CN117388136B - 一种自校准的便携式振荡天平粉尘检测仪及使用方法 - Google Patents
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Abstract
一种自校准的便携式振荡天平粉尘检测仪及使用方法，检测仪：包括壳体、气溶胶干燥系统、气溶胶预热系统、振荡测量系统、流量控制系统、校正测量系统和电源系统，气溶胶干燥系统对测试气体进行干燥处理；气溶胶预热系统实现测试气体在目标温度范围的动态平衡；振荡测量系统实现粉尘沉积过程中振荡频率的快速连续准确识别；校正测量系统用于修正振荡频率和实际工况流量换算，进而计算出测试环境的粉尘质量浓度。方法：使干燥后的测试气体的温湿度低于20％，将测试气体预热到目标温度范围内，采集振荡管的振荡频率，计算沉积的粉尘质量，转化出实际工况流量，计算出粉尘浓度。本发明可最大程度降低外界环境以及使用者的运动对测量产生的影响。
Description
技术领域
本发明属于粉尘检测技术领域，具体涉及一种自校准的便携式振荡天平粉尘检测仪及方法。
背景技术
煤矿粉尘是煤矿生产过程中产生的细小颗粒物，在大部分煤矿巷道、采煤工作面和地面隧道掘进面中均具有大量的粉尘，煤矿粉尘浓度超限会对工人的健康产生较为严重的危害。当煤矿粉尘浓度超过规定限值时，工人暴露在高浓度的粉尘环境中，会导致呼吸系统疾病，如急性支气管炎、肺炎等。如果工人长期暴露在高浓度煤矿粉尘环境中，易患上尘肺病，尘肺病是一种职业性疾病，会严重影响患者的身体健康和生活质量。此外，高浓度煤矿粉尘中还可能含有有害物质，如重金属和有毒气体，这些物质会对工人的神经系统和皮肤产生一定的损害，甚至会引起神经系统疾病和皮肤炎、瘙痒等症状。为了有效避免此类情况的发生，需要对粉尘进行有效的防控，而进行实时的粉尘监测是实现粉尘有效防控的前提与关键措施。
现阶段中，在矿井内使用的粉尘监测设备多采用光散射原理，尽管光散射粉尘监测设备被广泛应用于煤矿中，但其存在着一定的缺陷。首先，其灵敏度受限于颗粒大小和密度的影响，无法监测超细粉尘和低密度粉尘。其次，监测结果易受到环境因素的影响，如湿度、温度和气压等，量值溯源性不好，且在长时间连续监测过程中，易产生光学窗口污染和仪器漂移等问题，从而会造成测量精度的下降。另外，由于井下作业环境有降尘的需求，所以在喷雾降尘场所周围或风流中常常会含有大量的雾化液滴，这将致使处于该场所中检测结果的准确性无法得到保障。此外，监测设备需要定期进行校准，增加了额外的人力和物力投入。TEOM是一种直读式监测方法，无需预处理，可以直接对空气中的粉尘进行监测，该方法可以实现快速、连续监测，具有高时空分辨率的特点，可以提供更及时、全面的监测数据，但在现有的TEOM监测设备中并没有考虑到设备使用环境以及设备使用状态对TEOM监测方法的影响，比如测试环境的温湿度以及设备测试时的倾斜状态，滤膜两端的压差情况等，并且现有的监测设备多为固定式结构，无法随身配戴，无法实现对矿工个人接触粉尘浓度的实时监测。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种自校准的便携式振荡天平粉尘检测仪及使用方法，该监测仪能便于工作人员随身携带，其可最大程度降低外界环境以及使用者的运动对测量结果产生的影响，能显著提高测试精度，可有效满足矿工个人接触粉尘浓度实时监测实时监测的需求。该方法操作过程简单、实时性好、检测效率高，其在测量过程中考虑了实际工况中的多种不利因素，能在复杂环境下实现对矿工个体所接触粉尘浓度做出精准快速的检测，具有良好的推广应用价值。
为了实现上述目的，本发明提供一种自校准的便携式振荡天平粉尘检测仪，包括壳体，所述壳体上开设有主进气口和主排气口，其特征在于，还包括气溶胶干燥系统、气溶胶预热系统、振荡测量系统、流量控制系统、校正测量系统、电源系统和显示屏；
所述壳体上还开设有辅助进气口；
所述气溶胶干燥系统、气溶胶预热系统、振荡测量系统、流量控制系统、校正测量系统和电源系统均安装在壳体的内腔中；
所述气溶胶干燥系统由粒径切割器、渗透式干燥机构、硅胶干燥管、HEPA过滤器、限流孔组件、第一温湿度传感器、第二温湿度传感器和大气压力传感器组成；所述粒径切割器安装在壳体的主进气口中，其进气端与待测环境连通；所述渗透式干燥机构水平地设置，其由小径段测试管路、大径段干燥管路和环形连接板组成，所述大径段干燥管路同轴地套设在小径段测试管路的外部，且二者的端部相平齐，两个环形连接板分别设置在大径段干燥管路和小径段测试管路两个同侧端部之间的区域中，且环形连接板的外边沿与大径段干燥管路的端沿气密连接，环形连接板的内边沿与小径段测试管路的端沿气密连接，小径段测试管路的管壁采用渗透膜制成，小径段测试管路左端为测试气体进气口，其右端为测试气体出气口，所述小径段测试管路的测试气体进气口通过第一连通管路与粒径切割器的出气端气密连接；大径段干燥管路的左端连接有与其内腔连通的干燥出气管路，其右端连接有与其内腔连通的干燥进气管路；所述硅胶干燥管的出口端通过第二连通管路与大径段干燥管路的干燥进气管路气密连接；所述HEPA过滤器的出口端通过第三连通管路与硅胶干燥管进口端气密连接，HEPA过滤器的进口端通过第四连通管路与壳体上的辅助进气口气密连接；所述限流孔组件的入口端连接在大径段干燥管路上干燥出气管路的端部；所述第一温湿度传感器靠近主进气口地设置，且安装在壳体的外部，用于实时采集外界环境气体的温湿度信号；所述第二温湿度传感器安装在测试气体出气口的内部，用于实时采集干燥后气体的温湿度信号；所述大气压力传感器靠近主进气口地设置，且安装在壳体的外部，用于实时采集外界环境的大气压力信号；
所述气溶胶预热系统由加热管、加热带、保温材料、第三温湿度传感器和预热控制器组成；所述加热管竖直地设置，其由位于上部的圆柱管体段和位于下部的锥台形管体段组成，所述圆柱管体段的上端为加热进气端，且加热进气端通过第五连通管路与小径段测试管路的测试气体出气口气密连接，圆柱管体段的下端与锥台形管体段的小径端连接，锥台形管体段的大径端为加热出气端；所述加热带绕设地覆盖在圆柱管体段的外管壁上，所述保温材料包裹在加热带的外部；所述第三温湿度传感器安装在锥台形管体段的内部，用于实时采集加热后气体的温湿度信号；所述预热控制器设置在加热管的外部一侧，且分别与第一温湿度传感器、第二温湿度传感器、第三温湿度传感器和加热带连接，用于根据外界环境气体的温温度信号获得外界环境气体的温湿度数据、根据干燥后气体的温湿度信号获得干燥后气体的温湿度数据、根据加热后气体的温湿度信号获得加热后气体的温湿度数据，并根据外界环境气体的温湿度数据设定预热目标温度、根据干燥后气体的温湿度数据和加热后气体的温湿度数据调节加热带的加热功率以确保预热效果；
所述振荡测量系统由振荡管、滤膜托、磁钢、驱动电磁铁、霍尔传感器、振荡驱动模块和高精度频率测量模块组成；所述振荡管为锥台型石英振荡管，其上端的小径端作为进气口，其下端的大径端作为出气口；所述滤膜托为薄壁漏斗状，滤膜托的大径端装配有滤膜，并与锥台形管体段的加热出气端气密连接，滤膜托的小径端固定套装在振荡管进气口的外部；一对磁钢轴对称地分布在振荡管外部的相对两侧，并且紧密黏附在振荡管高度方向中心的两侧侧壁上；一对驱动电磁铁 轴对称地分布在一对磁钢的外部两侧；所述霍尔传感器竖直地设置在一侧的驱动电磁铁和磁钢之间，且其高度位于振荡管高度方向的中心；所述振荡驱动模块与驱动电磁铁连接；所述高精度频率测量模块与霍尔传感器连接；
所述流量控制系统由流量计、三通管件、质量流量控制器、真空泵和第四温湿度传感器组成；所述流量计的入口通过第六连通管路与振荡管的出气口连接，所述三通管件的一个入口端通过第七连通管路与流量计的出口连接，三通管件的另一个入口端通过第八连通管路与限流孔组件的出口端连接，所述质量流量控制器的入口与所述三通管件的出口端连接，所述真空泵的入口端与质量流量控制器的出口连接，真空泵的出口端通过第九连通管路与壳体上的主出气口连接；所述第四温湿度传感器设置在第七连通管路中，用于实时采集通过流量计气体的温湿度信号；
所述校正测量系统由倾角传感器、压差传感器、气体压力传感器、数据采集模块和数据处理模块组成；所述倾角传感器 连接在振荡管上，用于实时采集振荡管的倾斜状态信号；所述压差传感器的一个检测口通过第一测试管路与锥台形管体段的加热出气端气密连接，其另一个检测口通过第二测试管路与振荡管的出气口气密连接；所述气体压力传感器设置在第六连通管路中，用于实时采集进入流量计气体的绝对压力信号；所述数据采集模块分别与第一温湿度传感器、第二温湿度传感器、第三温湿度传感器、第四温湿度传感器、流量计、大气压力传感器、高精度频率测量模块、倾角传感器、压差传感器和气体压力传感器连接；所述数据处理模块与数据采集模块和振荡驱动模块连接；
所述电源系统用于对用电设备进行供电；
所述显示屏安装在壳体的外表面，并与数据处理模块连接。
进一步，为了使加热管具有良好的热传递效果，以确保能具有更理想的加热效率，所述加热管为铝材料制成的薄壁管。
进一步，为了方便对蓄电池组进行管理，所述电源系统由蓄电池组和充电管理模块组成，所述蓄电池组通过供电电路分别与第一温湿度传感器、第二温湿度传感器、大气压力传感器、加热带、预热控制器、第三温湿度传感器、振荡驱动模块、高精度频率测量模块、流量计、第四温湿度传感器、质量流量控制器、真空泵、倾角传感器、压差传感器、气体压力传感器、数据采集模块、数据处理模块和显示屏相连接，所述充电管理模块与蓄电池组连接。
进一步，为了便于对蓄电池进行充电，所述壳体上还设置有充电接口，所述充电接口通过充电电路与充电管理模块连接。
进一步，还包括蜂鸣报警器，所述蜂鸣报警器与数据处理模块连接。这样，当压差传感器测量的振荡管出口和滤膜托入口两端的压差超过阈值时，数据处理模块可以控制蜂鸣报警器发出警报以提醒更换滤膜托上的滤膜。
本发明中，在壳体的主进气口中装配粒径切割器，可以对待测试环境中空气中大粒径的颗粒物进行切割，从而能使进入检测仪内的颗粒的粒径大致相同，便于后续的浓度检测作业。在壳体外部的主进气口附近设置第一温湿度传感器，可以便于实时采集外界环境气体的温湿度信号；在测试气体出气口处设置第二温湿度传感器，可以便于实时采集干燥后气体的温湿度信号，进而可以便于获得进入加热管之前气体的温湿度数据；在加热出气端设置第三温湿度传感器，可以便于实时采集加热后气体的温湿度信号；使渗透式干燥机构由位于内部的小径段测试管路、套设在小径段测试管路外部的大径段测试管路和连接小径段测试管路和大径段测试管路端部的环形连接板组成，同时，使小径段测试管路的管壁由渗透膜制成，这样，可以便于利用流经小径段测试管路和大径段测试管路之间环形空间部分的干燥气体对流经小径段测试管路中的测试气体进行快速高效的干燥。使小径段测试管路的左端作为测试气体进气口，右端为测试气体出气口，同时，在大径段干燥管路的左端连接有干燥出气管路，右端连接有干燥进气管路，这样，在渗透式干燥管内外管内的测试气路与干燥气路的流向便会相反，进而能以形成反向干燥气的方式来有效地提升干燥效果，有利于确保干燥后的气溶胶相对湿度低于20%，这样，能最大程度地降低水分对测量精度的影响，可显著提高测量精度。使干燥进气管路依次通过硅胶干燥管路和HEPA过滤器与开设在壳体上的辅助进气口连接，可以便于由壳体外部引入干燥气体，其中，通过HEPA过滤器的设置，可以对干燥用气体进行细菌和病毒等有机体进行有效地过滤，通过硅胶干燥管的设置，可以对进入小径段测试管路和大径段测试管路之间环形空间中的干燥气体进行有效的干燥，进而可以利用干燥后的气体反向作用于流经小径段测试管路中的测试气体。使干燥气体出气管路通过限流孔组件与三通管件的一个入口端连接，同时，使三通管件的出口端通过质量流量控制器与真空泵的入口端连接，这样，可以便于利用限流孔组件调节干燥气体出气管路中气体的流量，同时，也能方便利用质量流量控制器来控制干燥气体出气管路中气体的流量，进而可以利用限流孔组件和质量流量控制器两级流量调节的方式来对干燥气体的流量进行精确的调节，有利于对测试气体进行高效精准的干燥作业，进而有利于使测试气体达到预定的干燥效果。另外，由于限流孔组件能对干燥气体的流量进行调节，而质量流量控制器可以同时对干燥气体和测试气体的流量进行调节，这样相互配合后还可以有利于调节进入小径段测试管路中气体的流量，从而能满足不同目标粒径的粉尘粒径切割器对流量的不同要求，进而只要更换粒径切割头便能对不同粉尘类型进行测试，提高了该检测仪的通用性。在壳体外部设置大气压力传感器，可以便于实时采集到外界环境的大气压力信号；将加热带绕设在加热管中圆柱管体段的外部，可以便于利用热传递的方式对流经圆柱管体段中的气体进行加热；利用保温材料覆盖在加热带的外部，可以避免热量的损失，同时，能避免外界的低温环境降低管体内气体的加热效率，这样能有效提高气溶胶预热的效率。使预热控制器分别与第一温湿度传感器、第二温湿度传感器和第三温湿度传感器连接，可以便于根据外界环境气体的温湿度数据来设定加热带的预热目标温度，进而能动态地调节预热目标温度；同时，能便于根据加热前气体的温湿度数据和加热后气体的温湿度数据调节加热带的加热功率，进而可以对加热功率进行动态精准的调整，可确保经加热管预热后的气体温度能在预热目标温度范围内，使进入振荡测量系统中气体温度的稳定性更好，避免了外界温度变化对振荡频率测量效果产生的影响，进一步提高了测量精度。使加热管的下段为锥台型管体段，可以有利于加热后的气体较为分散地向下方输出，进而有利于待测试气体较为快速高效地通过设置在下方滤膜，然后进入振荡管中。利用薄壁漏斗状的滤膜托衔接加热管和振荡管，可以便于将通过滤膜的气体快速导流到振荡管中。使振荡管为锥台型，有利于进入其中的气体快速排出。在振荡管外表面的相对两侧连接一对磁钢，同时，在一对磁钢外部的两侧设置一对驱动电磁铁，并使振荡驱动模块与驱动电磁铁连接，这样，可以便于利用驱动电磁铁所产生的磁通作用于磁钢，进而驱动振荡管进行稳定的振荡；在驱动电磁铁的内侧设置霍尔传感器，并使霍尔传感器与高精度频率测量模块连接，可以便于利用霍尔传感器实时采集磁场强度变化信号并转变为交流电压信号，进而高精度频率测量模块能通过交流电压信号获得振荡频率；在第六连通管路中设置流量计，可以便于采集通过滤膜后气体的流量信号。使三通管件的一个入口端通过流量计与振荡管的出气口连接，同时，使三通管件的出口端通过质量流量控制器与真空泵连接，可以便于利用真空泵所提供的负压对测试后的气体进行引流，便于将测试后的气体导流出壳体的外部。由于三通管件的一个入口端与振荡管的出气口连接，另一个入口端与限流孔组件连接，而三通管件的出口端与真空泵连接，这样利用一个真空泵同时向测试气体和干燥气体同时提供负压。在真空泵入口端的上游侧连接质量流量控制器，可以便于调节进入真空泵气体的流量。在第七连通管路中设置第四温湿度传感器，可以便于实时采集通过流量计气体的温湿度信号；在振荡管上连接倾角传感器，可以便于实时采集振荡管的倾斜角度信号。通过压差传感器的设置，可以便于实时采集滤膜托入口端和振荡管出口端的压降信号；在第六连通管路中设置气体压力传感器，可以便于实时采集进入流量计的气体的绝对压力信号。在壳体上装配有显示屏，可以便于直观地观察到相关的测量数据。使数据处理模块通过数据采集模块与第一温湿度传感器、大气压力传感器、气体压力传感器和流量计连接，可以便于数据处理模块依据外界环境气体的温湿度数据、外界环境大气压力数据和进入流量计的气体压力数据对流量计的流量转化为实际工况流量。使数据处理模块通过数据采集模块分别与倾角传感器、压差传感器和第三温湿度数据连接，可以便于数据处理模块内部的频率校准核模型依据振荡管的倾斜数据、滤膜托入口端和振荡管出气口处的压差数据和加热后气体的温湿度数据对所获得的振荡频率进行校正，并能便于数据处理模块内部的数据计算单元依据校正后的振荡频率的变化情况计算出滤膜上的沉积的粉尘质量，进一步能基于所获得的沉积的粉尘质量和实际工况流量计算出测试环境中的粉尘浓度数据。该监测仪能便于工作人员随身携带，其可最大程度降低外界环境以及使用者的运动对测量结果产生的影响，能显著提高测试精度，可有效满足矿工个人接触粉尘浓度实时监测实时监测的需求。
本发明还提供一种自校准的便携式振荡天平粉尘检测仪使用方法，采用一种自校准的便携式振荡天平粉尘检测仪，其特征在于，包括以下步骤:
步骤一：依据需要测试的粉尘目标粒径选择配套的粒径切割器进行切换与安装，然后将自校准的便携式振荡天平粉尘检测仪佩戴在工作人员的身上；
步骤二：利用蓄电池组通过供电电路对用电设备进行供电；
使真空泵和质量流量控制器启动工作，通过真空泵提供负压，同时，利用第一温湿度传感器实时采集外界环境气体的温湿度信号，利用第二温湿度传感器实时采集干燥后气体的温湿度信号，利用第三温湿度传感器 实时采集加热后气体的温湿度信号，利用流量计实时采集经过滤膜后气体的流量信号，利用倾角传感器实时采集振荡管的倾斜状态信号，利用压差传感器实时采集滤膜托入口端和振荡管出口端的压降信号；利用大气压力传感器实时采集外界环境的大气压力信号；利用第四温湿度传感器实时采集的通过流量计气体的温湿度信号；利用气体压力传感器 实时采集进入流量计气体的绝对压力信号；
对限流孔组件和质量流量控制器进行调节，调节流经小径段测试管路和大径段干燥管路之间环形空间内的反向干燥气的流量，使得由第二温湿度传感器所采集的干燥后气体的温湿度低于20%，同时，使得流量计所测得的气体流量在粒径切割器要求的流量范围内；
步骤三：通过预热控制器控制加热带开始工作，同时，使预热控制器通过第一温湿度传感器所采集的外界环境气体的温湿度信号获得外界环境气体的温湿度数据，并根据外界环境气体的温湿度数据设定加热带的预热目标温度，使预热控制器通过第二温湿度传感器所采集的干燥后气体的温湿度信号获得干燥后气体的温湿度数据，通过第三温湿度传感器 所采集的加热后气体的温湿度信号获得加热后气体的温湿度数据，并根据干燥后气体的温湿度数据和加热后气体的温湿度数据调节加热带的加热功率，以确保经过加热管预热后的气体温度在预热目标温度范围内；
步骤四：通过数据处理模块控制振荡驱动模块产生动态驱动信号，利用动态驱动信号驱动驱动电磁铁激励线圈通电使得磁通增大，并作用于振荡管上的磁钢，进而驱动振荡管进行稳定振荡；
同时，利用霍尔传感器实时采集磁场强度变化信号并转变为交流电压信号，并使高精度频率测量模块通过霍尔传感器所输出的交流电压信号获得振荡频率，同时，利用高精度频率测量模块记录滤膜上沉积粉尘颗粒物过程中的振荡频率变化情况；
步骤四：使数据处理模块通过倾角传感器 所采集到的振荡管的倾斜状态信号获得振荡管的倾斜数据，通过压差传感器所采集到的滤膜托入口端和振荡管出口端的压降信号获得压差数据，通过第三温湿度传感器所采集到的加热后气体的温湿度信号获得进入振荡管中气体的温湿度数据，通过高精度频率测量模块获得沉积粉尘颗粒物过程中振荡管的振荡频率变化数据，并使数据处理模块基于内部的频率校准模型对振荡频率进行校正，同时，使数据处理模块基于内部的数据计算单元依据校正后的振荡频率的变化计算滤膜上所沉积的粉尘质量；
同时，使数据处理模块通过第一温湿度传感器所采集的外界环境气体的温湿度信号获得外界环境气体的温湿度数据，通过大气压力传感器所采集的外界环境大气压力信号获得大气压力数据，通过气体压力传感器所采集的进入流量计气体的绝对压力信号获得进入流量计气体的压力数据，并依据气体状态方程将流量计的流量转化为实际工况流量，使数据处理模块 基于内部的数据计算单元依据滤膜上所沉积的粉尘质量和实际工况流量计算出测试环境中的粉尘深度。
本发明中，在利用真空泵提供负压的同时，调节限流孔组件和空气质量流量控制器，调节流经小径段测试管路和大径段干燥管路之间环形空间内的反向干燥气的流量，使得由第二温湿度传感器所采集的干燥后气体的温湿度低于20%，同时，使得流量计所测得的气体流量在粒径切割器要求的流量范围内，这样，能在有效干燥测试气体的前提下，确保测试气体的流量在粒径切割器要求的范围内，进而使粒径切割器能对测试气体中的大粒径颗粒进行更有效的切割，极大地确保了测试精度。使预热控制器与第一温湿度传感器连接，可以便于根据外界环境温度数据来动态地设定预热目标温度值，从而能使检测仪灵活地根据外界的不同温度情况设定不能的预热目标温度值，进一步确保了测试精度；使预热控制器还分别与第二温湿度传感器和第三温湿度传感器连接，可以便于预热控制器根据加热前气体的温湿度数据和加热后气体的温湿度数据调节加热带的加热功率，以确保经过加热管预热后的气体温度在预热目标温度范围内，这样，当外界环境温度发生变化时，可以通过加热的方式将测试气体的温度稳定在预热目标温度范围内，避免了外界温度变化对振荡频率测量效果产生影响，进一步确保了测试精度。利用振驱动模块给出的驱动信号驱动驱动电磁铁的磁通量增大，进而产生作用于磁钢的驱动力，可以驱动振荡管进行稳定的振荡。将霍尔传感器设置在驱动电磁铁的内侧，可以通过检测磁场的变化情况来获得交流电压信号，进而能便于高精度频率测量模块通过脉冲信号获得振荡管的振荡频率。由于沉积在滤膜上的粉尘颗粒物会改变振荡管的负载并进一步改变振荡管的谐振频率，这样，当有粉尘沉积时所获得的振荡频率必然会发生变化，利用高精度频率测量模块对振荡频率的变化情况进行记录，便可以方便地获得滤膜上所沉积的粉尘质量。通过第一温湿度传感器、大气压力传感器、气体压力传感器和流量计获取外界环境气体的温湿度数据、外界环境大气压力数据、进入流量计的气体压力数据和进入流量计的气体流量数据，可以便于数据处理模块依据气体状态方程将进入流量计的气体流量数据转换为实际工况流量。通过倾角传感器、压差传感器、第三温湿度数据分别获得振荡管的倾斜数据、滤膜托入口端和振荡管出气口处的压差数据、加热后气体的温湿度数据，可以便于数据处理模块内部的频率校准核模型对所获得的振荡频率进行校正，并能便于数据处理模块内部的数据计算单元依据校正后的振荡频率的变化情况计算出滤膜上的沉积的粉尘质量，进一步能基于所获得的沉积的粉尘质量和实际工况流量计算出测试环境中的粉尘浓度数据。
该方法操作过程简单、实时性好、检测效率高，其在测量过程中考虑了实际工况中的多种不利因素，能在复杂环境下实现对矿工个体所接触粉尘浓度做出精准快速的检测，具有良好的推广应用价值。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明中粉尘浓度计算流程示意图。
图中：1、壳体，2、显示屏，3、粒径切割器，4、第一温湿度传感器，5、大气压力传感器，6、渗透式干燥机构，6-1、小径段测试管路，6-2、大径段干燥管路6-3、环形连接板，7、HEPA过滤器，8、硅胶干燥管，9、第二温湿度传感器，10、限流孔组件，11、加热管，11-1、圆柱管体段，11-2、锥台形管体段，12、加热带，13、预热控制器， 14、保温材料，15、第三温湿度传感器，16、振荡管，17、磁钢，18、驱动电磁铁，19、霍尔传感器，20、振荡驱动模块，21、高精度频率测量模块，22、滤膜托，23、流量计，24、第四温湿度传感器，25、质量流量控制器，26、真空泵，27、倾角传感器，28、压差传感器，29、气体压力传感器，30、数据采集模块，31、数据处理模块，32、蓄电池组，33、充电管理模块，34、三通管件。
具体实施方式
下面将对本发明作进一步说明。
如图1和图2所示，本发明提供了一种自校准的便携式振荡天平粉尘检测仪，包括壳体1，所述壳体1上开设有主进气口和主排气口，其特征在于，还包括气溶胶干燥系统、气溶胶预热系统、振荡测量系统、流量控制系统、校正测量系统、电源系统和显示屏2；
所述壳体1上还开设有辅助进气口；作为一种优选，壳体1尺寸较小的小型壳体，且整体采用人体工学设计，其外形可以符合人体腰部曲线，以方便人员佩戴在腰部。
所述气溶胶干燥系统、气溶胶预热系统、振荡测量系统、流量控制系统、校正测量系统和电源系统均安装在壳体1的内腔中；
所述气溶胶干燥系统由粒径切割器3、渗透式干燥机构6、硅胶干燥管8、HEPA过滤器7、限流孔组件10、第一温湿度传感器4、第二温湿度传感器9和大气压力传感器5组成；所述粒径切割器3位于壳体1的外表面，且安装在壳体1的主进气口中，其进气端与待测环境连通，粒径切割器3为碰撞收集原理粒径切割器，其可以通过更换粒径切割头以快速实现更换测试粉尘类型；所述渗透式干燥机构6水平地设置，其由小径段测试管路6-1、大径段干燥管路6-2和环形连接板6-3组成，所述大径段干燥管路6-2同轴地套设在小径段测试管路6-1的外部，且二者的端部相平齐，两个环形连接板6-3分别设置在大径段干燥管路6-2和小径段测试管路6-1两个同侧端部之间的区域中，且环形连接板6-3的外边沿与大径段干燥管路6-2的端沿气密连接，环形连接板6-3的内边沿与小径段测试管路6-1的端沿气密连接，小径段测试管路6-1的管壁采用渗透膜制成，小径段测试管路6-1左端为测试气体进气口，其右端为测试气体出气口，所述小径段测试管路6-1的测试气体进气口通过第一连通管路与粒径切割器3的出气端气密连接；大径段干燥管路6-2的左端连接有与其内腔连通的干燥出气管路，其右端连接有与其内腔连通的干燥进气管路；所述硅胶干燥管8的出口端通过第二连通管路与大径段干燥管路6-2的干燥进气管路气密连接；所述HEPA过滤器7的出口端通过第三连通管路与硅胶干燥管8进口端气密连接，HEPA过滤器7的进口端通过第四连通管路与壳体1上的辅助进气口气密连接；所述限流孔组件10的入口端连接在大径段干燥管路6-2上干燥出气管路的端部，限流孔组件10的过气孔面积可以通过手动的方式调大或调小，以便于改变通过限流孔组件10的气体流量；所述第一温湿度传感器4靠近主进气口地设置，且安装在壳体1的外部，用于实时采集外界环境气体的温湿度信号；所述第二温湿度传感器9安装在测试气体出气口的内部，用于实时采集干燥后气体的温湿度信号；所述大气压力传感器5靠近主进气口地设置，且安装在壳体1的外部，用于实时采集外界环境的大气压力信号；
所述气溶胶预热系统由加热管11、加热带12、保温材料14、第三温湿度传感器15和预热控制器13组成；所述加热管11竖直地设置，其由位于上部的圆柱管体段11-1和位于下部的锥台形管体段11-2组成，所述圆柱管体段11-1的上端为加热进气端，且加热进气端通过第五连通管路与小径段测试管路6-1的测试气体出气口气密连接，圆柱管体段11-1的下端与锥台形管体段11-2的小径端连接，锥台形管体段11-2的大径端为加热出气端；所述加热带12绕设地覆盖在圆柱管体段11-1的外管壁上，所述保温材料14包裹在加热带12的外部；所述第三温湿度传感器15安装在锥台形管体段11-2的内部，用于实时采集加热后气体的温湿度信号；所述预热控制器13设置在加热管11的外部一侧，且分别与第一温湿度传感器4、第二温湿度传感器9、第三温湿度传感器15和加热带12连接，用于根据外界环境气体的温温度信号获得外界环境气体的温湿度数据、根据干燥后气体的温湿度信号获得干燥后气体的温湿度数据、根据加热后气体的温湿度信号获得加热后气体的温湿度数据，并根据外界环境气体的温湿度数据设定预热目标温度、根据干燥后气体的温湿度数据和加热后气体的温湿度数据调节加热带12的加热功率以确保预热效果；
所述振荡测量系统由振荡管16、滤膜托22、磁钢17、驱动电磁铁18、霍尔传感器19、振荡驱动模块20和高精度频率测量模块21组成；所述振荡管16为锥台型石英振荡管，其上端的小径端作为进气口，其下端的大径端作为出气口；所述滤膜托22为薄壁漏斗状，滤膜托22的大径端装配有13mm滤膜，并与锥台形管体段11-2的加热出气端气密连接，以防止气路出现漏气的情况，滤膜托22的小径端固定套装在振荡管16进气口的外部；一对磁钢17轴对称地分布在振荡管16外部的相对两侧，并且紧密黏附在振荡管16高度方向中心的两侧侧壁上；一对驱动电磁铁18 轴对称地分布在一对磁钢17的外部两侧；所述霍尔传感器19竖直地设置在一侧的驱动电磁铁18和磁钢17之间，且其高度位于振荡管16高度方向的中心；其中，驱动电磁铁18与磁钢17的中心处于同一水平线上，霍尔传感器19垂直驱动电磁铁18地旋转，并且霍尔传感器19与磁钢17位于同一高度；所述振荡驱动模块20与驱动电磁铁18连接；所述高精度频率测量模块21与霍尔传感器19连接；
振荡驱动模块20对驱动电磁铁18激励线圈通电使得磁通增大，产生的驱动力对振荡管16上的磁钢17进行作用，使得振荡管16开始运动，但由于阻力存在使得振荡管16的能量损失，振荡管16的振幅降低，振荡驱动模块20检测振幅相关信号降低时，会通过控幅环路与调相环路信号输入乘法器以产生驱动信号，进而产生动态的驱动力，使得振荡管16进行稳定的振荡。振荡管16在振荡过程产生的磁场强度变化信号通过霍尔传感器19转变为交流电压信号，并通过高精度频率测量模块21中的放大与整形电路输出为频率脉冲信号，进而实现振荡频率的测量。
所述流量控制系统由流量计23、三通管件34、质量流量控制器25、真空泵26和第四温湿度传感器24组成；所述流量计23的入口通过第六连通管路与振荡管16的出气口连接，所述三通管件34的一个入口端通过第七连通管路与流量计23的出口连接，三通管件34的另一个入口端通过第八连通管路与限流孔组件10的出口端连接，所述质量流量控制器25的入口与所述三通管件34的出口端连接，所述真空泵26的入口端与质量流量控制器25的出口连接，真空泵26的出口端通过第九连通管路与壳体1上的主出气口连接；所述第四温湿度传感器24设置在第七连通管路中，用于实时采集通过流量计23气体的温湿度信号；
所述校正测量系统由倾角传感器27、压差传感器28、气体压力传感器29、数据采集模块30和数据处理模块31组成；所述倾角传感器27 连接在振荡管16上，用于实时采集振荡管16的倾斜状态信号；当振荡管16发生倾斜时，倾角传感器27会随振荡管16一同运动并且输出石英振荡管在X、Y和Z轴之间的倾斜角度；
所述压差传感器28的一个检测口通过第一测试管路与锥台形管体段11-2的加热出气端气密连接，其另一个检测口通过第二测试管路与振荡管16的出气口气密连接，用于测量滤膜托22入口和振荡管16出口之间的压降信号；所述气体压力传感器29设置在第六连通管路中，用于实时采集进入流量计23气体的绝对压力信号；所述数据采集模块30分别与第一温湿度传感器4、第二温湿度传感器9、第三温湿度传感器15、第四温湿度传感器24、流量计23、大气压力传感器5、高精度频率测量模块21、倾角传感器27、压差传感器28和气体压力传感器29连接；所述数据处理模块31与数据采集模块30和振荡驱动模块20连接；
作为一种优选，数据处理模块31由数据计算单元以及频率校准模型组成。频率校正模型通过输入的倾角数据、压差数据、气体温湿度数据对高精度频率测量模块21测量的振荡管振荡频率进行校准与修正。数据计算单元依据修正的振荡管振荡频率以及计算的实际工况流量计算测试环境的粉尘浓度。
作为一种优选，高精度频率测量模块21内置有FPGA芯片，其通过FPGA芯片进行数据的精确采集和精确的频率测量；
所述电源系统用于对用电设备进行供电；
所述显示屏2安装在壳体1的外表面，并与数据处理模块31连接，可以便于进行测试粉尘浓度数据的显示。
为了使加热管具有良好的热传递效果，以确保能具有更理想的加热效率，所述加热管11为铝材料制成的薄壁管。
为了方便对蓄电池组进行管理，所述电源系统由蓄电池组32和充电管理模块33组成，所述蓄电池组32通过供电电路分别与第一温湿度传感器4、第二温湿度传感器9、大气压力传感器5、加热带12、预热控制器13、第三温湿度传感器15、振荡驱动模块20、高精度频率测量模块21、流量计23、第四温湿度传感器24、质量流量控制器25、真空泵26、倾角传感器27、压差传感器28、气体压力传感器29、数据采集模块30、数据处理模块31和显示屏2相连接，为用电设备提供所需要的电量，所述充电管理模块33与蓄电池组32连接，用于对蓄电池组32的充电进行管理。
为了便于对蓄电池进行充电，所述壳体1上还设置有充电接口，所述充电接口通过充电电路与充电管理模块33连接。
作为一种优选，还包括蜂鸣报警器，所述蜂鸣报警器与数据处理模块31连接。这样，当压差传感器测量的振荡管出口和滤膜托入口两端的压差超过阈值时，数据处理模块可以控制蜂鸣报警器发出警报以提醒更换滤膜托上的滤膜。这样，当压差传感器测量的振荡管出口和滤膜托入口两端的压差超过阈值时，数据处理模块可以控制蜂鸣报警器发出警报以提醒更换滤膜托上的滤膜。
本发明中，在壳体的主进气口中装配粒径切割器，可以对待测试环境中空气中大粒径的颗粒物进行切割，从而能使进入检测仪内的颗粒的粒径大致相同，便于后续的浓度检测作业。在壳体外部的主进气口附近设置第一温湿度传感器，可以便于实时采集外界环境气体的温湿度信号；在测试气体出气口处设置第二温湿度传感器，可以便于实时采集干燥后气体的温湿度信号，进而可以便于获得进入加热管之前气体的温湿度数据；在加热出气端设置第三温湿度传感器，可以便于实时采集加热后气体的温湿度信号；使渗透式干燥机构由位于内部的小径段测试管路、套设在小径段测试管路外部的大径段测试管路和连接小径段测试管路和大径段测试管路端部的环形连接板组成，同时，使小径段测试管路的管壁由渗透膜制成，这样，可以便于利用流经小径段测试管路和大径段测试管路之间环形空间部分的干燥气体对流经小径段测试管路中的测试气体进行快速高效的干燥。使小径段测试管路的左端作为测试气体进气口，右端为测试气体出气口，同时，在大径段干燥管路的左端连接有干燥出气管路，右端连接有干燥进气管路，这样，在渗透式干燥管内外管内的测试气路与干燥气路的流向便会相反，进而能以形成反向干燥气的方式来有效地提升干燥效果，有利于确保干燥后的气溶胶相对湿度低于20%，这样，能最大程度地降低水分对测量精度的影响，可显著提高测量精度。使干燥进气管路依次通过硅胶干燥管路和HEPA过滤器与开设在壳体上的辅助进气口连接，可以便于由壳体外部引入干燥气体，其中，通过HEPA过滤器的设置，可以对干燥用气体进行细菌和病毒等有机体进行有效地过滤，通过硅胶干燥管的设置，可以对进入小径段测试管路和大径段测试管路之间环形空间中的干燥气体进行有效的干燥，进而可以利用干燥后的气体反向作用于流经小径段测试管路中的测试气体。使干燥气体出气管路通过限流孔组件与三通管件的一个入口端连接，同时，使三通管件的出口端通过质量流量控制器与真空泵的入口端连接，这样，可以便于利用限流孔组件调节干燥气体出气管路中气体的流量，同时，也能方便利用质量流量控制器来控制干燥气体出气管路中气体的流量，进而可以利用限流孔组件和质量流量控制器两级流量调节的方式来对干燥气体的流量进行精确的调节，有利于对测试气体进行高效精准的干燥作业，进而有利于使测试气体达到预定的干燥效果。另外，由于限流孔组件能对干燥气体的流量进行调节，而质量流量控制器可以同时对干燥气体和测试气体的流量进行调节，这样相互配合后还可以有利于调节进入小径段测试管路中气体的流量，从而能满足不同目标粒径的粉尘粒径切割器对流量的不同要求，进而只要更换粒径切割头便能对不同粉尘类型进行测试，提高了该检测仪的通用性。在壳体外部设置大气压力传感器，可以便于实时采集到外界环境的大气压力信号；将加热带绕设在加热管中圆柱管体段的外部，可以便于利用热传递的方式对流经圆柱管体段中的气体进行加热；利用保温材料覆盖在加热带的外部，可以避免热量的损失，同时，能避免外界的低温环境降低管体内气体的加热效率，这样能有效提高气溶胶预热的效率。使预热控制器分别与第一温湿度传感器、第二温湿度传感器和第三温湿度传感器连接，可以便于根据外界环境气体的温湿度数据来设定加热带的预热目标温度，进而能动态地调节预热目标温度；同时，能便于根据加热前气体的温湿度数据和加热后气体的温湿度数据调节加热带的加热功率，进而可以对加热功率进行动态精准的调整，可确保经加热管预热后的气体温度能在预热目标温度范围内，使进入振荡测量系统中气体温度的稳定性更好，避免了外界温度变化对振荡频率测量效果产生的影响，进一步提高了测量精度。使加热管的下段为锥台型管体段，可以有利于加热后的气体较为分散地向下方输出，进而有利于待测试气体较为快速高效地通过设置在下方滤膜，然后进入振荡管中。利用薄壁漏斗状的滤膜托衔接加热管和振荡管，可以便于将通过滤膜的气体快速导流到振荡管中。使振荡管为锥台型，有利于进入其中的气体快速排出。在振荡管外表面的相对两侧连接一对磁钢，同时，在一对磁钢外部的两侧设置一对驱动电磁铁，并使振荡驱动模块与驱动电磁铁连接，这样，可以便于利用驱动电磁铁所产生的磁通作用于磁钢，进而驱动振荡管进行稳定的振荡；在驱动电磁铁的内侧设置霍尔传感器，并使霍尔传感器与高精度频率测量模块连接，可以便于利用霍尔传感器实时采集磁场强度变化信号并转变为交流电压信号，进而高精度频率测量模块能通过交流电压信号获得振荡频率；在第六连通管路中设置流量计，可以便于采集通过滤膜后气体的流量信号。使三通管件的一个入口端通过流量计与振荡管的出气口连接，同时，使三通管件的出口端通过质量流量控制器与真空泵连接，可以便于利用真空泵所提供的负压对测试后的气体进行引流，便于将测试后的气体导流出壳体的外部。由于三通管件的一个入口端与振荡管的出气口连接，另一个入口端与限流孔组件连接，而三通管件的出口端与真空泵连接，这样利用一个真空泵同时向测试气体和干燥气体同时提供负压。在真空泵入口端的上游侧连接质量流量控制器，可以便于调节进入真空泵气体的流量。在第七连通管路中设置第四温湿度传感器，可以便于实时采集通过流量计气体的温湿度信号；在振荡管上连接倾角传感器，可以便于实时采集振荡管的倾斜角度信号。通过压差传感器的设置，可以便于实时采集滤膜托入口端和振荡管出口端的压降信号；在第六连通管路中设置气体压力传感器，可以便于实时采集进入流量计的气体的绝对压力信号。在壳体上装配有显示屏，可以便于直观地观察到相关的测量数据。使数据处理模块通过数据采集模块与第一温湿度传感器、大气压力传感器、气体压力传感器和流量计连接，可以便于数据处理模块依据外界环境气体的温湿度数据、外界环境大气压力数据和进入流量计的气体压力数据对流量计的流量转化为实际工况流量。使数据处理模块通过数据采集模块分别与倾角传感器、压差传感器和第三温湿度数据连接，可以便于数据处理模块内部的频率校准核模型依据振荡管的倾斜数据、滤膜托入口端和振荡管出气口处的压差数据和加热后气体的温湿度数据对所获得的振荡频率进行校正，并能便于数据处理模块内部的数据计算单元依据校正后的振荡频率的变化情况计算出滤膜上的沉积的粉尘质量，进一步能基于所获得的沉积的粉尘质量和实际工况流量计算出测试环境中的粉尘浓度数据。该监测仪能便于工作人员随身携带，其可最大程度降低外界环境以及使用者的运动对测量结果产生的影响，能显著提高测试精度，可有效满足矿工个人接触粉尘浓度实时监测实时监测的需求。
本发明还提供了一种自校准的便携式振荡天平粉尘检测仪使用方法，采用一种自校准的便携式振荡天平粉尘检测仪，其特征在于，包括以下步骤:
步骤一：依据需要测试的粉尘目标粒径选择配套的粒径切割器3进行切换与安装，然后将自校准的便携式振荡天平粉尘检测仪佩戴在工作人员的身上；
步骤二：利用蓄电池组32通过供电电路对用电设备进行供电；
使真空泵26和质量流量控制器25启动工作，通过真空泵26提供负压，同时，利用第一温湿度传感器4实时采集外界环境气体的温湿度信号，利用第二温湿度传感器9实时采集干燥后气体的温湿度信号，利用第三温湿度传感器15 实时采集加热后气体的温湿度信号，利用流量计23实时采集经过滤膜后气体的流量信号，利用倾角传感器27 实时采集振荡管16的倾斜状态信号，利用压差传感器28实时采集滤膜托22入口端和振荡管16出口端的压降信号；利用大气压力传感器5实时采集外界环境的大气压力信号；利用第四温湿度传感器24实时采集的通过流量计23气体的温湿度信号；利用气体压力传感器29 实时采集进入流量计23气体的绝对压力信号；
对限流孔组件10和质量流量控制器25进行调节，调节流经小径段测试管路6-1和大径段干燥管路6-2之间环形空间内的反向干燥气的流量，使得由第二温湿度传感器9所采集的干燥后气体的温湿度低于20%，同时，使得流量计23所测得的气体流量在粒径切割器3要求的流量范围内；
步骤三：通过预热控制器13控制加热带12开始工作，同时，使预热控制器13通过第一温湿度传感器4所采集的外界环境气体的温湿度信号获得外界环境气体的温湿度数据，并根据外界环境气体的温湿度数据设定加热带12的预热目标温度，作为一种优选，预热目标温度较外界环境气体温度高20℃；使预热控制器13通过第二温湿度传感器9所采集的干燥后气体的温湿度信号获得干燥后气体的温湿度数据，通过第三温湿度传感器15 所采集的加热后气体的温湿度信号获得加热后气体的温湿度数据，并根据干燥后气体的温湿度数据和加热后气体的温湿度数据调节加热带12的加热功率，以确保经过加热管11预热后的气体温度在预热目标温度范围内，这样能实现在目标温度范围内的动态平衡；
步骤四：通过数据处理模块31控制振荡驱动模块20产生动态驱动信号，利用动态驱动信号驱动驱动电磁铁18激励线圈通电使得磁通增大，并作用于振荡管16上的磁钢17，进而驱动振荡管16进行稳定振荡；
同时，利用霍尔传感器19实时采集磁场强度变化信号并转变为交流电压信号，并使高精度频率测量模块21通过霍尔传感器19所输出的交流电压信号获得振荡频率，同时，利用高精度频率测量模块21记录滤膜上沉积粉尘颗粒物过程中的振荡频率变化情况；
在检测仪运行过程中，沉积在滤膜上的粉尘颗粒物会改变振荡管16的负载并进一步改变振荡管16的谐振频率，利用高精度频率测量模块21能够快速并且精准地记录振荡管16的频率变化情况；
步骤四：使数据处理模块31通过倾角传感器27 所采集到的振荡管16的倾斜状态信号获得振荡管16的倾斜数据，通过压差传感器28所采集到的滤膜托22入口端和振荡管16出口端的压降信号获得压差数据，通过第三温湿度传感器15所采集到的加热后气体的温湿度信号获得进入振荡管16中气体的温湿度数据，通过高精度频率测量模块21获得沉积粉尘颗粒物过程中振荡管16的振荡频率变化数据，并使数据处理模块31基于内部的频率校准模型对振荡频率进行校正，同时，使数据处理模块31基于内部的数据计算单元依据校正后的振荡频率的变化计算滤膜上所沉积的粉尘质量；
其中，所述频率校正模型是通过海量组合实验建立的，其通过确认不同负载状态下振荡管在不同温湿度气体环境、不同倾斜状态、不同压差条件下的振荡管振荡频率与不同负载下振荡管标准测试环境下的振荡频率的关系，进而确认频率校正模型。
同时，使数据处理模块31通过第一温湿度传感器4所采集的外界环境气体的温湿度信号获得外界环境气体的温湿度数据，通过大气压力传感器5所采集的外界环境大气压力信号获得大气压力数据，通过气体压力传感器29所采集的进入流量计23气体的绝对压力信号获得进入流量计23气体的压力数据，并依据气体状态方程将流量计23的流量转化为实际工况流量，使数据处理模块31 基于内部的数据计算单元依据滤膜上所沉积的粉尘质量和实际工况流量计算出测试环境中的粉尘深度。
本发明中，在利用真空泵提供负压的同时，调节限流孔组件和空气质量流量控制器，调节流经小径段测试管路和大径段干燥管路之间环形空间内的反向干燥气的流量，使得由第二温湿度传感器所采集的干燥后气体的温湿度低于20%，同时，使得流量计所测得的气体流量在粒径切割器要求的流量范围内，这样，能在有效干燥测试气体的前提下，确保测试气体的流量在粒径切割器要求的范围内，进而使粒径切割器能对测试气体中的大粒径颗粒进行更有效的切割，极大地确保了测试精度。使预热控制器与第一温湿度传感器连接，可以便于根据外界环境温度数据来动态地设定预热目标温度值，从而能使检测仪灵活地根据外界的不同温度情况设定不能的预热目标温度值，进一步确保了测试精度；使预热控制器还分别与第二温湿度传感器和第三温湿度传感器连接，可以便于预热控制器根据加热前气体的温湿度数据和加热后气体的温湿度数据调节加热带的加热功率，以确保经过加热管预热后的气体温度在预热目标温度范围内，这样，当外界环境温度发生变化时，可以通过加热的方式将测试气体的温度稳定在预热目标温度范围内，避免了外界温度变化对振荡频率测量效果产生影响，进一步确保了测试精度。利用振驱动模块给出的驱动信号驱动驱动电磁铁的磁通量增大，进而产生作用于磁钢的驱动力，可以驱动振荡管进行稳定的振荡。将霍尔传感器设置在驱动电磁铁的内侧，可以通过检测磁场的变化情况来获得交流电压信号，进而能便于高精度频率测量模块通过脉冲信号获得振荡管的振荡频率。由于沉积在滤膜上的粉尘颗粒物会改变振荡管的负载并进一步改变振荡管的谐振频率，这样，当有粉尘沉积时所获得的振荡频率必然会发生变化，利用高精度频率测量模块对振荡频率的变化情况进行记录，便可以方便地获得滤膜上所沉积的粉尘质量。通过第一温湿度传感器、大气压力传感器、气体压力传感器和流量计获取外界环境气体的温湿度数据、外界环境大气压力数据、进入流量计的气体压力数据和进入流量计的气体流量数据，可以便于数据处理模块依据气体状态方程将进入流量计的气体流量数据转换为实际工况流量。通过倾角传感器、压差传感器、第三温湿度数据分别获得振荡管的倾斜数据、滤膜托入口端和振荡管出气口处的压差数据、加热后气体的温湿度数据，可以便于数据处理模块内部的频率校准核模型对所获得的振荡频率进行校正，并能便于数据处理模块内部的数据计算单元依据校正后的振荡频率的变化情况计算出滤膜上的沉积的粉尘质量，进一步能基于所获得的沉积的粉尘质量和实际工况流量计算出测试环境中的粉尘浓度数据。
该方法操作过程简单、实时性好、检测效率高，其在测量过程中考虑了实际工况中的多种不利因素，能在复杂环境下实现对矿工个体所接触粉尘浓度做出精准快速的检测，具有良好的推广应用价值。
Claims (6)
1.一种自校准的便携式振荡天平粉尘检测仪，包括壳体（1），所述壳体（1）上开设有主进气口和主排气口，其特征在于，还包括气溶胶干燥系统、气溶胶预热系统、振荡测量系统、流量控制系统、校正测量系统、电源系统和显示屏（2）；
所述壳体（1）上还开设有辅助进气口；
所述气溶胶干燥系统、气溶胶预热系统、振荡测量系统、流量控制系统、校正测量系统和电源系统均安装在壳体（1）的内腔中；
所述气溶胶干燥系统由粒径切割器(3)、渗透式干燥机构(6)、硅胶干燥管(8)、HEPA过滤器(7)、限流孔组件(10)、第一温湿度传感器(4)、第二温湿度传感器(9)和大气压力传感器(5)组成；所述粒径切割器(3)安装在壳体（1）的主进气口中，其进气端与待测环境连通；所述渗透式干燥机构(6)水平地设置，其由小径段测试管路(6-1)、大径段干燥管路(6-2)和环形连接板(6-3)组成，所述大径段干燥管路(6-2)同轴地套设在小径段测试管路(6-1)的外部，且二者的端部相平齐，两个环形连接板(6-3)分别设置在大径段干燥管路(6-2)和小径段测试管路(6-1)两个同侧端部之间的区域中，且环形连接板(6-3)的外边沿与大径段干燥管路(6-2)的端沿气密连接，环形连接板(6-3)的内边沿与小径段测试管路(6-1)的端沿气密连接，小径段测试管路(6-1)的管壁采用渗透膜制成，小径段测试管路(6-1)左端为测试气体进气口，其右端为测试气体出气口，所述小径段测试管路(6-1)的测试气体进气口通过第一连通管路与粒径切割器(3)的出气端气密连接；大径段干燥管路(6-2)的左端连接有与其内腔连通的干燥出气管路，其右端连接有与其内腔连通的干燥进气管路；所述硅胶干燥管(8)的出口端通过第二连通管路与大径段干燥管路(6-2)的干燥进气管路气密连接；所述HEPA过滤器(7)的出口端通过第三连通管路与硅胶干燥管(8)进口端气密连接，HEPA过滤器(7)的进口端通过第四连通管路与壳体（1）上的辅助进气口气密连接；所述限流孔组件(10)的入口端连接在大径段干燥管路(6-2)上干燥出气管路的端部；所述第一温湿度传感器(4)靠近主进气口地设置，且安装在壳体（1）的外部，用于实时采集外界环境气体的温湿度信号；所述第二温湿度传感器(9)安装在测试气体出气口的内部，用于实时采集干燥后气体的温湿度信号；所述大气压力传感器(5)靠近主进气口地设置，且安装在壳体（1）的外部，用于实时采集外界环境的大气压力信号；
所述气溶胶预热系统由加热管(11)、加热带(12)、保温材料(14)、第三温湿度传感器(15)和预热控制器(13)组成；所述加热管(11)竖直地设置，其由位于上部的圆柱管体段(11-1)和位于下部的锥台形管体段(11-2)组成，所述圆柱管体段(11-1)的上端为加热进气端，且加热进气端通过第五连通管路与小径段测试管路(6-1)的测试气体出气口气密连接，圆柱管体段(11-1)的下端与锥台形管体段(11-2)的小径端连接，锥台形管体段(11-2)的大径端为加热出气端；所述加热带(12)绕设地覆盖在圆柱管体段(11-1)的外管壁上，所述保温材料(14)包裹在加热带(12)的外部；所述第三温湿度传感器(15)安装在锥台形管体段(11-2)的内部，用于实时采集加热后气体的温湿度信号；所述预热控制器(13)设置在加热管(11)的外部一侧，且分别与第一温湿度传感器(4)、第二温湿度传感器(9)、第三温湿度传感器(15)和加热带(12)连接，用于根据外界环境气体的温温度信号获得外界环境气体的温湿度数据、根据干燥后气体的温湿度信号获得干燥后气体的温湿度数据、根据加热后气体的温湿度信号获得加热后气体的温湿度数据，并根据外界环境气体的温湿度数据设定预热目标温度、根据干燥后气体的温湿度数据和加热后气体的温湿度数据调节加热带(12)的加热功率以确保预热效果；
所述振荡测量系统由振荡管(16)、滤膜托(22)、磁钢(17)、驱动电磁铁(18)、霍尔传感器(19)、振荡驱动模块(20)和高精度频率测量模块(21)组成；所述振荡管(16)为锥台型石英振荡管，其上端的小径端作为进气口，其下端的大径端作为出气口；所述滤膜托(22)为薄壁漏斗状，滤膜托(22)的大径端装配有滤膜，并与锥台形管体段(11-2)的加热出气端气密连接，滤膜托(22)的小径端固定套装在振荡管(16)进气口的外部；一对磁钢(17)轴对称地分布在振荡管(16)外部的相对两侧，并且紧密黏附在振荡管(16)高度方向中心的两侧侧壁上；一对驱动电磁铁(18) 轴对称地分布在一对磁钢(17)的外部两侧；所述霍尔传感器(19)竖直地设置在一侧的驱动电磁铁(18)和磁钢(17)之间，且其高度位于振荡管(16)高度方向的中心；所述振荡驱动模块(20)与驱动电磁铁(18)连接；所述高精度频率测量模块(21)与霍尔传感器(19)连接；
所述流量控制系统由流量计(23)、三通管件(34)、质量流量控制器(25)、真空泵(26)和第四温湿度传感器(24)组成；所述流量计(23)的入口通过第六连通管路与振荡管(16)的出气口连接，所述三通管件(34)的一个入口端通过第七连通管路与流量计(23)的出口连接，三通管件(34)的另一个入口端通过第八连通管路与限流孔组件(10)的出口端连接，所述质量流量控制器(25)的入口与所述三通管件(34)的出口端连接，所述真空泵(26)的入口端与质量流量控制器(25)的出口连接，真空泵(26)的出口端通过第九连通管路与壳体(1)上的主出气口连接；所述第四温湿度传感器(24)设置在第七连通管路中，用于实时采集通过流量计(23)气体的温湿度信号；
所述校正测量系统由倾角传感器(27)、压差传感器(28)、气体压力传感器(29)、数据采集模块(30)和数据处理模块(31)组成；所述倾角传感器(27) 连接在振荡管(16)上，用于实时采集振荡管(16)的倾斜状态信号；所述压差传感器(28)的一个检测口通过第一测试管路与锥台形管体段(11-2)的加热出气端气密连接，其另一个检测口通过第二测试管路与振荡管(16)的出气口气密连接；所述气体压力传感器(29)设置在第六连通管路中，用于实时采集进入流量计(23)气体的绝对压力信号；所述数据采集模块(30)分别与第一温湿度传感器(4)、第二温湿度传感器(9)、第三温湿度传感器(15)、第四温湿度传感器(24)、流量计(23)、大气压力传感器(5)、高精度频率测量模块(21)、倾角传感器(27)、压差传感器(28)和气体压力传感器(29)连接；所述数据处理模块(31)与数据采集模块(30)和振荡驱动模块(20)连接；
所述电源系统用于对用电设备进行供电；
所述显示屏（2）安装在壳体（1）的外表面，并与数据处理模块(31)连接。
2. 根据权利要求1 所述的一种自校准的便携式振荡天平粉尘检测仪，其特征在于，所述加热管(11)为铝材料制成的薄壁管。
3.根据权利要求2所述的一种自校准的便携式振荡天平粉尘检测仪，其特征在于，所述电源系统由蓄电池组(32)和充电管理模块(33)组成，所述蓄电池组(32)通过供电电路分别与第一温湿度传感器(4)、第二温湿度传感器(9)、大气压力传感器(5)、加热带(12)、预热控制器(13)、第三温湿度传感器(15)、振荡驱动模块(20)、高精度频率测量模块(21)、流量计(23)、第四温湿度传感器(24)、质量流量控制器(25)、真空泵(26)、倾角传感器(27)、压差传感器(28)、气体压力传感器(29)、数据采集模块(30)、数据处理模块(31)和显示屏(2)相连接，所述充电管理模块(33)与蓄电池组(32)连接。
4.根据权利要求3所述的一种自校准的便携式振荡天平粉尘检测仪，其特征在于，所述壳体（1）上还设置有充电接口，所述充电接口通过充电电路与充电管理模块(33)连接。
5.根据权利要求4所述的一种自校准的便携式振荡天平粉尘检测仪，其特征在于，还包括蜂鸣报警器，所述蜂鸣报警器与数据处理模块(31)连接。
6.一种自校准的便携式振荡天平粉尘检测仪使用方法，采用如权利要求1至5任一项所述的一种自校准的便携式振荡天平粉尘检测仪，其特征在于，包括以下步骤:
步骤一：依据需要测试的粉尘目标粒径选择配套的粒径切割器(3)进行切换与安装，然后将自校准的便携式振荡天平粉尘检测仪佩戴在工作人员的身上；
步骤二：利用蓄电池组(32)通过供电电路对用电设备进行供电；
使真空泵(26)和质量流量控制器(25)启动工作，通过真空泵(26)提供负压，同时，利用第一温湿度传感器(4)实时采集外界环境气体的温湿度信号，利用第二温湿度传感器(9)实时采集干燥后气体的温湿度信号，利用第三温湿度传感器(15) 实时采集加热后气体的温湿度信号，利用流量计(23)实时采集经过滤膜后气体的流量信号，利用倾角传感器(27) 实时采集振荡管(16)的倾斜状态信号，利用压差传感器(28)实时采集滤膜托(22)入口端和振荡管(16)出口端的压降信号；利用大气压力传感器(5)实时采集外界环境的大气压力信号；利用第四温湿度传感器(24)实时采集的通过流量计(23)气体的温湿度信号；利用气体压力传感器(29) 实时采集进入流量计(23)气体的绝对压力信号；
对限流孔组件(10)和质量流量控制器(25)进行调节，调节流经小径段测试管路(6-1)和大径段干燥管路(6-2)之间环形空间内的反向干燥气的流量，使得由第二温湿度传感器(9)所采集的干燥后气体的温湿度低于20%，同时，使得流量计(23)所测得的气体流量在粒径切割器(3)要求的流量范围内；
步骤三：通过预热控制器(13)控制加热带(12)开始工作，同时，使预热控制器(13)通过第一温湿度传感器(4)所采集的外界环境气体的温湿度信号获得外界环境气体的温湿度数据，并根据外界环境气体的温湿度数据设定加热带(12)的预热目标温度，使预热控制器(13)通过第二温湿度传感器(9)所采集的干燥后气体的温湿度信号获得干燥后气体的温湿度数据，通过第三温湿度传感器(15) 所采集的加热后气体的温湿度信号获得加热后气体的温湿度数据，并根据干燥后气体的温湿度数据和加热后气体的温湿度数据调节加热带(12)的加热功率，以确保经过加热管(11)预热后的气体温度在预热目标温度范围内；
步骤四：通过数据处理模块(31)控制振荡驱动模块(20)产生动态驱动信号，利用动态驱动信号驱动驱动电磁铁(18)激励线圈通电使得磁通增大，并作用于振荡管(16)上的磁钢(17)，进而驱动振荡管(16)进行稳定振荡；
同时，利用霍尔传感器(19)实时采集磁场强度变化信号并转变为交流电压信号，并使高精度频率测量模块(21)通过霍尔传感器(19)所输出的交流电压信号获得振荡频率，同时，利用高精度频率测量模块(21)记录滤膜上沉积粉尘颗粒物过程中的振荡频率变化情况；
步骤四：使数据处理模块(31)通过倾角传感器(27) 所采集到的振荡管(16)的倾斜状态信号获得振荡管(16)的倾斜数据，通过压差传感器(28)所采集到的滤膜托(22)入口端和振荡管(16)出口端的压降信号获得压差数据，通过第三温湿度传感器(15)所采集到的加热后气体的温湿度信号获得进入振荡管(16)中气体的温湿度数据，通过高精度频率测量模块(21)获得沉积粉尘颗粒物过程中振荡管(16)的振荡频率变化数据，并使数据处理模块(31)基于内部的频率校准模型对振荡频率进行校正，同时，使数据处理模块(31)基于内部的数据计算单元依据校正后的振荡频率的变化计算滤膜上所沉积的粉尘质量；
同时，使数据处理模块(31)通过第一温湿度传感器(4)所采集的外界环境气体的温湿度信号获得外界环境气体的温湿度数据，通过大气压力传感器(5)所采集的外界环境大气压力信号获得大气压力数据，通过气体压力传感器(29)所采集的进入流量计(23)气体的绝对压力信号获得进入流量计(23)气体的压力数据，并依据气体状态方程将流量计(23)的流量转化为实际工况流量，使数据处理模块(31) 基于内部的数据计算单元依据滤膜上所沉积的粉尘质量和实际工况流量计算出测试环境中的粉尘深度。
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