CN110296913A - 一种可燃粉尘扩散动态浓度的检测系统及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可燃粉尘扩散动态浓度的检测系统及其检测方法。本发明通过粉尘浓度传感器，测量粉尘扩散动态浓度对脉冲超声波的能量衰减，根据脉冲频率的实时响应，建立脉冲超声波与粉尘扩散动态浓度的动态关系，实现粉尘扩散动态浓度的实时检测；本发明的可燃粉尘扩散动态浓度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以及建立粉尘扩散动态浓度预警系统的前提条件；粉尘扩散动态浓度是一种不规则的流动状态，其变量随时间和空间呈非线性变化，用数学建模的方法很难准确地描述粉尘扩散的浓度动态规律；本发明具备客观的应用价值和研究价值。

Description

一种可燃粉尘扩散动态浓度的检测系统及其检测方法

技术领域

本发明涉及粉尘云团扩散动态检测技术，具体涉及一种可燃粉尘扩散动态浓度的检测系统及检测方法。

背景技术

为了全面准确检测区域内的粉尘扩散动态浓度信息，更好的掌握粉尘扩散动态浓度的状况，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，避免粉尘云团达到一定浓度引发爆炸事故，应及时预报并解决浓度的探测问题，对确保人身安全和提高环境质量发挥及其重要的作用。

对可燃粉尘扩散云团动态浓度的实时检测是解决可燃粉尘扩散机理，建立可燃粉尘扩散动态浓度预警系统的前提条件。但是受到可燃粉尘的扩散环境、粉尘颗粒的不规则、温度等外界扰动因素，针对可燃粉尘的扩散分布的浓度探测还很欠缺。

发明内容

针对可燃粉尘云团扩散浓度的探测问题，本发明提出了一种可燃粉尘扩散动态浓度的检测系统及检测方法，在可燃粉尘的扩散过程中，将其视为粉尘颗粒/空气的气-固两相混合物，采用超声检测，通过测量超声波在可燃粉尘中传播会产生能量衰减，通过检测衰减进而计算粉尘扩散动态浓度的一种算法实现。

本发明的一个目的在于提出一种可燃粉尘扩散动态浓度的检测系统。

本发明的可燃粉尘扩散动态浓度的检测系统包括：粉尘浓度传感器、传感器支撑件、集成处理电路和计算机；其中，粉尘浓度传感器固定在传感器支撑件上，位于粉尘云团中待检测的区域；粉尘浓度传感器连接至集成处理电路；集成处理电路连接至计算机；粉尘浓度传感器包括脉冲超声发射换能器和脉冲超声接收换能器，二者之间的距离为L；计算机控制集成处理电路在当前采样时刻向脉冲超声发射换能器发出脉冲电信号，脉冲超声发射换能器接收到脉冲电信号并转换为脉冲超声波，并发送出脉冲超声波；脉冲超声波穿过粉尘传播，脉冲衰减信号被脉冲超声接收换能器接收，转换为脉冲超声模拟信号后传输至集成处理电路；集成处理电路经过滤波放大并转换成超声数字信号后，传输至计算机；计算机以脉冲超声波穿过空气作为参考信号，通过穿过粉尘的脉冲衰减信号与穿过空气的参考信号作对比，得到在粉尘中的超声衰减系数，并结合粉尘透射衰减传递函数，实时计算得到粉尘扩散动态浓度。

集成处理电路包括：电源管理电路、信号发生电路、驱动放大电路、信号放大滤波电路、A/D转换电路、控制处理器和串口通讯接口；其中，控制处理器连接至信号发生电路，信号发生电路连接至驱动放大电路，驱动放大电路连接至粉尘浓度传感器；粉尘浓度传感器连接至信号放大滤波电路，信号放大滤波电路连接至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信号发生电路、驱动放大电路、信号放大滤波电路、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；控制处理器激励信号发生电路生成脉冲电信号至驱动放大电路，放大后输出至脉冲超声发射换能器；脉冲超声发射换能器利用压电效应将脉冲电信号转换成脉冲超声波，穿过粉尘，参考信号或脉冲衰减信号由脉冲超声接收换能器接收，同样利用压电效应转换成脉冲超声模拟信号传输至信号放大滤波电路，经滤波放大后传输至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。

脉冲超声发射换能器和脉冲超声接收换能器之间的距离L为30～50mm。

传感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。

本发明的另一个目的在于提供一种可燃粉尘扩散动态浓度的检测系统的检测方法。

脉冲超声波穿过空气的参考信号的响应函数为A_a，脉冲超声波穿过粉尘的脉冲衰减信号的响应函数为A_d(t)，满足如下关系：

A_d(t)＝A_ae^-α(t)L (1)

其中，α(t)为脉冲超声波衰减系数，L为脉冲超声发射换能器与脉冲超声接收换能器之间的距离。

并且，脉冲超声波穿过粉尘的脉冲衰减信号的响应函数A_d(t)与脉冲超声波穿过空气的参考信号的响应函数A_a满足如下关系：

A_d(t)＝A_aT(t) (2)

T(t)为粉尘透射衰减传递函数，并且T(t)满足：

其中，Z_a为空气的声阻抗，Z_a＝ρ_aV_a，Z_d(t)为粉尘的声阻抗，Z_d(t)＝ρ_d(t)V_d，k为透射系数，V_d为脉冲超声波透过粉尘颗粒的速度，均为已知量，由粉尘的材料特性确定。

由式(1)得到：

由式(2)和(3)得到：

结合式(4)和(5)得到：

通过一组窄带脉冲用作脉冲超声发射换能器的激励信号，产生超声脉冲波，穿透粉尘云团的超声衰减由式(4)来确定。发射的脉冲超声波在脉冲超声接收换能器的中心频率上表现出其最大能量，并且带宽超声换能器的设计频率给出的特性确定。通过脉冲超声接收换能器接收参考信号和脉冲衰减信号，集成处理电路实时采集信号并由计算机提取中心频率f上的最大峰值，也就是参考信号和脉冲衰减信号的响应函数峰值Max{A_d ^(f)}和Max{A_d ^(f)(t)}。因此，脉冲超声波衰减系数测量值为：

从而得到：

本发明的可燃粉尘扩散动态浓度的检测系统的检测方法，包括以下步骤：

1)计算机控制集成处理电路向脉冲超声发射换能器发出脉冲电信号，脉冲超声发射换能器接收到脉冲电信号并转换为脉冲超声波，并发送出脉冲超声波；

2)脉冲超声波穿过空气传播，作为参考信号被脉冲超声接收换能器接收，转换为脉冲超声模拟信号后传输至集成处理电路；

3)集成处理电路经过滤波放大并转换成超声数字信号后，传输至计算机，得到脉冲超声波穿过空气的参考信号的响应函数峰值Max{A_a ^(f)}；

4)计算机控制集成处理电路在当前采样时刻向脉冲超声发射换能器发出脉冲电信号，脉冲超声发射换能器接收到脉冲电信号并转换为脉冲超声波，并发送出脉冲超声波；

5)脉冲超声波穿过粉尘传播，脉冲衰减信号被脉冲超声接收换能器接收，转换为脉冲超声模拟信号后传输至集成处理电路；

6)集成处理电路经过滤波放大并转换成超声数字信号后，传输至计算机，计算机得到当前时刻t的脉冲超声波穿过粉尘的脉冲衰减信号的响应函数峰值Max{A_d ^(f)(t)}；

7)计算机以脉冲超声波穿过空气的参考信号的响应函数峰值Max{A_a ^(f)}作为参考，得到当前时刻的脉冲超声波衰减系数测量值

其中，L为脉冲超声发射换能器与脉冲超声接收换能器之间的距离；

8)根据当前时刻的脉冲超声波衰减系数测量值计算得到当前时刻的粉尘扩散动态浓度ρ_d(t)：

其中，ρ_a为空气的密度，V_a为脉冲超声波在空气中的速度，V_d为脉冲超声波透过粉尘颗粒的速度，k为透射系数，均为已知量。

在步骤8)中，A_d ^(f)(t)与A_d ^(f)(t)的关系满足：

A_d ^(f)(t)＝T(t)A_a ^(f)

其中，T(t)为当前时刻的粉尘透射衰减传递函数，Z_a为空气的声阻抗，Z_a＝ρ_aV_a，Z_d(t)为粉尘的声阻抗，Z_d(t)＝ρ_d(t)V_d，因此得到：

从而得到

本发明的优点：

本发明的可燃粉尘扩散动态浓度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以及建立粉尘扩散动态浓度预警系统的前提条件；粉尘扩散动态浓度是一种不规则的流动状态，其变量随时间和空间呈非线性变化，用数学建模的方法很难准确地描述粉尘扩散的浓度动态规律；本发明通过研制的粉尘浓度传感器，测量粉尘扩散动态浓度对脉冲超声波的能量衰减，根据脉冲频率的实时响应，建立脉冲超声波与粉尘扩散动态浓度的动态关系，实现粉尘扩散动态浓度的实时检测，具备客观的应用价值和研究价值。

附图说明

图1为本发明的可燃粉尘扩散动态浓度的检测系统的一个实施例的示意图；

图2为本发明的可燃粉尘扩散动态浓度的检测系统的检测原理的示意图；

图3为本发明的可燃粉尘扩散动态浓度的检测系统的集成处理电路的结构框图；

图4为本发明的可燃粉尘扩散动态浓度的检测系统的检测方法的流程图；

图5为根据本发明的可燃粉尘扩散动态浓度的检测系统的检测方法得到的浓度仿真图。

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对本发明的可燃粉尘扩散动态浓度的检测系统进行测试。

如图1所示，本实施例的可燃粉尘扩散动态浓度的检测系统包括：粉尘喷洒装置1、粉尘浓度传感器2、传感器支撑件3、集成处理电路4、喷洒装置控制器5和计算机6；其中，粉尘浓度传感器2固定在传感器支撑件3上，粉尘浓度传感器2位于粉尘喷洒装置1中待检测的区域，粉尘浓度传感器包括脉冲超声发射换能器和脉冲超声接收换能器，二者之间的距离为L；粉尘浓度传感器2连接至集成处理电路4；集成处理电路4连接至计算机6。粉尘喷洒装置1中装有设定质量的粉尘，粉尘喷洒装置1连接至喷洒装置控制器5，喷洒装置控制器5连接至计算机6。粉尘喷洒装置1的扩散容器的容量为20L。

如图2所示，脉冲超声发射换能器和脉冲超声接收换能器之间的距离为L。

如图3所示，集成处理电路包括：电源管理电路、信号发生电路、驱动放大电路、信号放大滤波电路、A/D转换电路、控制处理器和串口通讯接口；其中，控制处理器连接至信号发生电路，信号发生电路连接至驱动放大电路，驱动放大电路连接至粉尘浓度传感器；粉尘浓度传感器连接至信号放大滤波电路，信号放大滤波电路连接至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信号发生电路、驱动放大电路、信号放大滤波电路、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。

本实施例的可燃粉尘扩散动态浓度的检测系统的检测方法，包括以下步骤：

1)计算机控制集成处理电路和喷洒装置控制器同步；计算机通过喷洒装置控制器控制喷洒装置按照设定的粉尘质量、喷洒压力和扩散时间，向扩散容器内喷洒粉尘；计算机控制集成处理电路向脉冲超声发射换能器发出脉冲电信号，脉冲超声发射换能器接收到脉冲电信号并转换为脉冲超声波，并发送出脉冲超声波；

2)脉冲超声波穿过空气传播，作为参考信号被脉冲超声接收换能器接收，转换为脉冲超声模拟信号后传输至集成处理电路；

3)集成处理电路经过滤波放大并转换成超声数字信号后，传输至计算机，得到脉冲超声波穿过空气的参考信号的响应函数峰值Max{A_a ^(f)}；

4)计算机控制集成处理电路在当前采样时刻向脉冲超声发射换能器发出脉冲电信号，脉冲超声发射换能器接收到脉冲电信号并转换为脉冲超声波，并发送出脉冲超声波；

5)脉冲超声波穿过粉尘传播，脉冲衰减信号被脉冲超声接收换能器接收，转换为脉冲超声模拟信号后传输至集成处理电路；

6)集成处理电路经过滤波放大并转换成超声数字信号后，传输至计算机，计算机得到当前时刻t的脉冲超声波穿过粉尘的脉冲衰减信号的响应函数峰值Max{A_d ^(f)(t)}；

7)计算机以脉冲超声波穿过空气的参考信号的响应函数峰值Max{A_a ^(f)}作为参考，得到当前时刻的脉冲超声波衰减系数测量值

其中，L为脉冲超声发射换能器与脉冲超声接收换能器之间的距离；

8)根据当前时刻的脉冲超声波衰减系数测量值计算得到当前时刻的粉尘扩散动态浓度ρ_d(t)：

其中，ρ_a为空气的密度，V_a为脉冲超声波在空气中的速度，V_d为脉冲超声波透过粉尘颗粒的速度，k为透射系数，均为已知量。

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，得到粉尘云团的浓度仿真图，如图5所示，与测量值符合，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)

1.一种可燃粉尘扩散动态浓度的检测系统，其特征在于，所述检测系统包括：粉尘浓度传感器、传感器支撑件、集成处理电路和计算机；其中，粉尘浓度传感器固定在传感器支撑件上，位于粉尘云团中待检测的区域；粉尘浓度传感器连接至集成处理电路；集成处理电路连接至计算机；粉尘浓度传感器包括脉冲超声发射换能器和脉冲超声接收换能器，二者之间的距离为L；计算机控制集成处理电路在当前采样时刻向脉冲超声发射换能器发出脉冲电信号，脉冲超声发射换能器接收到脉冲电信号并转换为脉冲超声波，并发送出脉冲超声波；脉冲超声波穿过粉尘传播，脉冲衰减信号被脉冲超声接收换能器接收，转换为脉冲超声模拟信号后传输至集成处理电路；集成处理电路经过滤波放大并转换成超声数字信号后，传输至计算机；计算机以脉冲超声波穿过空气作为参考信号，通过穿过粉尘的脉冲衰减信号与穿过空气的参考信号作对比，得到在粉尘中的超声衰减系数，并结合粉尘透射衰减传递函数，实时计算得到粉尘扩散动态浓度。

2.如权利要求1所述的检测系统，其特征在于，所述集成处理电路包括：电源管理电路、信号发生电路、驱动放大电路、信号放大滤波电路、A/D转换电路、控制处理器和串口通讯接口；其中，控制处理器连接至信号发生电路，信号发生电路连接至驱动放大电路，驱动放大电路连接至粉尘浓度传感器；粉尘浓度传感器连接至信号放大滤波电路，信号放大滤波电路连接至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信号发生电路、驱动放大电路、信号放大滤波电路、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；控制处理器激励信号发生电路生成脉冲电信号至驱动放大电路，放大后输出至脉冲超声发射换能器；脉冲超声发射换能器利用压电效应将脉冲电信号转换成脉冲超声波，穿过粉尘，参考信号或脉冲衰减信号由脉冲超声接收换能器接收，同样利用压电效应转换成脉冲超声模拟信号传输至信号放大滤波电路，经滤波放大后传输至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，所述脉冲超声发射换能器和脉冲超声接收换能器之间的距离L为30～50mm。

4.如权利要求1所述的检测系统，其特征在于，所述传感器支撑件采用聚氨酯软材料。

5.一种如权利要求1所述的可燃粉尘扩散动态浓度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)计算机计算机控制集成处理电路向脉冲超声发射换能器发出脉冲电信号，脉冲超声发射换能器接收到脉冲电信号并转换为脉冲超声波，并发送出脉冲超声波；

2)脉冲超声波穿过空气传播，作为参考信号被脉冲超声接收换能器接收，转换为脉冲超声模拟信号后传输至集成处理电路；

3)集成处理电路经过滤波放大并转换成超声数字信号后，传输至计算机，得到脉冲超声波穿过空气的参考信号的响应函数峰值Max{A_a ^(f)}；

4)计算机控制集成处理电路在当前采样时刻向脉冲超声发射换能器发出脉冲电信号，脉冲超声发射换能器接收到脉冲电信号并转换为脉冲超声波，并发送出脉冲超声波；

5)脉冲超声波穿过粉尘传播，脉冲衰减信号被脉冲超声接收换能器接收，转换为脉冲超声模拟信号后传输至集成处理电路；

6)集成处理电路经过滤波放大并转换成超声数字信号后，传输至计算机，计算机得到当前时刻t的脉冲超声波穿过粉尘的脉冲衰减信号的响应函数峰值Max{A_d ^(f)(t)}；

7)计算机以脉冲超声波穿过空气的参考信号的响应函数峰值Max{A_a ^(f)}作为参考，得到当前时刻的脉冲超声波衰减系数测量值

其中，L为脉冲超声发射换能器与脉冲超声接收换能器之间的距离；

8)根据当前时刻的脉冲超声波衰减系数测量值计算得到当前时刻的粉尘扩散动态浓度ρ_d(t)：

其中，ρ_a为空气的密度，V_a为脉冲超声波在空气中的速度，V_d为脉冲超声波透过粉尘颗粒的速度，k为透射系数。

6.如权利要求5所述的检测方法，其特征在于，在步骤8)中，A_d ^(f)(t)与A_d ^(f)(t)的关系满足：

A_d ^(f)(t)＝T(t)A_a ^(f)

其中，T(t)为当前时刻的粉尘透射衰减传递函数，Z_a为空气的声阻抗，Z_a＝ρ_aV_a，Z_d(t)为粉尘的声阻抗，Z_d(t)＝ρ_d(t)V_d，因此得到：

从而得到