煙道粉塵濃度檢測(cè)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種煙道粉塵濃度檢測(cè)系統(tǒng)，包括發(fā)射單元、接收單元和信號(hào)處理單元，所述的發(fā)射單元包括兩個(gè)相對(duì)放置在粉塵煙道中且交替發(fā)射紅外光的光源，兩個(gè)光源發(fā)射所形成的光路相對(duì)于粉塵煙道呈對(duì)稱分布；每個(gè)光源經(jīng)光路后得到參考光和實(shí)時(shí)光；所述參考光和實(shí)時(shí)光經(jīng)過接收單元變成電壓信號(hào)后進(jìn)入信號(hào)處理單元處理，基于瑯勃比爾定律計(jì)算得出粉塵濃度。本發(fā)明精度高、結(jié)構(gòu)新穎、制造成本低、便于顯示控制操作。
【專利說明】煙道粉塵濃度檢測(cè)系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種煙道粉塵濃度檢測(cè)系統(tǒng)，屬于煙氣檢測(cè)設(shè)備【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]生產(chǎn)性粉塵的危害性很大。一方面粉塵嚴(yán)重危害職工的身體健康，工作人員長(zhǎng)期吸入高濃度粉塵極易感染塵肺病，粉塵中含有多種毒性元素，被人體吸入后易于引起中毒。此外，粉塵還會(huì)造成眼疾，具有致癌作用，特別是肺癌。另一方面生產(chǎn)過程中粉塵濃度過高，潛伏著粉塵爆炸的危險(xiǎn)。煤礦事故中煤塵爆炸所引起的特大事故占有很大比重。因此無論從保護(hù)職工健康角度，還是從安全生產(chǎn)角度考慮，都必須采取有效措施對(duì)煤礦煙道粉塵進(jìn)行檢測(cè)。
[0003]現(xiàn)階段已有的粉塵濃度檢測(cè)儀器主要有光學(xué)、稱重式、電荷式幾種，其中光學(xué)式的使用最為廣泛。稱重式粉塵儀需要使用采樣器采樣，需要經(jīng)過稱重、烘干、采樣、再烘干、再稱重及計(jì)算等一系列煩瑣的過程，因此不能及時(shí)反映現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的粉塵濃度。電荷式粉塵儀受風(fēng)速、風(fēng)向、含水量等周圍環(huán)境影響較大，測(cè)量結(jié)果不夠準(zhǔn)確。光散射式粉塵儀技術(shù)已比較成熟，測(cè)量準(zhǔn)確，安裝方便，但高粉塵濃度的情況下，光在通過煙氣時(shí)，光強(qiáng)衰減太快，測(cè)量的非線性增加明顯，使其測(cè)量精度很難保證，不適宜高粉塵濃度的測(cè)量，光透射式適宜高粉塵濃度的測(cè)量。目前已有的光透射式粉塵儀主要采用了單發(fā)單收式測(cè)量法，單發(fā)雙收式測(cè)量法，雙光束測(cè)量法。單發(fā)單收式測(cè)量法，單發(fā)雙收式測(cè)量法存在探測(cè)精度差，靈敏度低，采集到的電流信號(hào)小，成本較高，在線人員操作不夠便攜等缺點(diǎn)。已有的雙光束測(cè)量法測(cè)塵儀，如中國(guó)專利CN85109253A，雖然對(duì)于單發(fā)單收、單發(fā)雙收測(cè)量方法在測(cè)量精度上有一定的改善，但是所采用的光學(xué)結(jié)構(gòu)是一個(gè)光學(xué)轉(zhuǎn)盤，使用時(shí)需要光束進(jìn)入到轉(zhuǎn)盤內(nèi)壁，由對(duì)側(cè)拋光鏡面實(shí)現(xiàn)鏡面反射實(shí)現(xiàn)雙發(fā)雙收測(cè)量，這樣的結(jié)構(gòu)機(jī)械復(fù)雜，光學(xué)設(shè)計(jì)復(fù)雜，重復(fù)穩(wěn)定性低，外型箱體巨大，成本高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于，提供一種精度高、結(jié)構(gòu)新穎、制造成本低、便于顯示控制操作的在線檢測(cè)煙道粉塵濃度的儀器。
[0005]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:煙道粉塵濃度檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于:包括發(fā)射單元、接收單元和信號(hào)處理單元，所述的發(fā)射單元包括兩個(gè)相對(duì)放置在粉塵煙道中且交替發(fā)射紅外光的光源，兩個(gè)光源發(fā)射所形成的光路相對(duì)于粉塵煙道呈對(duì)稱分布；每個(gè)光源的一側(cè)設(shè)有半反半透鏡，所述光源發(fā)出的入射光與半反半透鏡呈45°夾角，所述光源發(fā)出的入射光經(jīng)過半反半透鏡后分成反射光和透射光兩部分；所述半反半透鏡的上方設(shè)有全反射鏡，所述反射光經(jīng)過全反射鏡反射后，再經(jīng)過所述半反半透鏡，得到參考光；所述半反半透鏡一側(cè)設(shè)有準(zhǔn)直透鏡，所述透射光經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡和粉塵煙道后，進(jìn)入另一光源的準(zhǔn)直透鏡和半反半透鏡，得到實(shí)時(shí)光；所述參考光和實(shí)時(shí)光經(jīng)過半反半透鏡后透射進(jìn)入接收單元，所述接收單元對(duì)兩次發(fā)射得到的參考光和實(shí)時(shí)光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，變成電壓信號(hào)后進(jìn)入信號(hào)處理單元；所述信號(hào)處理單元將參考光產(chǎn)生的電壓信號(hào)和實(shí)時(shí)光產(chǎn)生的電壓信號(hào)進(jìn)行處理，基于瑯勃比爾定律計(jì)算得出粉塵濃度。
[0006]進(jìn)一步的技術(shù)方案為:
[0007]所述的信號(hào)處理單元包括依次相連接的單片機(jī)、濾波電路、放大電路、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路。
[0008]還包括信號(hào)輸出單元，所述的信號(hào)輸出單元包括與信號(hào)處理單元相連接的電流輸出模塊、通信模塊、液晶屏和按鍵。
[0009]所述粉塵濃度的計(jì)算公式為:c = In (I ( λ ) /Ici ( λ )) / (L σ ( λ ))，其中c代表粉塵濃度，吸收能力用吸收截面0來表不，I (λ)為信號(hào)光強(qiáng)，I (λ -為參考光強(qiáng)，L表不光程。
[0010]所述的半反半透鏡由三面拋光的等腰直角三棱鏡和近紅外波段的半反半透膜組成。
[0011 ] 所述的接收單元為探測(cè)器。
[0012]所述的半反半透鏡設(shè)置在準(zhǔn)直透鏡的焦點(diǎn)處，確保發(fā)射出平行光束。
[0013]所述光源的發(fā)射由單片機(jī)控制。
[0014] 所述紅外光為近紅外波段的光。
[0015]本發(fā)明的有益效果是:
[0016]1.高效率的光路設(shè)計(jì)。本發(fā)明采用半反半透鏡，使光路分成等光強(qiáng)的反射光和透射光兩部分；同時(shí)采用全反射透鏡，使光程增加一倍，但整體機(jī)械距離沒有增加。本發(fā)明提高了光能利用率，增加光程，減小整體機(jī)械結(jié)構(gòu)間距，光學(xué)器件精簡(jiǎn)，實(shí)用性高。
[0017]2.測(cè)量周期短。本發(fā)明與已有的雙光束測(cè)塵儀相比，縮短了測(cè)量周期。一個(gè)測(cè)量周期，僅需要I個(gè)光源開啟時(shí)，兩個(gè)探測(cè)器同時(shí)得到參考光和實(shí)時(shí)光；再關(guān)閉該光源，開啟另一個(gè)光源，兩個(gè)探測(cè)器再同時(shí)得到的參考光和實(shí)時(shí)光。如此交替往復(fù)，縮短了測(cè)量時(shí)間，提高了測(cè)量精度。
[0018]3.精簡(jiǎn)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，與已有的雙光束測(cè)塵儀相比，本發(fā)明機(jī)械結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)，無需電機(jī)轉(zhuǎn)換盤等高耗能，且需精確時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)的部件，僅需開關(guān)光源，便可達(dá)到切分光路的效果。本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)小巧，內(nèi)部穩(wěn)定，工作流程簡(jiǎn)單方便，成本低，實(shí)用性高。
[0019]4.齊全的顯示控制操作功能。本發(fā)明不但支持串口 232通信，485通信，使與之相連的PC機(jī)可直接進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，參數(shù)調(diào)整，而且支持4-20mA、0-20mA電流輸出，液晶顯示屏輸出，繼電器報(bào)警，按鍵控制的功能?，F(xiàn)實(shí)操作界面簡(jiǎn)潔，功能齊全，方便用戶實(shí)時(shí)操作、控制、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1是本發(fā)明的原理框圖；
[0021]圖2是發(fā)射接收單元側(cè)面剖面圖；
[0022] 圖3是發(fā)射接收單元底面剖面圖；
[0023]圖4 是 本發(fā)明的電路原理框圖；
[0024]圖5是本發(fā)明的流程圖。
【具體實(shí)施方式】[0025]為進(jìn)一步揭示本發(fā)明的技術(shù)方案，下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)施方式:如圖1至圖3所示，煙道粉塵濃度檢測(cè)系統(tǒng)，包括發(fā)射單元、接收單元和信號(hào)處理單元，發(fā)射單元包括兩個(gè)相對(duì)放置在粉塵煙道中且交替發(fā)射紅外光的光源1、1’。光源I’發(fā)射所形成的光路與光源I發(fā)射所形成的光路相對(duì)于粉塵煙道呈對(duì)稱分布。光源1、1’分別安裝在發(fā)射接收電路板15上。
[0026]光源1、1’的一側(cè)分別設(shè)有半反半透鏡2、2’，光源I發(fā)出的入射光與半反半透鏡2呈45°夾角，光源I’發(fā)出的入射光與半反半透鏡2’呈45°夾角。半反半透鏡2、2’具有分光功能，可將一束光分成光強(qiáng)相等的反射光與透射光兩部分。半反半透鏡2、2’的上方設(shè)有全反射鏡4、4’，全反射鏡4、4’使光線進(jìn)行無能量損耗的反射。半反半透鏡2、2’ 一側(cè)設(shè)有準(zhǔn)直透鏡，半反半透鏡2、2’放置在準(zhǔn)直透鏡3、3’的焦點(diǎn)處，確保發(fā)射出平行光束。
[0027]探測(cè)器5、5’為接收單元，用以接收經(jīng)過半反半透鏡2、2’的透射光線，并將其光信號(hào)通過光電轉(zhuǎn)換形成電壓信號(hào)。
[0028]以光源I發(fā)出紅外光為例，入射光經(jīng)過半反半透鏡2，得到等光強(qiáng)的反射光束α和透射光束β。反射光束α經(jīng)過全反射鏡4，反射回半反半透鏡2表面；最后該光束經(jīng)過半反半透鏡2透射進(jìn)入探測(cè)器5，得到未經(jīng)過粉塵煙道的參考電壓信號(hào)。透射光束β經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡3，發(fā)出的平行光束經(jīng)過粉塵煙道，再經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡3’，入射在半反半透鏡2’表面，最后該光束經(jīng)過半反半透鏡2’反射進(jìn)入探測(cè)器5’，得到經(jīng)過粉塵煙道的實(shí)時(shí)電壓信號(hào)，兩種信號(hào)同時(shí)進(jìn)入信號(hào)處理單元6。
[0029]關(guān)閉光源1，開啟與之對(duì)稱的另一光源1’，經(jīng)過與光源I相同的光路，得到未經(jīng)過粉塵煙道的參考電壓信號(hào)和經(jīng)過粉塵煙道的實(shí)時(shí)電壓信號(hào)，兩種信號(hào)同時(shí)進(jìn)入信號(hào)處理單兀6。
[0030]如圖4所示，信號(hào)處理單元6包括依次相連接的單片機(jī)、濾波電路、放大電路、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路，信號(hào)處理單元6基于瑯勃比爾定律計(jì)算得到粉塵濃度值，粉塵濃度的計(jì)算公式為:c = lnaU)//IQ(X))/(L0 (λ))其中c代表粉塵濃度，吸收能力用吸收截面σ來表不，I ( λ )為信號(hào)光強(qiáng)，I ( λ 0)為參考光強(qiáng)，L表不光程。
[0031]還包括信號(hào)輸出單元，信號(hào)輸出單元包括與信號(hào)處理單元相連接的電流輸出模塊
7、通信模塊8、液晶屏9和按鍵10。電流輸出模塊7用于輸出粉塵濃度值對(duì)應(yīng)的4?20mA或O?20mA電流值，232/485通信模塊8連接PC機(jī)通信，從而實(shí)現(xiàn)PC機(jī)實(shí)時(shí)在線檢測(cè)功能。液晶屏9用于粉塵濃度值的實(shí)時(shí)顯示輸出。按鍵10用于調(diào)控輸出。
[0032]如圖4所示，電路部分的設(shè)計(jì)框圖主要分為三部分:調(diào)制發(fā)射部分，信號(hào)接收部分，信號(hào)處理部分。
[0033](I)調(diào)制發(fā)射部分:單片機(jī)控制光源1、1’的發(fā)射。
[0034](2)信號(hào)接收、處理部分:探測(cè)器5、5’的接收，對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行濾波，放大，模數(shù)轉(zhuǎn)換等處理，綜合計(jì)算求出粉塵濃度值。
[0035](3)信號(hào)輸出部分:采用不同形式進(jìn)行輸出或報(bào)警。
[0036]如圖5所示，先進(jìn)行數(shù)據(jù)量的初始化，檢測(cè)儀器是否正確安裝；然后同時(shí)讀取光源I發(fā)射時(shí)的參考信號(hào)光強(qiáng)值以及實(shí)時(shí)信號(hào)光強(qiáng)值，再同時(shí)讀取光源2發(fā)射時(shí)的參考信號(hào)光強(qiáng)值以及實(shí)時(shí)信號(hào)光強(qiáng)值；最后將得到的四個(gè)數(shù)值進(jìn)行綜合數(shù)據(jù)運(yùn)算，得到粉塵濃度值。
[0037]以上通過對(duì)所列實(shí)施方式的介紹，闡述了本發(fā)明的基本構(gòu)思和基本原理。但本發(fā)明絕不限于上述所列實(shí)施方式，凡是基于本發(fā)明的技術(shù)方案所作的等同變化、改進(jìn)及故意變劣等行為，均應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.煙道粉塵濃度檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于:包括發(fā)射單元、接收單元和信號(hào)處理單元，所述的發(fā)射單元包括兩個(gè)相對(duì)放置在粉塵煙道中且交替發(fā)射紅外光的光源，兩個(gè)光源發(fā)射所形成的光路相對(duì)于粉塵煙道呈對(duì)稱分布；每個(gè)光源的一側(cè)設(shè)有半反半透鏡，所述光源發(fā)出的入射光與半反半透鏡呈45°夾角，所述光源發(fā)出的入射光經(jīng)過半反半透鏡后分成反射光和透射光兩部分；所述半反半透鏡的上方設(shè)有全反射鏡，所述反射光經(jīng)過全反射鏡反射后，再經(jīng)過所述半反半透鏡，得到參考光；所述半反半透鏡一側(cè)設(shè)有準(zhǔn)直透鏡，所述透射光經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡和粉塵煙道后，進(jìn)入另一光源的準(zhǔn)直透鏡和半反半透鏡，得到實(shí)時(shí)光；所述參考光和實(shí)時(shí)光經(jīng)過半反半透鏡后透射進(jìn)入接收單元，所述接收單元對(duì)兩次發(fā)射得到的參考光和實(shí)時(shí)光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，變成電壓信號(hào)后進(jìn)入信號(hào)處理單元；所述信號(hào)處理單元將參考光產(chǎn)生的電壓信號(hào)和實(shí)時(shí)光產(chǎn)生的電壓信號(hào)進(jìn)行處理，基于瑯勃比爾定律計(jì)算得出粉塵濃度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的煙道粉塵濃度檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于:所述的信號(hào)處理單元包括依次相連接的單片機(jī)、濾波電路、放大電路、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的煙道粉塵濃度檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于:還包括信號(hào)輸出單元，所述的信號(hào)輸出單元包括與信號(hào)處理單元相連接的電流輸出模塊、通信模塊、液晶屏和按鍵。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的煙道粉塵濃度檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于:所述粉塵濃度的計(jì)算公式為:c = In (I ( λ ) /I。( λ )) / (L σ ( λ ))，其中c代表粉塵濃度，吸收能力用吸收截面σ來表不，I ( λ )為信號(hào)光強(qiáng)，I ( λ 0)為參考光強(qiáng)，L表不光程。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的煙道粉塵濃度檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于:所述的半反半透鏡由三面拋光的等腰直角三棱鏡和近紅外波段的半反半透膜組成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的煙道粉塵濃度檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于:所述的接收單元為探測(cè)器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的煙道粉塵濃度檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于:所述的半反半透鏡設(shè)置在準(zhǔn)直透鏡的焦點(diǎn)處，確保發(fā)射出平行光束。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的煙道粉塵濃度檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于:所述光源的發(fā)射由單片機(jī)控制。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的煙道粉塵濃度檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于:所述紅外光為近紅外波段的光。
【文檔編號(hào)】G01N15/06GK103439233SQ201310386430
【公開日】2013年12月11日 申請(qǐng)日期:2013年8月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月30日
【發(fā)明者】姚軍, 奚易堃, 蔡明杰, 趙亞亭, 李偉, 王宇琪, 胡軍, 張亞偉 申請(qǐng)人:蘇州奧德克光電有限公司