自適應流速變化的電荷感應在線粉塵檢測裝置及其方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種自適應流速變化的電荷感應在線粉塵檢測裝置及其方法，包括信號測量模塊和計算模塊；所述信號測量模塊包括若干金屬探頭及與所述金屬探頭相連的直流信號測量電路和交流信號測量電路，用于采集粉塵流動時產(chǎn)生的直流信號和交流信號，并將所述直流信號和交流信號傳送至所述計算模塊；所述計算模塊，用于對所述直流信號和交流信號進行選擇，以及對多路交流信號進行交相關運算，并根據(jù)選擇結果與交相關運算的結果對信號進行補償，再經(jīng)校準后輸出。采用本發(fā)明，能夠充分利用原始信號包含的所有信息，使顆粒物流量、濃度的測量免受流速變化的影響，從而擴大顆粒物靜電感測量技術的應用范圍。
【專利說明】自適應流速變化的電荷感應在線粉塵檢測裝置及其方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及測量氣流中粉塵的流量和濃度的技術，尤其涉及一種自適應流速變化 的電荷感應在線粉塵檢測裝置及其方法。

【背景技術】
[0002] 在夾帶粉塵（固體微粒）的氣流（氣固兩相流）中，對粉塵濃度的測量技術在工 業(yè)領域中得到了廣泛的應用。如，電力、熱力生產(chǎn)供應業(yè)；非金屬礦物制品業(yè)；黑色金屬冶 煉及加工業(yè)；有色金屬冶煉及加工業(yè)；化學制品業(yè)；石油化工業(yè)；以及造紙、紡織、農(nóng)副產(chǎn)品 加工等行業(yè)。對這些行業(yè)的生產(chǎn)過程進行控制和污染源（一次排放）進行檢測，特別是這 些污染源在經(jīng)過粉塵回收、處理之后，在排放入大氣（二次排放）之前對其進行實時在線監(jiān) 測，對保護大氣的環(huán)境質量具有十分重要的意義。
[0003] 對氣固兩相流中固體成份濃度進行連續(xù)實時在線測量，一直是工業(yè)測量技術上的 難點。在現(xiàn)有技術中，基于電荷感應原理的技術由于其具有優(yōu)越的靈敏度、可靠性和可維護 性，在工業(yè)上得到了廣泛的應用。
[0004] 現(xiàn)有的微電荷感應粉塵濃度監(jiān)測儀，無論其測量原理是基于交流信號還是直流信 號，其測量結果都會受到流速的影響。在只需要對顆粒物進行定性監(jiān)測的領域，如袋式除塵 器泄漏監(jiān)測，或氣體流速比較恒定的排放場合，現(xiàn)有技術完全可以滿足要求。但是隨著環(huán)保 監(jiān)測標準日益嚴格，對粉塵濃度監(jiān)測儀器的定量精度測量提出了更高的要求；并且為了拓 展在排放點氣體流速變化較大的應用領域，如電廠，消除流速變化對信號的影響是對電荷 感應粉塵濃度測量技術進一步的要求。
[0005] 氣體流速信號既可以從外部獲得，也可以從顆粒物電荷感應信號計算得出。在實 際應用中，更完整、可行的方法是從顆粒物電荷感應信號計算得出流速。利用單探頭采集的 電荷感應信號中包含流速信息，利用單探頭信號特征獲取流速信息的技術，在中國發(fā)明專 利ZL200610057401. 6和ZL200910081022. 4中已有描述，但利用單探頭信號特征獲取的信 號特征只能得出相對流速，還需要通過數(shù)據(jù)擬合和標定才能得到定量的流速值。
[0006] 而在氣體污染源排放監(jiān)測領域，排放點氣體流速作為一個重要參數(shù)，通常是利用 傳統(tǒng)測量儀器，如利用皮托管或孔板流量計通過壓差來進行氣體流速測量的，但在氣流含 塵的情況下，皮托管容易發(fā)生堵塞，從而增加維護成本；而利用孔板流量計則會使管道內壓 頭損失過大,從而增加動力損失和能耗。


【發(fā)明內容】

[0007] 有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種自適應流速變化的電荷感應在線粉塵 檢測裝置及其方法，運用新穎的探頭設計和優(yōu)化的交相關算法，充分地利用原始信號包含 的所有信息，使顆粒物流量、濃度的測量免受流速變化的影響，從而擴大顆粒物靜電感測量 技術的應用范圍，使得采用本技術的產(chǎn)品滿足日益嚴格的環(huán)保排放定量測量的要求。
[0008] 本發(fā)明的另一個目的在于提出一種利用排放氣體中粉塵信號特征進行交相關的 計算從而精確測量氣體流速的方法，以設計或改進相應的探頭、電路及其算法。
[0009] 為達到上述目的，本發(fā)明的技術方案是這樣實現(xiàn)的：
[0010] 一種自適應流速變化的電荷感應在線粉塵檢測裝置，包括信號測量模塊和計算模 塊；其中：所述信號測量模塊包括若干金屬探頭及與所述金屬探頭相連的直流信號測量電 路和交流信號測量電路，用于采集粉塵流動時產(chǎn)生的直流信號和交流信號，并將所述直流 信號和交流信號傳送至所述計算模塊；所述計算模塊，用于對所述直流信號和交流信號進 行選擇，以及對多路交流信號進行交相關運算，并根據(jù)選擇結果與交相關運算的結果對信 號進行補償，再經(jīng)校準后輸出。
[0011] 其中：所述金屬探頭包括第一探頭、第二探頭和第三探頭；所述第一探頭與直流 信號測量電路相連，所述第二探頭和第三探頭則分別與所述第一交流信號測量電路和第二 交流信號測量電路相連。
[0012] 所述第一探頭為圓柱體，其直徑為D，置于被測氣流上游用于產(chǎn)生卡門渦街效應； 第二探頭和第三探頭為幾何尺寸相同的薄片形，置于第一探頭的下游；所述第二探頭、第三 探頭的前端與所述第一探頭平齊，其有效長度為IOD?15D ;第一探頭與第二探頭之間的距 離為7. ?15D，第二探頭與第三探頭之間的距離為I. ?4D。
[0013] 所述信號測量模塊的直流信號測量電路與第一探頭相連，該直流信號測量電路包 括模擬信號預處理部分和模數(shù)轉換部分；所述模擬信號預處理部分用于濾除4?16Hz以上 的噪音，并利用儀器放大器和斬波消除偏差/漂移，使直流信號的精度達到IpA ;所述模數(shù) 轉換部分的采樣頻率為1?16Hz ;以及，
[0014] 所述信號測量模塊的交流信號測量電路，包括：與第二探頭相連的第一交流信號 測量電路，與第三探頭相連的第二交流信號測量電路；所述第一、第二交流信號測量電路， 均包括模擬信號預處理部分和模數(shù)轉換部分；所述模擬信號預處理部分用于對信號進行 4?8個數(shù)量級的放大，并濾除1?16Hz以上的噪音；所述模數(shù)轉換部分的采樣頻率為4? 64KHz。
[0015] 所述計算模塊包括選擇電路、交相關處理子模塊、信號補償子模塊以及校準子模 塊；其中：
[0016] 選擇電路，用于根據(jù)需要在直流信號和對交流信號的采集電路之間進行選擇；
[0017] 交相關處理子模塊，用于對第二探頭、第三探頭所采集到的第一交流信號和第二 交流信號進行交相關運算；
[0018] 信號補償子模塊，用于根據(jù)選擇電路的選擇結果以及交相關運算的結果對信號進 行補償；以及，
[0019] 校準子模塊，用于對計算模塊的輸出結果進行修正。
[0020] 所述計算模塊還用于對所述直流信號、交流信號的相對強度進行比較：
[0021] 若所述直流信號、交流信號之比大于兩個數(shù)量級則表明探頭的安裝或使用出現(xiàn)了 問題，具體為：如果直流信號過大則說明探頭受到污染，探頭導體和接地點之間發(fā)生了原電 池效應，探頭需要及時維護；如果交流信號值過大，則說明探頭或電子電路安裝不當或受到 了干擾，需要額外的電磁屏蔽或電氣隔離。
[0022] 所述計算模塊的交相關處理子模塊，為DSP、FPGA或其他計算設備。
[0023] -種自適應流速變化的電荷感應在線粉塵檢測方法，包括：
[0024] A、對粉塵顆粒物電荷感應1?頻信號進行受相關運算的步驟；
[0025] B、對粉塵顆粒物電荷感應直流信號、交流信號進行處理以及對數(shù)據(jù)進行整合的步 驟。
[0026] 其中，步驟A包括：
[0027] 對第一交流信號測量電路、第二交流信號測量電路產(chǎn)生的信號數(shù)據(jù)進行交相關運 算得到N個數(shù)據(jù)點的交相關系數(shù)，在從第0個到第N/2個交相關系數(shù)中查找最大相關系數(shù)， 其位置為n，結合第一交流信號測量電路和第二交流信號測量電路的采樣頻率計算湍流特 征信號，經(jīng)第二探頭和第三探頭的延遲，利用第二探頭和第三探頭之間的距離計算湍流特 征渦旋地流速；在相對穩(wěn)定的流場中，湍流特征渦旋的移動速度即為氣體整體流速，從而得 到管道中的氣體流速。
[0028] 步驟B包括：
[0029] B1、利用選擇電路根據(jù)現(xiàn)場條件進行選擇，然后經(jīng)由計算模塊利用得到的氣體流 速對直流信號測量電路所得的直流信號，或對第一交流信號測量電路、第二交流信號測量 電路所得的交流信號進行修正；
[0030] B2、根據(jù)修正后信號對顆粒物的質量流量進行標定的步驟；
[0031] B3、最后根據(jù)質量流量、流速和管道截面積計算顆粒物濃度。
[0032] 本發(fā)明所提供的自適應流速變化的電荷感應在線粉塵檢測裝置及其方法，具有以 下優(yōu)點：
[0033] 采用本發(fā)明，能夠消除氣體流速變化對電荷感應顆粒物測量儀器的影響，使顆粒 物濃度、流量的測量結果更加穩(wěn)定可靠，并將此類電荷感應顆粒物測量儀器的應用領域拓 展到流速變化大、對定量測量結果要求高的場合。在含塵氣體流速、流量測量領域，采用本 發(fā)明提供的氣體流速的測量方法，比傳統(tǒng)的皮托管流量計更易于維護、比傳統(tǒng)的孔板流量 計更低能耗的氣體流速、流量測量。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0034] 圖1為本發(fā)明自適應流速變化的電荷感應在線粉塵檢測裝置的實施例（包括探 頭、電路和計算處理單元）的示意圖；
[0035] 圖2為典型的氣流在經(jīng)過柱狀物體之后形成馮卡門渦街的示意圖；
[0036] 圖3A為圓柱形探頭及其產(chǎn)生的信號的時域特征示意圖；
[0037] 圖3B為薄片形探頭及其產(chǎn)生的信號的時域特征示意圖。
[0038] 【主要部件符號說明】
[0039] 1 :第一探頭
[0040] 2 :第二探頭
[0041] 3:第三探頭
[0042] 4 :直流信號測量電路
[0043] 5 :第一交流信號測量電路
[0044] 6 :第二交流信號測量電路。

【具體實施方式】
[0045] 下面結合附圖及本發(fā)明的實施例對本發(fā)明自適應流速變化的電荷感應在線粉塵 檢測裝置及其方法作進一步詳細的說明。
[0046] 暴露在夾帶粉塵的氣流中的接地的導體，即探頭，能夠感應到由于粉塵顆粒運動 所引起的微弱電流。對該微弱電流信號進行測量、分析和處理，可以得到粉塵濃度和流量的 信息。
[0047] 上述的微弱電流是由兩種物理過程造成的：一種是運動的顆粒撞擊探頭所產(chǎn)生的 電荷傳遞現(xiàn)象，由此種原因產(chǎn)生的電流稱作轉移電流；另一種是運動的顆粒經(jīng)過探頭附近， 由顆粒本身所帶電荷所產(chǎn)生的靜電感應現(xiàn)象，由此種原因產(chǎn)生的電流稱作感應電流。由此 兩種物理過程產(chǎn)生的電流之和稱作總電流。
[0048] 當一粒顆粒物與探頭碰撞時，其電荷的傳遞量不僅取決于顆粒物的物理和化學性 質（包括大小、化學組成、介電常數(shù)等）還與該顆粒物的流動速度有關。一簇群顆粒物與探 頭碰撞時，能夠在探頭上產(chǎn)生微弱的電流信號，且該電流信號的強度與單位時間內碰撞探 頭的顆粒物的數(shù)量成正比。顆粒物在空間中的分布是不均勻，但同時由于它們的流動速度 也在平均速度上下浮動，因此該電流信號的強度也會在某一均值附近上下浮動。該電流信 號的統(tǒng)計平均值，即信號的直流部分，與顆粒物的流量成正比。該電流信號與其均值之間的 偏離值，即信號的交流部分，也與顆粒物的流量成正比。
[0049] 當一粒顆粒物從探頭旁經(jīng)過時，探頭感應電荷量的多少不但取決于探頭的形狀、 探頭與顆粒物粒子之間的徑向距離、而且還取決于顆粒物所帶凈電量以及顆粒物的軸向速 度。如果將顆粒物通過探頭所在的管道截面時所帶的電荷當作一個脈沖信號，那么由此感 應電荷在探頭上生成的電流信號則可視為是這個感應系統(tǒng)的脈沖響應。這樣，顆粒物便在 探頭和它周圍的空間形成一個信號過濾器，即"空間過濾效應"。
[0050] 當隨機分布的顆粒物掠過探頭時，得到的感應電流信號便可視為是原始隨機信號 經(jīng)過濾后的結果，其中包含了關于顆粒物流動和信號過濾器本身的重要信息。該信號的統(tǒng) 計平均值為零。該信號和零之間的偏離值即信號的交流部分，與顆粒物的流量成正比。但 是由于"空間過濾效應"的作用，所述感應系統(tǒng)相當于一個帶通濾波器，導致低頻和高頻信 號都被大大衰減了。
[0051] 另外，流體中的紊流會使顆粒物粉塵的空間和速度分布更復雜，因此會同時影響 到因碰撞引起的電流部分和因靜電感應引起的電流部分。在探頭上形成的原始電信號，是 所有在探頭附近隨機分布的顆粒物所產(chǎn)生的感應電流信號與所有與探頭隨機碰撞的顆粒 物所產(chǎn)生的因碰撞引起的電流信號的總和。由于感應電信號和紊流引起的信號的直流部分 均為零，測量到的信號的直流部分即為一段時間內碰撞電流信號的平均值。而測量值的交 流部分是碰撞電流信號的波動、電感應信號和紊流引起的信號的集合，影響信號的每個因 素都很復雜而又不盡相同，例如流速和紊流狀況。
[0052] 理論分析和實踐表明，直流信號與顆粒物流量、流速的關系為：
[0053]Idc =K1 ·F·Va
[0054] 其中：ID。是直流電流信號；K1是與顆粒物和探頭材料有關的系數(shù)；F是顆粒物的 質量流量；V是顆粒物的流速，可以用氣體整體流速代表；a是流速指數(shù)，通常取值在1. 8到 2. 5之間。
[0055] 交流信號與顆粒物流量、流速的關系為：
[0056]lAc =K2 ·Fb ·vc
[0057] 其中：IA。是直流電流信號；K2是與顆粒物承載電荷和探頭幾何形狀有關的系數(shù)；F 是顆粒物的質量流量；V是顆粒物的流速，可以用氣體整體流速代表；b是流量指數(shù)，通常取 值在0. 5到I. 0之間；c是流速指數(shù)，通常取值在0. 2到0. 5之間。
[0058] 為了測量到準確的顆粒物流量，無論從直流信號入手，還是從交流信號入手，都需 要消除流速V的影響。先前的中國專利ZL200610057401. 6和ZL200910081022. 4中描述了 利用單個探頭和信號特征估算顆粒物流速，并計算顆粒物流量、濃度的方法，而本發(fā)明則提 供了一種利用多個探頭、多個采樣電路和交相關算法來更精確計算流速和顆粒物流量、濃 度的自適應流速變化的電荷感應在線粉塵檢測裝置及其方法。
[0059] 上述的交相關算法已被廣泛應用于信號處理領域，在顆粒物測量領域也曾有過嘗 試，而且在小管徑、高濃度的應用場合，如顆粒狀固體物料的氣動輸送領域，取得了一些較 好的應用效果。但是在顆粒物排放監(jiān)測領域，由于顆粒物濃度低，因而信號弱、信噪比較低； 加上大管徑管道中氣體流動狀況復雜，在兩探頭之間氣體流動所造成的顆粒物靜電感應特 征信號的相似性容易被噪音覆蓋，因此，目前還沒有將交相關算法應用于顆粒物排放監(jiān)測 領域的成功應用。
[0060] 在通常的工業(yè)氣體流動的管道中，雷諾數(shù)均大于5000,也就是說氣體流動處于 湍流狀態(tài)。湍流中的漩渦對氣流中的顆粒物分布有顯著的影響：由于離心作用，顆粒物 會在漩潤之間的區(qū)域富集，有文獻顯示"SquiresKDandEatonJK1991Preferential concentrationofparticlesbyturbulence.PhysicsofFluidsA3, 1169-1178",顆粒 物在漩渦之間薄膜區(qū)的濃度甚至可以達到整體濃度的25倍。漩渦的尺度可以大到和管道 直徑相同，小到毫米級的Kolmogorov尺度，而在管道內固定位置，顆粒物局部濃度波動頻 率則是氣體經(jīng)過探頭的整體流速和漩渦的尺度之比：
[0061]fT =v/1
[0062] 其中：fT是顆粒物局部濃度波動頻率，v是氣流整體流速，1是漩渦的尺度。
[0063] 顆粒物靜電感應設備監(jiān)測到的信號，是經(jīng)過探頭的"空間過濾效應"過濾以后的顆 粒物局部濃度波動，由于不同尺度的漩渦所包含的能量不同，造成了信號在不同的頻率上 的強度不同。在實際應用中，氣體流動狀況千差萬別：管徑大小、彎道、突起、風機位置、氣體 的密度、粘度、流速等都會對信號的頻域特征有重要的影響。所以，僅僅利用氣體自然的湍 流特征，很難在任何運用條件下都使交相關算得到準確的計算結果，尤其在顆粒物濃度較 低的排放監(jiān)測領域，由于信號弱，信噪比低，這個困難就更加突出。
[0064]圖1為本發(fā)明自適應流速變化的電荷感應在線粉塵檢測裝置的實施例（包括測量 模塊和計算模塊）的示意圖。如圖1所示，該檢測裝置主要包括信號測量模塊A和計算模 塊B。其中：
[0065] 所述測量模塊A，包括第一探頭1、第二探頭2和第三探頭3,以及與第一探頭1相 連的直流信號測量電路4、與第二探頭相連的第一交流信號測量電路5和第二交流信號測 量電路6。
[0066] 其中：第一探頭1，用于產(chǎn)生卡門渦街效應（如圖2所示），使顆粒物局部濃度產(chǎn)生 穩(wěn)定的、清晰的波動，為第二探頭2和第三探頭3采集最優(yōu)的交流信號創(chuàng)造條件。所述第一 探頭1與直流信號測量電路4相連，還用于采集氣流中的顆粒物（粉塵）產(chǎn)生的直流信號。 所述第一探頭1為金屬圓柱體。在流體中安置阻流體（如第一探頭I)，在特定條件下會出 現(xiàn)不穩(wěn)定的邊界層分離，阻流體下游的兩側，會產(chǎn)生兩道非對稱地排列的旋渦，其中一側的 旋渦循時針方向轉動，另一旋渦則反方向旋轉，這兩排旋渦相互交錯排列，各個旋渦和對面 兩個旋渦的中間點對齊，如街道兩邊的街燈般，這種現(xiàn)象，因匈牙利裔美國空氣動力學家西 奧多?馮·卡門最先從理論上闡明而得名卡門渦街。
[0067] 第二探頭2和第三探頭3,分別用于采集用于交相關運算的交流信號。具體為：第 二探頭2與第一交流信號采集電路5相連，將采集到的第一交流信號分別傳送到計算模塊 B的選擇電路和交相關處理子模塊；第三探頭3與第二交流信號采集電路6相連，將采集到 的第二交流信號傳送到交相關處理子模塊。
[0068] 所述計算模塊B，主要包括選擇電路、交相關處理子模塊、信號補償子模塊以及校 準子模塊。
[0069] 其中：選擇電路，用于讓用戶或現(xiàn)場技術服務人員根據(jù)現(xiàn)場條件，在直流信號優(yōu)化 和對交流信號優(yōu)化的采樣電路之間進行選擇，從而實現(xiàn)相互印證對比，有利于設備的診斷 維護，使其達到穩(wěn)定可靠運行。
[0070] 交相關處理子模塊，用于對第二探頭2、第三探頭3所采集到的第一交流信號和第 二交流信號進行交相關運算。
[0071] 信號補償子模塊，用于根據(jù)選擇電路的選擇結果以及交相關運算的結果對信號進 行補償。
[0072] 校準子模塊，用于對計算模塊的輸出結果進行修正。
[0073] 本發(fā)明的第一個要點是在兩個采集交相關信號的探頭2、3上游增加一個圓柱體， 即第一探頭1，從而利用圓柱體產(chǎn)生的卡門渦街效應，使顆粒物局部濃度產(chǎn)生穩(wěn)定的、清晰 的波動，為下游的雙探頭2、3采集最優(yōu)的信號創(chuàng)造條件。
[0074] 當流體流過障礙物時，如果雷諾數(shù)在大約102到107之間，則會在障礙物后產(chǎn)生尾 渦，渦流的頻率是和流速成正比的： ?I*?"·
[酬/今
[0076] 其中：f是渦流的頻率；D是圓柱體（即第一探頭1)直徑；V是氣流整體流速；S為 斯特羅哈爾數(shù)（StrouhalNumber)，是一個無量綱常數(shù)，通常取值在0. 18到0. 22左右。
[0077] 這樣，漩渦之間的距離可以由整體流速除以渦流頻率表示： rD
[0078] ￡* =j^SP
[0079] 如圖2所示，漩渦之間的距離約為5倍圓柱體直徑（D)。
[0080] 圓柱體之后，在渦流充分發(fā)展之后，離圓柱體約7. 5?15D的距離位置，布置采集 交相關信號的第一個探頭即第二探頭2。為了避免對不同周期、相同相位的信號出現(xiàn)錯誤地 相關，交相關信號的第二個探頭（即第三探頭3)與第一個探頭（即第一探頭2)的距離應 該避免是漩渦之間的距離的整數(shù)倍，本發(fā)明所選擇的距離為1. 5?4D。
[0081] 實施例：一種顆粒物電荷感應探頭的設計，包括：
[0082] 1) 一個金屬材質的圓柱形的第一探頭1，直徑為D，從管壁垂直插入氣流當中，伸 入的長度L大于氣流在管壁邊界層的厚度的3?6倍，探頭最前端最好接近管道中心；
[0083] 2)在沿氣流流動方向，圓柱形的第一探頭1的下游，與第一探頭1平行的一對薄片 形第二探頭2、第三探頭3,該第二探頭2和第三探頭3的最前端與第一探頭1最前端平齊， 有效長度為IOD?15D，第二探頭2、第三探頭3的后端則由良好絕緣、屏蔽的底座與管壁固 定。所述第一探頭1與第二探頭2之間的距離為7. ?15D，第二探頭2與第三探頭3之 間的距離為UD?4D。
[0084] 本發(fā)明的第二個要點是，第二探頭2和第三探頭3均為薄片狀交相關探頭。為了 避免上游交相關探頭（即第二探頭2)產(chǎn)生的渦流干擾圓柱狀的第一探頭1產(chǎn)生的渦流從 而對交相關運算產(chǎn)出不利影響，第二探頭2采用薄片形狀；為了保證信號的相似性，要求第 三探頭3與第二探頭2的幾何形狀完全相同。
[0085] 采用薄片形探頭的另一個益處是，增加顆粒物流動過程中產(chǎn)生電流信號的尖銳度 和在時域上的分辨率，從而減小第二探頭2和第三探頭3之間的相互干擾，增加交相關運算 的成功幾率。
[0086] 根據(jù)麥克斯韋（Maxwell)第一方程，一個電荷在接地導體上引起的電荷遷移可以 近似地認為和帶電荷顆粒物在導體上的投影面積成正比，而和帶電荷顆粒物與導體距離成 反比： 4
[0087] =K1 ''-'Q1
[0088]其中=Q1是電荷遷移量，K1是與空間介電常數(shù)和接地導體幾何形狀有關的常數(shù)，A 是電荷在導體上的投影面積，1是電荷與導體之間的距離，Q。是顆粒物本身所帶電荷量。
[0089] 而感應電流則近似為：

【權利要求】
1. 一種自適應流速變化的電荷感應在線粉塵檢測裝置，其特征在于，包括信號測量模 塊和計算模塊；其中：所述信號測量模塊包括若干金屬探頭及與所述金屬探頭相連的直流 信號測量電路和交流信號測量電路，用于采集粉塵流動時產(chǎn)生的直流信號和交流信號，并 將所述直流信號和交流信號傳送至所述計算模塊；所述計算模塊，用于對所述直流信號和 交流信號進行選擇，以及對多路交流信號進行交相關運算，并根據(jù)選擇結果與交相關運算 的結果對信號進行補償，再經(jīng)校準后輸出。
2. 如權利要求1所述的自適應流速變化的電荷感應在線粉塵檢測裝置，其特征在于， 所述金屬探頭包括第一探頭、第二探頭和第三探頭；所述第一探頭與直流信號測量電路相 連，所述第二探頭和第三探頭則分別與所述第一交流信號測量電路和第二交流信號測量電 路相連。
3. 如權利要求2所述的自適應流速變化的電荷感應在線粉塵檢測裝置，其特征在于， 所述第一探頭為圓柱體，其直徑為D，置于被測氣流上游用于產(chǎn)生卡門渦街效應；第二探頭 和第三探頭為幾何尺寸相同的薄片形，置于第一探頭的下游；所述第二探頭、第三探頭的 前端與所述第一探頭平齊，其有效長度為IOD?15D ;第一探頭與第二探頭之間的距離為
7. ?15D，第二探頭與第三探頭之間的距離為I. ?4D。
4. 如權利要求1所述的自適應流速變化的電荷感應在線粉塵檢測裝置，其特征在于， 所述信號測量模塊的直流信號測量電路與第一探頭相連，該直流信號測量電路包括模擬信 號預處理部分和模數(shù)轉換部分；所述模擬信號預處理部分用于濾除4?16Hz以上的噪音， 并利用儀器放大器和斬波消除偏差/漂移，使直流信號的精度達到IpA ;所述模數(shù)轉換部分 的采樣頻率為1?16Hz ;以及， 所述信號測量模塊的交流信號測量電路，包括：與第二探頭相連的第一交流信號測量 電路，與第三探頭相連的第二交流信號測量電路；所述第一、第二交流信號測量電路，均包 括模擬信號預處理部分和模數(shù)轉換部分；所述模擬信號預處理部分用于對信號進行4? 8個數(shù)量級的放大，并濾除1?16Hz以上的噪音；所述模數(shù)轉換部分的采樣頻率為4? 64KHz。
5. 如權利要求1所述的自適應流速變化的電荷感應在線粉塵檢測裝置，其特征在于， 所述計算模塊包括選擇電路、交相關處理子模塊、信號補償子模塊以及校準子模塊；其中： 選擇電路，用于根據(jù)需要在直流信號和對交流信號的采集電路之間進行選擇； 交相關處理子模塊，用于對第二探頭、第三探頭所采集到的第一交流信號和第二交流 信號進行交相關運算； 信號補償子模塊，用于根據(jù)選擇電路的選擇結果以及交相關運算的結果對信號進行補 償；以及， 校準子模塊，用于對計算模塊的輸出結果進行修正。
6. 如權利要求5所述的自適應流速變化的電荷感應在線粉塵檢測裝置，其特征在于， 所述計算模塊還用于對所述直流信號、交流信號的相對強度進行比較： 若所述直流信號、交流信號之比大于兩個數(shù)量級則表明探頭的安裝或使用出現(xiàn)了問 題，具體為：如果直流信號過大則說明探頭受到污染，探頭導體和接地點之間發(fā)生了原電池 效應，探頭需要及時維護；如果交流信號值過大，則說明探頭或電子電路安裝不當或受到了 干擾，需要額外的電磁屏蔽或電氣隔離。
7. 如權利要求5所述的自適應流速變化的電荷感應在線粉塵檢測裝置，其特征在于， 所述計算模塊的交相關處理子模塊，為DSP、FPGA或其他計算設備。
8. -種自適應流速變化的電荷感應在線粉塵檢測方法，其特征在于，包括： A、 對粉塵顆粒物電荷感應高頻信號進行交相關運算的步驟； B、 對粉塵顆粒物電荷感應直流信號、交流信號進行處理以及對數(shù)據(jù)進行整合的步驟。
9. 如權利要求8所述的自適應流速變化的電荷感應在線粉塵檢測方法，其特征在于， 步驟A包括： 對第一交流信號測量電路、第二交流信號測量電路產(chǎn)生的信號數(shù)據(jù)進行交相關運算得 到N個數(shù)據(jù)點的交相關系數(shù)，在從第O個到第N/2個交相關系數(shù)中查找最大相關系數(shù)，其位 置為n，結合第一交流信號測量電路和第二交流信號測量電路的采樣頻率計算湍流特征信 號，經(jīng)第二探頭和第三探頭的延遲，利用第二探頭和第三探頭之間的距離計算湍流特征渦 旋地流速；在相對穩(wěn)定的流場中，湍流特征渦旋的移動速度即為氣體整體流速，從而得到管 道中的氣體流速。
10. 如權利要求8所述的自適應流速變化的電荷感應在線粉塵檢測方法，其特征在于， 步驟B包括： B1、利用選擇電路根據(jù)現(xiàn)場條件進行選擇，然后經(jīng)由計算模塊利用得到的氣體流速對 直流信號測量電路所得的直流信號，或對第一交流信號測量電路、第二交流信號測量電路 所得的交流信號進行修正； B2、根據(jù)修正后信號對粉塵顆粒物的質量流量進行標定的步驟； B3、最后根據(jù)質量流量、流速和管道截面積計算粉塵顆粒物濃度。
【文檔編號】G01N15/06GK104316720SQ201410554292
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月17日 優(yōu)先權日:2014年10月17日
【發(fā)明者】杜豫生 申請人:杜豫生