基本信息
- 項目名稱：
- 大流量工業(yè)粉塵分布式快速測量系統(tǒng)
- 小類：
- 信息技術
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 環(huán)境的破壞已越為嚴重。而其中粉塵的污染尤為突出。人長期處在有大量粉塵的環(huán)境中對健康很不利。但隨著國內激光、信息處理、微電子及無線通信技術的蓬勃發(fā)展，制作一個全方位，高精度，高速粉塵濃度測定儀已成為可能?；诖?，我們設計了大流量工業(yè)粉塵分布式快速測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)可在原料粉塵種類不確定，粒徑大小混亂的情況下做精確快速測量，在我國煤礦、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。
- 詳細介紹：
- 1 設計目標 項目的主要目標是研制能夠快速測定工業(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裝置，研制局部范圍內無線低功耗數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡，研制低成本的遠距離無線數(shù)據(jù)通信的上位機和下位機，設計工業(yè)粉塵濃度實時檢測的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。 涉及的關鍵技術包括：基于光散射原理的大流量、低功耗、小體積的粉塵濃度檢測的光電傳感器設計，不同粉塵粒徑甄別的信號處理電路設計，基于高性能嵌入式處理器ARM10的檢測控制、濃度計算及無線通信接口的軟硬件設計，RS485有線通信接口電路的設計，基于GSM短消息模式的無線數(shù)據(jù)通信的上位機和下位機模塊的設計，基于人機交互對話的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的設計等。 2 總體框圖及軟件流程 分布式檢測點通過RS485有線通信模塊完成信息傳輸，數(shù)據(jù)收集與信息中轉，實現(xiàn)有線通信與GSM通信的相互轉換，在分布式粉塵濃度檢測現(xiàn)場起到中心服務器功能，并向所有檢測終端發(fā)送檢測指令，接收各點的檢測結果，對遠程數(shù)據(jù)信息中心起到接收檢測指令、發(fā)揮檢測結果的功能。 3 硬件電路設計 利用空氣中的粉塵通過采樣通道口時把入射光散射形成一個光脈沖信號，經(jīng)過雪崩倍增光電二極管的作用，線性地轉化為相應幅度電脈沖信號的過程來進行粉塵數(shù)量和等效直徑的檢測，以采樣通道內流過的粉塵散射的光強所轉化電脈沖幅值與無粒子散射時的本底基準電平作比較，電脈沖信號的大小與微粒等效直徑大小成正比，脈沖個數(shù)則反映微粒個數(shù)，由于上述方法檢測到微粒子的光散射信號非常微弱，本研究中采用了大功率激光器作為照射光源，并設計了用于水平方向增強聚焦的柱面透鏡，增強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系統(tǒng)。通過增強入射光強度和散射光的有效聚集度，擴大采樣通道口的相徑以更好地適合在線檢測的要求。 光電傳感器中的雪崩倍增光電二極管輸出的電流小信號經(jīng)過初級放大電路轉換為電壓信號并濾波，去除干擾噪聲，再經(jīng)過二級放大電路放大為可處理的電信號，再送入粉塵粒徑甄別電路，對對應于不同粉塵粒徑大小的信號幅值進行甄別并轉換為數(shù)字量信號，經(jīng)過高性能嵌入式處理器ARM10進行智能處理，檢測結果在現(xiàn)場采用LCD實時顯示，并通過兩級無線通信送入到遠程數(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，配置電量檢測及報警電路、電壓轉換電路。通過電量檢測判斷檢測終端是否可以正常工作，當電池電路不夠時經(jīng)行報警提示需要對電池進行充電，而電壓轉換電路則是將電池組電壓轉換成±12V、5V、3V、3.3V等提供給其它的各級電路。 5 數(shù)據(jù)收集與通信設備 數(shù)據(jù)收集與通信設備則是大流量工業(yè)粉塵分布式檢測裝置中信息傳輸?shù)霓D換部分，它通過GSM通信模式接收遠程數(shù)據(jù)信息中心傳輸過來的檢測命令，并通過RS485有線通信網(wǎng)絡發(fā)送過對應的粉塵濃度檢測終端，并接收對應終端的檢測結果，再通過GSM通信模式傳輸給遠程數(shù)據(jù)信息中心。 6 遠程數(shù)據(jù)信息中心 遠程數(shù)據(jù)信息中心作為大流量工業(yè)粉塵分布式檢測裝置的主控部分，也稱為上位機，通過PC機中的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)設置粉塵濃度的檢測模式、檢測控制，并處理數(shù)據(jù)。 7 軟件設計 大流量工業(yè)粉塵分布式快速測量系統(tǒng)，其特征是以大流量激光粉塵測定儀光學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定儀光學傳感器輸出信號經(jīng)過前置放大與二級放大后，采集進高精度模擬/數(shù)字口,然后32位ARM對數(shù)據(jù)進行特殊算法的處理，將粒子濃度(個/m3)換算成粉塵濃度（mg/m3），再將運算結果通過并行接口實時送入主處理器，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)通過無線網(wǎng)絡實時發(fā)送給遠端監(jiān)控中心。 在粉塵濃度檢測及傳輸?shù)南挛粰C中，對ARM先初始化，12位AD端初始化，將傳感器傳來的數(shù)據(jù)先進行模數(shù)轉化，再采用n極連分式算法與卡爾漫濾波算法對轉換后的數(shù)字信號進行處理，將得到的粉塵濃度數(shù)據(jù)送入副處理器。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 一、作品設計、發(fā)明的目的 環(huán)境的破壞已越為嚴重。而其中粉塵的污染尤為突出。隨著國內科技的發(fā)展，制作一個全方位，高精度，高速粉塵濃度測定儀已成為可能?；诖耍覀冊O計了大流量工業(yè)粉塵分布式快速測量系統(tǒng) 二、基本思路 將大流量激光粉塵測定儀光學傳感器輸出信號經(jīng)過處理后，將處理結果通過并行接口實時送入主處理器。粉塵濃度數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡實時發(fā)送給遠端監(jiān)控中心 三、創(chuàng)新點 (1)采用粉塵濃度在線檢測原理，設極了具有自主知識產(chǎn)權的光電傳感器 (2)以高速度的32位ARM作為測量裝置的控制核心 (4)采用小功率MOSFET作恒流器件，保證激光二極管安全工作。 (5) 采用分布式測量方法，并用無線網(wǎng)絡連接 三、技術關鍵 1. 基于光散射原理的光電傳感器的設計 2.以高速度的32位ARM系列嵌入式CPU作為測量系統(tǒng)的控制核心。 3. 數(shù)據(jù)采集檢測采用分布式結構。 四、主要技術指標 1．重量粉塵濃度靈敏度：±1％ 0.01毫克/ m3； 2最大檢測粒子濃度：±1％ 1.271×109顆/m3； 3采樣流量：3～30升/分鐘可調； 4測量時間：6S—120S任意設定； 5環(huán)境溫度：0-50℃； 6重量粉塵濃度檢測范圍（分四個量程）：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)場檢測可達到100個檢測點。
科學性、先進性
- 1、該系統(tǒng)采用了大功率激光器作為照射光源，并設計了用于水平方向增強聚焦的柱面透鏡，增強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系統(tǒng)。通過增強入射光強度和散射光的有效聚集度，擴大采樣通道口的相徑以更好地適合在線檢測的要求； 2、采樣流量大：同類產(chǎn)品流量為1.4～2.4 L/min范圍內可調（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：可實現(xiàn)遠程粉塵濃度檢測控制，同類產(chǎn)品均無此功能。 4、采用分布式采樣方式和自主設計的濃度檢測計算方法，提高測量精確度。 5、采用有線RS485和無線GSM通信相結合的模式，在同類產(chǎn)品中尚無無線模塊。
獲獎情況及鑒定結果
- 無
作品所處階段
- 中試階段
技術轉讓方式
- 合作開發(fā)
作品可展示的形式
- 圖片、樣品
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- 一、使用說明 該裝置的使用包括軟件與硬件兩方面。 （1）、硬件方面： 1．數(shù)字鍵：0～9數(shù)字鍵及小數(shù)點鍵用于數(shù)字輸入。 2．復位鍵：用于儀器進行初始化復位。 3．照明鍵：測量光線不足時用于液晶顯示屏照明。 4．←鍵：用于對前面剛輸入的數(shù)據(jù)進行修改。 5．↓鍵：用于菜單選擇，每按一次則選下一項。 6．Enter鍵：確認鍵，用于對選擇的操作項進行確認。 （2）、系統(tǒng)軟件方面： 如無意外情況，軟件方面無需專門人員照看，可自動完成任務。 二、該裝置特點與優(yōu)勢 1.本品為高性能分布式測量系統(tǒng)，能同時測量多點數(shù)據(jù)（多達100個）從而得到這個空間而非空間內某點的粉塵濃度。 2.本品的性價比高。 3.在傳感器的結構設計中增加了反吹裝置，保護光學鏡頭面不受粉塵污染。 4.以高速度的32位ARM系列嵌入式CPU作為測量裝置的控制核心實現(xiàn)工業(yè)粉塵濃度的快速測量。 5.我們的測量裝置則配備RS485通信、GPRS模塊，可實現(xiàn)分布式、實時在線遠程監(jiān)測。
同類課題研究水平概述
- 目前，世界各國對粉塵濃度的測量技術都做了大量研究，研制了一批粉塵檢測儀器，如粉塵采樣器、直讀式測塵儀、粉塵濃度傳感器等。尤其是粉塵濃度傳感器的出現(xiàn)，解決了實時檢測作業(yè)現(xiàn)場粉塵濃度的問題。 1、粉塵濃度在線檢測技術方法 國外對粉塵濃度在線檢測技術研究較早，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、微波法等線檢測技術。電容法的測量原理簡單，但電容測量值與濃度之間并非一一對應關系，且電容測量值易受相分布和流型變化的影響，導致存在較大的測量誤差。β射線法雖然測量準確，但需要對粉塵進行采樣后對比測量，很難實現(xiàn)對粉塵濃度的在線檢測。超聲波法、微波法測量粉塵濃度還處于試驗階段，市場上還沒有成型的產(chǎn)品。目前市場上只要采用光散射法、光吸收法、摩擦電法進行粉塵濃度在線檢測的方法，形成的產(chǎn)品多，并成功應用于煙道粉塵濃度和煤炭作業(yè)粉塵濃度的測量。 2、國外粉塵濃度檢測的產(chǎn)品現(xiàn)狀 國外有代表性的產(chǎn)品為英國的Sim Lin系列粉塵濃度檢測儀及其升級產(chǎn)品OSIRIS粉塵傳感器和粉塵監(jiān)測系統(tǒng)，德國丁達爾公司生產(chǎn)的TM系列粉塵儀，俄國研制的II-101型自動測塵儀，日本的柴田公司的LV-5E、P5系列微電腦粉塵儀，美國研制的RAM系列實時粉塵檢測儀和AuBurn公司生產(chǎn)的3400型粉塵檢測儀、美國Metone和TSI空氣技術產(chǎn)品公司相關的粉塵濃度測定儀。其中Sim Lin系列粉塵濃度檢測儀、TM系列粉塵儀、LV-5E、P5系列微電腦粉塵儀、Metone和TSI公司相關粉塵濃度測定儀采用光散射法，II-101型自動測塵儀采用光吸收法，3400型粉塵檢測儀采用摩擦電法測量粉塵濃度。 3、國內粉塵濃度在線檢測產(chǎn)品現(xiàn)狀 國內粉塵濃度在線測定技術發(fā)展較晚，但是最近幾年，隨著信息技術的快速發(fā)展以及光電子技術和嵌入式技術的不斷提高，煤炭科學研究總院重慶研究院最早在國內開發(fā)出了GCG型粉塵濃度傳感器。國內其他廠家也陸續(xù)引進、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、南京富鄴科技股份有限公司等。 而作為粉塵測定的整機產(chǎn)品還比較少且大多是仿照國外的產(chǎn)品。如目前出現(xiàn)于市場上的青島路博偉業(yè)環(huán)保公司仿造日本柴田公司的產(chǎn)品P-5FC等。
