CN111189589B - 一种利用激光雷达诊断滤袋破损的系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及粉尘浓度异常监测装置，旨在提供一种利用激光雷达诊断滤袋破损的系统与方法。该系统包括激光发射单元、接收探测单元和控制与成像单元；激光发射单元包括依次布置的计数器、激光驱动电路、脉冲激光器和准直透镜；接收探测单元包括依次布置的镜筒、反射镜、滤波片和探测器阵列；脉冲激光器、激光驱动电路和计数器通过信号线依次连接至控制与成像单元，探测器阵列通过信号线连接控制与成像单元；控制与成像单元包括数模信号转换器和计算机。本发明能够用于实时监测布袋除尘舱室，不会对破损滤袋的漏报误报现象，完全不影响垃圾焚烧电厂日常工作的运行。系统操作简单、维护工作量小、监测时间短，反馈能力强、效率高，能有效避免了漏检。

Description

一种利用激光雷达诊断滤袋破损的系统与方法

技术领域

本发明涉及一种粉尘浓度异常监测装置，特别是一种利用激光雷达诊断滤袋破损的系统与方法。

背景技术

现代人的生产活动往往伴随着大量气体污染物和颗粒污染物的产生，为防止这些污染物直接排放到大气环境中危害人类身体健康和生态环境，工业过程中会设置除尘设备来降低排入大气中的颗粒物浓度，其中，布袋除尘器是较为可靠有效且普遍使用的除尘设备之一。布袋除尘器目前已被广泛运用于钢铁、水泥、电力、化工、垃圾焚烧等行业的烟气除尘当中。其中的核心部件——滤袋在长期工作过程中受到机械冲击与烟气腐蚀，不可避免的会发生破损，破损严重时会影响除尘效果，加重大气污染。而且据统计布袋除尘器运行故障的出现有一半以上都与滤袋破损相关，所以实现快速找到破损滤袋的方法对于及时更换具有重要意义。

目前现有的滤袋检漏方式主要采用的是人工检漏的方式，通过人工观察花板落灰以及袋笼底部积灰情况或借助荧光粉示踪来确定漏点位置，逐一筛查出破损滤袋。但大型布袋除尘系统往往有成千上万个滤袋，人工筛查不仅工作量大，费时费力，且需要在停机状态下进行人力检漏，影响产区生产效率。虽然也可采用定期换袋的方法来减少滤袋破损现象的发生，但这将会极大增加布袋除尘器的运行成本，增添停工停产总时间，因此难以得到大规模推广运用。

其他检漏方法如利用不同光散射吸收特性的光传感法和测量电荷量正推烟尘浓度的电荷感应法均存在着传感探头易被污染，易受到外部杂光、杂质影响造成检漏误报，准确率较低，以及一次监测工作量大的不足之处。

此外也可采用激光差分探测式的粉尘监测装置，该监测系统利用两束完全相同的激光束，将照射通过粉尘的衰减信号与对照信号进行差分探测，从而输出相应的差分电信号，并最终经过放大、采样等过程，计算出待测污染物的浓度。但对于较为狭窄的布袋除尘器舱室，安装成本和维护成本均大幅偏高，同时会对舱室气体流动产生影响，存在一系列弊端，并不适用于垃圾焚烧电厂布袋除尘室的破漏监测。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种利用激光雷达诊断滤袋破损的方法与系统。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

提供一种利用激光雷达诊断滤袋破损的系统，包括激光发射单元、接收探测单元和控制与成像单元；所述激光发射单元包括依次布置的计数器、激光驱动电路、脉冲激光器和准直透镜；所述接收探测单元包括依次布置的镜筒、反射镜、滤波片和探测器阵列；脉冲激光器、激光驱动电路和计数器通过信号线依次连接至控制与成像单元，探测器阵列通过信号线连接控制与成像单元；控制与成像单元包括数模信号转换器和计算机。

本发明中，所述计数器是约翰逊(Johnson)计数器，利用n位触发器来表示2n个状态。

本发明中，所述脉冲激光器安装在准直透镜的发射端。

本发明中，所述激光驱动电路包括给电模块。

本发明中，所述镜筒是牛顿式(Newtonian)镜筒，与脉冲激光器并列设置。

本发明中，所述探测器阵列安装在反射镜的光路上且与反射镜中心处于同一直线。

本发明中，所述激光发射单元和接收探测单元并列安装在云台上，能够同时在俯仰方向和水平方向转动以实现360°全方位旋转扫描。

本发明中，所述脉冲激光器共有m个且并列设置，所述探测器阵列由m个并列设置的激光接收器组成，且与脉冲激光器一一对应；m≥2个。

本发明进一步提供了一种利用前述系统诊断滤袋破损的方法，包括以下步骤：

(1)将所述系统布置在滤袋舱室中，调整脉冲激光器和准直透镜的摆放位置，使得待监测的多个滤袋均位于激光可达范围内；

(2)通过计算机设置计数器的启动方案，由其触发激光驱动电路，进而驱动脉冲激光器发射脉冲激光；准直透镜将脉冲激光转成平行光，并沿镜筒方向平行射出；

(3)脉冲激光穿过粉尘区，并产生激光回波信号反射至镜筒；镜筒聚集光信号后，经反射镜、滤波片聚焦到探测器阵列上；后者将光信号转换为电信号，然后输出至数模信号转换器；

(4)计算机接收数模信号转换器的输出数据，根据回波信号中的出峰情况、激光速度和各滤袋的相对位置，计算各滤袋所处区域的出峰时间与位置，然后输出各区域出峰时间、峰值和相应位置之间的关系图谱；

由于回波信号中的出峰情况与各滤袋所处区域的粉尘浓度存在正向相关性，系统投用时先对各区域出峰时间、峰值和相应位置进行标定，即在各滤袋正常工作情况下获取所处区域的出峰情况；当运行过程中出现滤袋破损情况时，由于粉尘浓度异常将导致回波信号中的出峰峰值发生显著变化，故能根据回波信号中的出峰情况确认是哪个区域的滤袋出现故障。

本发明中，当回波信号中的出峰数值大于设定的阈值时，在监控设备上发布声光报警信号；同时根据预设条件，将出现滤袋破损的结果作为告警信息发布在显示设备上。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明所述的系统装置能够用于实时监测布袋除尘舱室，通过反射峰的强度反推出粉尘的浓度变化，从而判断滤袋的泄露状态并对破损滤袋的位置定位精准；不会对破损滤袋的漏报误报现象，完全不影响垃圾焚烧电厂日常工作的运行。

2、系统操作简单、维护工作量小、监测时间短，且反馈破损滤袋能力强、效率高，能有效避免了漏检带来的粉尘污染问题。

3、由于采用了激光雷达装置，与现有技术的激光发射系统相比具有扫描速度快，接收视场小，可承受高的激光功率的优点，从而能够迅速探测布袋除尘舱室粉尘浓度空间及时间变化，是对粉尘浓度监测与控制的理想探测手段。

4、本发明能够持续监测布袋除尘舱室各滤袋的工作状态，无需停机，可快速便捷地实现对破损或泄露滤袋的区域定位，实现及时迅速地找到并更换破损滤袋。对降低人工监测成本、保护管道和布袋除尘器、保证除尘器的稳定高效运行、避免粉尘泄露排放造成环境污染问题均具有重要意义。

附图说明

图1本发明系统的结构示意图。

图2滤袋破损检测装置原理图。

图3激光雷达结构图。

附图标记：1云台底座；2云台连接件；3外壳；4准直透镜；5镜筒。

具体实施方式

首先需要说明的是，本发明涉及计算机技术在测量领域的应用。在本发明的实现过程中，会涉及到软件功能模块的应用，例如利用安装在计算机上的软件功能模块对接收到的测量数据进行整理后，根据回波信号中的出峰情况、激光速度和各布袋除尘器的相对位置，计算出现粉尘异常区域的具体时间与位置，然后输出区域距离和粉尘浓度图谱的结果。申请人认为，如在仔细阅读申请文件、准确理解本发明的实现原理和发明目的以后，在结合现有公知技术的情况下，本领域技术人员完全可以运用其掌握的软件编程技能实现本发明。上述计算内容均可根据现有技术实现，申请人不再赘述。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

如图1-3所示，本发明所述利用激光雷达诊断滤袋破损的系统，包括激光发射单元、接收探测单元和控制与成像单元；激光发射单元包括依次布置的约翰逊计数器、激光驱动电路、脉冲激光器和准直透镜；所述接收探测单元包括依次布置的牛顿式镜筒、反射镜、滤波片和探测器阵列；脉冲激光器、激光驱动电路和计数器通过信号线依次连接至控制与成像单元，探测器阵列通过信号线连接控制与成像单元；控制与成像单元包括数模信号转换器和计算机。其中，约翰逊计数器利用n位触发器来表示2n个状态。脉冲激光器安装在准直透镜的发射端，牛顿式镜筒与脉冲激光器并列设置，探测器阵列安装在反射镜的光路上且与反射镜中心处于同一直线。所述脉冲激光器共有m个且并列设置，所述探测器阵列由m个并列设置的激光接收器组成，且与脉冲激光器一一对应；m≥2个。激光发射单元和接收探测单元并列安装在云台上，能够同时在俯仰方向和水平方向转动以实现360°全方位旋转扫描。

利用该系统实现滤袋破损的诊断方法，包括以下步骤：

(1)将系统布置在滤袋舱室中，调整脉冲激光器和准直透镜的摆放位置，使得待监测的多个滤袋均位于激光可达范围内；

(2)通过计算机设置计数器的启动方案，由其触发激光驱动电路，进而驱动脉冲激光器发射脉冲激光；准直透镜将脉冲激光转成平行光，并沿镜筒方向平行射出；

(3)脉冲激光穿过粉尘区，并产生激光回波信号反射至镜筒；镜筒聚集光信号后，经反射镜、滤波片聚焦到探测器阵列上；后者将光信号转换为电信号，然后输出至数模信号转换器；

(4)计算机接收数模信号转换器的输出数据，根据回波信号中的出峰情况、激光速度和各滤袋的相对位置，计算出现粉尘异常区域的具体时间与位置，然后输出区域距离和粉尘浓度图谱的结果；同时根据预设条件，将出现滤袋破损的结果作为告警信息发布在监视设备上。

具体应用示例：

在准直透镜的发射端设置16个脉冲激光器(可设计为一体式结构)，在接收探测单元中设置所述的激光雷达装置前端有一个发射光学系统和一个接收光学系统，在发射光学系统后端有16个激光接收器以组成探测器阵列(可设计为一体式结构)，每个脉冲激光器均有一个与其对应的激光接收器。

脉冲激光器安装在准直透镜镜筒的发射端，能按照设定的频率发射亚微秒脉宽的脉冲激光；准直透镜紧贴脉冲激光器安装在发射后端，将脉冲激光器发射的脉冲激光转成一束平行光，沿着镜筒方向平行射出，发射激光波长可选为905nm。激光发射单元和接收探测单元并列安装在云台上，在俯仰方向采用“固态混合扫描”技术进行扫描，在水平方向通过机械扫描实现360°全方位旋转扫描并保持持续旋转。旋转速率可选为5-20hz，其纵向视野范围高达26.8°，每秒可输出高达一百三十万个测量点，测量范围可达120米。约翰逊计数器安装在激光驱动电路的前端，通过后者的给电模块驱动脉冲激光器工作；牛顿式镜筒可将激光穿过粉尘区反射回的回波信号光聚集到反射镜上，再通过反射镜将光聚焦到探测器阵列；探测器阵列安装在反射镜上方，并与反射镜中心处于同一竖直直线上，用于接收聚焦反射光线，输出电流信号至数模信号转换器；探测器阵列的激光接收器有16个，每秒能输出130W像素，提供可靠的远距传感数据。数模信号转换器将电信号进行放大、滤波、模数转化后传送给计算机，由其根据回波信号中的出峰情况、激光速度和各滤袋的相对位置，计算出现粉尘异常区域的具体时间与位置，然后输出各区域出峰时间、峰值和相应位置之间的关系图谱；

由于回波信号中的出峰情况与各滤袋所处区域的粉尘浓度存在正向相关性，系统投用时先对各区域出峰时间、峰值和相应位置进行标定，即在各滤袋正常工作情况下获取所处区域的出峰情况；当运行过程中出现滤袋破损情况时，由于粉尘浓度异常将导致回波信号中的出峰峰值发生显著变化，故能根据回波信号中的出峰情况确认是哪个区域的滤袋出现故障。

当回波信号中的出峰数值大于设定的阈值时，在监控设备上发布声光报警信号；同时根据预设条件(可以是峰值最大值、出现设定范围内多个峰值增加情况、单位时间内峰值快速增加值等)，将出现滤袋破损的结果作为告警信息发布在显示设备上。

本发明中，通过利用回波信号中的出峰情况与各滤袋所处区域的粉尘浓度存在正向相关性，无需具体计算粉尘浓度数值，因此检测设备需求更少、检测过程更简单、计算量更少。

Claims (9)

1.一种利用激光雷达诊断滤袋破损的方法，其特征在于，是基于下述系统实现的：该系统包括激光发射单元、接收探测单元和控制与成像单元；所述激光发射单元包括依次布置的计数器、激光驱动电路、脉冲激光器和准直透镜；所述接收探测单元包括依次布置的镜筒、反射镜、滤波片和探测器阵列；脉冲激光器、激光驱动电路和计数器通过信号线依次连接至控制与成像单元，探测器阵列通过信号线连接控制与成像单元；控制与成像单元包括数模信号转换器和计算机；

所述诊断方法具体包括以下步骤：

（1）将所述系统布置在滤袋舱室中，调整脉冲激光器和准直透镜的摆放位置，使得待监测的多个滤袋均位于激光可达范围内；

（2）通过计算机设置计数器的启动方案，由其触发激光驱动电路，进而驱动脉冲激光器发射脉冲激光；准直透镜将脉冲激光转成平行光，并沿镜筒方向平行射出；

（3）脉冲激光穿过粉尘区，并产生激光回波信号反射至镜筒；镜筒聚集光信号后，经反射镜、滤波片聚焦到探测器阵列上；后者将光信号转换为电信号，然后输出至数模信号转换器；

（4）计算机接收数模信号转换器的输出数据，根据回波信号中的出峰情况、激光速度和各滤袋的相对位置，计算各滤袋所处区域的出峰时间与位置，然后输出各区域出峰时间、峰值和相应位置之间的关系图谱；

由于回波信号中的出峰情况与各滤袋所处区域的粉尘浓度存在正向相关性，系统投用时先对各区域出峰时间、峰值和相应位置进行标定，即在各滤袋正常工作情况下获取所处区域的出峰情况；当运行过程中出现滤袋破损情况时，由于粉尘浓度异常将导致回波信号中的出峰峰值发生显著变化，故能根据回波信号中的出峰情况确认是哪个区域的滤袋出现故障。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当回波信号中的出峰数值大于设定的阈值时，在监控设备上发布声光报警信号；同时根据预设条件，将出现滤袋破损的结果作为告警信息发布在显示设备上。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计数器是约翰逊计数器，利用n位触发器来表示2n个状态。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述脉冲激光器安装在准直透镜的发射端。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光驱动电路包括给电模块。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述镜筒是牛顿式镜筒，与脉冲激光器并列设置。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述探测器阵列安装在反射镜的光路上且与反射镜中心处于同一直线。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光发射单元和接收探测单元并列安装在云台上，能够同时在俯仰方向和水平方向转动以实现360°全方位旋转扫描。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述脉冲激光器共有m个且并列设置，所述探测器阵列由m个并列设置的激光接收器组成，且与脉冲激光器一一对应；m≥2个。

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