CN108918371B - 一种高精度宽量程的粉尘浓度检测装置及粉尘浓度检测方法 - Google Patents

一种高精度宽量程的粉尘浓度检测装置及粉尘浓度检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高精度宽量程的粉尘浓度检测装置及粉尘浓度检测方法，装置包括进风道、第一风道、第二风道、风道切换装置、抽风机、出风道、光散射检测单元、电荷感应检测单元和处理单元；第一风道、第二风道的一端均与进风道相通，第一风道、第二风道的另一端均与出风道相通；风道切换装置用于切换第一风道、第二风道与进风道的通断，使得第一风道、第二风道之一与进风道相通。本发明采用光散射法和电荷感应法相结合，粉尘浓度较低时采用光散射法检测，粉尘浓度较高时采用电荷感应法检测，从而使两种方法优势互补，提高了低浓度粉尘浓度的检测精度，同时也避免了高浓度粉尘对光散射检测单元的污染，达到高精度、宽量程、免维护的检测要求。

Description

一种高精度宽量程的粉尘浓度检测装置及粉尘浓度检测方法
技术领域
本发明涉及粉尘检测技术领域，尤其涉及一种高精度宽量程的粉尘浓度检测装置及粉尘浓度检测方法。
背景技术
作业现场粉尘浓度在线检测目前采用的主要是光散射法和电荷感应法。光散射法粉尘浓度检测技术的基本原理是以Mie光散射原理为理论依据，在颗粒性质一定的条件下，颗粒物的散射光强度与颗粒物浓度成正比，通过检测多个颗粒散射光强信号实现颗粒浓度检测。光散射法在粉尘浓度较低时，检测精度比较高、线性度比较好，但在粉尘浓度较高时，光学窗口容易污染，气路容易堵塞，检测误差增加，因此光散射法适合检测较低的粉尘浓度。
电荷感应法粉尘浓度检测技术的基本原理是动态带电颗粒通过电荷感应作用，使探测电极产生动态的感应电荷，通过其感应电荷产生交变信号的波动性反应粉尘浓度大小。电荷感应法在粉尘浓度较高时，检测精度比较高、线性度比较好，但在粉尘浓度较低时，由于整体粉尘所带有的静电量很少，电荷感应法检测误差偏大，所以电荷感应法适合检测较高的粉尘浓度。
由此可知上述两种方法都有自己的优缺点，很难使粉尘浓度在全量程(0-1000mg/m3)范围内实现高精度检测。因此如何实现粉尘浓度的高精度宽量程的检测是目前亟待解决的问题。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种高精度宽量程的粉尘浓度检测装置及粉尘浓度检测方法。
为了实现本发明的上述目的，根据本发明的一个方面，本发明提供了一种高精度宽量程的粉尘浓度检测装置，包括：
进风道、第一风道、第二风道、风道切换装置、抽风机、出风道、光散射检测单元、电荷感应检测单元和处理单元；
所述第一风道、第二风道的一端均与所述进风道相通，所述第一风道、第二风道的另一端均与所述出风道相通；
所述风道切换装置用于切换所述第一风道、第二风道与所述进风道的通断，使得所述第一风道、第二风道之一与所述进风道相通；
所述光散射检测单元用于根据光散射法检测第一风道内的粉尘浓度，并生成第一粉尘浓度值；
所述电荷感应检测单元用于根据电荷感应法检测第二风道内的粉尘浓度，并生成第二粉尘浓度值；
所述处理单元与所述光散射检测单元、电荷感应检测单元、风道切换装置分别连接，所述处理单元控制所述风道切换装置进行所述第一风道、第二风道与所述进风道之间通断的切换，并根据所述第一粉尘浓度值、第二粉尘浓度值与预设阈值的比较结果输出粉尘浓度的检测值。
优选地，所述光散射检测单元包括：
光发生子单元，用于产生光，并将所述光投射到第一风道内的粉尘检测区域；
光接收子单元，用于接收所述光投射到所述粉尘检测区域后经粉尘散射产生的散射光，并根据所述散射光生成第一电信号；
第一信号处理子单元，用于根据所述光接收子单元产生的第一电信号计算得到所述第一粉尘浓度值。
优选地，所述电荷感应检测单元包括：
电荷感应子单元，用于对所述第二风道内通过的粉尘粒子通过电荷感应生成第二电信号；
第二信号处理子单元，用于根据所述电荷感应子单元产生的第二电信号计算得到所述第二粉尘浓度值。
优选地，所述粉尘浓度检测装置还包括壳体，所述壳体上设有进风口和出风口，所述进风道、第一风道、第二风道、风道切换装置、抽风机、出风道、光散射检测单元、电荷感应检测单元和处理单元均设于所述壳体内部。
本发明提供的高精度宽量程的粉尘浓度检测装置的工作原理如下：
首先切换风道切换装置，使第二风道和进风道连通，此时第一风道关闭；通过电荷感应检测单元对第二风道中粉尘检测区域的粉尘浓度进行检测，生成第二粉尘浓度值；处理单元判断第二粉尘浓度值是否小于预设阈值，当第二粉尘浓度值小于预设阈值时，处理单元发送控制指令至风道切换装置，关闭第二风道，使第一风道和进风道连通，通过光散射检测单元对第一风道中粉尘检测区域的粉尘浓度进行检测，生成第一粉尘浓度值，并输出第一粉尘浓度值为检测值；当第二粉尘浓度值大于或等于预设阈值时，则直接输出第二粉尘浓度值为检测值。
为了实现本发明的上述目的，根据本发明的一个方面，本发明提供了一种高精度宽量程的粉尘浓度检测方法，包括：
S1、切换风道切换装置，使第二风道和进风道连通；
S2、通过电荷感应检测单元对所述第二风道中粉尘检测区域的粉尘浓度进行检测，生成第二粉尘浓度值；
S3、判断所述第二粉尘浓度值是否小于预设阈值，若是，则执行步骤S4，若否，则执行步骤S5；
S4、切换风道切换装置，使第一风道和进风道连通，通过光散射检测单元对所述第一风道中粉尘检测区域的粉尘浓度进行检测，生成第一粉尘浓度值，输出所述第一粉尘浓度值为检测值；
S5、输出所述第二粉尘浓度值为检测值。
优选地，所述光散射检测单元包括：
光发生子单元，用于产生光，并将所述光投射到第一风道内的粉尘检测区域；
光接收子单元，用于接收所述光投射到所述粉尘检测区域后经粉尘散射产生的散射光，并根据所述散射光生成第一电信号；
第一信号处理子单元，用于根据所述光接收子单元产生的第一电信号计算得到所述第一粉尘浓度值。
优选地，所述电荷感应检测单元包括：
电荷感应子单元，用于根据所述第二风道内通过的粉尘粒子生成第二电信号；
第二信号处理子单元，用于根据所述电荷感应子单元产生的第二电信号计算得到所述第二粉尘浓度值。
优选地，所述第一风道、第二风道的一端均与所述进风道相通，所述第一风道、第二风道的另一端均与出风道相通。
本发明的有益效果是：
本发明通过比较目前光散射法和电荷感应法两种粉尘浓度检测方法的优缺点，为了保证待检测区域粉尘浓度全量程中各个点的检测精度，采用光散射法和电荷感应法相结合，两种方法进行并行检测，粉尘浓度较低时采用光散射法检测，粉尘浓度较高时采用电荷感应法检测，从而使两种方法优势互补，提高了低浓度粉尘浓度的检测精度，同时也避免了高浓度粉尘对光散射检测单元的污染，达到高精度、宽量程、免维护的检测要求，其中，高低粉尘浓度的临界值根据具体需要通过实验进行确定。本发明能够实现宽量程、高精度、高灵敏度的粉尘浓度实时在线监测。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明公开的一种优选实施方式中高精度宽量程的粉尘浓度检测装置的结构示意图；
图2为本发明公开的一种优选实施方式中高精度宽量程的粉尘浓度检测方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
本发明提供了一种高精度宽量程的粉尘浓度检测装置，如图1所示，包括：
壳体1，壳体1上开设有进风口2和出风口3，壳体1内部设有进风道4、第一风道5、第二风道6、风道切换装置7、抽风机8、出风道9、光散射检测单元10、电荷感应检测单元11和处理单元；第一风道5、第二风道6的一端均与进风道4相通，第一风道5、第二风道6的另一端均与出风道9相通；
其中，
风道切换装置7用于切换第一风道5、第二风道6与进风道4的通断，使得第一风道5、第二风道6之一与进风道4相通；
光散射检测单元10用于根据光散射法检测第一风道5内的粉尘浓度，并生成第一粉尘浓度值；
电荷感应检测单元11用于根据电荷感应法检测第二风道6内的粉尘浓度，并生成第二粉尘浓度值；
处理单元与光散射检测单元10、电荷感应检测单元11、风道切换装置7连接，控制风道切换装置7进行第一风道5、第二风道6与进风道4之间通断的切换。
优选地，在本实施方式中，处理单元还用于根据第一粉尘浓度值和/或第二粉尘浓度值生成和输出粉尘检测区域粉尘浓度的检测值。
优选地，在本实施方式中，光散射检测单元10包括：
光发生子单元，用于产生光，并将光投射到第一风道5内的粉尘检测区域；
光接收子单元，用于接收光投射到粉尘检测区域后经粉尘散射产生的散射光，并根据散射光生成第一电信号；
第一信号处理子单元，用于根据光接收子单元产生的第一电信号计算得到第一粉尘浓度值。
具体的，在本实施方式中，光发生子单元、光接收子单元、第一信号处理子单元的具体结构可采用现有的光散检测法检测粉尘浓度的相关装置的结构进行与本申请的整体设计匹配的适应性设计；光发生子单元具体可以为激光发射装置或红外光发射装置，经过聚光后将产生的激光或红外光投射到粉尘检测区域；第一信号处理子单元根据光接收子单元产生的第一电信号经过中值滤波处理、直流信号提取和相应的信号标定算法进行计算后得到第一粉尘浓度值。
优选地，在本实施方式中，电荷感应检测单元11包括：
电荷感应子单元，用于对第二风道内通过的粉尘粒子通过电荷感应生成第二电信号；
第二信号处理子单元，用于根据电荷感应子单元产生的第二电信号计算得到第二粉尘浓度值。
具体的，在本实施方式中，电荷感应子单元、第二信号处理子单元的具体结构可采用现有的电荷感应检测法检测粉尘浓度的相关装置的结构进行与本申请的整体设计匹配的适应性设计；第二信号处理子单元根据电荷感应子单元产生的第二电信号经过低通数字滤波处理、交流信号提取和相应的信号标定算法进行计算后得到第二粉尘浓度值。
优选地，在本实施方式中，粉尘浓度检测装置还包括壳体1，壳体1上设有进风口2和出风口3，进风道4、第一风道5、第二风道6、风道切换装置7、抽风机8、出风道9、光散射检测单元10、电荷感应检测单元11和处理单元均设于壳体1内部。
在本实施方式中，本发明提供的高精度宽量程的粉尘浓度检测装置的工作原理如下：
当需要进行粉尘浓度检测时，首先切换风道切换装置7，使第二风道6和进风道4连通，此时第一风道5关闭；开启抽风机8，待检测空气随气流由进风口2经进风道4，再进入第二风道6，之后通过电荷感应检测单元11对第二风道6中粉尘检测区域的粉尘浓度进行检测，生成第二粉尘浓度值；处理单元判断第二粉尘浓度值是否小于预设阈值，当第二粉尘浓度值小于预设阈值时，处理单元发送控制指令至风道切换装置7，关闭第二风道6，使第一风道5和进风道4连通，通过光散射检测单元10对第一风道5中粉尘检测区域的粉尘浓度进行检测，生成第一粉尘浓度值，并输出第一粉尘浓度值为检测值；当第二粉尘浓度值大于或等于预设阈值时，则直接输出第二粉尘浓度值为检测值。阈值的设置根据具体情况优选设定，比如将阈值设置为50mg/m3。
本发明提供了一种高精度宽量程的粉尘浓度检测方法，如图2所示，包括如下步骤：
S1、切换风道切换装置，使第二风道和进风道连通；
S2、通过电荷感应检测单元对所述第二风道中粉尘检测区域的粉尘浓度进行检测，生成第二粉尘浓度值；
S3、判断所述第二粉尘浓度值是否小于预设阈值，若是，则执行步骤S4，若否，则执行步骤S5；
S4、切换风道切换装置，使第一风道和进风道连通，通过光散射检测单元对所述第一风道中粉尘检测区域的粉尘浓度进行检测，生成第一粉尘浓度值，输出所述第一粉尘浓度值为检测值；
S5、输出所述第二粉尘浓度值为检测值。
上述阈值的设置根据具体情况优选设定，比如将阈值设置为50mg/m3。
优选地，在本实施方式中，光散射检测单元包括：
光发生子单元，用于产生光，并将光投射到第一风道内的粉尘检测区域；
光接收子单元，用于接收光投射到粉尘检测区域后经粉尘散射产生的散射光，并根据散射光生成第一电信号；
第一信号处理子单元，用于根据光接收子单元产生的第一电信号计算得到第一粉尘浓度值。
具体的，在本实施方式中，光发生子单元、光接收子单元、第一信号处理子单元的具体结构可采用现有的光散检测法检测粉尘浓度的相关装置的结构进行与本申请的整体设计匹配的适应性设计；光发生子单元具体可以为激光发射装置或红外光发射装置，经过聚光后将产生的激光或红外光投射到粉尘检测区域；第一信号处理子单元根据光接收子单元产生的第一电信号经过中值滤波处理、直流信号提取和相应的信号标定算法进行计算后得到第一粉尘浓度值。
优选地，在本实施方式中，电荷感应检测单元包括：
电荷感应子单元，用于根据第二风道内通过的粉尘粒子生成第二电信号；
第二信号处理子单元，用于根据电荷感应子单元产生的第二电信号计算得到第二粉尘浓度值。
具体的，在本实施方式中，电荷感应子单元、第二信号处理子单元的具体结构可采用现有的电荷感应检测法检测粉尘浓度的相关装置的结构进行与本申请的整体设计匹配的适应性设计；第二信号处理子单元根据电荷感应子单元产生的第二电信号经过基于小波分析的滤波处理、交流信号提取和相应的信号标定算法进行计算后得到第二粉尘浓度值。
优选地，在本实施方式中，第一风道、第二风道的一端均与进风道相通，第一风道、第二风道的另一端均与出风道相通。
由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明通过比较目前光散射法和电荷感应法两种粉尘浓度检测方法的优缺点，为了保证待检测区域粉尘浓度全量程中各个点的检测精度，采用光散射法和电荷感应法相结合，两种方法进行并行检测，粉尘浓度较低时采用光散射法检测，粉尘浓度较高时采用电荷感应法检测，从而使两种方法优势互补，提高了低浓度粉尘浓度的检测精度，同时也避免了高浓度粉尘对光散射检测单元的污染，达到高精度、宽量程、免维护的检测要求，其中，高低粉尘浓度的临界值根据具体需要通过实验进行确定。本发明能够实现宽量程、高精度、高灵敏度的粉尘浓度实时在线监测。
需要说明的是，本发明图1-2中所示的系统结构或方法流程只是本发明的一些优选实施方式，在此示出只是便于理解本发明而不能理解为对本发明的限制，在本发明的思想指导下，根据本发明的技术方案实施得出的结构或方法均在本发明的保护范围之内，在此不作赘述。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种高精度宽量程的粉尘浓度检测装置，其特征在于，包括：
进风道、第一风道、第二风道、风道切换装置、抽风机、出风道、光散射检测单元、电荷感应检测单元和处理单元；
所述第一风道、第二风道的一端均与所述进风道相通，所述第一风道、第二风道的另一端均与所述出风道相通；
所述风道切换装置用于切换所述第一风道、第二风道与所述进风道的通断，使得所述第一风道、第二风道之一与所述进风道相通；
所述光散射检测单元用于根据光散射法检测第一风道内的粉尘浓度，并生成第一粉尘浓度值；
所述电荷感应检测单元用于根据电荷感应法检测第二风道内的粉尘浓度，并生成第二粉尘浓度值；
所述处理单元与所述光散射检测单元、电荷感应检测单元、风道切换装置分别连接，所述处理单元控制所述风道切换装置进行所述第一风道、第二风道与所述进风道之间通断的切换，并根据所述第一粉尘浓度值、第二粉尘浓度值与预设阈值的比较结果输出粉尘浓度的检测值。
2.根据权利要求1所述的高精度宽量程的粉尘浓度检测装置，其特征在于，所述光散射检测单元包括：
光发生子单元，用于产生光，并将所述光投射到第一风道内的粉尘检测区域；
光接收子单元，用于接收所述光投射到所述粉尘检测区域后经粉尘散射产生的散射光，并根据所述散射光生成第一电信号；
第一信号处理子单元，用于根据所述光接收子单元产生的第一电信号计算得到所述第一粉尘浓度值。
3.根据权利要求1所述的高精度宽量程的粉尘浓度检测装置，其特征在于，所述电荷感应检测单元包括：
电荷感应子单元，用于对所述第二风道内通过的粉尘粒子通过电荷感应生成第二电信号；
第二信号处理子单元，用于根据所述电荷感应子单元产生的第二电信号计算得到所述第二粉尘浓度值。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的高精度宽量程的粉尘浓度检测装置，其特征在于，还包括壳体，所述壳体上设有进风口和出风口，所述进风道、第一风道、第二风道、风道切换装置、抽风机、出风道、光散射检测单元、电荷感应检测单元和处理单元均设于所述壳体内部。
5.一种使用权利要求1至4任一项所述的粉尘浓度检测装置的高精度宽量程的粉尘浓度检测方法，其特征在于，包括：
S1、切换风道切换装置，使第二风道和进风道连通；
S2、通过电荷感应检测单元对所述第二风道中粉尘检测区域的粉尘浓度进行检测，生成第二粉尘浓度值；
S3、判断所述第二粉尘浓度值是否小于预设阈值，若是，则执行步骤S4，若否，则执行步骤S5；
S4、切换风道切换装置，使第一风道和进风道连通，通过光散射检测单元对所述第一风道中粉尘检测区域的粉尘浓度进行检测，生成第一粉尘浓度值，输出所述第一粉尘浓度值为检测值；
S5、输出所述第二粉尘浓度值为检测值。
6.根据权利要求5所述的高精度宽量程的粉尘浓度检测方法，其特征在于，所述光散射检测单元包括：
光发生子单元，用于产生光，并将所述光投射到第一风道内的粉尘检测区域；
光接收子单元，用于接收所述光投射到所述粉尘检测区域后经粉尘散射产生的散射光，并根据所述散射光生成第一电信号；
第一信号处理子单元，用于根据所述光接收子单元产生的第一电信号计算得到所述第一粉尘浓度值。
7.根据权利要求5所述的高精度宽量程的粉尘浓度检测方法，其特征在于，所述电荷感应检测单元包括：
电荷感应子单元，用于根据所述第二风道内通过的粉尘粒子生成第二电信号；
第二信号处理子单元，用于根据所述电荷感应子单元产生的第二电信号计算得到所述第二粉尘浓度值。
8.根据权利要求5所述的高精度宽量程的粉尘浓度检测方法，其特征在于，所述第一风道、第二风道的一端均与所述进风道相通，所述第一风道、第二风道的另一端均与出风道相通。
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