自適應(yīng)流速變化的電荷感應(yīng)在線粉塵檢測(cè)裝置及其方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種自適應(yīng)流速變化的電荷感應(yīng)在線粉塵檢測(cè)裝置及其方法，包括信號(hào)測(cè)量模塊和計(jì)算模塊；所述信號(hào)測(cè)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(hào)測(cè)量電路和交流信號(hào)測(cè)量電路，用于采集粉塵流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的直流信號(hào)和交流信號(hào)，并將所述直流信號(hào)和交流信號(hào)傳送至所述計(jì)算模塊；所述計(jì)算模塊，用于對(duì)所述直流信號(hào)和交流信號(hào)進(jìn)行選擇，以及對(duì)多路交流信號(hào)進(jìn)行交相關(guān)運(yùn)算，并根據(jù)選擇結(jié)果與交相關(guān)運(yùn)算的結(jié)果對(duì)信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償，再經(jīng)校準(zhǔn)后輸出。采用本發(fā)明，能夠充分利用原始信號(hào)包含的所有信息，使顆粒物流量、濃度的測(cè)量免受流速變化的影響，從而擴(kuò)大顆粒物靜電感測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用范圍。
【專利說明】自適應(yīng)流速變化的電荷感應(yīng)在線粉塵檢測(cè)裝置及其方法

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

【背景技術(shù)】
[0002] 在夾帶粉塵（固體微粒）的氣流（氣固兩相流）中，對(duì)粉塵濃度的測(cè)量技術(shù)在工 業(yè)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。如，電力、熱力生產(chǎn)供應(yīng)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(xué)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(duì)這些行業(yè)的生產(chǎn)過程進(jìn)行控制和污染源（一次排放）進(jìn)行檢測(cè)，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(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān) 測(cè)，對(duì)保護(hù)大氣的環(huán)境質(zhì)量具有十分重要的意義。
[0003] 對(duì)氣固兩相流中固體成份濃度進(jìn)行連續(xù)實(shí)時(shí)在線測(cè)量，一直是工業(yè)測(cè)量技術(shù)上的 難點(diǎn)。在現(xiàn)有技術(shù)中，基于電荷感應(yīng)原理的技術(shù)由于其具有優(yōu)越的靈敏度、可靠性和可維護(hù) 性，在工業(yè)上得到了廣泛的應(yīng)用。
[0004] 現(xiàn)有的微電荷感應(yīng)粉塵濃度監(jiān)測(cè)儀，無論其測(cè)量原理是基于交流信號(hào)還是直流信 號(hào)，其測(cè)量結(jié)果都會(huì)受到流速的影響。在只需要對(duì)顆粒物進(jìn)行定性監(jiān)測(cè)的領(lǐng)域，如袋式除塵 器泄漏監(jiān)測(cè)，或氣體流速比較恒定的排放場(chǎng)合，現(xiàn)有技術(shù)完全可以滿足要求。但是隨著環(huán)保 監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)日益嚴(yán)格，對(duì)粉塵濃度監(jiān)測(cè)儀器的定量精度測(cè)量提出了更高的要求；并且為了拓 展在排放點(diǎn)氣體流速變化較大的應(yīng)用領(lǐng)域，如電廠，消除流速變化對(duì)信號(hào)的影響是對(duì)電荷 感應(yīng)粉塵濃度測(cè)量技術(shù)進(jìn)一步的要求。
[0005] 氣體流速信號(hào)既可以從外部獲得，也可以從顆粒物電荷感應(yīng)信號(hào)計(jì)算得出。在實(shí) 際應(yīng)用中，更完整、可行的方法是從顆粒物電荷感應(yīng)信號(hào)計(jì)算得出流速。利用單探頭采集的 電荷感應(yīng)信號(hào)中包含流速信息，利用單探頭信號(hào)特征獲取流速信息的技術(shù)，在中國(guó)發(fā)明專 利ZL200610057401. 6和ZL200910081022. 4中已有描述，但利用單探頭信號(hào)特征獲取的信 號(hào)特征只能得出相對(duì)流速，還需要通過數(shù)據(jù)擬合和標(biāo)定才能得到定量的流速值。
[0006] 而在氣體污染源排放監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，排放點(diǎn)氣體流速作為一個(gè)重要參數(shù)，通常是利用 傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器，如利用皮托管或孔板流量計(jì)通過壓差來進(jìn)行氣體流速測(cè)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(hù)成本；而利用孔板流量計(jì)則會(huì)使管道內(nèi)壓 頭損失過大,從而增加動(dòng)力損失和能耗。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種自適應(yīng)流速變化的電荷感應(yīng)在線粉塵 檢測(cè)裝置及其方法，運(yùn)用新穎的探頭設(shè)計(jì)和優(yōu)化的交相關(guān)算法，充分地利用原始信號(hào)包含 的所有信息，使顆粒物流量、濃度的測(cè)量免受流速變化的影響，從而擴(kuò)大顆粒物靜電感測(cè)量 技術(shù)的應(yīng)用范圍，使得采用本技術(shù)的產(chǎn)品滿足日益嚴(yán)格的環(huán)保排放定量測(cè)量的要求。
[0008] 本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提出一種利用排放氣體中粉塵信號(hào)特征進(jìn)行交相關(guān)的 計(jì)算從而精確測(cè)量氣體流速的方法，以設(shè)計(jì)或改進(jìn)相應(yīng)的探頭、電路及其算法。
[0009] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：
[0010] 一種自適應(yīng)流速變化的電荷感應(yīng)在線粉塵檢測(cè)裝置，包括信號(hào)測(cè)量模塊和計(jì)算模 塊；其中：所述信號(hào)測(cè)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(hào)測(cè)量電 路和交流信號(hào)測(cè)量電路，用于采集粉塵流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的直流信號(hào)和交流信號(hào)，并將所述直流 信號(hào)和交流信號(hào)傳送至所述計(jì)算模塊；所述計(jì)算模塊，用于對(duì)所述直流信號(hào)和交流信號(hào)進(jìn) 行選擇，以及對(duì)多路交流信號(hào)進(jìn)行交相關(guān)運(yùn)算，并根據(jù)選擇結(jié)果與交相關(guān)運(yùn)算的結(jié)果對(duì)信 號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償，再經(jīng)校準(zhǔn)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(hào)測(cè)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(hào)測(cè)量電路和第二 交流信號(hào)測(cè)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(cè)氣流上游用于產(chǎn)生卡門渦街效應(yīng)； 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(zhǎng)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(hào)測(cè)量模塊的直流信號(hào)測(cè)量電路與第一探頭相連，該直流信號(hào)測(cè)量電路包 括模擬信號(hào)預(yù)處理部分和模數(shù)轉(zhuǎn)換部分；所述模擬信號(hào)預(yù)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(hào)的精度達(dá)到IpA ;所述模數(shù) 轉(zhuǎn)換部分的采樣頻率為1?16Hz ;以及，
[0014] 所述信號(hào)測(cè)量模塊的交流信號(hào)測(cè)量電路，包括：與第二探頭相連的第一交流信號(hào) 測(cè)量電路，與第三探頭相連的第二交流信號(hào)測(cè)量電路；所述第一、第二交流信號(hào)測(cè)量電路， 均包括模擬信號(hào)預(yù)處理部分和模數(shù)轉(zhuǎn)換部分；所述模擬信號(hào)預(yù)處理部分用于對(duì)信號(hào)進(jìn)行 4?8個(gè)數(shù)量級(jí)的放大，并濾除1?16Hz以上的噪音；所述模數(shù)轉(zhuǎn)換部分的采樣頻率為4? 64KHz。
[0015] 所述計(jì)算模塊包括選擇電路、交相關(guān)處理子模塊、信號(hào)補(bǔ)償子模塊以及校準(zhǔn)子模 塊；其中：
[0016] 選擇電路，用于根據(jù)需要在直流信號(hào)和對(duì)交流信號(hào)的采集電路之間進(jìn)行選擇；
[0017] 交相關(guān)處理子模塊，用于對(duì)第二探頭、第三探頭所采集到的第一交流信號(hào)和第二 交流信號(hào)進(jìn)行交相關(guān)運(yùn)算；
[0018] 信號(hào)補(bǔ)償子模塊，用于根據(jù)選擇電路的選擇結(jié)果以及交相關(guān)運(yùn)算的結(jié)果對(duì)信號(hào)進(jìn) 行補(bǔ)償；以及，
[0019] 校準(zhǔn)子模塊，用于對(duì)計(jì)算模塊的輸出結(jié)果進(jìn)行修正。
[0020] 所述計(jì)算模塊還用于對(duì)所述直流信號(hào)、交流信號(hào)的相對(duì)強(qiáng)度進(jìn)行比較：
[0021] 若所述直流信號(hào)、交流信號(hào)之比大于兩個(gè)數(shù)量級(jí)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(hào)過大則說明探頭受到污染，探頭導(dǎo)體和接地點(diǎn)之間發(fā)生了原電 池效應(yīng)，探頭需要及時(shí)維護(hù)；如果交流信號(hào)值過大，則說明探頭或電子電路安裝不當(dāng)或受到 了干擾，需要額外的電磁屏蔽或電氣隔離。
[0022] 所述計(jì)算模塊的交相關(guān)處理子模塊，為DSP、FPGA或其他計(jì)算設(shè)備。
[0023] -種自適應(yīng)流速變化的電荷感應(yīng)在線粉塵檢測(cè)方法，包括：
[0024] A、對(duì)粉塵顆粒物電荷感應(yīng)1?頻信號(hào)進(jìn)行受相關(guān)運(yùn)算的步驟；
[0025] B、對(duì)粉塵顆粒物電荷感應(yīng)直流信號(hào)、交流信號(hào)進(jìn)行處理以及對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合的步 驟。
[0026] 其中，步驟A包括：
[0027] 對(duì)第一交流信號(hào)測(cè)量電路、第二交流信號(hào)測(cè)量電路產(chǎn)生的信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行交相關(guān)運(yùn) 算得到N個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的交相關(guān)系數(shù)，在從第0個(gè)到第N/2個(gè)交相關(guān)系數(shù)中查找最大相關(guān)系數(shù)， 其位置為n，結(jié)合第一交流信號(hào)測(cè)量電路和第二交流信號(hào)測(cè)量電路的采樣頻率計(jì)算湍流特 征信號(hào)，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(jì)算湍流特 征渦旋地流速；在相對(duì)穩(wěn)定的流場(chǎng)中，湍流特征渦旋的移動(dòng)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(chǎng)條件進(jìn)行選擇，然后經(jīng)由計(jì)算模塊利用得到的氣體流 速對(duì)直流信號(hào)測(cè)量電路所得的直流信號(hào)，或?qū)Φ谝唤涣餍盘?hào)測(cè)量電路、第二交流信號(hào)測(cè)量 電路所得的交流信號(hào)進(jìn)行修正；
[0030] B2、根據(jù)修正后信號(hào)對(duì)顆粒物的質(zhì)量流量進(jìn)行標(biāo)定的步驟；
[0031] B3、最后根據(jù)質(zhì)量流量、流速和管道截面積計(jì)算顆粒物濃度。
[0032] 本發(fā)明所提供的自適應(yīng)流速變化的電荷感應(yīng)在線粉塵檢測(cè)裝置及其方法，具有以 下優(yōu)點(diǎn)：
[0033] 采用本發(fā)明，能夠消除氣體流速變化對(duì)電荷感應(yīng)顆粒物測(cè)量?jī)x器的影響，使顆粒 物濃度、流量的測(cè)量結(jié)果更加穩(wěn)定可靠，并將此類電荷感應(yīng)顆粒物測(cè)量?jī)x器的應(yīng)用領(lǐng)域拓 展到流速變化大、對(duì)定量測(cè)量結(jié)果要求高的場(chǎng)合。在含塵氣體流速、流量測(cè)量領(lǐng)域，采用本 發(fā)明提供的氣體流速的測(cè)量方法，比傳統(tǒng)的皮托管流量計(jì)更易于維護(hù)、比傳統(tǒng)的孔板流量 計(jì)更低能耗的氣體流速、流量測(cè)量。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0034] 圖1為本發(fā)明自適應(yīng)流速變化的電荷感應(yīng)在線粉塵檢測(cè)裝置的實(shí)施例（包括探 頭、電路和計(jì)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(hào)的時(shí)域特征示意圖；
[0037] 圖3B為薄片形探頭及其產(chǎn)生的信號(hào)的時(shí)域特征示意圖。
[0038] 【主要部件符號(hào)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(hào)測(cè)量電路
[0043] 5 :第一交流信號(hào)測(cè)量電路
[0044] 6 :第二交流信號(hào)測(cè)量電路。

【具體實(shí)施方式】
[0045] 下面結(jié)合附圖及本發(fā)明的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明自適應(yīng)流速變化的電荷感應(yīng)在線粉塵 檢測(cè)裝置及其方法作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0046] 暴露在夾帶粉塵的氣流中的接地的導(dǎo)體，即探頭，能夠感應(yīng)到由于粉塵顆粒運(yùn)動(dòng) 所引起的微弱電流。對(duì)該微弱電流信號(hào)進(jìn)行測(cè)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(yùn)動(dòng)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(zhuǎn)移電流；另一種是運(yùn)動(dòng)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(yīng)現(xiàn)象，由此種原因產(chǎn)生的電流稱作感應(yīng)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(dāng)一粒顆粒物與探頭碰撞時(shí)，其電荷的傳遞量不僅取決于顆粒物的物理和化學(xué)性 質(zhì)（包括大小、化學(xué)組成、介電常數(shù)等）還與該顆粒物的流動(dòng)速度有關(guān)。一簇群顆粒物與探 頭碰撞時(shí)，能夠在探頭上產(chǎn)生微弱的電流信號(hào)，且該電流信號(hào)的強(qiáng)度與單位時(shí)間內(nèi)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(shí)由于它們的流動(dòng)速度 也在平均速度上下浮動(dòng)，因此該電流信號(hào)的強(qiáng)度也會(huì)在某一均值附近上下浮動(dòng)。該電流信 號(hào)的統(tǒng)計(jì)平均值，即信號(hào)的直流部分，與顆粒物的流量成正比。該電流信號(hào)與其均值之間的 偏離值，即信號(hào)的交流部分，也與顆粒物的流量成正比。
[0049] 當(dāng)一粒顆粒物從探頭旁經(jīng)過時(shí)，探頭感應(yīng)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(shí)所帶的電荷當(dāng)作一個(gè)脈沖信號(hào)，那么由此感 應(yīng)電荷在探頭上生成的電流信號(hào)則可視為是這個(gè)感應(yīng)系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)。這樣，顆粒物便在 探頭和它周圍的空間形成一個(gè)信號(hào)過濾器，即"空間過濾效應(yīng)"。
[0050] 當(dāng)隨機(jī)分布的顆粒物掠過探頭時(shí)，得到的感應(yīng)電流信號(hào)便可視為是原始隨機(jī)信號(hào) 經(jīng)過濾后的結(jié)果，其中包含了關(guān)于顆粒物流動(dòng)和信號(hào)過濾器本身的重要信息。該信號(hào)的統(tǒng) 計(jì)平均值為零。該信號(hào)和零之間的偏離值即信號(hào)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(yīng)"的作用，所述感應(yīng)系統(tǒng)相當(dāng)于一個(gè)帶通濾波器，導(dǎo)致低頻和高頻信 號(hào)都被大大衰減了。
[0051] 另外，流體中的紊流會(huì)使顆粒物粉塵的空間和速度分布更復(fù)雜，因此會(huì)同時(shí)影響 到因碰撞引起的電流部分和因靜電感應(yīng)引起的電流部分。在探頭上形成的原始電信號(hào)，是 所有在探頭附近隨機(jī)分布的顆粒物所產(chǎn)生的感應(yīng)電流信號(hào)與所有與探頭隨機(jī)碰撞的顆粒 物所產(chǎn)生的因碰撞引起的電流信號(hào)的總和。由于感應(yīng)電信號(hào)和紊流引起的信號(hào)的直流部分 均為零，測(cè)量到的信號(hào)的直流部分即為一段時(shí)間內(nèi)碰撞電流信號(hào)的平均值。而測(cè)量值的交 流部分是碰撞電流信號(hào)的波動(dòng)、電感應(yīng)信號(hào)和紊流引起的信號(hào)的集合，影響信號(hào)的每個(gè)因 素都很復(fù)雜而又不盡相同，例如流速和紊流狀況。
[0052] 理論分析和實(shí)踐表明，直流信號(hào)與顆粒物流量、流速的關(guān)系為：
[0053]Idc =K1 ·F·Va
[0054] 其中：ID。是直流電流信號(hào)；K1是與顆粒物和探頭材料有關(guān)的系數(shù)；F是顆粒物的 質(zhì)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(hào)與顆粒物流量、流速的關(guān)系為：
[0056]lAc =K2 ·Fb ·vc
[0057] 其中：IA。是直流電流信號(hào)；K2是與顆粒物承載電荷和探頭幾何形狀有關(guān)的系數(shù)；F 是顆粒物的質(zhì)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(cè)量到準(zhǔn)確的顆粒物流量，無論從直流信號(hào)入手，還是從交流信號(hào)入手，都需 要消除流速V的影響。先前的中國(guó)專利ZL200610057401. 6和ZL200910081022. 4中描述了 利用單個(gè)探頭和信號(hào)特征估算顆粒物流速，并計(jì)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(gè)探頭、多個(gè)采樣電路和交相關(guān)算法來更精確計(jì)算流速和顆粒物流量、濃 度的自適應(yīng)流速變化的電荷感應(yīng)在線粉塵檢測(cè)裝置及其方法。
[0059] 上述的交相關(guān)算法已被廣泛應(yīng)用于信號(hào)處理領(lǐng)域，在顆粒物測(cè)量領(lǐng)域也曾有過嘗 試，而且在小管徑、高濃度的應(yīng)用場(chǎng)合，如顆粒狀固體物料的氣動(dòng)輸送領(lǐng)域，取得了一些較 好的應(yīng)用效果。但是在顆粒物排放監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，由于顆粒物濃度低，因而信號(hào)弱、信噪比較低； 加上大管徑管道中氣體流動(dòng)狀況復(fù)雜，在兩探頭之間氣體流動(dòng)所造成的顆粒物靜電感應(yīng)特 征信號(hào)的相似性容易被噪音覆蓋，因此，目前還沒有將交相關(guān)算法應(yīng)用于顆粒物排放監(jiān)測(cè) 領(lǐng)域的成功應(yīng)用。
[0060] 在通常的工業(yè)氣體流動(dòng)的管道中，雷諾數(shù)均大于5000,也就是說氣體流動(dòng)處于 湍流狀態(tài)。湍流中的漩渦對(duì)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(huì)在漩潤(rùn)之間的區(qū)域富集，有文獻(xiàn)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(dá)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(jí)的Kolmogorov尺度，而在管道內(nèi)固定位置，顆粒物局部濃度波動(dòng)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(dòng)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(yīng)設(shè)備監(jiān)測(cè)到的信號(hào)，是經(jīng)過探頭的"空間過濾效應(yīng)"過濾以后的顆 粒物局部濃度波動(dòng)，由于不同尺度的漩渦所包含的能量不同，造成了信號(hào)在不同的頻率上 的強(qiáng)度不同。在實(shí)際應(yīng)用中，氣體流動(dòng)狀況千差萬別：管徑大小、彎道、突起、風(fēng)機(jī)位置、氣體 的密度、粘度、流速等都會(huì)對(duì)信號(hào)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(yùn)用條件下都使交相關(guān)算得到準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果，尤其在顆粒物濃度較 低的排放監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，由于信號(hào)弱，信噪比低，這個(gè)困難就更加突出。
[0064]圖1為本發(fā)明自適應(yīng)流速變化的電荷感應(yīng)在線粉塵檢測(cè)裝置的實(shí)施例（包括測(cè)量 模塊和計(jì)算模塊）的示意圖。如圖1所示，該檢測(cè)裝置主要包括信號(hào)測(cè)量模塊A和計(jì)算模 塊B。其中：
[0065] 所述測(cè)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(hào)測(cè)量電路4、與第二探頭相連的第一交流信號(hào)測(cè)量電路5和第二交流信號(hào)測(cè) 量電路6。
[0066] 其中：第一探頭1，用于產(chǎn)生卡門渦街效應(yīng)（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(dòng)，為第二探頭2和第三探頭3采集最優(yōu)的交流信號(hào)創(chuàng)造條件。所述第一 探頭1與直流信號(hào)測(cè)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(hào)。 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(huì)出 現(xiàn)不穩(wěn)定的邊界層分離，阻流體下游的兩側(cè)，會(huì)產(chǎn)生兩道非對(duì)稱地排列的旋渦，其中一側(cè)的 旋渦循時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，另一旋渦則反方向旋轉(zhuǎn)，這兩排旋渦相互交錯(cuò)排列，各個(gè)旋渦和對(duì)面 兩個(gè)旋渦的中間點(diǎn)對(duì)齊，如街道兩邊的街燈般，這種現(xiàn)象，因匈牙利裔美國(guó)空氣動(dòng)力學(xué)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(guān)運(yùn)算的交流信號(hào)。具體為：第 二探頭2與第一交流信號(hào)采集電路5相連，將采集到的第一交流信號(hào)分別傳送到計(jì)算模塊 B的選擇電路和交相關(guān)處理子模塊；第三探頭3與第二交流信號(hào)采集電路6相連，將采集到 的第二交流信號(hào)傳送到交相關(guān)處理子模塊。
[0068] 所述計(jì)算模塊B，主要包括選擇電路、交相關(guān)處理子模塊、信號(hào)補(bǔ)償子模塊以及校 準(zhǔn)子模塊。
[0069] 其中：選擇電路，用于讓用戶或現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)服務(wù)人員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，在直流信號(hào)優(yōu)化 和對(duì)交流信號(hào)優(yōu)化的采樣電路之間進(jìn)行選擇，從而實(shí)現(xiàn)相互印證對(duì)比，有利于設(shè)備的診斷 維護(hù)，使其達(dá)到穩(wěn)定可靠運(yùn)行。
[0070] 交相關(guān)處理子模塊，用于對(duì)第二探頭2、第三探頭3所采集到的第一交流信號(hào)和第 二交流信號(hào)進(jìn)行交相關(guān)運(yùn)算。
[0071] 信號(hào)補(bǔ)償子模塊，用于根據(jù)選擇電路的選擇結(jié)果以及交相關(guān)運(yùn)算的結(jié)果對(duì)信號(hào)進(jìn) 行補(bǔ)償。
[0072] 校準(zhǔn)子模塊，用于對(duì)計(jì)算模塊的輸出結(jié)果進(jìn)行修正。
[0073] 本發(fā)明的第一個(gè)要點(diǎn)是在兩個(gè)采集交相關(guān)信號(hào)的探頭2、3上游增加一個(gè)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(yīng)，使顆粒物局部濃度產(chǎn)生穩(wěn)定的、清晰 的波動(dòng)，為下游的雙探頭2、3采集最優(yōu)的信號(hào)創(chuàng)造條件。
[0074] 當(dāng)流體流過障礙物時(shí)，如果雷諾數(shù)在大約102到107之間，則會(huì)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(gè)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(guān)信號(hào)的第一個(gè)探頭即第二探頭2。為了避免對(duì)不同周期、相同相位的信號(hào)出現(xiàn)錯(cuò)誤地 相關(guān)，交相關(guān)信號(hào)的第二個(gè)探頭（即第三探頭3)與第一個(gè)探頭（即第一探頭2)的距離應(yīng) 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(shí)施例：一種顆粒物電荷感應(yīng)探頭的設(shè)計(jì)，包括：
[0082] 1) 一個(gè)金屬材質(zhì)的圓柱形的第一探頭1，直徑為D，從管壁垂直插入氣流當(dāng)中，伸 入的長(zhǎng)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(dòng)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(duì)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(zhǎng)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(gè)要點(diǎn)是，第二探頭2和第三探頭3均為薄片狀交相關(guān)探頭。為了 避免上游交相關(guān)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(duì)交相關(guān)運(yùn)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(hào)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(gè)益處是，增加顆粒物流動(dòng)過程中產(chǎn)生電流信號(hào)的尖銳度 和在時(shí)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(guān)運(yùn)算 的成功幾率。
[0086] 根據(jù)麥克斯韋（Maxwell)第一方程，一個(gè)電荷在接地導(dǎo)體上引起的電荷遷移可以 近似地認(rèn)為和帶電荷顆粒物在導(dǎo)體上的投影面積成正比，而和帶電荷顆粒物與導(dǎo)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(dǎo)體幾何形狀有關(guān)的常數(shù)，A 是電荷在導(dǎo)體上的投影面積，1是電荷與導(dǎo)體之間的距離，Q。是顆粒物本身所帶電荷量。
[0089] 而感應(yīng)電流則近似為：

【權(quán)利要求】
1. 一種自適應(yīng)流速變化的電荷感應(yīng)在線粉塵檢測(cè)裝置，其特征在于，包括信號(hào)測(cè)量模 塊和計(jì)算模塊；其中：所述信號(hào)測(cè)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(hào)測(cè)量電路和交流信號(hào)測(cè)量電路，用于采集粉塵流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的直流信號(hào)和交流信號(hào)，并 將所述直流信號(hào)和交流信號(hào)傳送至所述計(jì)算模塊；所述計(jì)算模塊，用于對(duì)所述直流信號(hào)和 交流信號(hào)進(jìn)行選擇，以及對(duì)多路交流信號(hào)進(jìn)行交相關(guān)運(yùn)算，并根據(jù)選擇結(jié)果與交相關(guān)運(yùn)算 的結(jié)果對(duì)信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償，再經(jīng)校準(zhǔn)后輸出。
2. 如權(quán)利要求1所述的自適應(yīng)流速變化的電荷感應(yīng)在線粉塵檢測(cè)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(hào)測(cè)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(hào)測(cè)量電路和第二交流信號(hào)測(cè)量電 路相連。
3. 如權(quán)利要求2所述的自適應(yīng)流速變化的電荷感應(yīng)在線粉塵檢測(cè)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(cè)氣流上游用于產(chǎn)生卡門渦街效應(yīng)；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(zhǎng)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(quán)利要求1所述的自適應(yīng)流速變化的電荷感應(yīng)在線粉塵檢測(cè)裝置，其特征在于， 所述信號(hào)測(cè)量模塊的直流信號(hào)測(cè)量電路與第一探頭相連，該直流信號(hào)測(cè)量電路包括模擬信 號(hào)預(yù)處理部分和模數(shù)轉(zhuǎn)換部分；所述模擬信號(hào)預(yù)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(hào)的精度達(dá)到IpA ;所述模數(shù)轉(zhuǎn)換部分 的采樣頻率為1?16Hz ;以及， 所述信號(hào)測(cè)量模塊的交流信號(hào)測(cè)量電路，包括：與第二探頭相連的第一交流信號(hào)測(cè)量 電路，與第三探頭相連的第二交流信號(hào)測(cè)量電路；所述第一、第二交流信號(hào)測(cè)量電路，均包 括模擬信號(hào)預(yù)處理部分和模數(shù)轉(zhuǎn)換部分；所述模擬信號(hào)預(yù)處理部分用于對(duì)信號(hào)進(jìn)行4? 8個(gè)數(shù)量級(jí)的放大，并濾除1?16Hz以上的噪音；所述模數(shù)轉(zhuǎn)換部分的采樣頻率為4? 64KHz。
5. 如權(quán)利要求1所述的自適應(yīng)流速變化的電荷感應(yīng)在線粉塵檢測(cè)裝置，其特征在于， 所述計(jì)算模塊包括選擇電路、交相關(guān)處理子模塊、信號(hào)補(bǔ)償子模塊以及校準(zhǔn)子模塊；其中： 選擇電路，用于根據(jù)需要在直流信號(hào)和對(duì)交流信號(hào)的采集電路之間進(jìn)行選擇； 交相關(guān)處理子模塊，用于對(duì)第二探頭、第三探頭所采集到的第一交流信號(hào)和第二交流 信號(hào)進(jìn)行交相關(guān)運(yùn)算； 信號(hào)補(bǔ)償子模塊，用于根據(jù)選擇電路的選擇結(jié)果以及交相關(guān)運(yùn)算的結(jié)果對(duì)信號(hào)進(jìn)行補(bǔ) 償；以及， 校準(zhǔn)子模塊，用于對(duì)計(jì)算模塊的輸出結(jié)果進(jìn)行修正。
6. 如權(quán)利要求5所述的自適應(yīng)流速變化的電荷感應(yīng)在線粉塵檢測(cè)裝置，其特征在于， 所述計(jì)算模塊還用于對(duì)所述直流信號(hào)、交流信號(hào)的相對(duì)強(qiáng)度進(jìn)行比較： 若所述直流信號(hào)、交流信號(hào)之比大于兩個(gè)數(shù)量級(jí)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(hào)過大則說明探頭受到污染，探頭導(dǎo)體和接地點(diǎn)之間發(fā)生了原電池 效應(yīng)，探頭需要及時(shí)維護(hù)；如果交流信號(hào)值過大，則說明探頭或電子電路安裝不當(dāng)或受到了 干擾，需要額外的電磁屏蔽或電氣隔離。
7. 如權(quán)利要求5所述的自適應(yīng)流速變化的電荷感應(yīng)在線粉塵檢測(cè)裝置，其特征在于， 所述計(jì)算模塊的交相關(guān)處理子模塊，為DSP、FPGA或其他計(jì)算設(shè)備。
8. -種自適應(yīng)流速變化的電荷感應(yīng)在線粉塵檢測(cè)方法，其特征在于，包括： A、 對(duì)粉塵顆粒物電荷感應(yīng)高頻信號(hào)進(jìn)行交相關(guān)運(yùn)算的步驟； B、 對(duì)粉塵顆粒物電荷感應(yīng)直流信號(hào)、交流信號(hào)進(jìn)行處理以及對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合的步驟。
9. 如權(quán)利要求8所述的自適應(yīng)流速變化的電荷感應(yīng)在線粉塵檢測(cè)方法，其特征在于， 步驟A包括： 對(duì)第一交流信號(hào)測(cè)量電路、第二交流信號(hào)測(cè)量電路產(chǎn)生的信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行交相關(guān)運(yùn)算得 到N個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的交相關(guān)系數(shù)，在從第O個(gè)到第N/2個(gè)交相關(guān)系數(shù)中查找最大相關(guān)系數(shù)，其位 置為n，結(jié)合第一交流信號(hào)測(cè)量電路和第二交流信號(hào)測(cè)量電路的采樣頻率計(jì)算湍流特征信 號(hào)，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(jì)算湍流特征渦 旋地流速；在相對(duì)穩(wěn)定的流場(chǎng)中，湍流特征渦旋的移動(dòng)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(quán)利要求8所述的自適應(yīng)流速變化的電荷感應(yīng)在線粉塵檢測(cè)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(chǎng)條件進(jìn)行選擇，然后經(jīng)由計(jì)算模塊利用得到的氣體流速對(duì) 直流信號(hào)測(cè)量電路所得的直流信號(hào)，或?qū)Φ谝唤涣餍盘?hào)測(cè)量電路、第二交流信號(hào)測(cè)量電路 所得的交流信號(hào)進(jìn)行修正； B2、根據(jù)修正后信號(hào)對(duì)粉塵顆粒物的質(zhì)量流量進(jìn)行標(biāo)定的步驟； B3、最后根據(jù)質(zhì)量流量、流速和管道截面積計(jì)算粉塵顆粒物濃度。
【文檔編號(hào)】G01N15/06GK104316720SQ201410554292
【公開日】2015年1月28日 申請(qǐng)日期:2014年10月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月17日
【發(fā)明者】杜豫生 申請(qǐng)人:杜豫生