CN115655997A - 一种粉尘仪的电荷数量检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种粉尘仪的电荷数量检测装置，包括检测传感器和电源；本发明采用静电感应原理，管道内的粉尘在运动的同时会撞击探针从而产生正负电荷，经过放大运算处理，最终装换成于粉尘浓度正相关的信号输出；可应用于炼铁高炉煤气布袋除尘、高炉煤气回收系统、水泥运输管道、煤粉锅炉烟尘排放浓度的连续检测，并通过连接一个小巧的手持器实现实时监测，保证测量的精确性。

Description

一种粉尘仪的电荷数量检测装置

技术领域

本发明属于粉尘监测领域，具体涉及一种粉尘仪的电荷数量检测装置。

背景技术

粉尘对人的健康、生命和财产安全有极大的危害性，因此，必须对粉尘浓度较高行业提高粉尘危害性认知、严格做好人员行为管控、按照标准要求做好防护；现如今许多粉尘实时在线检测装置体积较大且安装在中控实时监控，现场管道密封，但由于许多工厂环境较为恶劣，特别是水泥厂中，远距离传输经常受到其他电子元器件的干扰导致数据不准造成较大的后果将不堪设想，部分管道设置在高处，巡检工作人员需徒手攀爬上去测量，当检测装置较大则无法带到现场进行测量。

因此，如何设计出一种能够实现实时检测且方便小巧适合巡检人员工作的粉尘仪的电荷数量检测装置是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

本发明克服现有技术的不足，针对上诉缺点本发明做出了以下的改进和优化。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：

提供了一种粉尘仪的电荷数量检测装置，包括检测传感器和电源；

所述检测传感器包括依次连接的棒状电极、电荷放大器、信号放大器和单片机系统；

所述棒状电极用于插入检测孔，测得检测管道内的粉尘中的电荷量，传输到电荷放大器中；

所述电荷放大器用于将棒状电极所测得的电荷量放大，将输入的电荷量转换放大为电压信号，并传输到信号放大器中；

所述信号放大器用于将电荷放大器的电压信号进行放大整流，将交流电压转换为直流电压，并传输到单片机系统中；

所述单片机系统用于控制程序逻辑，采集放大的电信号，通过RS485与手持器通讯；

所述电源用于给检测传感器供电。

优选的，所述检测传感器还包括绝缘套管、传感器上外壳、传感器下外壳和散热外壳，所述绝缘套管设置于传感器上外壳、传感器下外壳和散热外壳内壁，所述传感器上外壳和散热外壳用于将里面的绝缘套管与棒状电极通过过盈配合固定，所述传感器下外壳用于连接检测管道与检测传感器。

更优的，所述散热外壳包括多圈圆形凸起结构，用于散热，保护装置。

优选的，所述手持器包括依次连接的手持器本体、四芯通信线、转换板和通讯排线，所述手持器用于读出检测装置的信息参数，或通过手持器实时监控和操作，所述通讯排线与单片机系统连接。

更优的，所述信息参数包括量程、粉尘浓度Y、电流大小、检测装置的温度、检测管道的量程、粗调配置参数K、细调配置参数B和滤波系数F，F的有效范围为1~20。

更优的，所述粉尘浓度Y通过以下公式获得：

其中X 是系统计算出的信号数值，K的有效范围为1~9999，B的有效范围为-99.99~99.99。

优选的，所述检测传感器通过以下公式测量电荷流量：

其中

表示电荷流量，

表示电荷流速，

表示电荷浓度，

表示棒状电极在检测管 道内横截部分的面积。

优选的，所述电荷放大器包括放大电路，所述放大电路包括端电源Q、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4和放大器A。

更优的，所述第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第一电阻R1、第二电阻R2分别与端电源Q并联，所述放大器A与端电源Q串联，所述第三电阻R3和第四电容C4分别于放大器A并联。

更优的，所述放大电路的输出电压

通过以下公式确定：

其中，当A大于1且频率大于预设值时，有

当A大于1且频率大于预设值时，有

。

本发明提供了一种粉尘仪的电荷数量检测装置，设置于粉尘仪上，整体结构紧凑，维修制造成本低，绝缘套管保证了传感器的密封性，散热外壳通过一圈圈的部分将传递上来的热量散发出去，为粉尘浓度值的可靠性和精确性提供有力保障；其单片机系统与手持器通信，实现了实时监测粉尘浓度，且手持器体积小巧轻便，便于巡检人员携带进入特殊工作场所。

附图说明

利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1是本发明一种粉尘仪的电荷数量检测装置的结构图；

图2是本发明装置中积分放大电路的电路结构图；

图3是本发明手持器正面示意图；

图4是本发明电荷法检测示意图；

图5是本发明放大电路的电路结构图；

图6是本发明检测传感器框架示意图；

图7是本发明运算放大器的量程调节电路结构图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对一种粉尘仪的电荷数量检测装置作进一步的详细描述，这些实施例只用于比较和解释的目的，本发明不限定于这些实施例中。

提供了一种粉尘仪的电荷数量检测装置，如图1所示，包括检测传感器和电源；

所述检测传感器包括依次连接的棒状电极、电荷放大器、信号放大器和单片机系统；

所述棒状电极用于插入检测孔，测得检测管道内的粉尘中的电荷量，传输到电荷放大器中；

所述电荷放大器用于将棒状电极所测得的电荷量放大，将输入的电荷量转换放大为电压信号，并传输到信号放大器中；

所述信号放大器用于将电荷放大器的电压信号进行放大整流，将交流电压转换为直流电压，并传输到单片机系统中；

所述单片机系统用于控制程序逻辑，采集放大的电信号，通过RS485与手持器通讯；

所述电源用于给检测传感器供电。

检测管道表面设置有检测孔，检测管道内部存有粉尘，将棒状电极插入检测孔中，便可测得粉尘浓度；

棒状电极为传感器的检测元件，通过管道环境粉尘碰撞产生正电荷传递给测量电路。他的工作环境为高温高压并伴有可燃性气体的的管道，在一实施例中采用了Ø10的304不锈钢作为制造原料，此钢的特性为良好的耐腐蚀性，耐热性（-196℃-800℃），低温强度和机械特性，冲压，弯曲等加工性好，无热处理硬化现象，无磁性。

在不锈钢棒的外面套管了一层厚度为1mm的聚四氟乙烯，四氟乙烯的特性为耐高温在-190-260℃的温度范围内均保持优良的力学性能，摩擦系数低，耐化学腐蚀，抗各种有机溶剂的特点。充分保护了里面棒体与外面隔绝，因四氟乙烯的特性保证了装置在工作环境下的强度与完整性，不会因为持续工作而导致过度磨损。棒状电极的长度属于可变的，根据被安装管道的直径的1/2-1/3之间的长短而定制的。

如图2所示，为装置中积分放大电路的电路结构图，信号输入后通过积分放大电路，最终将放大后的信号输入mcu单片机系统，单片机系统上搭载RS485接口，通过RS485线与手持器通讯。

优选的，所述检测传感器还包括绝缘套管、传感器上外壳、传感器下外壳和散热外壳，所述绝缘套管设置于传感器上外壳、传感器下外壳和散热外壳内壁，所述传感器上外壳和散热外壳用于将里面的绝缘套管与棒状电极通过过盈配合固定，所述传感器下外壳用于连接检测管道与检测传感器。

更优的，所述散热外壳包括多圈圆形凸起结构，用于散热，保护装置。

在一实施例中，散热外壳采用不锈钢材质，当管道里面温度达到很高的话，温度顺着电极传到电路部分对测量电路是不可逆的损伤，将外形设计成一圈圈的形状主要是为了散热，通过此部分将传递上来的热量散发出去达到散热保护的目的。

优选的，所述手持器包括依次连接的手持器本体、四芯通信线、转换板和通讯排线，所述手持器用于读出检测装置的信息参数，或通过手持器实时监控和操作，所述通讯排线与单片机系统连接。

其中手持器如图3所示，包括一个充电口、RS485线接口、显示屏及按钮，按钮包括电源键、上下左右按键、返回键、确认键和设置键。所述电源键用于控制手持器的开关机，所述上下左右按键用于修改数值、选择对应功能，所述返回键用于返回主界面，所述确认键用于在主界面按下进入相应功能界面，所述设置键用于在选择需要修改的参数后按下设置键进入设置模式。

更优的，所述信息参数包括量程、粉尘浓度Y、电流大小、检测装置的温度、检测管道的量程、粗调配置参数K、细调配置参数B和滤波系数F，F的有效范围为1~20。

更优的，所述粉尘浓度Y通过以下公式获得：

其中X 是系统计算出的信号数值，K的有效范围为1~9999，B的有效范围为-99.99~99.99。

优选的，所述检测传感器通过以下公式测量电荷流量：

其中

表示电荷流量，

表示电荷流速，

表示电荷浓度，

表示棒状电极在检测管 道内横截部分的面积。

电荷法，就是利用当粉尘流入管道时，由于管道内部有高温和高压的推动，使粉尘在管道中产生运动的动能，随管道方向流动。那么电荷法就是利用粉尘在管道中这个运动特性，在管道横截面上插入检测棒体，当粉尘运动与棒体撞击时，会产生电荷信号，而且这个信号会随粉尘数量的增多而增大。棒体就会把这个微弱的电荷信号进行采集和处理，最终得到对应的粉尘数据。

假设一个粒子带一个电荷，通过检测电荷量推算出粉尘量，如图4所示，当棒状电 极插入检测管道，粉尘流入检测管道，测得棒状电极上的电荷量，通过

算得电 荷量q，将探得电荷量q输入至电荷放大器进行放大。

优选的，所述电荷放大器包括放大电路，所述放大电路包括端电源Q、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4和放大器A。

更优的，所述第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第一电阻R1、第二电阻R2分别与端电源Q并联，所述放大器A与端电源Q串联，所述第三电阻R3和第四电容C4分别于放大器A并联。

更优的，所述放大电路的输出电压

通过以下公式确定：

其中，当A大于1且频率大于预设值时，有

当A大于1且频率大于预设值时，有

。

如图5所示，为本发明的放大电路，假设输入电荷量为q，则输出电压

（为线性关系），则粉尘流量L=L（

）=K

（为线性关系），K为常数。

其中，本发明单片机系统内嵌电流环控制器，通过2线或者4线方案，采用电流环流控制电流输出，如图6所示；4线方案为2条电源线及2条（4-20mA）信号线，2线方案为2条电源线兼做（4-20mA）信号线，其保证了传输距离远的同时，不仅抗干扰性好且信号稳定。

在一实施例中，单片机系统搭载ADuCM360芯片，控制其在静态时系统电流不超过4mA（24v）。

单片机系统内嵌一个增益可调的运算放大器，如图7所示，为运算放大器的量程调节电路，假设运算放大器的放大倍数为H，H=Ra/Rb，运算放大器的满量程输出为Voutmax，则运算放大器的最大输入为Vinmin=Voutmax/H,其中调节Ra/Rb阻值均可调节量程大小。

在一实施例中，可在检测装置顶部加装显示仪表，直观查看当前粉尘浓度。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (10)

1.一种粉尘仪的电荷数量检测装置，其特征在于，包括检测传感器和电源；

所述检测传感器包括依次连接的棒状电极、电荷放大器、信号放大器和单片机系统；

所述棒状电极用于插入检测孔，测得检测管道内的粉尘中的电荷量，传输到电荷放大器中；

所述电荷放大器用于将棒状电极所测得的电荷量放大，将输入的电荷量转换放大为电压信号，并传输到信号放大器中；

所述信号放大器用于将电荷放大器的电压信号进行放大整流，将交流电压转换为直流电压，并传输到单片机系统中；

所述单片机系统用于控制程序逻辑，采集放大的电信号，通过RS485与手持器通讯；

所述电源用于给检测传感器供电。

2.根据权利要求1所述的一种粉尘仪的电荷数量检测装置，其特征在于，所述检测传感器还包括绝缘套管、传感器上外壳、传感器下外壳和散热外壳，所述绝缘套管设置于传感器上外壳、传感器下外壳和散热外壳内壁，所述传感器上外壳和散热外壳用于将里面的绝缘套管与棒状电极通过过盈配合固定，所述传感器下外壳用于连接检测管道与检测传感器。

3.根据权利要求2所述的一种粉尘仪的电荷数量检测装置，其特征在于，所述散热外壳包括多圈圆形凸起结构，用于散热，保护装置。

4.根据权利要求1所述的一种粉尘仪的电荷数量检测装置，其特征在于，所述手持器包括依次连接的手持器本体、四芯通信线、转换板和通讯排线，所述手持器用于读出检测装置的信息参数，或通过手持器实时监控和操作，所述通讯排线与单片机系统连接。

5.根据权利要求4所述的一种粉尘仪的电荷数量检测装置，其特征在于，所述信息参数包括量程、粉尘浓度Y、电流大小、检测装置的温度、检测管道的量程、粗调配置参数K、细调配置参数B和滤波系数F，F的有效范围为1~20。

6.根据权利要求5所述的一种粉尘仪的电荷数量检测装置，其特征在于，所述粉尘浓度Y通过以下公式获得：

其中X 是系统计算出的信号数值，K的有效范围为1~9999，B的有效范围为-99.99~99.99。

7.根据权利要求1所述的一种粉尘仪的电荷数量检测装置，其特征在于，所述检测传感器通过以下公式测量电荷流量：

其中

表示电荷流量，

表示电荷流速，

表示电荷浓度，

表示棒状电极在检测管道内 横截部分的面积。

8.根据权利要求1所述的一种粉尘仪的电荷数量检测装置，其特征在于，所述电荷放大器包括放大电路，所述放大电路包括端电源Q、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4和放大器A。

9.根据权利要求8所述的一种粉尘仪的电荷数量检测装置，其特征在于，所述第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第一电阻R1、第二电阻R2分别与端电源Q并联，所述放大器A与端电源Q串联，所述第三电阻R3和第四电容C4分别于放大器A并联。

10.根据权利要求8所述的一种粉尘仪的电荷数量检测装置，其特征在于，所述放大电 路的输出电压

通过以下公式确定：

其中，当A大于1且频率大于预设值时，有

当A大于1且频率大于预设值时，有

。

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