CN112730185A - 一种光声光谱检测粉尘浓度装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光声光谱检测粉尘浓度装置，包括采样稀释单元、光声光谱检测单元和信号采集处理单元；采样稀释单元包括稀释腔和对稀释腔内样气进行稀释的稀释气体储存罐，所述稀释腔连接有粉尘计数器和采样头；光声光谱检测单元包括测量腔、准直光阑组、光电隔离器、激光器和抽气部，所述测量腔与稀释腔相连接，所述准直光阑组、光电隔离器和激光器位于测量腔外后端并沿测量腔中轴线依次布置，所述抽气部包括一将测量腔内样气抽出的抽气泵。本装置能够有效安全快速的测量处粉尘浓度。
Description
技术领域
本发明涉及环境检测技术领域，尤其是涉及一种光声光谱检测粉尘浓度装置。
背景技术
目前国内外粉尘浓度检测方法可分为两大类：取样法和非取样法。取样法有称重法、β射线法、压电振动法等。非取样法有光散射法、光透射法、超声波法等。取样法是采集待测区域内一定体积的含尘样气，用过滤膜将样气中粉尘颗粒过滤分离，通过测量含尘气体的体积、质量等参数后计算出粉尘浓度。取样法需要对系统的过滤膜进行频繁的更换，这不仅增加了工人的工作量，还降低了系统的效率。非取样法是通过粉尘的光电特性间接地测量粉尘浓度值的一种方法。非取样法需要将含尘样气引入测量腔进行测量，而对于高温高湿的煤矿粉尘，极容易造成测量腔的污染与堵塞，使设备测量精度下降甚至失效，且非取样法测量值受粉尘颗粒物粒径大小的影响较大，它不能测出不同粒径大小的粉尘浓度值。为此，国内外众多学者开始研究设计粉尘浓度检测装置，并且取得了一定的成果。然而，尚未见到将光声光谱检测方法应用于矿井粉尘浓度检测领域中。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种检测快速准确、使用安全的光声光谱检测粉尘浓度装置。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种光声光谱检测粉尘浓度装置，包括采样稀释单元、光声光谱检测单元和信号采集处理单元；
采样稀释单元包括稀释腔和对稀释腔内样气进行稀释的稀释气体储存罐，所述稀释腔连接有粉尘计数器和采样头；
光声光谱检测单元包括测量腔、准直光阑组、光电隔离器、激光器和抽气部，所述测量腔与稀释腔相连接，所述准直光阑组、光电隔离器和激光器位于测量腔外后端并沿测量腔中轴线依次布置，所述抽气部包括一将测量腔内样气抽出的抽气泵；
信号采集处理单元包括依次电性连接的光电探测器、放大器、数据采集卡、锁相卡和微音器，所述光电探测器位于测量腔外前端并对准激光器发出的激光，所述微音器固定连接在测量腔侧壁上，所述锁相卡通过一调制电路与激光器电性连接。
进一步的，所述采样稀释单元、光声光谱检测单元和信号采集处理单元均固定连接在一防爆箱体内，所述采样头穿出防爆箱体与外界相连通。
进一步的，所述稀释腔与混合腔之间还具有一混合腔。
进一步的，所述混合腔与测量腔之间连接有一粒径控制阀，所述粒径控制阀具有多个带有过滤网的通道，每个通道内的过滤网的筛孔孔径均不相同，以通过粒径控制阀控制进入测量腔内样气中的粉尘粒径。
进一步的，所述粒径控制阀包括一阀体和转动连接在阀体内的球阀，所述球阀上具有多个贯穿孔，同一贯穿孔内安装有至少一个同一孔径的过滤网，所述阀体具有与混合腔相连接的进气孔和与测量腔相连接的出气孔，以使球阀转动一定角度后，有且仅有一个贯穿孔分别连接进气孔和出气孔。
进一步的，所述防爆箱体通过一金属壳体制成，所述金属壳体的外表面涂覆有环氧树脂涂层，所述金属壳体的内表面铺设有隔音板。
进一步的，所述防爆箱体内底部设置有海绵垫，所述海绵垫上通过弹簧阻尼减震器固定连接有一U形光学平板，所述采样稀释单元、光声光谱检测单元和信号采集处理单元固定连接件在光学平板上。
进一步的，还包括一清洗吹扫单元，所述清洗吹扫单元包括与测量腔相连接的清洗管路和吹扫管路，所述清洗管路上连接有清洗液体储存罐，所述吹扫管路上连接有电吹风。
进一步的，所述测量腔还连接有一用于储存污水的污水储存罐。
进一步的，还包括控制单元和以太网单元，所述控制单元采样稀释单元、光声光谱检测单元和信号采集处理单元进行控制，以太网单元用于将采集到的信号实时发送到计算机分析软件中进行信号分析处理得出粉尘浓度值。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本装置通过对同一样气中不同粒径大小粉尘的过滤测量，可实现对同一样气中不同粒径粉尘浓度的测量，从而能够精确获取不同组分粒径粉尘浓度值。测量前或测量后对测量腔体的清洗吹扫，降低了测量误差，提高了系统精度。
为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例提供的整体结构示意图。
图2是本发明实施例提供的测量系统示意图。
图3是本发明实施例提供的粒径控制阀结构示意图。
图4是本发明实施例提供的粒径控制阀爆炸示意图。
图5是本发明实施例提供的过滤膜膜夹结构示意图。
图6是本发明实施例提供的过滤膜膜夹爆炸示意图。
图7是本发明实施例提供的防爆外壳正面剖视图。
图8是本发明实施例提供的防爆外壳壳门结构示意图。
图9是本发明实施例提供的电缆引入装置结构示意图。
图10是本发明实施例提供的弹簧阻尼减振器结构示意图。
图11是本发明实施例提供的单元示意图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为实现预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效作详细说明。
如图1-2、11所示，一种应用于矿井的光声光谱检测粉尘浓度装置，包括采样稀释单元2、粒径控制阀3、光声光谱检测单元4、清洗吹扫单元5、信号采集处理单元6、控制单元和以太网单元。
采样稀释单元2、粒径控制单元3、光声光谱检测单元4、清洗吹扫单元5、控制单元和信号采集处理单元均固定连接在一防爆箱体1内。
采样稀释单元2包括稀释腔204、对稀释腔204内样气进行稀释的稀释气体储存罐206和混合腔205，稀释腔204前端连接有采样管路，采样管路上沿样气进气方向依次连接有采样头201、粉尘计数器202和第一电磁阀203，混合腔205连接在稀释腔204后端；稀释腔204上连接有稀释管路，稀释管路与稀释气体储存罐206相连接，稀释管路上还连接有压力调节阀207；此处稀释气体可为纯氮气。
如图3-4所示，粒径控制阀3包括一阀体、阀杆301、角度盘302、转动连接在阀体内的球阀303、网夹304、O圈306；阀体305由两半壳体拼接而成，两个壳体之间具有一O圈306，通过紧固件固定连接两个壳体；壳体内设置有密封法兰(法兰材料可为橡胶，紧密的与球阀接触，保证气密性)，阀体的前端设置有进气孔307，阀体的进气孔307与混合腔相连接；后端设置有出气孔308；球阀上设置有四个穿过球心的贯穿孔，贯穿孔的两端构成了过滤网安装口3031，以使球阀转动一定角度后，有且仅有一个贯穿孔分别连接进气孔和出气孔，此时该贯穿孔、进气孔307和出气孔308位于同一直线上，构成粒径控制阀内气体通路。
具体地，在球阀303的纬线圆周位置上开有四个贯通球阀的贯穿孔，即八个过滤网安装口3031，每相连两个过滤网安装口3031中线之间间隔45度，其中四个相连的过滤网安装口3031设置有螺纹，用于螺接固定网夹304，网夹304用于固定安装不同孔径的过滤网，阀杆301的一端通过螺纹与球阀303固定连接，另一端伸出防爆箱体1用于人工或动力装置给予旋转合适的角度，以达到切换过滤网的目的(每转动45度即实现一次过滤网的切换)，阀杆301位于防爆箱体外的顶部安装有角度盘302，通过阀杆301的转动带动球阀303的转动，球阀303活动安装在两个法兰内。
如图5-6所示，网夹304包括网夹体3043、过滤网3042和固定圈3041。
具体地，网夹体3043外侧圆周和内测凸台上方圆周及固定圈3041外侧圆周上均设置有螺纹，网夹体3043外侧圆周上螺纹和球阀上过滤网安装口3031上的螺纹相配合，网夹体3043内测凸台上方圆周上螺纹和固定圈3041外侧圆周螺纹相配合，过滤网3042水平放置于网夹体内的凸台上，不同孔径大小的过滤网3042通过网夹体3043和固定圈3041固定于粒径控制阀3气体通路中。当然每个贯穿孔内的过滤网的筛孔孔径均不相同，甚至其中一个贯穿孔内可以不装过滤网，进而可以测量含有任意粒径粉尘的样气。
光声光谱检测单元4包括测量腔401、准直光阑组402、光电隔离器403、激光器404和抽气部。
测量腔401通过一进气管道与粒径控制阀3的出气孔308相连接，进气管道上设置有三通阀504，三通阀504上还连接有一用于储存污水的污水储存罐505。
准直光阑组402、光电隔离器403和激光器404位于测量腔401外后端并沿测量腔中轴线依次布置。
抽气部包括一抽气管路，抽气管路上沿样气行进方向依次设置有过滤膜405、质量流量计406和抽气泵407。
信号采集处理单元6包括依次电性连接的光电探测器601、放大器602、数据采集卡603、锁相卡605和微音器604，光电探测器601位于测量腔401外前端并对准激光器404发出的激光，微音器604固定连接在测量腔401侧壁上，锁相卡605通过一调制电路A与激光器404电性连接。
清洗吹扫单元包括与测量腔相连接的清洗管路和吹扫管路，测量腔具有与清洗管路相连接的清洗口、与吹扫管路相连接的吹扫口，清洗口处设有雾化细网501，清洗管路上设有压力电磁阀502和清洗液体储存罐503，此处清洗液可为水；吹扫管路上依次设有电磁阀507和电吹风506。
控制单元采样稀释单元、光声光谱检测单元和信号采集处理单元进行控制，以太网单元用于将采集到的信号通过井下基站实时发送到地面计算机Labview软件中进行信号分析处理得出粉尘浓度值。
具体地，待测气体从采样头201进入，依次经采样管路、稀释腔204、混合腔205和粒径控制阀3至测量腔401内，后由抽气泵407抽离。测量时，运行系统，控制压力电磁阀502和三通阀504的控制支路信号，使压力电磁阀502和三通阀504动作，清洗液体储存罐503中的清洗液在压力作用下由清洗管路经雾化细网501喷出形成喷雾，对测量腔401进行清洗，清洗污水流入污水储存罐505，清洗结束后，控制电磁阀507的控制支路信号，电吹风506动作，向测量腔401内吹扫气体，使测量腔401保持干燥，并进一步对未清洗掉的粉尘进行吹扫。待清洗吹扫结束，开启抽气泵407和质量流量计406，设置气体流量和抽气时间，含尘空气由采样头201进入采样管路，经粉尘计数器202进入稀释腔204，由粉尘计数器202粗测采样时间内流经采样管路内的粉尘数，并将数值与预设阙值进行比较，若粉尘数小于等于阙值，则无需稀释，若粉尘数大于阙值，则需稀释。此时，控制压力调节阀207的控制支路信号，稀释气体储存罐206中的稀释气体(氮气)经压力调节阀调节后，以指定压力恒定输入到稀释腔，以获得确定的稀释比k，稀释后的气体(或无需稀释的气体)在混合腔205中缓冲混合后进入粒径控制阀3，经粒径控制阀3选择性过滤后送入测量腔401中进行光声光谱测量。当整个腔体内待测气体达到预定要求后，开启激光器404，激光依次经过光电隔离器403和准直光阑组402，沿测量腔中线水平射入测量腔内，穿过测量腔后由光电探测器601接收。测量腔内粉尘颗粒吸收由激光器发出的特定功率的调制光源，从而激发出声信号，声信号被微音器604采集后送入锁相卡605进行数字锁相处理，数据采集卡603采集经锁相卡处理后的信号，后经井下基站传输到地面计算机中显示。光电探测器601采集到的信号经放大器602放大后进入数据采集卡603，经井下基站传输到地面计算机中显示。测量腔内粉尘浓度可表示为：
上式中：SPA(mV)为光声信号幅值；
为微音器灵敏度；Ccell(pa·(cm-1·W)-1)为光声池池常数；P0(W)为激光器功率；c(ml/cm2)为粉尘浓度；σ(cm2)为物质吸收截面。
图7为本实施例中防爆箱体1的正面剖视图，防爆箱体1包括环氧树脂涂层101、金属壳体102、隔音板103、海绵垫104、弹簧阻尼减震器105、U形光学平板106、固定吊耳107、压紧螺母式电缆引入装置108以及接线端子109。
具体地，金属壳体102的外表面喷涂环氧树脂涂层101，内表面铺有隔音板103，金属壳体外表面上方设有固定吊耳107，金属壳体内部底面铺有海绵垫104且对称设有四个弹簧阻尼减振器105，U形光学平板106通过螺栓固定在弹簧阻尼减振器105上，金属壳体右侧设有接线腔，接线腔上设有电缆引入安装口，与压紧螺母式电缆引入装108置相配合，接线腔与主隔爆腔之间通过接线端子109为检测系统供电。
图8为本实施例提供中防爆箱体1壳门的结构示意图，壳门包括合页1010、防爆标志1011、把手1012、联动锁1013、箱门1014。
具体地，金属壳体的正面通过合页1010活动连接与箱门1014，箱门的正面设置有把手1012，并贴有防爆标识1011，箱门通过联动锁1013与金属壳体之间进行固定。
图9为本实施例中电缆引入装置结构示意图，压紧螺母式电缆引入装置108包括连通节1081、压紧螺母1082、垫圈1083及密封圈1084。
具体地，压紧螺母式电缆引入装置与接线腔上电缆引入安装口通过密封圈1084紧密配合连接，隔爆电缆1085由连通节1081从外部接入接线腔内，隔爆电缆与接线腔壳体接触处由垫圈1083密封，隔爆电缆1085在垫圈1083和压紧螺母1082的配合下实现轴向与径向固定。
图10为本实施例中弹簧阻尼减震器的结构示意图，弹簧阻尼减震器105包括安装螺栓1051、上盖1052、减震弹簧1053、预紧螺栓1054及底座1055。
具体地，U形光学平板106与安装螺栓1051固定连接，弹簧阻尼减震器的底座1055铆接固定在防爆外壳的底面，在上盖1052和减震弹簧1053作用下保持U形光学平板上的光学元件水平与稳定。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简介修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种光声光谱检测粉尘浓度装置，其特征在于：包括采样稀释单元、光声光谱检测单元和信号采集处理单元；
采样稀释单元包括稀释腔和对稀释腔内样气进行稀释的稀释气体储存罐，所述稀释腔连接有粉尘计数器和采样头；
光声光谱检测单元包括测量腔、准直光阑组、光电隔离器、激光器和抽气部，所述测量腔与稀释腔相连接，所述准直光阑组、光电隔离器和激光器位于测量腔外后端并沿测量腔中轴线依次布置，所述抽气部包括一将测量腔内样气抽出的抽气泵；
信号采集处理单元包括依次电性连接的光电探测器、放大器、数据采集卡、锁相卡和微音器，所述光电探测器位于测量腔外前端并对准激光器发出的激光，所述微音器固定连接在测量腔侧壁上，所述锁相卡通过一调制电路与激光器电性连接。
2.根据权利要求1所述的光声光谱检测粉尘浓度装置，其特征在于：所述采样稀释单元、光声光谱检测单元和信号采集处理单元均固定连接在一防爆箱体内，所述采样头穿出防爆箱体与外界相连通。
3.根据权利要求2所述的光声光谱检测粉尘浓度装置，其特征在于：所述稀释腔与混合腔之间还具有一混合腔。
4.根据权利要求3所述的光声光谱检测粉尘浓度装置，其特征在于：所述混合腔与测量腔之间连接有一粒径控制阀，所述粒径控制阀具有多个带有过滤网的通道，每个通道内的过滤网的筛孔孔径均不相同，以通过粒径控制阀控制进入测量腔内样气中的粉尘粒径。
5.根据权利要求4所述的光声光谱检测粉尘浓度装置，其特征在于：所述粒径控制阀包括一阀体和转动连接在阀体内的球阀，所述球阀上具有多个贯穿孔，同一贯穿孔内安装有至少一个同一孔径的过滤网，所述阀体具有与混合腔相连接的进气孔和与测量腔相连接的出气孔，以使球阀转动一定角度后，有且仅有一个贯穿孔分别连接进气孔和出气孔。
6.根据权利要求2所述的光声光谱检测粉尘浓度装置，其特征在于：所述防爆箱体通过一金属壳体制成，所述金属壳体的外表面涂覆有环氧树脂涂层，所述金属壳体的内表面铺设有隔音板。
7.根据权利要求6所述的光声光谱检测粉尘浓度装置，其特征在于：所述防爆箱体内底部设置有海绵垫，所述海绵垫上通过弹簧阻尼减震器固定连接有一U形光学平板，所述采样稀释单元、光声光谱检测单元和信号采集处理单元固定连接件在光学平板上。
8.根据权利要求2所述的光声光谱检测粉尘浓度装置，其特征在于：还包括一清洗吹扫单元，所述清洗吹扫单元包括与测量腔相连接的清洗管路和吹扫管路，所述清洗管路上连接有清洗液体储存罐，所述吹扫管路上连接有电吹风。
9.根据权利要求8所述的光声光谱检测粉尘浓度装置，其特征在于：所述测量腔还连接有一用于储存污水的污水储存罐。
10.根据权利要求1-9任意一项所述的光声光谱检测粉尘浓度装置，其特征在于：还包括控制单元和以太网单元，所述控制单元采样稀释单元、光声光谱检测单元和信号采集处理单元进行控制，以太网单元用于将采集到的信号实时发送到计算机分析软件中进行信号分析处理得出粉尘浓度值。
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