CN109856333A - 一种基于最小点火能预测的木质粉尘实时监测装置及其监测方法 - Google Patents

Abstract

一种基于最小点火能预测的木质粉尘实时监测装置及其方法，其特征在于，包括粉尘粒径和浓度采集装置、温度采集装置、上位机以及预警装置；采用的检测装置以及检测方法，能够根据实时测量的浓度、温度和粒径条件，得出粉尘最小点火能，可用于木材加工企业除尘管道的实时监测，准确率高，误报几率小，避免频繁报警，提高生产效率。另外可以额外配置火花探测装置，能够有效的对除尘管道实施监控和预警，降低误报几率，节省企业的防爆成本。

Description

一种基于最小点火能预测的木质粉尘实时监测装置及其监测 方法

技术领域

本发明涉及木材学领域，特别是一种基于最小点火能预测的木质粉尘实时监测方法及装置。

背景技术

粉尘爆炸极限包括爆炸下限和爆炸上限。粉尘爆炸下限是指在空气中，遇火源能发生爆炸的粉尘最低浓度。一般用单位体积内所含粉尘质量表示，其单位为g/m3。爆炸下限越低，粉尘爆炸危险性越大。不同种类粉尘其爆炸下限不同，同种物质粉尘其爆炸下限也随条件变化而改变。

木质粉尘一般产生于木材加工场所。在锯切、铣削、刨削、涂饰、磨削等生产工序中会产生大量木质粉尘。木粉在一定条件下，极易发生燃烧和爆炸事故。据统计，在1785—2012年期间，在全世界所发生的粉尘爆炸事故中，木质粉尘爆炸事故的比例为17％，仅次于食品加工类粉尘。我国每年发生的木质粉尘爆炸事故多达数十起，甚至上百起。因此，研制木质粉尘实时监测装置具有重要意义。

一般而言，在木材加工场所中，木质粉尘浓度最高的地方集中在除尘管道的内部，这里也是最容易发生爆炸的地方。目前，针对粉尘燃爆防控的措施有两种；第一种是设置爆炸危险浓度，一旦超过危险浓度即立刻报警。第二种是在易燃易爆区域设置火花探测装置，如中国发明专利201810585659.6提供了一种木质粉尘高效除尘控爆安全工程集成系统，该系统的粉尘防爆监控报警智能安全控制系统内设置火花探测装置，一旦探测到火花便启动应急措施。防爆的应急措施一般包括喷淋水和通过输气管道释放惰性气体等。但实际上粉尘只有在超过最小点火能的条件下才会点燃或者爆炸。检测到火花便启动应急措施或者超过危险浓度即立刻启动应急措施，产生误报几率很高。这不仅严重影响企业的正常生产，而且提高了企业的防爆成本。改进的做法应该是根据粉尘最小点火能设置好阈值。当检测到火花能量超过或者接近阈值时，才启动防爆应急措施。

因此，粉尘的最小点火能是设计粉尘爆炸防控装置中的重要参考指标。但是，国内在木质粉尘燃爆的实验研究较晚，可用于研发其燃爆预警与控制系统的指标实测数据很少，没有专门针对木质粉尘爆炸数据作为参考，在市场上现存的木质粉尘防爆装置很多都是在参考其他粉尘燃爆数据的基础上研发的，预警装置误报几率较高；也有极少的装置设计时考虑了木粉的最小点火能，在装置内设置好固定的最小点火能作为阈值，当检测到接近或者超过阈值现象时启动报警。然而，在使用过程中，这类装置依然会出现较多误报的情况。

误报的原因之一就是木质粉尘可供参考的实验数据不足。而且，很多早期实验也没有遵循相应的标准或者规范。近年来，由于木材加工企业爆炸事故增多，很多学者开始研究木质粉尘的爆炸特性。这些研究表明，木质粉尘的最小点火能并非一个固定值，而是与粉尘浓度、粉尘粒径和实时温度等参数均存在密切关系。在木材加工企业中，粉尘的浓度和粒径均处于实时变化的状态，企业所处的环境温度也会变化。基于固定的最小点火能而设计的装置出现误报不可避免。

为了能够提高木质粉尘防爆预警的准确性，需要实时的检测环境中的粉尘浓度、粒径和温度，通过实验研究得出的最小点火能与粉尘浓度、粒径和温度的关系，实时预测得到木质粉尘的最小点火能，再根据最小点火能的数值进行监测，并采用相应的预警措施。目前市场上已有的实时浓度测量仪多数是根据光的散射原理研制而成，测量上限一般为(1000mg/m3)。然而，在木材加工企业的除尘管道中粉尘浓度远高于这个上限值，因此现有的浓度测量装置尚不足以用于木材加工企业除尘管道的测量。木质粉尘的粒径测量方法，一般采用化学方法或者粒度仪进行测量。无论哪种方法，都还难以做到实时测量。因此，目前，基于最小点火能预测的木质粉尘实时监测装置还不存在。

发明内容

为了解决上述存在的问题，本发明公开了一种基于最小点火能预测的木质粉尘实时监测方法及装置，其具体技术方案如下：

一种基于最小点火能预测的木质粉尘实时监测装置，其特征在于，包括粉尘粒径和浓度采集装置、温度采集装置、上位机以及预警装置；所述上位机与粉尘粒径和浓度采集装置、温度采集装置、报警装置通过电缆连接；

所述粉尘粒径和浓度采集装置包括CCD拍摄装置、透明气室、进气管以及出气管；所述CCD拍摄装置位于所述透明气室一侧，所述CCD拍摄装置通过电线连接上位机，所述CCD拍摄装置用于拍摄透明气室内部；所述透明气室顶部设置有标尺；所述进气管一端连接除尘管道的上风口，另一端连接透明气室顶部；所述出气管一端连接除尘管道的下风口，另一端连接透明气室底部；

所述温度采集装置包括多个数字温度传感器、单片机以及串口芯片，所述单片机与所述串口芯片电连接，多个数字温度传感器与串口芯片电连接；多个数字温度传感器在除尘管道内均匀分布安装；所述单片机与所述上位机电连接；

所述预警装置为语音提示器。

进一步的，为了提升CCD拍摄装置的清晰性，所述CCD拍摄装置采用装有显微物镜的高清工业级CCD相机。

进一步的，为了提升CCD拍摄装置的准确性，采用四台CCD拍摄装置同时抓拍，并且CCD装置可旋转多角度拍摄；所述四台CCD拍摄装置底部设置安装旋转机构，所述安装旋转机构包括CCD支架、旋转臂以及旋转底座；所述述CCD支架为包括竖直板和安装板，所述安装板数量为四个，所述安装板一侧与所述竖直板固定连接，所述CCD拍摄装置固定安装于所述安装板顶部，所述CCD拍摄装置一端底部通过螺栓固定在所述安装板上；所述安装板为两组，每组两个，一组内的两个安装板分别设置于所述竖直板两侧，所述两组安装板在竖直板顶部呈上下分布；

所述旋转底座位于所述透明气室下方位置，所述旋转底座包括方形壳体、旋转电机以及电机旋转轴，所述电机位于所述方形壳体内部，所述电机旋转轴为竖直设置顶部连接旋转臂，底部连接旋转电机，所述旋转臂为一体式结构，包括旋转盘以及连接板，所述连接板设置于所述旋转盘一侧，所述连接板顶部与所述竖直板的底部固定连接，所述旋转盘底部中心位置与所述电机旋转轴固定连接。

进一步的，所述透明气室上固定设置有标尺，作为CCD拍摄装置像素识别的参考。

进一步的，为了减小CCD拍照过程中由于拍摄角度问题，避免引起标尺识别误差，保证拍摄方向与气室标尺垂直，所述透明气室底部固定设置有气室平台，气室平台上固定设置有水平仪；所述气室平台为圆形板体结构，所述气室平台底部设置平台安装座，所述平台安装座为方形箱体结构，固定设置于出气管上，所述平台安装座顶部设置有平台安装板，所述平台安装板大小、形状与气室平台相对应，所述平台安装板与所述气室平台呈上下分布，所述平台安装板与所述气室平台之间通过调节螺丝实现连接，使用时通过对调节螺丝进行调节实现气室平台的高低调整。

进一步的，所述气室平台上的水平仪有两个，分别为横向和纵向设置，能够辨别横向和纵向上的位置水平。

进一步的，为了方便检测测量CCD拍摄装置是否水平放置，所述CCD拍摄装置上固定设置有水平仪，所述安装板底部一侧设置有调节螺丝，所述调节螺丝位于所述CCD拍摄装置底部一侧。

进一步的，为了避免工厂内粉尘污染CCD镜头，所述粉尘粒径和浓度采集装置外部设置有一个密封外罩，该外罩用于防尘，所述密封外罩为方形罩体结构，所述旋转底座位于密封外罩内部底部中心位置，所述密封外罩顶部设置有进气口，进气口与进气管的一端固定连接；一侧侧壁上设置有出气口，出气口与出气管的一端固定连接。

为了保证CCD拍摄的亮度和图像识别的光环境，使得测量不依赖与外界光环境就可以进行，密封外罩内部顶部固定设置有无影灯带。

一种基于最小点火能预测的木质粉尘实时监测方法，其特征在于，步骤如下：

(1)将进气口通过外置管道连接在加工企业除尘管道的上风口，出气口通过外置管道连接在除尘管道的下风口，使得除尘管道内的粉尘进入到装置的气室内；

(2)在装配仪器时，通过气室平台与CCD拍摄装置底部的调节螺丝进行调节，保证CCD拍摄装置和气室平台处于水平，从而使CCD拍摄方向垂直于气室标尺方向，减小图像识别过程中，因为角度不同造成的误差；

(3)通过上位机控制CCD拍摄装置在起始方位拍摄一次照片，再通过上位机控制电机，让旋转臂旋转90度，在新方位上再拍摄一次照片；

(4)上位机提取两个方向上的图像，对图像进行预处理，去除噪点，提高图像清晰度；

(5)识别平面图像中的粉尘，通过比对标尺得到粉尘覆盖面积；

(6)对原始照片所有粉尘的面积进行求和，再除以识别出来的总的有效粉尘颗粒数，再把平均面积等效成圆面积，即可得到粉尘平均粒径

(7)按照下式计算偏差，

式中，d_i表示第i次测量的粉尘粒径，n代表总的粒径数目；去除3σ偏离以上的数据，返回第(6)步对粉尘重新进行求和求平均；再重新求偏差，直到所有的数据都在3σ偏离范围内；用最后的平均值来代表粉尘的平均粒径；

(8)对每张照片上粉尘覆盖的面积进行统计，把所有照片上粉尘覆盖面积进行求和。

(9)对每张照片上气室平面的面积进行求和；

(10)用第(8)步的结果除以第(7)步的结果，然后求出粉尘空间占比。用气室体积乘以空间占比得到粉尘体积，再乘以木材密度，即可得到木粉浓度(g/m³)；

(11)多个温度传感器通过串口芯片连接单片机，单片机读取多个点的温度后，为了整体安全，把最高温度通过数据线传回至上位机；

(12)上位机中预先存储有被测木粉的在部分固定浓度、温度和粒径条件下的最小点火能的极小值数据，步骤(11)后上位机得到粉尘的浓度、粒径和温度数据后计算出最小点火能；

(13)上位机根据最小点火能确定最小点火能危险值Ea，并且上位机需预先输入浓度值危险值na；上位机根据最小点火能危险值Ea，浓度值危险值na进行判断：

1、当除尘管道内粉尘超过了na，上位机传送信号给预警装置，预警装置播放语音“降低粉尘浓度”；

2、当前温度和粒径条件下的最小点火能的极小值超过了Ea，但是当前浓度条件下的最小点火能小于Ea，位机传送信号给预警装置，预警装置播放语音“极度危险”。

3、当前温度、粒径和浓度条件下对应的最小点火能超过了Ea，位机传送信号给预警装置，预警装置播放语音“接近爆炸”，并通过其他相关装置启动防爆措施。

本发明的有益效果是：

1、本发明采用的检测装置以及检测方法，能够根据实时测量的浓度、温度和粒径条件，得出粉尘最小点火能，可用于木材加工企业除尘管道的实时监测，准确率高，误报几率小，避免频繁报警，提高生产效率。另外可以额外配置火花探测装置，能够有效的对除尘管道实施监控和预警，降低误报几率，节省企业的防爆成本。

2、利用CCD拍照实时给出粉尘粒径和浓度，装置结构简单，占用空间小，解决了目前难于实时测量除尘管道中木质粉尘粒径和高浓度的难题。

3、本装置设置了无影灯带，保证了CCD拍摄的亮度和图像识别的光环境，使得测量不依赖与外界光环境就可以进行。

4、特别设计透明气室与标尺，并采用多个相机在多角度进行拍摄，一方面避免粉尘之间的遮挡或者重叠影响测量效果，另一方面采用标尺作为像素识别大小的参考，提高拍摄准确性。

5、本装置的木粉浓度测量上限一般达到1000-2000mg/m3。能够很好的满足木材加工企业除尘管道的测量，实用性能高，使用效果佳。

附图说明

图1是本发明的信号示意图。

图2是本发明粉尘粒径和浓度采集装置示意图。

图3是本发明温度采集装置信号示意图。

图4是本发明CCD拍摄装置放大示意图。

图5是本发明气室平台俯视示意图。

图6是本发明旋转底座内部示意图。

图7是采用MIKE3型进口设备根据欧标要求测试的松木最小点火能的曲线图。

附图标记列表：

粉尘粒径和浓度采集装置1、CCD拍摄装置11、透明气室12、密封外罩121、进气口1211、出气口1212、无影灯带1213、进气管13、出气管14、安装旋转机构15、CCD支架151、竖直板1511、安装板1512、旋转臂152、旋转盘1521、连接板1522、旋转底座153、方形壳体1531、旋转电机1532、电机旋转轴1533、标尺16、气室平台17、平台安装座171、平台安装板172、水平仪18、调节螺丝19、螺丝5、

温度采集装置2、数字温度传感器21、单片机22、串口芯片23、上位机3、预警装置4。

具体实施方式

为使本发明的技术方案更加清晰明确，下面结合附图对本发明进行进一步描述，任何对本发明技术方案的技术特征进行等价替换和常规推理得出的方案均落入本发明保护范围。本实施例中所提及的固定连接，固定设置、固定结构均为胶粘、焊接、螺钉连接、螺栓螺母连接、铆接等本领域技术人员所知晓的公知技术。

本实施方式中，采用的高清工业级CCD相机配合显微物镜组成，采用2000万像素的CCD相机，即可识别10um-500um的粉尘颗粒。显微物镜固定安装在CCD相机镜头前，该技术为公知技术，可在市场上直接购得，在此不做赘述。

本实施方式中，温度采集装置中的单片机采用STC32单片机；串口芯片为串口扩展芯片，型号为CH438；数字温度传感器采用DS18B20，该数字传感器使用时需要采用金属外壳封装，固定在除尘管道的不同位置。

本实施方式中的上位机为电脑。

本实施方式中图7为在20-25℃条件下，采用粒径范围0-63um，平均粒径为34um的松木粉，在300-2400mg/L的不同浓度条件下，进行点火爆炸实验的原始数据分析图。图7中实心方框代表爆炸成功，空心方框代表爆炸失败。纵坐标数值代表点火能(单位为mJ)，下方横坐标代表质量浓度(单位为mg/L)。图7中虚线表示根据实验数据得到的最小点火能随浓度变化的关系。

结合附图可见，一种基于最小点火能预测的木质粉尘实时监测装置，其特征在于，包括粉尘粒径和浓度采集装置、温度采集装置、上位机以及预警装置；所述上位机与粉尘粒径和浓度采集装置、温度采集装置、报警装置通过电缆连接；

所述粉尘粒径和浓度采集装置包括CCD拍摄装置、透明气室、进气管以及出气管；所述CCD拍摄装置位于所述透明气室一侧，所述CCD拍摄装置通过电线连接上位机，所述CCD拍摄装置用于拍摄透明气室内部；所述透明气室顶部设置有标尺；所述进气管一端连接除尘管道的上风口，另一端连接透明气室顶部；所述出气管一端连接除尘管道的下风口，另一端连接透明气室底部；

所述温度采集装置包括多个数字温度传感器、单片机以及串口芯片，所述单片机与所述串口芯片电连接，多个数字温度传感器与串口芯片电连接；多个数字温度传感器在除尘管道内均匀分布安装；所述单片机与所述上位机电连接；

所述预警装置为语音提示器。

为了提升CCD拍摄装置的清晰性，所述CCD拍摄装置采用装有显微物镜的高清工业级CCD相机。

为了提升CCD拍摄装置的准确性，采用四台CCD拍摄装置同时抓拍，并且CCD装置可旋转多角度拍摄；所述四台CCD拍摄装置底部设置安装旋转机构，所述安装旋转机构包括CCD支架、旋转臂以及旋转底座；所述述CCD支架为包括竖直板和安装板，所述安装板数量为四个，所述安装板一侧与所述竖直板固定连接，所述CCD拍摄装置固定安装于所述安装板顶部，所述CCD拍摄装置一端底部通过螺栓固定在所述安装板上；所述安装板为两组，每组两个，一组内的两个安装板分别设置于所述竖直板两侧，所述两组安装板在竖直板顶部呈上下分布；

所述旋转底座位于所述透明气室下方位置，所述旋转底座包括方形壳体、旋转电机以及电机旋转轴，所述电机位于所述方形壳体内部，所述电机旋转轴为竖直设置，顶部连接旋转臂，底部连接旋转电机，所述旋转臂为一体式结构，包括旋转盘以及连接板，所述连接板设置于所述旋转盘一侧，所述连接板顶部与所述竖直板的底部固定连接，所述旋转盘底部中心位置与所述电机旋转轴固定连接。

所述透明气室上固定设置有标尺，作为CCD拍摄装置像素识别的参考。

进一步的，为了减小CCD拍照过程中由于拍摄角度问题，避免引起标尺识别误差，保证拍摄方向与气室标尺垂直，所述透明气室底部固定设置有气室平台，气室平台上固定设置有水平仪；所述气室平台为圆形板体结构，所述气室平台底部设置平台安装座，所述平台安装座为方形箱体结构，固定设置于出气管上，所述平台安装座顶部设置有平台安装板，所述平台安装板大小、形状与气室平台相对应，所述平台安装板与所述气室平台呈上下分布，所述平台安装板与所述气室平台之间通过调节螺丝实现连接，使用时通过对调节螺丝进行调节实现气室平台的高低调整。

所述气室平台上的水平仪有两个，分别为横向和纵向设置，能够辨别横向和纵向上的位置水平。

为了方便检测测量CCD拍摄装置是否水平放置，所述CCD拍摄装置上固定设置有水平仪，所述安装板底部一侧设置有调节螺丝，所述调节螺丝位于所述CCD拍摄装置底部一侧。

为了避免工厂内粉尘污染CCD镜头，所述粉尘粒径和浓度采集装置外部设置有一个密封外罩，该外罩用于防尘，所述密封外罩为方形罩体结构，所述旋转底座位于密封外罩内部底部中心位置，所述密封外罩顶部设置有进气口，进气口与进气管的一端固定连接；一侧侧壁上设置有出气口，出气口与出气管的一端固定连接。

使用密封外壳时，所述方形壳体底部与密封外壳内部底部中心位置固定连接。

为了保证CCD拍摄的亮度和图像识别的光环境，使得测量不依赖与外界光环境就可以进行，密封外罩内部顶部固定设置有无影灯带。

一种基于最小点火能预测的木质粉尘实时监测方法，步骤如下：

(1)将进气口通过外置管道连接在加工企业除尘管道的上风口，出气口通过外置管道连接在除尘管道的下风口，使得除尘管道内的粉尘进入到装置的气室内；

(2)在装配仪器时，通过气室平台与CCD拍摄装置底部的调节螺丝进行调节，保证CCD拍摄装置和气室平台处于水平，从而使CCD拍摄方向垂直于气室标尺方向，减小图像识别过程中，因为角度不同造成的误差；

(3)通过上位机控制CCD拍摄装置在起始方位拍摄一次照片，再通过上位机控制电机，让旋转臂旋转90度，在新方位上再拍摄一次照片；

(4)上位机提取两个方向上的图像，对图像进行预处理，去除噪点，提高图像清晰度；

(5)识别平面图像中的粉尘，通过比对标尺得到粉尘覆盖面积；

(6)对原始照片所有粉尘的面积进行求和，再除以识别出来的总的有效粉尘颗粒数，再把平均面积等效成圆面积，即可得到粉尘平均粒径

(7)按照下式计算偏差，

式中，d_i表示第i次测量的粉尘粒径，n代表总的粒径数目；去除3σ偏离以上的数据，返回第(6)步对粉尘重新进行求和求平均；再重新求偏差，直到所有的数据都在3σ偏离范围内；用最后的平均值来代表粉尘的平均粒径；

(8)对每张照片上粉尘覆盖的面积进行统计，把所有照片上粉尘覆盖面积进行求和。

(9)对每张照片上气室平面的面积进行求和；

(10)用第(8)步的结果除以第(7)步的结果，然后求出粉尘空间占比。用气室体积乘以空间占比得到粉尘体积，再乘以木材密度，即可得到木粉浓度(g/m³)；

(11)多个温度传感器通过串口芯片连接单片机，单片机读取多个点的温度后，为了整体安全，把最高温度通过数据线传回至上位机；

(12)上位机中预先存储有被测木粉的在部分固定浓度、温度条件为25℃和粒径条件下的最小点火能的极小值数据，这些数据通过基于实验的原始数据和大量实验数据分析得到的公式；实验根据BS EN 13821—2002标准，使用瑞士Kühner公司生产的MIKE3型设备进行；

现结合图7中部分原始实验数据公开得到最小点火能的极小值的方法。

粉尘的最小点火能跟浓度有关，在所有浓度范围内存在一个极小值；最小点火能的极小值可通过如下公式得到，

上式中，ES代表最小点火能的极小值，E2代表爆炸的能量，图7中对应的为100mJ,E1代表的未爆炸的最低能量，在图7对应的为30mJ。I代表了已经E2点火爆炸成功的次数，图7中I＝7。NI代表在E2能量处所有未爆炸的实验次数，图7中对应的是NI＝1。根据上述公式，可计算得到平均粒径为34um的松木木粉的ES＝39mJ。

木粉的最小点火能的极小值是一个重要数据，超过这个值，即已经处于爆炸的危险中。然而，不可忽略的是，粉尘的最小点火能会随着浓度变化。粉尘最小点火能随浓度变化的关系可以结合实验数据通过二次曲线来进行估算。估算最小点火能随浓度变化的公式如下，

MIE(n)＝α(n-β)²+E_s (b)

该方法估算的最小点火能可以作为实际应用中的安全边际。上式中，n代表粉尘的质量浓度，α和β代表二次曲线的系数，α和β作为现有数据已经存储在上位机中，表1公布了部分木粉的α和β值，α和β值通过预先在实验室中进行实验得到。

α和β值的实验室计算方法如下：以图7为例，说明二次曲线的确定方法。认为二次曲线的最低点对应的浓度是所有燃爆成功浓度值的平均值，最低点对应的的能量是最小点火能的极值，在图7中为(1250mg/L,39mJ)。然后选择左端的一个燃爆未成功的点，该点离燃爆成功的点距离最近，即(250mg/L,100mJ)。认为二次曲线经过这两点(图7中十字标识的点)，然后抛物线开口向上，即可确定α和β(图7中的虚线即为最小点火能随浓度变化的二次曲线关系)。

(14)粉尘最小点火能与粒径也有关系。大量实验表明，粉末粒径越大，最小点火能越高。目前，还没有特别有效的关于最小点火能和粒径的关系。多次实验可以测量得到粉尘在平均粒径取不同值时的最小点火能。在实验未测到的区域，最小点火能极小值可通过邻近插值得到，

MIE(d_x)＝(d_x-d₁)(MIT₂-MIT₁)/(d₂-d₁)+MIT₁ (c)

式中，d1和d2代表实验已测的粉尘粒径，dx代表未测的粒径，dx在d1和d2之间。在所有测量区间外的粒径数据可以通过向外插值得到。

现在举例说明上述公式的使用方法：

如果实验已经测出了d1＝34um时α1，β1值和ES1的值以及d2＝57um时α2，β2值和ES2的值。现在装置传感器测得粉末的实时浓度为n(g/cm^3)，粒径为dx＝40um。则可以按照以下步骤计算得到dx＝40um时最小点火能的极小值Es(dx)和浓度为ng/cm^3时dx＝40um时的最小点火能MIT(dx).

(1)利用公式(b)分别计算出MIE1和MIE2:

MIE1＝α1(n-β1)²+E_s1

MIE2＝α2(n-β2)²+E_s2

(2)利用公式(c)计算得到在浓度为n(g/cm^3)时，dx＝40um的最小点火能MIE(d_x)＝(d_x-d₁)(MIT₂-MIT₁)/(d₂-d₁)+MIT₁

(3)对浓度n取不同值，循环按照步骤(1)和(2)计算不同浓度条件下的最小点火能值，比较得到极小值ES(dx)

粉尘的最小点火能还会随温度变化，粉尘最小点火能随温度变化的公式如下，

MIE(T)＝10^{-4.056+(1.873-0.624log(T))·(logMIE(25C)+4.056)} (d)

式中MIE(T)代表温度为T时的最小点火能。

在上位机系统中已经储存了在25℃时，各种木粉在不同粒径条件下的最小点火能随浓度变化的各参量值。在实际环境中，根据测量系统传回的温度、浓度、粒径数据，结合(a)、(b)、(c)和(d)公式即可得到实时状态下的最小点火能。

现公布部分材料的木粉在25℃时，不同粒径条件下的公式参量，参量均根据原始实验数据，采用上述方法得到。下表中的数据通过实验得到，预先存储进上位机中。(下表中混合木粉从生产线中直接取样得到)

表1木粉燃爆参量(16)上位机根据最小点火能确定最小点火能危险值Ea，Ea即为MIE(T)，并且上位机需预先输入浓度值危险值na，na为现有技术中的爆炸危险浓度；上位机根据最小点火能危险值Ea，浓度值危险值na进行判断：

1、当除尘管道内粉尘超过了na，上位机传送信号给预警装置，预警装置播放语音“降低粉尘浓度”；

2、当前温度和粒径条件下的最小点火能的极小值超过了Ea，但是当前浓度条件下的最小点火能小于Ea，位机传送信号给预警装置，预警装置播放语音“极度危险”。

3、当前温度、粒径和浓度条件下对应的最小点火能超过了Ea，上位机传送信号给预警装置，预警装置播放语音“接近爆炸”，并通过其他相关装置启动防爆措施。比如喷淋水或者惰性气体。

本装置也可通过上位机接口外接其他的火花检测装置联合使用。外接火花检测装置后，最小点火能危险值Ea可以通过火花检测装置提供。企业可以根据上述预警策略及时进行应急处理。

Claims (10)

1.一种基于最小点火能预测的木质粉尘实时监测装置，其特征在于，包括粉尘粒径和浓度采集装置、温度采集装置、上位机以及预警装置；所述上位机与粉尘粒径和浓度采集装置、温度采集装置、报警装置通过电缆连接；

所述粉尘粒径和浓度采集装置包括CCD拍摄装置、透明气室、进气管以及出气管；所述CCD拍摄装置位于所述透明气室一侧，所述CCD拍摄装置通过电线连接上位机，所述CCD拍摄装置用于拍摄透明气室内部；所述透明气室顶部设置有标尺；所述进气管一端连接除尘管道的上风口，另一端连接透明气室顶部；所述出气管一端连接除尘管道的下风口，另一端连接透明气室底部；

所述温度采集装置包括多个数字温度传感器、单片机以及串口芯片，所述单片机与所述串口芯片电连接，多个数字温度传感器与串口芯片电连接；多个数字温度传感器在除尘管道内均匀分布安装；所述单片机与所述上位机电连接；

所述预警装置为语音提示器。

2.根据权利要求1所述的一种基于最小点火能预测的木质粉尘实时监测装置，其特征在于，所述CCD拍摄装置采用装有显微物镜的高清工业级CCD相机。

3.根据权利要求1所述的一种基于最小点火能预测的木质粉尘实时监测装置，其特征在于，所述四台CCD拍摄装置底部设置安装旋转机构，所述安装旋转机构包括CCD支架、旋转臂以及旋转底座；所述述CCD支架为包括竖直板和安装板，所述安装板数量为四个，所述安装板一侧与所述竖直板固定连接，所述CCD拍摄装置固定安装于所述安装板顶部，所述CCD拍摄装置一端底部通过螺栓固定在所述安装板上；所述安装板为两组，每组两个，一组内的两个安装板分别设置于所述竖直板两侧，所述两组安装板在竖直板顶部呈上下分布；

所述旋转底座位于所述透明气室下方位置，所述旋转底座包括方形壳体、旋转电机以及电机旋转轴，所述电机位于所述方形壳体内部，所述电机旋转轴为竖直设置顶部连接旋转臂，底部连接旋转电机，所述旋转臂为一体式结构，包括旋转盘以及连接板，所述连接板设置于所述旋转盘一侧，所述连接板顶部与所述竖直板的底部固定连接，所述旋转盘底部中心位置与所述电机旋转轴固定连接。

4.根据权利要求1所述的一种基于最小点火能预测的木质粉尘实时监测装置，其特征在于，所述透明气室上固定设置有标尺，作为CCD拍摄装置像素识别的参考。

5.根据权利要求1所述的一种基于最小点火能预测的木质粉尘实时监测装置，其特征在于，所述透明气室底部固定设置有气室平台，气室平台上固定设置有水平仪；所述气室平台为圆形板体结构，所述气室平台底部设置平台安装座，所述平台安装座为方形箱体结构，固定设置于出气管上，所述平台安装座顶部设置有平台安装板，所述平台安装板大小、形状与气室平台相对应，所述平台安装板与所述气室平台呈上下分布，所述平台安装板与所述气室平台之间通过调节螺丝实现连接，使用时通过对调节螺丝进行调节实现气室平台的高低调整。

6.根据权利要求1所述的一种基于最小点火能预测的木质粉尘实时监测装置，其特征在于，所述气室平台上的水平仪有两个，分别为横向和纵向设置，能够辨别横向和纵向上的位置水平。

7.根据权利要求1所述的一种基于最小点火能预测的木质粉尘实时监测装置，其特征在于，所述CCD拍摄装置上固定设置有水平仪，所述安装板底部一侧设置有调节螺丝，所述调节螺丝位于所述CCD拍摄装置底部一侧。

8.根据权利要求1所述的一种基于最小点火能预测的木质粉尘实时监测装置，其特征在于，所述粉尘粒径和浓度采集装置外部设置有一个密封外罩，该外罩用于防尘，所述密封外罩为方形罩体结构，所述旋转底座位于密封外罩内部底部中心位置，所述密封外罩顶部设置有进气口，进气口与进气管的一端固定连接；一侧侧壁上设置有出气口，出气口与出气管的一端固定连接。

9.根据权利要求1所述的一种基于最小点火能预测的木质粉尘实时监测装置，其特征在于，密封外罩内部顶部固定设置有无影灯带。

10.一种基于最小点火能预测的木质粉尘实时监测方法，其特征在于，步骤如下：

(1)将进气口通过外置管道连接在加工企业除尘管道的上风口，出气口通过外置管道连接在除尘管道的下风口，使得除尘管道内的粉尘进入到装置的气室内；

(2)在装配仪器时，通过气室平台与CCD拍摄装置底部的调节螺丝进行调节，保证CCD拍摄装置和气室平台处于水平，从而使CCD拍摄方向垂直于气室标尺方向，减小图像识别过程中，因为角度不同造成的误差；

(3)通过上位机控制CCD拍摄装置在起始方位拍摄一次照片，再通过上位机控制电机，让旋转臂旋转90度，在新方位上再拍摄一次照片；

(4)上位机提取两个方向上的图像，对图像进行预处理，去除噪点，提高图像清晰度；

(5)识别平面图像中的粉尘，通过比对标尺得到粉尘覆盖面积；

(6)对原始照片所有粉尘的面积进行求和，再除以识别出来的总的有效粉尘颗粒数，再把平均面积等效成圆面积，即可得到粉尘平均粒径

(7)按照下式计算偏差，

式中，d_i表示第i次测量的粉尘粒径，n代表总的粒径数目；去除3σ偏离以上的数据，返回第(6)步对粉尘重新进行求和求平均；再重新求偏差，直到所有的数据都在3σ偏离范围内；用最后的平均值来代表粉尘的平均粒径；

(8)对每张照片上粉尘覆盖的面积进行统计，把所有照片上粉尘覆盖面积进行求和。

(9)对每张照片上气室平面的面积进行求和；

(10)用第(8)步的结果除以第(7)步的结果，然后求出粉尘空间占比。用气室体积乘以空间占比得到粉尘体积，再乘以木材密度，即可得到木粉浓度(g/m³)；

(11)多个温度传感器通过串口芯片连接单片机，单片机读取多个点的温度后，为了整体安全，把最高温度通过数据线传回至上位机；

(12)上位机中预先存储有被测木粉的在部分固定浓度、温度和粒径条件下的最小点火能的极小值数据，步骤(11)后上位机得到粉尘的浓度、粒径和温度数据后计算出最小点火能；

(13)上位机根据最小点火能确定最小点火能危险值Ea，并且上位机需预先输入浓度值危险值na；上位机根据最小点火能危险值Ea，浓度值危险值na进行判断：

①当除尘管道内粉尘超过了na，上位机传送信号给预警装置，预警装置播放语音“降低粉尘浓度”；

②当前温度和粒径条件下的最小点火能的极小值超过了Ea，但是当前浓度条件下的最小点火能小于Ea，位机传送信号给预警装置，预警装置播放语音“极度危险”。

③当前温度、粒径和浓度条件下对应的最小点火能超过了Ea，位机传送信号给预警装置，预警装置播放语音“接近爆炸”，并通过其他相关装置启动防爆措施。