CN110296912A - 基于超声的粉尘云团扩散动态湍流动能的检测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于超声的粉尘云团扩散动态湍流动能的检测系统及方法。本发明采用脉冲超声波传感器、传感器支撑件、集成电路、摄像头和计算机；脉冲超声波分别顺流和逆流穿过粉尘云团，通过摄像头采集的图像计算得到粉尘扩散速度与脉冲超声波传感器的法线夹角；计算机根据第一和第二脉冲超声收发换能器接收到脉冲超声波的时间差以及夹角，计算得到粉尘扩散速度，进一步得到平均速度和均方根速度，从而得到粉尘云团湍流动能；本发明通过脉冲超声波传感器，测量扩散粉尘云团在超声波脉冲中的湍流动能，根据脉冲电信号的实时响应，建立脉冲超声波与湍流动能的动态梯度关系，实现粉尘扩散湍流的检测，具备客观的应用价值和研究价值。
Description
技术领域
本发明涉及粉尘云团扩散湍流检测技术，具体涉及一种基于超声的粉尘云团扩散动态湍流动能的检测系统及其检测方法。
背景技术
为了全面准确检测区域内的粉尘浓度信息，更好的掌握粉尘浓度的状况，防止浓度超标对操作人员身体的危害，以及对于机器设备运转的影响，应及时预报并解决高浓度的粉尘问题，对确保人身安全和提高环境质量发挥及其重要的作用。
对粉尘云团动态湍流的实时检测是解决粉尘扩散机理，建立粉尘浓度预警系统的前提条件。但是受到粉尘的扩散环境、粉尘颗粒的不规则、温度等外界扰动因素，针对粉尘的扩散分布的湍流探测还很欠缺。
发明内容
针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种基于超声的粉尘云团扩散动态湍流动能的检测系统及检测方法，在粉尘的扩散过程中，将粉尘视为粉尘颗粒/空气的气-固两相混合物，通过测量超声波脉冲的顺流和逆流传播时的速度之差来反映粉尘颗粒的流速，进而计算粉尘云团扩散动态湍流动能。
本发明的一个目的在于提出一种基于超声的粉尘云团扩散动态湍流动能的检测系统。
本发明的基于超声的粉尘云团扩散动态湍流动能的检测系统包括：脉冲超声波传感器、传感器支撑件、集成电路、摄像头和计算机；其中，脉冲超声波传感器固定在传感器支撑件上，位于粉尘云团中待检测的位置；脉冲超声波传感器连接至集成电路；集成电路连接至计算机；脉冲超声波传感器包括第一和第二脉冲超声收发换能器，第一和第二脉冲超声收发换能器同时作为发射器和接收器相对放置，二者之间的距离为L；摄像头固定在传感器支撑件上，正对第一和第二脉冲超声收发换能器之间的区域，摄像头连接计算机；计算机控制集成电路与摄像头同步；摄像头拍摄粉尘云团的扩散动态过程，将图像传输至计算机，计算机分析图像，得到在脉冲超声波传感器处的粉尘云团随时间的颗粒运动轨迹，从而计算得到粉尘扩散速度与第一和第二脉冲超声收发换能器的法线夹角；计算机控制集成电路在当前采样时刻同时向第一和第二脉冲超声收发换能器发出脉冲电信号，第一和第二脉冲超声收发换能器接收到脉冲电信号并转换为脉冲超声波，同时向对方发送出脉冲超声波；脉冲超声波分别顺流和逆流穿过粉尘云团，被第一和第二脉冲超声收发换能器接收，转换为脉冲超声模拟信号后传输至集成电路；集成电路经过滤波放大并转换成超声数字信号处理后，传输至计算机；计算机根据第一和第二脉冲超声收发换能器接收到脉冲超声波的时间差以及粉尘扩散速度与第一和第二脉冲超声收发换能器的法线夹角，计算得到在脉冲超声波传感器处每次采样时刻的粉尘扩散速度，并根据多次采样时刻的粉尘扩散速度得到粉尘扩散平均速度和均方根速度，最终计算得到粉尘云团扩散动态湍流动能。
集成电路包括：电源管理电路、脉冲超声产生电路、信号滤波调制电路、信号放大电路、A/D转换电路、控制处理器和串口通讯接口；其中，控制处理器连接至脉冲超声产生电路，脉冲超声产生电路连接至第一和第二脉冲超声收发换能器，第一和第二脉冲超声收发换能器连接至信号滤波调制电路，信号滤波调制电路连接至信号放大电路，信号放大电路连接至A/D转换电路，A/D转换电路连接至控制处理器，电源管理电路连接至脉冲超声产生电路、信号滤波调制电路、信号放大电路、A/D转换电路和控制处理器，提供工作电压；控制处理器通过串口通讯接口经由串口数据线连接至计算机；控制处理器激励脉冲超声产生电路生成脉冲电信号至第一和第二脉冲超声收发换能器，第一和第二脉冲超声收发换能器通过压电效应，将脉冲电信号转换成脉冲超声波；第一和第二脉冲超声收发换能器接收到来自对方的脉冲超声波，同样利用压电效应转换成脉冲超声模拟信号传输至信号滤波调制电路；信号滤波调制电路对脉冲超声模拟信号进行消除噪声干扰和整流后传输至信号放大电路；信号放大电路对去噪和整流后的脉冲超声模拟信号进行信号放大，便于信号的特征提取后传输至A/D转换电路；A/D转换电路将脉冲超声模拟信号转换成超声数字信号，最终实时存储至控制处理器，并通过串口通讯接口经串口数据线实时将超声数字信号传送至计算机。
换能器支撑件采用聚氨酯软材料，避免对超声换能的挤压导致脉冲超声波的畸变。
第一和第二脉冲超声收发换能器之间的距离L为30mm～50mm。
本发明的另一个目的在于提供一种基于超声的粉尘云团扩散动态湍流动能的检测系统的检测方法。
本发明的基于超声的粉尘云团扩散动态湍流动能的检测系统的检测方法，包括以下步骤：
1)计算机控制集成电路与摄像头同步；
2)计算机控制集成电路在当前采样时刻同时向第一和第二脉冲超声收发换能器发出脉
冲电信号，第一和第二脉冲超声收发换能器接收到脉冲电信号并转换为脉冲超声波，同
时向对方发送出脉冲超声波；
3)脉冲超声波分别顺流和逆流穿过粉尘云团，被第一和第二脉冲超声收发换能器接收；
4)第一和第二脉冲超声收发换能器将脉冲超声波转换为脉冲超声模拟信号后传输至集
成电路；集成电路经过滤波放大并转换成超声数字信号处理后，传输至计算机；
5)计算机得到第i采样时刻的第一和第二脉冲超声收发换能器接收到脉冲超声波的时间
差ΔTi，i＝1,……,n，n为采样次数，n≥2的自然数；
6)摄像头同步拍摄粉尘云团的扩散动态过程，将图像传输至计算机，计算机分析图像，
得到在脉冲超声波传感器处的粉尘云团随时间的颗粒运动轨迹，从而计算得到当前采样
时刻的粉尘扩散速度与第一和第二脉冲超声收发换能器的法线夹角θi；
7)计算机根据第一和第二脉冲超声收发换能器接收到脉冲超声波的时间差ΔTi以及第i
采样时刻的粉尘扩散速度与第一和第二脉冲超声收发换能器的法线夹角θi，计算得到脉
冲超声波传感器处第i采样时刻的脉冲超声波传感器处的粉尘扩散速度vi：
其中，L为第一和第二脉冲超声收发换能器之间的距离，c为超声在空气中的传播速度，
i＝1,……,n，n为采样次数，n为自然数；
8)重复步骤2)～7)，直至完成n次采样；
9)计算机根据n次采样的粉尘扩散速度，计算得到粉尘扩散平均速度U和均方根速度u’：
10)计算得到粉尘云团扩散动态湍流动能k：
其中，I为湍流强度，I＝u′/U。
其中，在步骤7)中，脉冲超声波从第一脉冲超声收发换能器至第二脉冲超声收发换能器为顺流传播，则脉冲超声波从第二脉冲超声收发换能器至第一脉冲超声收发换能器为逆流传播，t1i为脉冲超声波从第一脉冲超声收发换能器至第二脉冲超声收发换能器的传播时间，t2i为脉冲超声波从第一脉冲超声收发换能器至第二脉冲超声收发换能器的传播时间：
得到
理想情况下，ΔTi是完全由粉尘扩散顺逆流不同所引起的，但实际上因为超声换能器和集成电路的因素，时间差不完全由粉尘扩散的顺逆流导致，同时包含了一些额外的时间差引入，具体包括：发射时，从产生脉冲电信号到发射出脉冲电信号的转换过程中，第一和第二脉冲超声收发换能器产生的额外时间，分别记为tτ1和tτ2；接收时，从接收脉冲超声波传输至信号处理转换过程中，第一和第二脉冲超声收发换能器产生的额外的时间，分别记为tω1和tω2；tτ1、tτ2、tω1和tω2为系统的固有值，直接由脉冲超声波传感器和集成电路系统中读取。因此对第一和第二脉冲超声收发换能器接收到脉冲超声波的时间差ΔTi做一个补偿，得到补偿值计算公式为：
湍流是一种不规则的流动状态，其变量随时间和空间呈随机变化，用数学建模的方法很难准确地描述湍流动态规律。本发明对粉尘云团动态湍流的实时检测是解决粉尘扩散机理，研究粉尘爆炸动态特性参数，建立粉尘浓度预警系统的前提条件。
本发明的优点：
本发明通过脉冲超声波传感器，测量扩散粉尘云团在超声波脉冲中的湍流动能，根据脉冲电信号的实时响应，建立脉冲超声波与湍流动能的动态梯度关系，实现粉尘扩散湍流的检测，具备客观的应用价值和研究价值。
附图说明
图1为本发明的基于超声的粉尘云团扩散动态湍流动能的检测系统的一个实施例的示意图；
图2为本发明的基于超声的粉尘云团扩散动态湍流动能的检测系统的检测原理的示意图；
图3为本发明的基于超声的粉尘云团扩散动态湍流动能的检测系统的集成电路的结构框图；
图4为本发明的基于超声的粉尘云团扩散动态湍流动能的检测方法的流程图；
图5为根据本发明的基于超声的粉尘云团扩散动态湍流动能的检测方法得到的扩散仿真图。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。
在本实施例中，采用粉尘喷洒装置1对本发明的粉尘云团扩散动态湍流动能的检测系统进行测试。
如图1所示，本发明的基于超声的粉尘云团扩散动态湍流动能的检测系统包括：粉尘喷洒装置1、脉冲超声波传感器2、传感器支撑件3、集成电路4、喷洒装置控制器5、摄像头7和计算机6；其中，脉冲超声波传感器2固定在传感器支撑件3上，位于粉尘喷洒装置1中；脉冲超声波传感器2连接至集成电路4；集成电路4连接至计算机6；脉冲超声波传感器2包括第一和第二脉冲超声收发换能器，第一和第二脉冲超声收发换能器同时作为发射器和接收器相对放置，二者之间的距离为L；摄像头7固定在传感器支撑件3上，正对第一和第二脉冲超声收发换能器之间的区域，摄像头7连接计算机6。喷洒装置控制器5分别连接至粉尘喷洒装置1和计算机6。
如图2所示，第一和第二脉冲超声收发换能器同时作为发射器和接收器相对放置，二者之间的距离为L；在脉冲超声波传感器处的粉尘扩散速度为v，粉尘扩散速度与第一和第二脉冲超声收发换能器的法线夹角为θ。
如图3所示，集成电路包括：电源管理电路、脉冲超声产生电路、信号滤波调制电路、信号放大电路、A/D转换电路、控制处理器和串口通讯接口；其中，控制处理器连接至脉冲超声产生电路，脉冲超声产生电路连接至第一和第二脉冲超声收发换能器，第一和第二脉冲超声收发换能器连接至信号滤波调制电路，信号滤波调制电路连接至信号滤波调制电路信号放大电路，信号滤波调制电路连接至A/D转换电路，A/D转换电路连接至控制处理器，电源管理电路连接至脉冲超声产生电路、信号滤波调制电路、信号放大电路、A/D转换电路和控制处理器，提供工作电压。
本实施例的基于超声的粉尘云团扩散动态湍流动能的检测系统的检测方法，如图4所示，包括以下步骤：
1)将设定的粉尘质量的粉尘填充在粉尘喷洒装置，计算机控制集成电路、摄像头与喷洒装置控制器同步，计算机通过喷洒装置控制器控制粉尘喷洒装置按照设定的喷洒压力，向扩散容器内喷洒粉尘，粉尘云团在扩散容器内扩散；
2)计算机控制集成电路在当前采样时刻同时向第一和第二脉冲超声收发换能器发出脉冲电信号，第一和第二脉冲超声收发换能器接收到脉冲电信号并转换为脉冲超声波，同时向对方发送出脉冲超声波；
3)脉冲超声波分别顺流和逆流穿过粉尘云团，被第一和第二脉冲超声收发换能器接收；
4)第一和第二脉冲超声收发换能器将脉冲超声波转换为脉冲超声模拟信号后传输至集成电路；集成电路经过滤波放大并转换成超声数字信号处理后，传输至计算机；
5)计算机根据第i采样时刻的第一和第二脉冲超声收发换能器接收到脉冲超声波的时间差ΔTi，i＝1,……,n，n为采样次数，n＝50；
6)摄像头同步拍摄粉尘云团的扩散动态过程，将图像传输至计算机，计算机分析图像，得到在脉冲超声波传感器处的粉尘云团随时间的颗粒运动轨迹，从而计算得到当前采样时刻的粉尘扩散速度与第一和第二脉冲超声收发换能器的法线夹角为θi；
7)计算机得到第一和第二脉冲超声收发换能器接收到脉冲超声波的时间差ΔTi以及第i采样时刻的粉尘扩散速度与第一和第二脉冲超声收发换能器的法线夹角θi，计算得到第i采样时刻的脉冲超声波传感器处的粉尘扩散速度vi：
得到t1i和t2i分别为第i采样时刻的第一和第二脉冲超声收发换能器接收到脉冲超声波的时间，脉冲超声波从第一至第二脉冲超声收发换能器为顺流传播，则脉冲超声波从第二至第一脉冲超声收发换能器为逆流传播；其中，L为第一和第二脉冲超声收发换能器之间的距离；发射时，从产生脉冲电信号到发射出脉冲电信号的转换过程中，第一和第二脉冲超声收发换能器产生的额外时间，分别记为tτ1和tτ2；接收时，从接收脉冲超声波传输至信号处理转换过程中，第一和第二脉冲超声收发换能器产生的额外的时间，分别记为tω1和tω2；tτ1、tτ2、tω1和tω2为系统的固有值，直接由脉冲超声波传感器和集成电路系统中读取，进一步修正时间差公式为：
从而根据上式得到脉冲超声波传感器处第i采样时刻的粉尘扩散速度vi；
8)重复步骤2)～7)，直至完成50次采样；
9)计算机50次采样的粉尘扩散速度得到粉尘扩散平均速度U和均方根速度u’：
10)计算得到粉尘云团扩散动态湍流动能k：
其中，I为湍流强度，I＝u′/U。
在本实施例中，在喷洒前，能够根据设定的喷洒压力、粉尘质量、扩散时间和扩散容器的形状，进行仿真，得到粉尘随时间的颗粒运动轨迹，从而得到脉冲超声波传感器处的随时间的粉尘扩散速度与第一和第二脉冲超声收发换能器的法线夹角θ，结果表明与摄像头拍摄得到的颗粒运动轨迹符合得很好，如图5所示，证明本发明实用可行。
最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
Claims (6)
1.一种基于超声的粉尘云团扩散动态湍流动能的检测系统，其特征在于，所述检测系统包括：脉冲超声波传感器、传感器支撑件、集成电路、摄像头和计算机；其中，脉冲超声波传感器固定在传感器支撑件上，位于粉尘云团中待检测的位置；脉冲超声波传感器连接至集成电路；集成电路连接至计算机；脉冲超声波传感器包括第一和第二脉冲超声收发换能器，第一和第二脉冲超声收发换能器同时作为发射器和接收器相对放置，二者之间的距离为L；摄像头固定在传感器支撑件上，正对第一和第二脉冲超声收发换能器之间的区域，摄像头连接计算机；计算机控制集成电路与摄像头同步；摄像头拍摄粉尘云团的扩散动态过程，将图像传输至计算机，计算机分析图像，得到在脉冲超声波传感器处的粉尘云团随时间的颗粒运动轨迹，从而计算得到粉尘扩散速度与第一和第二脉冲超声收发换能器的法线夹角；计算机控制集成电路在当前采样时刻同时向第一和第二脉冲超声收发换能器发出脉冲电信号，第一和第二脉冲超声收发换能器接收到脉冲电信号并转换为脉冲超声波，同时向对方发送出脉冲超声波；脉冲超声波分别顺流和逆流穿过粉尘云团，被第一和第二脉冲超声收发换能器接收，转换为脉冲超声模拟信号后传输至集成电路；集成电路经过滤波放大并转换成超声数字信号处理后，传输至计算机；计算机根据第一和第二脉冲超声收发换能器接收到脉冲超声波的时间差以及粉尘扩散速度与第一和第二脉冲超声收发换能器的法线夹角，计算得到在脉冲超声波传感器处每次采样时刻的粉尘扩散速度，并根据多次采样时刻的粉尘扩散速度得到粉尘扩散平均速度和均方根速度，最终计算得到粉尘云团扩散动态湍流动能。
2.如权利要求1所述的检测系统，其特征在于，所述集成电路包括：电源管理电路、脉冲超声产生电路、信号滤波调制电路、信号放大电路、A/D转换电路、控制处理器和串口通讯接口；其中，控制处理器连接至脉冲超声产生电路，脉冲超声产生电路连接至第一和第二脉冲超声收发换能器，第一和第二脉冲超声收发换能器连接至信号滤波调制电路，信号滤波调制电路连接至信号放大电路，信号放大电路连接至A/D转换电路，A/D转换电路连接至控制处理器，电源管理电路连接至脉冲超声产生电路、信号滤波调制电路、信号放大电路、A/D转换电路和控制处理器，提供工作电压；控制处理器通过串口通讯接口经由串口数据线连接至计算机；控制处理器激励脉冲超声产生电路生成脉冲电信号至第一和第二脉冲超声收发换能器，第一和第二脉冲超声收发换能器通过压电效应，将脉冲电信号转换成脉冲超声波；第一和第二脉冲超声收发换能器接收到来自对方的脉冲超声波，同样利用压电效应转换成脉冲超声模拟信号传输至信号滤波调制电路；信号滤波调制电路对脉冲超声模拟信号进行消除噪声干扰和整流后传输至信号放大电路；信号放大电路对去噪和整流后的脉冲超声模拟信号进行信号放大，便于信号的特征提取后传输至A/D转换电路；A/D转换电路将脉冲超声模拟信号转换成超声数字信号，最终实时存储至控制处理器，并通过串口通讯接口经串口数据线实时将超声数字信号传送至计算机。
3.如权利要求1所述的检测系统，其特征在于，所述换能器支撑件采用聚氨酯软材料。
4.如权利要求1所述的检测系统，其特征在于，所述第一和第二脉冲超声收发换能器之间的距离L为30mm～50mm。
5.一种如权利要求1所述的基于超声的粉尘云团扩散动态湍流动能的检测系统的检测方法，其特征在于，所述检测方法包括以下步骤：
1)计算机控制集成电路与摄像头同步；
2)计算机控制集成电路在当前采样时刻同时向第一和第二脉冲超声收发换能器发出脉冲电信号，第一和第二脉冲超声收发换能器接收到脉冲电信号并转换为脉冲超声波，同时向对方发送出脉冲超声波；
3)脉冲超声波分别顺流和逆流穿过粉尘云团，被第一和第二脉冲超声收发换能器接收；
4)第一和第二脉冲超声收发换能器将脉冲超声波转换为脉冲超声模拟信号后传输至集成电路；集成电路经过滤波放大并转换成超声数字信号处理后，传输至计算机；
5)计算机得到第i采样时刻的第一和第二脉冲超声收发换能器接收到脉冲超声波的时间差ΔTi，i＝1,……,n，n为采样次数，n≥2的自然数；
6)摄像头同步拍摄粉尘云团的扩散动态过程，将图像传输至计算机，计算机分析图像，得到在脉冲超声波传感器处的粉尘云团随时间的颗粒运动轨迹，从而计算得到当前采样时刻的粉尘扩散速度与第一和第二脉冲超声收发换能器的法线夹角θi；
7)计算机根据第一和第二脉冲超声收发换能器接收到脉冲超声波的时间差ΔTi以及第i采样时刻的粉尘扩散速度与第一和第二脉冲超声收发换能器的法线夹角θi，计算得到脉冲超声波传感器处第i采样时刻的脉冲超声波传感器处的粉尘扩散速度vi：
其中，L为第一和第二脉冲超声收发换能器之间的距离，c为超声在空气中的传播速度，i＝1,……,n，n为采样次数，n为自然数；
8)重复步骤2)～7)，直至完成n次采样；
9)计算机根据n次采样的粉尘扩散速度，计算得到粉尘扩散平均速度U和均方根速度u’：
10)计算得到粉尘云团扩散动态湍流动能k：
其中，I为湍流强度，I＝u′/U。
6.如权利要求5所述的检测方法，其特征在于，在步骤7)中，对第一和第二脉冲超声收发换能器接收到脉冲超声波的时间差ΔTi做一个补偿，得到补偿值计算公式为：
其中，tτ1和tτ2分别为发射时第一和第二脉冲超声收发换能器产生的额外时间，tω1和tω2分别为接收时第一和第二脉冲超声收发换能器产生的额外的时间，根据上式得到脉冲超声波传感器处第i采样时刻的粉尘扩散速度vi。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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