡面)电路与垂直电场、图像使能控制电路组成。如图六，电场驱动电路由脉冲电路提供形成高压电场，其中的垂直电场为进入加速通道的灰尘颗粒，提供一个偏转电场，选择不同颗粒质量电荷比的微颗粒。水平电场的强度由arm处理系统微调整形成。完成一次取样，需要开启清洗功能时，清洗电路开启进气孔、同时开启（图七）底部泄气孔，对泡面进行多次灰尘颗粒清除。在取样完成后（多次进气），发出使能信号，开启CCD传感器。
时序周期由T1、T2、T3、T4四个阶段周期组成，T1周期为固定取样周期；T2周期为固定清洗周期；T3为图像使能信号启动周期，为不固定周期，需要arm发出本周期结束信号，才进入下一个周期T4；T4检测结束，为固定或可设置周期，默认为固定周期。
图8为电场驱动电路框架，使用基频脉冲形成恒定直流电压V1，V1加在泡室水平端，构成进气电晕电场，让灰尘尘带电，同时带电粒子进入泡室；关闭进气孔后，形成水平电场，将带电粒子水平加进(降速)通道；降速通道垂直方向加有平板电极，电压由V2提供，其中的驱动频率由arm 控制，形成约为V1/3~V1/5的直流电压。
４ 电子取样周期与清洗周期
灰尘取样周期由T1_1、T1_2二个子周期形成，T1_1为进气口灰尘尘颗粒带电阶段，由进气口形成A、B点高压电场（如图四）；T1_2阶段开启进气孔，由内极板A’、B’形成高压降速电场；这二个周期可以反复多次，以取得较高分辨率灰尘吸附图像。
清洗周期为固定长周期的过程，通过一次带电后的气体移动，对泡面形成连续冲洗。二者的周期关系如图9所示。
５图像电路
在泡面上有一个光学的成像系统，用于将泡面上吸附的灰尘光斑形成图像。成像电路由照明电路、光学成像系统、CCD感光器件组成，形成的图像由ＡＲＭ组成的计算机系统进行计算，形成灰尘密度与径谱输出。如图十为泡面取样图像与计算系统电路框架。
其中光学系统将灰尘斑图样，成像到光学传感器ＣＣＤ，传感器所形成的矩阵图像数据存入图像存储器；ARM处理器在接收到使能信号后，对存储器数据进行计算，并显示到显示器上。
6 颗粒密度与直径算法
泡面上形成的图像受到二个条件的控制。一个是完成一次采样的使能信号；另一个是对垂直电场的参数初始化，主要是由电场强度Ec与持续时间t决定。不同的Ec选择不同粒径（质量m’）d的粒子，并以公式确定粒子的在直径Ｄ的泡面上分布。在电荷电量相近前提下，公式如下：
m'=(L/D)*(Ec/Es)*m
式中Es为降速电场强度，m为泡室中颗粒的质量，是一个从极小值到较大值的变量，或是质量谱。可以用直径谱进行表示。公式说明，在固定泡室（L/D确定）与电场不变（Ec/Es 确定）情况下，打到泡面上的颗粒质量m’是确定的。也就是到达泡面的颗粒质量介于(L/D)*(Ec/Es)*m与m之间。显然这一质量谱是连续的，对应的颗粒直径也是连续的。
通过调整电场Ec，并连续获得每个对Ｅc下的斑点直径（算法），就可以形成颗粒的直径d，连续增加或减小Ｅc所形成的d值，构成了当前环境下，灰尘尘颗粒的直径连续排序（如图11），称为颗粒径谱。
曲线生成算法：
；输出Ec控制信号，确定Ec值（对应坐标）
；启动颗粒取样过程（电路）
；使能信号到达，读取图像存储（获取图像）
；运行倍率控制算法（斑点直径），计算斑点直径d
；形成数组（Ec，颗粒直径d）,并绘制到坐标上
；Ec+△Ec,到开始处
算法运行以调整Ec并确定，进行描绘。
７径谱与密度计算
颗粒数量n由斑点部面积S，与本次测量颗粒直径d，用如下公式计算形成：
n=2S/(πd*d)
如果吸气k次，每次体积为v，则颗粒密度ρ公式为：
ρ＝n/kv。
附图说明：
图1烟尘在泡室电场中运动受力分析
图2灰尘室灰尘颗粒吸附示意图
图3灰尘颗粒检测技术框架图
图4泡室吸附原理
图5泡室取灰尘颗粒示意图
图6泡室控制电路
图7泡室功能图像与清洗结构图
图8电场驱动电路框架
图9取样周期与清洗周期电场控制时序
图10泡面取样图像与计算系统电路框架
图11不同Ec在运行斑点直径算法下形成的曲线或谱线
图12公式1
图13公式2。
Claims (9)
1.一种测量灰尘微颗粒密度与直径谱的智能电子测量技术方案，其特征包括灰尘微颗粒样的泡室技术原理与颗粒粒径的图像计算显示框架、电路时序与计算系统控制逻辑；其中，
灰尘微颗粒样的泡室技术原理，包括高压电场的产生与颗粒选择原理、可复用泡面灰尘颗粒斑成像原理；
颗粒粒径的图像计算公式与算法，包括了泡面图像的存储过程，泡面斑点图像像素物理直径算法，电场与直径构造的颗粒径谱计算，颗粒的密度与径谱显示；
电路时序与计算系统控制逻辑，包括了泡室的灰尘颗粒气体取样时序、时序电路的使能信号与ARM计算系统的算法。
2.根据权利１所述的高压电场的产生与颗粒选择原理，其特征是二种高电压脉冲电路，泡室的结构，空间灰尘颗粒的带电技术，水平降速电场室与垂直电场室，垂直电场作用下的颗粒选择公式，具体包括：
高电压脉冲电路，包括了时序电路形成的固定频率脉冲电路所形成的高压升压电路，与ＡＲＭ系统的ＰＷＭ（脚）输出降频，形成的升压开关电路；
泡室的结构，包括了泡室外高电场颗粒带电电路，室内带电颗粒水平加速结构，垂直电场偏移选择结构，颗粒加速后吸附到泡面所在位置；
空间灰尘颗粒带电电路，包括双电极空间放电的电晕颗粒带电；
水平降速电场室与垂直电场室，包括了极板位置与电场强度的计算方法，极板的距离；
垂直电场作用下的颗粒选择公式，包括了在固定泡室、固定加速电场强度下，垂直电场强度对颗粒m的选择。
3.根据权利１所述的复用泡面灰尘颗粒斑成像原理，其特征是包括泡面灰尘颗粒吸附控制技术，清洗泡面已经吸附灰尘颗粒方法，颗粒斑的吸附图像形成，具体包括：
泡面灰尘颗粒吸附控制技术，包括固定垂直电场强度下的时序周期；
清洗泡面已经吸附灰尘颗粒方法，包括时序控制周期泡室的进气孔位置，泄气孔子位置；
颗粒斑的吸附图像形成，使用泡面与透镜分离结构，颗粒多次吸取灰尘尘累积形成。
4.根据权利１所述的泡面图像的存储过程，其特征是包括泡面灰尘颗粒图像，透镜成像与光学传感器像素生成，存储器存储传感数据，具体包括：
泡面灰尘颗粒累积，指多次吸取灰尘尘颗粒所形成的颗粒在泡面上的累积；
透镜成像与光学传感器像素生成，包括泡面位置，与透镜准确成像到光学传感器表面位置，传感器选择用CCD；
存储器存储传感数据，包括光学传感器的数据输出到存储器。
5.根据权利１所述的泡面斑点图像像素物理直径算法，其特征是包括斑点成像控制逻辑时序，最小斑点识别算法，像素对应物理距离常数方案，具体包括：
斑点成像控制逻辑时序，依据垂直电场对不同质量与大小颗粒的选择公式，电场强度的ＡＲＭ计算系统ＰＷＭ控制逻辑时序，稳定Ec下多次吸气控制时序；
最小斑点识别算法，包括arm计算系统，最小斑点发现算法，斑点占用像素数计算；
像素对应物理距离常数方案，包括固定位置的光学系统，泡面位置与泡面上标准线段（物理距离）计算方法，可控制图像放大倍率下的直径计算算法。
6.根据权利１所述的电场与直径构造的颗粒径谱计算，其特征是包括泡室电极位置结构，颗粒计算公式，变化Ｅc时对应颗粒径数组形成算法，直径计算，具体包括：
泡室电极位置结构，由泡室框架结构组成；
如文颗粒径－位置计算与显示方法；
如文变化Ｅc时对应颗粒径数组形成算法，包括受控制的arm的PWM输出，每Ec对应的颗粒径计算，数组格式；
如文的颗粒直径计算，由直径计算公式确定。
7.根据权利１所述的颗粒的密度与径谱显示，其特征是形成颗粒数量计算，形成数组绘图或例表，具体包括：
颗粒数量计算，由所斑点面积与颗粒直径平方之比确定；
形成数组绘图或例表，包括颗粒径，相同颗粒径颗粒数量，绘图，例表。
8.根据权利１所述的泡室的灰尘颗粒气体取样时序，其特征是时序的四个周期，气体取样二个子周期，清洗二周期过程，具体包括：
时序的四个周期，包括T1、T2、T3、T4周期，每周期的特征；
气体取样二个子周期，包括T1_1、T1_2周期，周期比；
清洗二周期过程，包括T1_1、T1_2周期，周期比。
9.根据权利１所述的时序电路的使能信号与ARM计算系统的算法，其特征是时序控制电路的使能信号，使能信号所处周期，使能信号对计算系统的算法启动，具体包括：
时序控制电路的使能信号，在完成T1、T2、T3周期后，启动使能信号，通知计算机（arm系统）进入图像处理与计算；
使能信号所处周期，由T4周期内发出，并等待计算系统计算完成后，结束本周期；
使能信号对计算系统的算法启动，使能信号只启动计算系统的图像处理。
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| CN109448669A (zh) * | 2018-12-26 | 2019-03-08 | 宁波迪比亿贸易有限公司 | 自动化蝴蝶形扬琴 |
| CN111307672A (zh) * | 2020-01-06 | 2020-06-19 | 合肥市诚泰模具有限责任公司 | 火灾烟雾颗粒检测技术 |
| CN111323347A (zh) * | 2020-01-06 | 2020-06-23 | 合肥市诚泰模具有限责任公司 | 固体灰尘颗粒径谱分析仪 |
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2016
- 2016-05-17 CN CN201610324983.3A patent/CN107389510A/zh active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20171124 |
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |