基本信息
- 项目名称：
- 大流量工业粉尘分布式快速测量系统
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 环境的破坏已越为严重。而其中粉尘的污染尤为突出。人长期处在有大量粉尘的环境中对健康很不利。但随着国内激光、信息处理、微电子及无线通信技术的蓬勃发展，制作一个全方位，高精度，高速粉尘浓度测定仪已成为可能。基于此，我们设计了大流量工业粉尘分布式快速测量系统，该系统可在原料粉尘种类不确定，粒径大小混乱的情况下做精确快速测量，在我国煤矿、水泥等易产生粉尘污染的行业中有重要的示范推广意义。
- 详细介绍：
- 1 设计目标 项目的主要目标是研制能够快速测定工业生产环境下的空气中所含粉尘浓度及其粒径分布的检测装置，研制局部范围内无线低功耗数据通信网络，研制低成本的远距离无线数据通信的上位机和下位机，设计工业粉尘浓度实时检测的数据库管理系统。 涉及的关键技术包括：基于光散射原理的大流量、低功耗、小体积的粉尘浓度检测的光电传感器设计，不同粉尘粒径甄别的信号处理电路设计，基于高性能嵌入式处理器ARM10的检测控制、浓度计算及无线通信接口的软硬件设计，RS485有线通信接口电路的设计，基于GSM短消息模式的无线数据通信的上位机和下位机模块的设计，基于人机交互对话的数据库管理系统的设计等。 2 总体框图及软件流程 分布式检测点通过RS485有线通信模块完成信息传输，数据收集与信息中转，实现有线通信与GSM通信的相互转换，在分布式粉尘浓度检测现场起到中心服务器功能，并向所有检测终端发送检测指令，接收各点的检测结果，对远程数据信息中心起到接收检测指令、发挥检测结果的功能。 3 硬件电路设计 利用空气中的粉尘通过采样通道口时把入射光散射形成一个光脉冲信号，经过雪崩倍增光电二极管的作用，线性地转化为相应幅度电脉冲信号的过程来进行粉尘数量和等效直径的检测，以采样通道内流过的粉尘散射的光强所转化电脉冲幅值与无粒子散射时的本底基准电平作比较，电脉冲信号的大小与微粒等效直径大小成正比，脉冲个数则反映微粒个数，由于上述方法检测到微粒子的光散射信号非常微弱，本研究中采用了大功率激光器作为照射光源，并设计了用于水平方向增强聚焦的柱面透镜，增强散射光有效聚集度的球面反射镜和非球面短焦距透镜组光学系统。通过增强入射光强度和散射光的有效聚集度，扩大采样通道口的相径以更好地适合在线检测的要求。 光电传感器中的雪崩倍增光电二极管输出的电流小信号经过初级放大电路转换为电压信号并滤波，去除干扰噪声，再经过二级放大电路放大为可处理的电信号，再送入粉尘粒径甄别电路，对对应于不同粉尘粒径大小的信号幅值进行甄别并转换为数字量信号，经过高性能嵌入式处理器ARM10进行智能处理，检测结果在现场采用LCD实时显示，并通过两级无线通信送入到远程数据信息中心处理。 4 电源部分 电源模块是以充电电池为主体，配置电量检测及报警电路、电压转换电路。通过电量检测判断检测终端是否可以正常工作，当电池电路不够时经行报警提示需要对电池进行充电，而电压转换电路则是将电池组电压转换成±12V、5V、3V、3.3V等提供给其它的各级电路。 5 数据收集与通信设备 数据收集与通信设备则是大流量工业粉尘分布式检测装置中信息传输的转换部分，它通过GSM通信模式接收远程数据信息中心传输过来的检测命令，并通过RS485有线通信网络发送过对应的粉尘浓度检测终端，并接收对应终端的检测结果，再通过GSM通信模式传输给远程数据信息中心。 6 远程数据信息中心 远程数据信息中心作为大流量工业粉尘分布式检测装置的主控部分，也称为上位机，通过PC机中的数据库管理系统设置粉尘浓度的检测模式、检测控制，并处理数据。 7 软件设计 大流量工业粉尘分布式快速测量系统，其特征是以大流量激光粉尘测定仪光学传感器作为核心部件，并使用32位ARM为核心处理器，将大流量激光粉尘测定仪光学传感器输出信号经过前置放大与二级放大后，采集进高精度模拟/数字口,然后32位ARM对数据进行特殊算法的处理，将粒子浓度(个/m3)换算成粉尘浓度（mg/m3），再将运算结果通过并行接口实时送入主处理器，主处理器在接收到粉尘浓度数据后，随之将数据送入GPRS模组，粉尘浓度数据通过无线网络实时发送给远端监控中心。 在粉尘浓度检测及传输的下位机中，对ARM先初始化，12位AD端初始化，将传感器传来的数据先进行模数转化，再采用n极连分式算法与卡尔漫滤波算法对转换后的数字信号进行处理，将得到的粉尘浓度数据送入副处理器。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 一、作品设计、发明的目的 环境的破坏已越为严重。而其中粉尘的污染尤为突出。随着国内科技的发展，制作一个全方位，高精度，高速粉尘浓度测定仪已成为可能。基于此，我们设计了大流量工业粉尘分布式快速测量系统 二、基本思路 将大流量激光粉尘测定仪光学传感器输出信号经过处理后，将处理结果通过并行接口实时送入主处理器。粉尘浓度数据通过无线网络实时发送给远端监控中心 三、创新点 (1)采用粉尘浓度在线检测原理，设极了具有自主知识产权的光电传感器 (2)以高速度的32位ARM作为测量装置的控制核心 (4)采用小功率MOSFET作恒流器件，保证激光二极管安全工作。 (5) 采用分布式测量方法，并用无线网络连接 三、技术关键 1. 基于光散射原理的光电传感器的设计 2.以高速度的32位ARM系列嵌入式CPU作为测量系统的控制核心。 3. 数据采集检测采用分布式结构。 四、主要技术指标 1．重量粉尘浓度灵敏度：±1％ 0.01毫克/ m3； 2最大检测粒子浓度：±1％ 1.271×109颗/m3； 3采样流量：3～30升/分钟可调； 4测量时间：6S—120S任意设定； 5环境温度：0-50℃； 6重量粉尘浓度检测范围（分四个量程）：0～10毫克/ m3 、 0～100毫克/ m3 、0～500毫克/ m3 、0～5000毫克/ m3； 7粉尘粒径分散度：<2um、2～5 um、5～10 um、>10 um； 8现场检测可达到100个检测点。
科学性、先进性
- 1、该系统采用了大功率激光器作为照射光源，并设计了用于水平方向增强聚焦的柱面透镜，增强散射光有效聚集度的球面反射镜和非球面短焦距透镜组光学系统。通过增强入射光强度和散射光的有效聚集度，扩大采样通道口的相径以更好地适合在线检测的要求； 2、采样流量大：同类产品流量为1.4～2.4 L/min范围内可调（正常1.7）左右，本产品做到了3—30升范围； 3、智能化程度高：可实现远程粉尘浓度检测控制，同类产品均无此功能。 4、采用分布式采样方式和自主设计的浓度检测计算方法，提高测量精确度。 5、采用有线RS485和无线GSM通信相结合的模式，在同类产品中尚无无线模块。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 合作开发
作品可展示的形式
- 图片、样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 一、使用说明 该装置的使用包括软件与硬件两方面。 （1）、硬件方面： 1．数字键：0～9数字键及小数点键用于数字输入。 2．复位键：用于仪器进行初始化复位。 3．照明键：测量光线不足时用于液晶显示屏照明。 4．←键：用于对前面刚输入的数据进行修改。 5．↓键：用于菜单选择，每按一次则选下一项。 6．Enter键：确认键，用于对选择的操作项进行确认。 （2）、系统软件方面： 如无意外情况，软件方面无需专门人员照看，可自动完成任务。 二、该装置特点与优势 1.本品为高性能分布式测量系统，能同时测量多点数据（多达100个）从而得到这个空间而非空间内某点的粉尘浓度。 2.本品的性价比高。 3.在传感器的结构设计中增加了反吹装置，保护光学镜头面不受粉尘污染。 4.以高速度的32位ARM系列嵌入式CPU作为测量装置的控制核心实现工业粉尘浓度的快速测量。 5.我们的测量装置则配备RS485通信、GPRS模块，可实现分布式、实时在线远程监测。
同类课题研究水平概述
- 目前，世界各国对粉尘浓度的测量技术都做了大量研究，研制了一批粉尘检测仪器，如粉尘采样器、直读式测尘仪、粉尘浓度传感器等。尤其是粉尘浓度传感器的出现，解决了实时检测作业现场粉尘浓度的问题。 1、粉尘浓度在线检测技术方法 国外对粉尘浓度在线检测技术研究较早，主要有电容法、β射线法、光散射法、光吸收法、摩擦电法、超声波法、微波法等线检测技术。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关系，且电容测量值易受相分布和流型变化的影响，导致存在较大的测量误差。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，很难实现对粉尘浓度的在线检测。超声波法、微波法测量粉尘浓度还处于试验阶段，市场上还没有成型的产品。目前市场上只要采用光散射法、光吸收法、摩擦电法进行粉尘浓度在线检测的方法，形成的产品多，并成功应用于烟道粉尘浓度和煤炭作业粉尘浓度的测量。 2、国外粉尘浓度检测的产品现状 国外有代表性的产品为英国的Sim Lin系列粉尘浓度检测仪及其升级产品OSIRIS粉尘传感器和粉尘监测系统，德国丁达尔公司生产的TM系列粉尘仪，俄国研制的II-101型自动测尘仪，日本的柴田公司的LV-5E、P5系列微电脑粉尘仪，美国研制的RAM系列实时粉尘检测仪和AuBurn公司生产的3400型粉尘检测仪、美国Metone和TSI空气技术产品公司相关的粉尘浓度测定仪。其中Sim Lin系列粉尘浓度检测仪、TM系列粉尘仪、LV-5E、P5系列微电脑粉尘仪、Metone和TSI公司相关粉尘浓度测定仪采用光散射法，II-101型自动测尘仪采用光吸收法，3400型粉尘检测仪采用摩擦电法测量粉尘浓度。 3、国内粉尘浓度在线检测产品现状 国内粉尘浓度在线测定技术发展较晚，但是最近几年，随着信息技术的快速发展以及光电子技术和嵌入式技术的不断提高，煤炭科学研究总院重庆研究院最早在国内开发出了GCG型粉尘浓度传感器。国内其他厂家也陆续引进、粉尘浓度传感器，其生产厂家有郑州光力科技股份有限公司、江苏三恒科技集团、南京富邺科技股份有限公司等。 而作为粉尘测定的整机产品还比较少且大多是仿照国外的产品。如目前出现于市场上的青岛路博伟业环保公司仿造日本柴田公司的产品P-5FC等。
