基于红外吸收原理的粉尘爆炸浓度测定装置及测定方法

技术领域

本发明属于粉尘浓度检测领域，尤其涉及一种基于红外吸收原理的粉尘爆炸浓度测定装置及测定方法。

背景技术

对工作环境及设备内部的粉尘浓度进行监测或测定，是有效预防粉尘爆炸的重要技术手段。

目前，在粉尘浓度检测、在线监测技术及装备方面，中煤科工集团重庆研究院有限公司、郑州光力科技股份有限公司、江苏三恒科技集团等相继引进、开发出了粉尘浓度传感器，部分申请了相关的发明专利。该类仪器主要是针对低浓度呼吸性粉尘环境检测，服务方向也主要是职业健康方面，控制指标均在mg/m

目前，市场上大致有称重法、电容法、β射线法、光散射法、光吸收法、静电感应法等粉尘浓度在线测量方法，当前现有技术存在的问题及缺陷为：(1)称重法：称重法不能显示瞬时值，只能显示平均值，操作繁琐且无法实现在线连续测量。(2)电容法：电容法的测量原理简单，但电容测量值与浓度之间并非一一对应的线性关系，电容的测量值易受相分布及流型变化的影响，导致较大的测量误差。(3)β射线法：β射线法虽然测量准确，但需要对粉尘进行采样后对比测量，很难实现粉尘浓度的在线监测。(4)光散射法：光散射技术利用气流中的颗粒反射出来的闪光的频率及持续时间来测量颗粒的含量，它比其他技术而言拥有压倒性优势，把由于气流中的湿度导致的误差大大地降低到了无关紧要的水平。但基于光散射原理的粉尘浓度测试仪的工作电流偏大、功耗也大，且光散射法适合低浓度粉尘检测工作，对于高浓度粉尘检测存在不足。(5)静电感应法：静电感应法是用一个探针插入到烟气管道，通过测量颗粒携带的电荷的变化从而记录它们的存在。静电感应法在测量高浓度粉尘时具有优势，但它们只能测量碰撞的或者非常靠近探头的粉尘，且对低浓度粉尘的测定有较大的误差。

综上，现有的不同种类粉尘测量技术及方法中，缺乏针对爆炸极限范围内(g/m

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种基于红外吸收原理的粉尘爆炸浓度测定装置，有效填补针对爆炸极限范围内的高粉尘浓度的检测技术的空白。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种基于红外吸收原理的粉尘爆炸浓度测定装置，包括：

可拆卸的多个具有不同粉尘浓度的标定量块，用于在测试前拟合粉尘浓度与出射光信号的关系曲线；

红外检测系统，包括用于发射红外光的红外光源发射器和用于接收出射光并将光信号转换为电信号的红外光源接收器，所述红外光源发射器和红外光源接收器之间为用于测量及标定的测定区；

信号放大系统，与所述红外检测系统连接，用于对红外检测系统所接收的电信号进行放大处理；

信号滤波系统，与所述信号放大系统连接，用于对带有各种噪声和干扰的电信号进行滤波处理；

信号处理和分析系统，与所述信号滤波系统连接，用于对经信号滤波系统处理的电信号进行分析和数据处理；

数据显示系统，与所述信号处理和分析系统连接，用于数据存储和显示。

进一步地，所述标定量块呈圆柱体状，所述标定量块的两端设有便于红外光源穿过的光学玻璃，所述标定量块的内部填充有导热阻燃灌封硅胶与定量粉尘的混合物，能够根据粉尘质量及标定量块的容积得到标定量块内的粉尘浓度。

进一步地，多个所述标定量块内填充的粉尘质量各不相同。

本发明的另一个目的在于提供一种基于红外吸收原理的粉尘爆炸浓度测定方法，有效填补针对爆炸极限范围内的高粉尘浓度的检测技术的空白。

一种基于红外吸收原理的粉尘爆炸浓度测定方法，采用如上实施例所述的测定装置，包括以下步骤：

S1、标定粉尘浓度；

预测粉尘空间的待测粉尘浓度，选用多个与待测粉尘浓度相近的标定量块，在入射光强度相同的情况下，分别测试不同标定量块的出射光信号值，拟合粉尘浓度与出射光信号的关系曲线；

S2、待测粉尘浓度检测；

拆卸标定量块，使测定区处于待测粉尘环境，开始检测：通过红外检测系统的红外光源发射器发出与步骤S1中入射光强度相同的红外光，并由红外检测系统的红外光源接收器接收出射光，将光信号转换为电信号，通过信号放大系统和信号滤波系统对所测电信号进行放大和滤波处理，通过信号处理和分析系统对滤波处理后的电信号进行模数转换，并根据步骤S1中拟合的粉尘浓度与出射光信号的关系曲线，得到待测粉尘浓度，通过数据显示系统显示待测粉尘浓度的数值。

进一步地，所述信号滤波系统采用双重滤波方法，所述双重滤波方法指经放大处理后的带有各种噪声和干扰的电信号，先经过低通滤波后，再经过带通滤波。

进一步地，所述低通滤波允许低频信号正常通过，而超过设定临界值的高频信号则被阻隔和减弱；所述带通滤波仅允许特定频率信号通过，同时抑制其余频率的信号。

本发明的有益技术效果是：

(1)本发明通过在测试前用多个具有不同粉尘浓度的标定量块拟合粉尘浓度与光信号的关系曲线，有效提高了测试精度，扩宽了测试范围，填补了现有针对爆炸极限范围内的高粉尘浓度检测技术的空白。

(2)本发明通过设置可拆卸的标定量块，不仅使测定装置具有便携及适应性强的优点，而且使测试方法简单高效，具有广阔的应用前景。

附图说明

下面将结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细说明。

图1是本发明的测定装置连接结构示意图。

具体实施方式

实施例1

参照图1，一种基于红外吸收原理的粉尘爆炸浓度测定装置，包括：可拆卸的多个具有不同粉尘浓度的标定量块、红外检测系统1、信号放大系统2、信号滤波系统3、信号处理和分析系统4及数据显示系统5。

所述标定量块用于在测试前拟合粉尘浓度与出射光信号的关系曲线。在本实施例中，所述标定量块呈圆柱体状，所述标定量块的两端设有便于红外光源穿过的高精度的K9光学玻璃，所述标定量块的内部填充有导热阻燃灌封硅胶与定量粉尘的混合物，能够根据粉尘质量及标定量块的容积得到标定量块内的粉尘浓度。

多个所述标定量块内填充的粉尘质量各不相同，因此不同的标定量块，其粉尘浓度不同。测试前，通过测试不同标定量块的出射光信号值，从而可以拟合粉尘浓度与光信号的关系曲线。为了进一步提高测试精度，尽量选择靠近待测粉尘浓度的标定量块进行标定。

所述红外检测系统1，包括用于发射红外光的红外光源发射器11和用于接收出射光并将光信号转换为电信号的红外光源接收器12。所述红外光源发射器11和红外光源接收器12之间为用于测量及标定的测定区。测量前，测定区设置所述标定量块，所述红外光源发射器11发出红外光，经标定量块的一端入射至标定量块，而后经标定量块出射后，被红外光源接收器12接收；测量时，拆卸标定量块，此时测定区为待测粉尘环境。

所述红外检测系统1基于红外吸收原理进行粉尘浓度测量，当入射光通过介质时，会与介质发生相互作用，除了被介质散射外，还会被介质吸收，其中吸收关系符合朗伯-比尔定律。入射光强和出射光强的函数关系为：

I

I

在本实施例中，所述红外光源发射器11选择输出稳定、使用寿命长的F5940光源，输出谱线为940nm；红外光源接收器12有效接收面积为10mm*10mm，波长范围320～1100nm，峰值950nm，响应时间1.2μs；所述红外光源接收器12与红外光源发射器11在光谱特性上相匹配。

所述信号放大系统2，与所述红外检测系统1连接，用于对红外检测系统1所接收的电信号进行放大处理。在本实施例中，所述信号放大系统2采用功耗低的AD620芯片对红外光源接收器输出的电信号进行放大处理。所述AD620芯片是CMOS工艺集成的斩波稳零高精度运算放大器，输入电阻1012Ω，偏置电流25℃时为1.5pA，失调电压1V，失调电压温度系数0.01，共模抑制比130dB；所述AD620芯片能够自动稳零且能很好地解决抑制温漂和放大微弱直流信号或缓慢变化的信号。

所述信号滤波系统3，与所述信号放大系统2连接，用于对带有各种噪声和干扰的电信号进行滤波处理。所述信号滤波系统3采用双重滤波方法，所述双重滤波方法指经放大处理后的带有各种噪声和干扰的电信号，先经过低通滤波后，再经过带通滤波，从而消除被测信号中的噪声和干扰。所述低通滤波允许低频信号正常通过，而超过设定临界值的高频信号则被阻隔和减弱；所述带通滤波仅允许特定频率信号通过，同时抑制其余频率的信号。

所述信号处理和分析系统4，与所述信号滤波系统3连接，用于对经信号滤波系统3处理的电信号进行分析和数据处理。所述信号处理和分析系统4采用高性能低功耗的STM32微处理器。所述STM32微处理器，采用ARM高性能“Cortex-M3”内核，1.25DMips/MHz，最高工作频率72MHz，具有集成度高，多通道A/D转换器、多个通信接口的优势。

所述数据显示系统5，与所述信号处理和分析系统4连接，用于数据存储和显示。所述数据显示系统5主要由显示电路和液晶显示屏组成。

实施例2

一种基于红外吸收原理的粉尘爆炸浓度测定方法，采用实施例1所述的测定装置，包括以下步骤：

S1、标定粉尘浓度；

预测粉尘空间的待测粉尘浓度，选用多个与待测粉尘浓度相近的标定量块，在入射光强度相同的情况下，分别测试不同标定量块的出射光信号值，拟合粉尘浓度与出射光信号的关系曲线；

S2、待测粉尘浓度检测；

拆卸标定量块，使测定区处于待测粉尘环境，开始检测：通过红外检测系统1的红外光源发射器11发出与步骤S1强度相同的红外光，并由红外检测系统1的红外光源接收器12接收出射光，将光信号转换为电信号，通过信号放大系统2和信号滤波系统3对所测电信号进行放大和滤波处理，通过信号处理和分析系统4对滤波处理后的电信号进行模数转换，并根据步骤S1中拟合的粉尘浓度与出射光信号的关系曲线，得到待测粉尘浓度，通过数据显示系统5显示待测粉尘浓度的数值。

本发明基于朗伯-比尔定律，通过可拆卸标定量块的设计，使本发明具有测定装置便携、测定方法简单高效、测定范围广及测试精度高的优点。本发明不仅实现了对爆炸极限范围内(g/m

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。