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基本信息

項(xiàng)目名稱(chēng)：
大流量工業(yè)粉塵分布式快速測(cè)量系統(tǒng)
小類(lèi)：
信息技術(shù)
簡(jiǎn)介：
環(huán)境的破壞已越為嚴(yán)重。而其中粉塵的污染尤為突出。人長(zhǎng)期處在有大量粉塵的環(huán)境中對(duì)健康很不利。但隨著國(guó)內(nèi)激光、信息處理、微電子及無(wú)線通信技術(shù)的蓬勃發(fā)展，制作一個(gè)全方位，高精度，高速粉塵濃度測(cè)定儀已成為可能?；诖耍覀?cè)O(shè)計(jì)了大流量工業(yè)粉塵分布式快速測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)可在原料粉塵種類(lèi)不確定，粒徑大小混亂的情況下做精確快速測(cè)量，在我國(guó)煤礦、水泥等易產(chǎn)生粉塵污染的行業(yè)中有重要的示范推廣意義。
詳細(xì)介紹：
1 設(shè)計(jì)目標(biāo) 項(xiàng)目的主要目標(biāo)是研制能夠快速測(cè)定工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境下的空氣中所含粉塵濃度及其粒徑分布的檢測(cè)裝置，研制局部范圍內(nèi)無(wú)線低功耗數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，研制低成本的遠(yuǎn)距離無(wú)線數(shù)據(jù)通信的上位機(jī)和下位機(jī)，設(shè)計(jì)工業(yè)粉塵濃度實(shí)時(shí)檢測(cè)的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)。 涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括：基于光散射原理的大流量、低功耗、小體積的粉塵濃度檢測(cè)的光電傳感器設(shè)計(jì)，不同粉塵粒徑甄別的信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)，基于高性能嵌入式處理器ARM10的檢測(cè)控制、濃度計(jì)算及無(wú)線通信接口的軟硬件設(shè)計(jì)，RS485有線通信接口電路的設(shè)計(jì)，基于GSM短消息模式的無(wú)線數(shù)據(jù)通信的上位機(jī)和下位機(jī)模塊的設(shè)計(jì)，基于人機(jī)交互對(duì)話的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等。 2 總體框圖及軟件流程 分布式檢測(cè)點(diǎn)通過(guò)RS485有線通信模塊完成信息傳輸，數(shù)據(jù)收集與信息中轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)有線通信與GSM通信的相互轉(zhuǎn)換，在分布式粉塵濃度檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)起到中心服務(wù)器功能，并向所有檢測(cè)終端發(fā)送檢測(cè)指令，接收各點(diǎn)的檢測(cè)結(jié)果，對(duì)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)信息中心起到接收檢測(cè)指令、發(fā)揮檢測(cè)結(jié)果的功能。 3 硬件電路設(shè)計(jì) 利用空氣中的粉塵通過(guò)采樣通道口時(shí)把入射光散射形成一個(gè)光脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)雪崩倍增光電二極管的作用，線性地轉(zhuǎn)化為相應(yīng)幅度電脈沖信號(hào)的過(guò)程來(lái)進(jìn)行粉塵數(shù)量和等效直徑的檢測(cè)，以采樣通道內(nèi)流過(guò)的粉塵散射的光強(qiáng)所轉(zhuǎn)化電脈沖幅值與無(wú)粒子散射時(shí)的本底基準(zhǔn)電平作比較，電脈沖信號(hào)的大小與微粒等效直徑大小成正比，脈沖個(gè)數(shù)則反映微粒個(gè)數(shù)，由于上述方法檢測(cè)到微粒子的光散射信號(hào)非常微弱，本研究中采用了大功率激光器作為照射光源，并設(shè)計(jì)了用于水平方向增強(qiáng)聚焦的柱面透鏡，增強(qiáng)散射光有效聚集度的球面反射鏡和非球面短焦距透鏡組光學(xué)系統(tǒng)。通過(guò)增強(qiáng)入射光強(qiáng)度和散射光的有效聚集度，擴(kuò)大采樣通道口的相徑以更好地適合在線檢測(cè)的要求。 光電傳感器中的雪崩倍增光電二極管輸出的電流小信號(hào)經(jīng)過(guò)初級(jí)放大電路轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)并濾波，去除干擾噪聲，再經(jīng)過(guò)二級(jí)放大電路放大為可處理的電信號(hào)，再送入粉塵粒徑甄別電路，對(duì)對(duì)應(yīng)于不同粉塵粒徑大小的信號(hào)幅值進(jìn)行甄別并轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號(hào)，經(jīng)過(guò)高性能嵌入式處理器ARM10進(jìn)行智能處理，檢測(cè)結(jié)果在現(xiàn)場(chǎng)采用LCD實(shí)時(shí)顯示，并通過(guò)兩級(jí)無(wú)線通信送入到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)信息中心處理。 4 電源部分 電源模塊是以充電電池為主體，配置電量檢測(cè)及報(bào)警電路、電壓轉(zhuǎn)換電路。通過(guò)電量檢測(cè)判斷檢測(cè)終端是否可以正常工作，當(dāng)電池電路不夠時(shí)經(jīng)行報(bào)警提示需要對(duì)電池進(jìn)行充電，而電壓轉(zhuǎn)換電路則是將電池組電壓轉(zhuǎn)換成±12V、5V、3V、3.3V等提供給其它的各級(jí)電路。 5 數(shù)據(jù)收集與通信設(shè)備 數(shù)據(jù)收集與通信設(shè)備則是大流量工業(yè)粉塵分布式檢測(cè)裝置中信息傳輸?shù)霓D(zhuǎn)換部分，它通過(guò)GSM通信模式接收遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)信息中心傳輸過(guò)來(lái)的檢測(cè)命令，并通過(guò)RS485有線通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送過(guò)對(duì)應(yīng)的粉塵濃度檢測(cè)終端，并接收對(duì)應(yīng)終端的檢測(cè)結(jié)果，再通過(guò)GSM通信模式傳輸給遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)信息中心。 6 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)信息中心 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)信息中心作為大流量工業(yè)粉塵分布式檢測(cè)裝置的主控部分，也稱(chēng)為上位機(jī)，通過(guò)PC機(jī)中的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)設(shè)置粉塵濃度的檢測(cè)模式、檢測(cè)控制，并處理數(shù)據(jù)。 7 軟件設(shè)計(jì) 大流量工業(yè)粉塵分布式快速測(cè)量系統(tǒng)，其特征是以大流量激光粉塵測(cè)定儀光學(xué)傳感器作為核心部件，并使用32位ARM為核心處理器，將大流量激光粉塵測(cè)定儀光學(xué)傳感器輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)前置放大與二級(jí)放大后，采集進(jìn)高精度模擬/數(shù)字口,然后32位ARM對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行特殊算法的處理，將粒子濃度(個(gè)/m3)換算成粉塵濃度（mg/m3），再將運(yùn)算結(jié)果通過(guò)并行接口實(shí)時(shí)送入主處理器，主處理器在接收到粉塵濃度數(shù)據(jù)后，隨之將數(shù)據(jù)送入GPRS模組，粉塵濃度數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)發(fā)送給遠(yuǎn)端監(jiān)控中心。 在粉塵濃度檢測(cè)及傳輸?shù)南挛粰C(jī)中，對(duì)ARM先初始化，12位AD端初始化，將傳感器傳來(lái)的數(shù)據(jù)先進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)化，再采用n極連分式算法與卡爾漫濾波算法對(duì)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，將得到的粉塵濃度數(shù)據(jù)送入副處理器。

作品圖片

  • 大流量工業(yè)粉塵分布式快速測(cè)量系統(tǒng)

作品專(zhuān)業(yè)信息

設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)

一、作品設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的 環(huán)境的破壞已越為嚴(yán)重。而其中粉塵的污染尤為突出。隨著國(guó)內(nèi)科技的發(fā)展，制作一個(gè)全方位，高精度，高速粉塵濃度測(cè)定儀已成為可能?；诖?，我們?cè)O(shè)計(jì)了大流量工業(yè)粉塵分布式快速測(cè)量系統(tǒng) 二、基本思路 將大流量激光粉塵測(cè)定儀光學(xué)傳感器輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后，將處理結(jié)果通過(guò)并行接口實(shí)時(shí)送入主處理器。粉塵濃度數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)發(fā)送給遠(yuǎn)端監(jiān)控中心 三、創(chuàng)新點(diǎn) (1)采用粉塵濃度在線檢測(cè)原理，設(shè)極了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的光電傳感器 (2)以高速度的32位ARM作為測(cè)量裝置的控制核心 (4)采用小功率MOSFET作恒流器件，保證激光二極管安全工作。 (5) 采用分布式測(cè)量方法，并用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接 三、技術(shù)關(guān)鍵 1. 基于光散射原理的光電傳感器的設(shè)計(jì) 2.以高速度的32位ARM系列嵌入式CPU作為測(cè)量系統(tǒng)的控制核心。 3. 數(shù)據(jù)采集檢測(cè)采用分布式結(jié)構(gòu)。 四、主要技術(shù)指標(biāo) 1．重量粉塵濃度靈敏度：±1％ 0.01毫克/ m3； 2最大檢測(cè)粒子濃度：±1％ 1.271×109顆/m3； 3采樣流量：3～30升/分鐘可調(diào)； 4測(cè)量時(shí)間：6S—120S任意設(shè)定； 5環(huán)境溫度：0-50℃； 6重量粉塵濃度檢測(cè)范圍（分四個(gè)量程）：0～10毫克/ m3 、 0～100毫克/ m3 、0～500毫克/ m3 、0～5000毫克/ m3； 7粉塵粒徑分散度：<2um、2～5 um、5～10 um、>10 um； 8現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)可達(dá)到100個(gè)檢測(cè)點(diǎn)。

科學(xué)性、先進(jìn)性

1、該系統(tǒng)采用了大功率激光器作為照射光源，并設(shè)計(jì)了用于水平方向增強(qiáng)聚焦的柱面透鏡，增強(qiáng)散射光有效聚集度的球面反射鏡和非球面短焦距透鏡組光學(xué)系統(tǒng)。通過(guò)增強(qiáng)入射光強(qiáng)度和散射光的有效聚集度，擴(kuò)大采樣通道口的相徑以更好地適合在線檢測(cè)的要求； 2、采樣流量大：同類(lèi)產(chǎn)品流量為1.4～2.4 L/min范圍內(nèi)可調(diào)（正常1.7）左右，本產(chǎn)品做到了3—30升范圍； 3、智能化程度高：可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程粉塵濃度檢測(cè)控制，同類(lèi)產(chǎn)品均無(wú)此功能。 4、采用分布式采樣方式和自主設(shè)計(jì)的濃度檢測(cè)計(jì)算方法，提高測(cè)量精確度。 5、采用有線RS485和無(wú)線GSM通信相結(jié)合的模式，在同類(lèi)產(chǎn)品中尚無(wú)無(wú)線模塊。

獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果

無(wú)

作品所處階段

中試階段

技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式

合作開(kāi)發(fā)

作品可展示的形式

圖片、樣品

使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)

一、使用說(shuō)明 該裝置的使用包括軟件與硬件兩方面。 （1）、硬件方面： 1．?dāng)?shù)字鍵：0～9數(shù)字鍵及小數(shù)點(diǎn)鍵用于數(shù)字輸入。 2．復(fù)位鍵：用于儀器進(jìn)行初始化復(fù)位。 3．照明鍵：測(cè)量光線不足時(shí)用于液晶顯示屏照明。 4．←鍵：用于對(duì)前面剛輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行修改。 5．↓鍵：用于菜單選擇，每按一次則選下一項(xiàng)。 6．Enter鍵：確認(rèn)鍵，用于對(duì)選擇的操作項(xiàng)進(jìn)行確認(rèn)。 （2）、系統(tǒng)軟件方面： 如無(wú)意外情況，軟件方面無(wú)需專(zhuān)門(mén)人員照看，可自動(dòng)完成任務(wù)。 二、該裝置特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì) 1.本品為高性能分布式測(cè)量系統(tǒng)，能同時(shí)測(cè)量多點(diǎn)數(shù)據(jù)（多達(dá)100個(gè)）從而得到這個(gè)空間而非空間內(nèi)某點(diǎn)的粉塵濃度。 2.本品的性?xún)r(jià)比高。 3.在傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中增加了反吹裝置，保護(hù)光學(xué)鏡頭面不受粉塵污染。 4.以高速度的32位ARM系列嵌入式CPU作為測(cè)量裝置的控制核心實(shí)現(xiàn)工業(yè)粉塵濃度的快速測(cè)量。 5.我們的測(cè)量裝置則配備RS485通信、GPRS模塊，可實(shí)現(xiàn)分布式、實(shí)時(shí)在線遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。

同類(lèi)課題研究水平概述

目前，世界各國(guó)對(duì)粉塵濃度的測(cè)量技術(shù)都做了大量研究，研制了一批粉塵檢測(cè)儀器，如粉塵采樣器、直讀式測(cè)塵儀、粉塵濃度傳感器等。尤其是粉塵濃度傳感器的出現(xiàn)，解決了實(shí)時(shí)檢測(cè)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)粉塵濃度的問(wèn)題。 1、粉塵濃度在線檢測(cè)技術(shù)方法 國(guó)外對(duì)粉塵濃度在線檢測(cè)技術(shù)研究較早，主要有電容法、β射線法、光散射法、光吸收法、摩擦電法、超聲波法、微波法等線檢測(cè)技術(shù)。電容法的測(cè)量原理簡(jiǎn)單，但電容測(cè)量值與濃度之間并非一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，且電容測(cè)量值易受相分布和流型變化的影響，導(dǎo)致存在較大的測(cè)量誤差。β射線法雖然測(cè)量準(zhǔn)確，但需要對(duì)粉塵進(jìn)行采樣后對(duì)比測(cè)量，很難實(shí)現(xiàn)對(duì)粉塵濃度的在線檢測(cè)。超聲波法、微波法測(cè)量粉塵濃度還處于試驗(yàn)階段，市場(chǎng)上還沒(méi)有成型的產(chǎn)品。目前市場(chǎng)上只要采用光散射法、光吸收法、摩擦電法進(jìn)行粉塵濃度在線檢測(cè)的方法，形成的產(chǎn)品多，并成功應(yīng)用于煙道粉塵濃度和煤炭作業(yè)粉塵濃度的測(cè)量。 2、國(guó)外粉塵濃度檢測(cè)的產(chǎn)品現(xiàn)狀 國(guó)外有代表性的產(chǎn)品為英國(guó)的Sim Lin系列粉塵濃度檢測(cè)儀及其升級(jí)產(chǎn)品OSIRIS粉塵傳感器和粉塵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，德國(guó)丁達(dá)爾公司生產(chǎn)的TM系列粉塵儀，俄國(guó)研制的II-101型自動(dòng)測(cè)塵儀，日本的柴田公司的LV-5E、P5系列微電腦粉塵儀，美國(guó)研制的RAM系列實(shí)時(shí)粉塵檢測(cè)儀和AuBurn公司生產(chǎn)的3400型粉塵檢測(cè)儀、美國(guó)Metone和TSI空氣技術(shù)產(chǎn)品公司相關(guān)的粉塵濃度測(cè)定儀。其中Sim Lin系列粉塵濃度檢測(cè)儀、TM系列粉塵儀、LV-5E、P5系列微電腦粉塵儀、Metone和TSI公司相關(guān)粉塵濃度測(cè)定儀采用光散射法，II-101型自動(dòng)測(cè)塵儀采用光吸收法，3400型粉塵檢測(cè)儀采用摩擦電法測(cè)量粉塵濃度。 3、國(guó)內(nèi)粉塵濃度在線檢測(cè)產(chǎn)品現(xiàn)狀 國(guó)內(nèi)粉塵濃度在線測(cè)定技術(shù)發(fā)展較晚，但是最近幾年，隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展以及光電子技術(shù)和嵌入式技術(shù)的不斷提高，煤炭科學(xué)研究總院重慶研究院最早在國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)出了GCG型粉塵濃度傳感器。國(guó)內(nèi)其他廠家也陸續(xù)引進(jìn)、粉塵濃度傳感器，其生產(chǎn)廠家有鄭州光力科技股份有限公司、江蘇三恒科技集團(tuán)、南京富鄴科技股份有限公司等。 而作為粉塵測(cè)定的整機(jī)產(chǎn)品還比較少且大多是仿照國(guó)外的產(chǎn)品。如目前出現(xiàn)于市場(chǎng)上的青島路博偉業(yè)環(huán)保公司仿造日本柴田公司的產(chǎn)品P-5FC等。
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