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专利号: 202311162799X
申请人: 中国矿业大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2025-10-14
缴费截止日期: 暂无
联系人

摘要:

权利要求书:

1.一种自校准粉尘浓度在线检测仪,其特征在于,包括壳体、气溶胶干燥系统、光学测量系统、振荡天平测量系统、流量控制系统、自校准系统和电源系统;

所述壳体上开设主进气口和主排气口,气溶胶干燥系统、光学测量系统、振荡天平测量系统、流量控制系统和电源系统均装在壳体内,所述主进气口通过主气路与光学测量系统连接,用于向光学测量系统输送粉尘颗粒;

所述气溶胶干燥系统,用于向主气路注入干燥气体对主气路内的气体相对湿度进行调节;

所述光学测量系统,用于对经过主气路进入的气流中粉尘浓度进行检测,光学测量系统的排出口通过第一测量气路和第二测量气路分别与三通接头的两个端口连接,振荡天平测量系统装在第一测量气路上,三通接头剩余的端口通过排气管路与主排气口连接;

所述振荡天平测量系统,用于对经过的气流中粉尘浓度进行检测;

所述流量控制系统,用于对进入光学测量系统和振荡天平测量系统的气流量进行调节,其包括电动球阀、第一质量流量控制器、第二质量流量控制器、第四温湿度传感器和真空泵,电动球阀装在光学测量系统的排出口与第一测量气路和第二测量气路的连接处,用于切换光学测量系统与第一测量气路或第二测量气路的通断;第一质量流量控制器和第二质量流量控制器分别装在第一测量气路和第二测量气路上,分别用于获取及控制第一测量气路和第二测量气路内的气体流量;第四温湿度传感器装在第一测量气路上,用于监测进入振荡天平测量系统的气体温湿度值;真空泵装在排气管路上,用于控制主气路、第一测量气路和第二测量气路内的气体流量;

所述自校准系统与气溶胶干燥系统、光学测量系统、振荡天平测量系统和流量控制系统连接,用于对气溶胶干燥系统和流量控制系统进行控制,并获取光学测量系统和振荡天平测量系统反馈的检测数据,经过分析处理后输出实时的粉尘浓度数据;

所述电源系统,用于为整个在线检测仪供电。

2.根据权利要求1所述自校准粉尘浓度在线检测仪,其特征在于,所述主进气口处装有粒径切割器,用于筛选进入主气路内的粉尘粒径。

3.根据权利要求1所述自校准粉尘浓度在线检测仪,其特征在于,所述气溶胶干燥系统包括第一气体支路、第二气体支路、第一温湿度传感器、第二温湿度传感器、第三温湿度传感器、第一硅胶干燥管、第二硅胶干燥管、第一HEPA过滤器和第二HEPA过滤器,第一气体支路与第二气体支路均垂直于主气路方向、且对称装在主气路两侧,所述壳体两侧分别开设第一进气口和第二进气口,第一进气口通过第一气体支路与主气路连接,第二进气口通过第二气体支路与主气路连接,第一温湿度传感器、第一硅胶干燥管和第一HEPA过滤器均装在第一气体支路上,且第一温湿度传感器最靠近主气路,第一HEPA过滤器最靠近第一进气口;第二温湿度传感器、第二硅胶干燥管和第二HEPA过滤器均装在第二气体支路上,且第二温湿度传感器最靠近主气路,第二HEPA过滤器最靠近第二进气口;其中第一温湿度传感器和第二温湿度传感器分别用于监测第一气体支路和第二气体支路流入主气路内的气体温湿度值;第一硅胶干燥管和第二硅胶干燥管分别用于对经过的气体进行干燥处理;第一HEPA过滤器和第二HEPA过滤器分别用于对经过的气体进行除杂处理,第三温湿度传感器装在光学测量系统和第一气体支路连接处之间的主气路上,用于监测混合后的气体温湿度值。

4.根据权利要求1所述自校准粉尘浓度在线检测仪,其特征在于,所述光学测量系统包括测量光室、激光器、透镜组、光陷阱和激光探测矩阵,测量光室的入口与主气路连接;激光器安装在测量光室内一侧,透镜组放置在激光器发射方向的前端,透镜组焦点位于测量光室中央位置,含尘气体经过主气路进入测量光室会经过透镜组焦点;在与激光器相同水平高度的测量光室另一侧安装激光探测矩阵;所述激光探测矩阵是由多个不同位置的硅光电池组成,其中在与激光器相同高度上安装有一个硅光电池,以测量含尘气体对激光强度的吸收程度,并且在该硅光电池上下分别安装有多组等距的硅光电池,以收集粉尘颗粒产生的前端散射光与后端散射光;所述光陷阱安装在激光探测矩阵后部,用于对到达该位置的激光进行吸收,避免同一测量光室内不同硅光电池之间的交叉干扰以提升信噪比。

5.根据权利要求1所述自校准粉尘浓度在线检测仪,其特征在于,所述振荡天平测量系统包括振荡管、磁钢、霍尔传感器、振荡驱动模块、高精度频率测量模块和滤膜托,所述振荡管为锥形钢结构振荡管,其进气口处截面小、出气口处截面大。所述磁钢以轴对称的方式分布在振荡管两侧,且与振荡管两侧紧密黏附;所述振荡驱动模块与磁钢中心处于同一水平线上,驱动模块通过对磁钢产生驱动力进而驱动振荡管进行等幅振荡;所述霍尔传感器垂直放置并且霍尔传感器与磁钢位于同一高度,霍尔传感器中心正对振荡管截面的中心,所述霍尔传感器与高精度频率测量模块连接;所述滤膜托为薄壁圆台结构,滤膜托上端放置滤膜、下端套在振荡管上部,并且滤膜托与第一质量流量控制器通过管路连接。

6.根据权利要求1所述自校准粉尘浓度在线检测仪,其特征在于,所述自校准系统包括显示屏、信息采集装置、控制模块、数据处理模块和数据传输装置,信息采集装置分别获取气溶胶干燥系统、光学测量系统、振荡天平测量系统和流量控制系统反馈的监测数据,并经过数据传输装置传递给控制模块,控制模块将监测数据反馈给数据处理模块,数据处理模块内设有自校准模型,其由粉尘浓度光学探测模型以及粉尘浓度振荡天平探测模型组成,其中粉尘浓度光学探测模型用于根据光学测量系统反馈的监测数据输出粉尘浓度检测值,粉尘浓度振荡天平探测模型用于根据振荡天平测量系统反馈的监测数据输出粉尘浓度振荡天平检测值并对粉尘浓度光学探测模型进行迭代及更新,最终输出修正后的粉尘浓度检测值;所述显示屏装在壳体表面,其与数据处理模块连接,用于显示实时的粉尘浓度检测值。

7.根据权利要求1所述自校准粉尘浓度在线检测仪,其特征在于,所述电源系统包括电源插头、蓄电池组和充电管理模块,电源插头和蓄电池组均与充电管理模块连接,充电管理模块为气溶胶干燥系统、光学测量系统、振荡天平测量系统、流量控制系统、自校准系统供电,正常时,电源插头连接外部电源,通过外部电源为整个检测仪供电,同时为蓄电池组充电,当外部发生突然断电时,蓄电池组接管供电电路继续为整个检测仪供电。

8.一种根据权利要求1至7任一项所述自校准粉尘浓度在线检测仪的工作方法,其特征在于,具体步骤为:

A、布设检测仪:将在线检测仪放置在待测试环境中,并且依据需要测试的粉尘目标粒径选择所需的粒径切割器进行安装,从而完成布设工作;

B、调试内部监测环境:通过电源插头连接外部电源,启动在线检测仪,控制电动球阀进行切换,使光学测量系统与第一测量气路断开,且与第二测量气路连通,此时第一温湿度传感器、第二温湿度传感器、第三温湿度传感器、真空泵、第二质量流量控制器和控制模块开始工作,含尘气体经过粒径切割器的筛选后进入主气路,同时由于真空泵对主气路施加负压,使得第一进气口和第二进气口分别吸入周围气体,气体先经过第一HEPA过滤器或第二HEPA过滤器除杂处理,接着经过第一硅胶干燥管或第二硅胶干燥管干燥处理后进入主气路与含尘气体混合,降低其湿度值;读取第一温湿度传感器与第二温湿度传感器数据并根据第二质量流量控制器的流量数据,通过调整第二质量流量控制器对第二测量气路的流量进行控制,直至使第三温湿度传感器监测的主气路干燥后气体的相对湿度低于20%,并且流量满足所需粒径切割器的流量要求,完成调试工作;若第三温湿度传感器监测的主气路相对湿度值持续高于20%,同时第一温湿度传感器与第二温湿度传感器监测的相对湿度值均持续高于20%,说明第一硅胶干燥管和第二硅胶干燥管需要进行更换,则控制模块发出更换提醒;

C、粉尘浓度监测:先通过收集在不同温湿度气体环境,不同粉尘浓度下,激光探测矩阵输出的激光信息数据,建立光学探测模型;然后通过确认在不同温湿度环境振荡元件的振荡频率与振荡元件负载之间的关系,进而建立振荡天平探测模型;将光学探测模型和振荡天平探测模型均输入至数据处理模块内,两者共同组成自校准模型,并设定振荡天平测量系统检测时间点;开始粉尘浓度监测时,光学测量系统启动进行粉尘浓度监测,并将探测到的激光信号输送至数据处理模块的自校准模型通过其中的光学探测模型输出实时的粉尘浓度值;检测后的气体通过第二测量气路及排气管路排出检测仪,当前过程中并不经过振荡天平测量系统;

D、自校准模型迭代及更新:从开始粉尘浓度监测开始,数据处理模块持续进行计时,当计时达到设定的振荡天平测量系统检测时间点时,先通过电动球阀进行切换,使光学测量系统与第二测量气路断开,且与第一测量气路连通,同时使振荡天平测量系统、第一质量流量控制器和第四温湿度传感器开始工作,并停止第二质量流量控制器工作;此时第一质量流量控制器控制气路流量,使得设备测试时处于恒流状态;振荡天平测量系统和光学测量系统均将监测的数据传递给数据处理模块,自校准模型的粉尘浓度振荡天平探测模型根据振荡天平测量系统反馈的监测数据输出粉尘浓度振荡天平检测值并对粉尘浓度光学探测模型进行迭代及更新,完成后通过更新后的粉尘浓度光学探测模型根据光学测量系统反馈的监测数据输出粉尘浓度检测值,并通过显示屏进行实时显示;从而完成一次自校准模型迭代及更新过程,此时控制电动球阀进行切换,使光学测量系统与第一测量气路断开,且与第二测量气路连通,数据处理模块重新开始计时,并重复步骤C的粉尘浓度监测过程;

E、滤膜更换提醒:在控制模块内设定频率阈值,在振荡天平测量系统不处于工作状态时,控制模块根据最近一次获取振荡天平测量系统反馈的振荡频率与设定频率阈值比较,若其低于频率阈值,则发出更换滤膜的提醒;

F、持续进行粉尘浓度监测:在持续监测过程中,光学测量系统持续按照步骤C进行监测工作并反馈数据,接着通过自校准模型中的粉尘浓度光学探测模型持续输出实时粉尘浓度值,其中计时每达到振荡天平测量系统检测时间点时,则重复一次步骤D对自校准模型迭代及更新,并采用更新后的粉尘浓度光学探测模型进行后续实时粉尘浓度值的计算,如此重复,从而实现持续实时、且精准的粉尘浓度监测。