一种粉尘环境模拟测量系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种粉尘环境模拟测量系统，其包括环形风洞、粉尘发生装置、风机和粉尘传感及监测系统；环形风洞包括按逆时针方向首尾依次连接的扩压段、第一拐角段、紊流段、第二拐角段、混合段、稳定段、收缩段和实验段。本发明通过对环形风洞合理设计，使得环形风洞内产生的粉尘环境能够有效避免外界的干扰，保证粉尘环境的稳定；在进行测量粉尘浓度试验时，粉尘发生装置可以调节喷入环形风洞内的粉尘流量，定量的粉尘喷入环形风洞中，粉尘发生装置的出尘口方向与气流方向相反，使得粉尘与空气能够充分混合，设置混合段、稳定段和收缩段可以为实验段提供均匀稳定、浓度可调的粉尘环境，可进行产品的环境可靠性测试、准确度校正等试验。
【专利说明】
一种粉尘环境模拟测量系统
技术领域
[0001]本发明属于仪器制造及环境保护领域，具体涉及一种粉尘环境模拟测量系统。【背景技术】
[0002]环境模拟技术是一门新的综合性工程技术，主要研究各种自然环境的人工再现技术和在模拟环境下产品的试验技术。当前发展方向是建立整机的多参数综合动态环境模拟设备和进行多参数综合动态试验及人机系统环境试验;在环境模拟设备中再现各种环境条件，进行产品的环境可靠性试验、准确度校正或耐久试验等，这对于新产品的开发和成品的质量检验具有重要的意义。粉尘环境模拟可应用于能源、化工、冶金、环境、食品等生产领域，应用管道气力输送工艺来传送煤粉、石灰、矿石、盐类以及面粉等都是属于典型的粉尘环境。粉尘环境模拟对各类参数(诸如浓度、流速、质量流量等)传感器等产品的研发，探索提高输送及生产效率、保证系统安全运行的新技术和新方法等都有着重要的现实意义。
[0003]现有技术中的粉尘环境模拟装置一般采用水平横置的风洞，利用风机在风洞内产生负压使空气流动，而风洞连接粉尘产生装置，产生的粉尘进入到风洞内形成粉尘模拟环境。上述装置在实际应用中存在如下缺陷:1、通过上述粉尘环境模拟装置产生的粉尘模拟环境实验段受外界环境影响大，难以形成稳定流动均匀的粉尘环境;2、多参数实时测量困难。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提出一种粉尘环境模拟测量系统，该系统能够模拟出分布均匀、浓度可调的粉尘环境，且气固两相流流动稳定，不受外界干扰。
[0005]为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案:
[0006]—种粉尘环境模拟测量系统，包括环形风洞、粉尘发生装置、风机和粉尘传感及监测系统;所述环形风洞包括按逆时针方向首尾依次连接的扩压段、第一拐角段、紊流段、第二拐角段、混合段、稳定段、收缩段和实验段;其中，第一拐角段、紊流段、第二拐角段、混合段和稳定段的管径相同，且紊流段、混合段和稳定段和实验段均为直管道，第一拐角段和第二拐角段均为弧形管道;第一拐角段与第二拐角段相对设置，紊流段与由混合段、稳定段、 收缩段、实验段和扩压段连接组成的管道相对设置;扩压段的管径由实验段向第一拐角段逐渐增大，增大方式为弧形曲线增大;在扩压段上设置若干个调压孔，每个调压孔内壁上均设有滤膜;在第一拐角段和第二拐角段内均设有导流片;在稳定段的输入端设有蜂窝器;收缩段的管径由稳定段向实验段逐渐减小，减小方式为弧形曲线减小;粉尘发生装置的出尘口置于混合段内；风机位于第一拐角段的输出端与紊流段的输入端之间。
[0007]优选地，所述环形风洞内的气固两相流为逆时针方向，粉尘发生装置的出尘口方向与气固两相流流动方向相反。
[0008]优选地，所述环形风洞为纵向布置，第一拐角段和第二拐角段分别位于环形风洞的两侧，紊流段位于环形风洞的上侧，由混合段、稳定段、收缩段、实验段和扩压段连接组成的管道位于环形风洞的下侧。
[0009]优选地，所述实验段包括第一实验段和第二实验段，其中第一实验段与收缩段相邻，第二实验段与扩压段相邻;第一实验段以可拆卸的方式接入到环形风洞上;在第二实验段上方设有至少两个传感器放置工位;在第二实验段上还设有有机玻璃材质的观察窗，观察窗上带有可开闭的金属罩。
[0010]优选地，所述粉尘发生装置包括依次连接的空气压缩机、油水分离器和气溶胶粉尘发生器。
[0011]优选地，所述风机为离心式防爆风机，该风机配置有变频器。
[0012]优选地，所述粉尘传感及监测系统包括粉尘传感系统及上位机显示系统；
[0013]其中，粉尘传感系统包括粉尘浓度传感器、风速传感器、风压传感器和温湿度传感器，粉尘浓度传感器和风速传感器位于实验段内；风压传感器位于扩压段、第一拐角段、紊流段、第二拐角段、混合段、稳定段或收缩段内；温湿度传感器位于扩压段、第一拐角段、紊流段、第二拐角段、混合段、稳定段或收缩段内。[〇〇14]优选地，所述粉尘环境模拟测量系统还包括除尘装置，除尘装置位于扩压段的输出端与第一拐角段的输入端之间；该除尘装置包括可拆卸的除尘滤膜。
[0015]优选地，所述粉尘环境模拟测量系统还包括用于调整环形风洞内温度的空调。
[0016]本发明具有如下优点:[〇〇17]1、环形风洞内产生的粉尘环境能够有效避免外界的干扰，保证粉尘环境的稳定；在进行测量粉尘浓度试验时，粉尘发生装置可以调节喷入环形风洞内的粉尘流量，定量的粉尘喷入环形风洞中，由于粉尘发生装置的出尘口方向与气流方向相反，使得粉尘与空气能够充分混合，设置混合段、稳定段和收缩段可以为实验段提供均匀稳定、浓度可调的粉尘环境，可进行产品的环境可靠性测试、准确度校正等试验，且试验结果更加准确。
[0018]2、气固两相流在环形风洞中循环流动，避免持续加粉，系统能量比高。
[0019]3、环形风洞竖直摆放，占地面积小，且能够利用回形区域进行布线，方便实验者操作。【附图说明】
[0020]图1为本发明中一种粉尘环境模拟测量系统的结构示意图；
[0021]图2为本发明中一种粉尘环境模拟测量系统的原理框图；
[0022]其中，1-环形风洞，2-粉尘发生装置，3-风机，4-扩压段，5-第一拐角段，6-紊流段， 7_第二拐角段，8-混合段，9-稳定段，10-收缩段；[〇〇23]11-实验段，12-调压孔，13-导流片，14-蜂窝器，15-变频器，16-空气压缩机，17-油水分离器，18-气溶胶粉尘发生器，19-粉尘传感系统，20-上位机显示系统，21-除尘装置， 22-第一实验段，23-第二实验段，24-传感器放置工位，25-传感器放置工位，26-观察窗。【具体实施方式】[〇〇24]下面结合附图以及【具体实施方式】对本发明作进一步详细说明:
[0025]结合图1和图2所示，一种粉尘环境模拟测量系统，包括环形风洞1、粉尘发生装置 2、风机3和粉尘传感及监测系统。
[0026]环形风洞1包括按逆时针方向首尾依次连接的扩压段4、第一拐角段5、紊流段6、第二拐角段7、混合段8、稳定段9、收缩段10和实验段11。其中，[〇〇27]第一拐角段5、紊流段6、第二拐角段7、混合段8和稳定段9的管径相同，且紊流段6、 混合段8和稳定段9和实验段11均为直管道，第一拐角段5和第二拐角段7均为弧形管道。
[0028]优选地，第一拐角段5和第二拐角段7均采用半圆弧形管道。
[0029]第一拐角段5与第二拐角段7相对设置，紊流段6与由混合段8、稳定段9、收缩段10、 实验段11和扩压段4连接组成的管道相对设置。
[0030]扩压段4的管径由实验段11向第一拐角段5逐渐增大，增大方式为弧形曲线增大， 即扩压段4管道经轴向剖后，剖线呈弧形曲线状。
[0031]在扩压段4上设置若干个调压孔12,每个调压孔12内壁上均设有滤膜。调压孔12的作用是使环形风洞1内外压力相等，调压孔12内壁的滤膜可以防止粉尘被吹出环形风洞。
[0032]第一拐角段5和第二拐角段7内均设有导流片，例如导流片13。通过设置导流片13 使到达混合段8的气固两相流比较均匀。
[0033]在稳定段9的输入端设有蜂窝器14,便于对气固两相流进行初步整流。
[0034]收缩段10的管径由稳定段9向实验段11逐渐减小，减小方式为弧形曲线减小，即收缩段管道经轴向剖后，剖线呈弧形曲线状。
[0035]粉尘发生装置2的出尘口置于混合段8内。环形风洞1内的气固两相流为逆时针方向，粉尘发生装置的出尘口方向与气固两相流流动方向相反，使粉尘与气固两相流混合更加均匀。
[0036]风机3位于第一拐角段5的输出端与紊流段6的输入端之间，便于为环形风洞1内的气固两相流循环流动提供动力。
[0037] 优选地，风机3为离心式防爆风机，该风机配置有变频器15。通过变频器15可以调节风机转速，使气固两相流达到所需要的不同流速。
[0038]本发明中的环形风洞1采用纵向布置，即垂直于地面放置。第一拐角段5位于环形风洞的右侧，第二拐角段6位于环形风洞的左侧，紊流段6位于环形风洞的上侧，由混合段8、 稳定段9、收缩段10、实验段11和扩压段4连接组成的管道位于环形风洞的下侧。
[0039] 通过上述放置方式，使得环形风洞1占地面积小。此外，环形风洞1包围的回形区域可以设置面板，便于供电电源、各类传感器与上位机间的走线。
[0040]优选地，环形风洞1采用金属制作以抗干扰。在环形风洞1的内壁上喷涂聚四氟乙烯，以增加内壁的光滑性和防腐蚀性。
[0041]粉尘发生装置2用于将粉尘颗粒喷入环形风洞1中。该粉尘发生装置包括依次连接的空气压缩机16、油水分离器17和气溶胶粉尘发生器18。
[0042]其中，空气压缩机16产生压缩空气；油水分离器17分离出压缩空气中的水分和油分，对压缩空气进行净化;在气溶胶粉尘发生器18中，净化后的压缩空气将粉尘喷入环形风洞1，通过调节喷入环形风洞1的粉尘流量，可实现环形风洞1内不同的固气混合比。[〇〇43]粉尘传感及监测系统包括粉尘传感系统19及上位机显示系统20。其中，粉尘传感系统19用于将粉尘浓度、风速、风压、温湿度等信息转变成电信号并进行放大调制。
[0044] 该粉尘传感系统19包括粉尘浓度传感器、风速传感器、风压传感器和温湿度传感器等。其中，粉尘浓度传感器和风速传感器位于实验段11内，风压传感器在不干扰实验段流型的前提下可以设置在扩压段4、第一拐角段5、紊流段6、第二拐角段7、混合段8、稳定段9或收缩段10内，此外，温湿度传感器在不干扰实验段流型的前提下也可以设置在扩压段4、第一拐角段5、紊流段6、第二拐角段7、混合段8、稳定段9或收缩段10内。[〇〇45]上位机显示系统20包括数据采集卡、计算机及上位机软件，用于对传感器输出的电信号进行采集、分析处理及显示。
[0046]此外，粉尘环境模拟测量系统还包括除尘装置21，除尘装置21位于扩压段4的输出端与第一拐角段5的输入端之间。该除尘装置包括可拆卸的除尘滤膜。
[0047]实验时取出除尘滤膜，实验结束后放入除尘滤膜，启动风机3进行除尘并回收粉尘。
[0048]此外，粉尘环境模拟测量系统还包括用于调整环形风洞1内温度的空调。
[0049]实验段11包括第一实验段22和第二实验段23。其中第一实验段22与收缩段10相邻，第二实验段23与扩压段4相邻。
[0050]第一实验段22以可拆卸的方式接入到环形风洞1上，该可拆卸方式例如可以是法兰连接。此种可拆卸式连接便于安装和拆卸。[0051 ]粉尘浓度传感器包括环形粉尘浓度传感器和棒状粉尘浓度传感器。其中，
[0052]第一实验段22为环形粉尘浓度传感器实验段，该实验段两端采用法兰接入风洞管道，便于传感器的安装和拆卸，且由于环形粉尘浓度传感器以嵌入管道内壁形式安装，因此可放置在上游两相流流动区域而不会干扰流型、造成第二实验段23粉尘浓度分布不均的问题；[〇〇53]在第二实验段23上方设有至少两个传感器放置工位，例如传感器放置工位24和放置工位25，分别用于放置棒状粉尘浓度传感器和风速传感器;在第二实验段23上还设有有机玻璃材质的观察窗26,观察窗上带有可开闭的金属罩以抗干扰。
[0054]利用该粉尘环境模拟测量系统可进行产品的环境可靠性试验以及标定与校准等实验，其工作过程如下:1、启动风机3，观测风速传感器和风压传感器测得的数据，通过变频器调节电机转速可实现环形风洞1内风流流速的调节；2、待环形风洞1内风流稳定后，启动粉尘发生装置2,向环形风洞1内喷入一定量的粉尘，由于粉尘发生装置2的出尘口与气固两相流相反，使得粉尘与空气能够在混合段8内充分混合，经稳定段9入口处的蜂窝器14实现气固两相流初步整流，在稳定段9进一步均匀稳定，而后进入收缩段10,气固两相流在收缩段均匀加速进入实验段11，粉尘与空气在实验段均匀弥散，从而在实验段形成均匀稳定且低湍流的模拟粉尘环境。
[0055]在此实验段模拟粉尘环境中，可进行产品的环境可靠性试验、标定与校准等实验， 例如可将一标定好的粉尘浓度传感器与一待校正的粉尘浓度传感器放入实验段中，通过测得的两组浓度值，对待校正传感器进行校准；也可将环形粉尘浓度传感器和棒状粉尘浓度传感器放入实验段，通过测得两传感器静电输出信号分析其静态、动态特性的异同，测定及评价其性能并改进设计;也可用于研究风速和粉尘浓度之间的关系，如在环形风洞1内喷入定量粉尘，在实验段11形成某一浓度(浓度波动〈=±5%)的粉尘环境，调节风机3转速，采集并分析在不同风速下测得的静电输出信号，得到风速和粉尘浓度之间的关系。[〇〇56]当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。
【主权项】
1.一种粉尘环境模拟测量系统，其特征在于，包括环形风洞、粉尘发生装置、风机和粉 尘传感及监测系统;所述环形风洞包括按逆时针方向首尾依次连接的扩压段、第一拐角段、 紊流段、第二拐角段、混合段、稳定段、收缩段和实验段;其中，第一拐角段、紊流段、第二拐 角段、混合段和稳定段的管径相同，且紊流段、混合段和稳定段和实验段均为直管道，第一 拐角段和第二拐角段均为弧形管道;第一拐角段与第二拐角段相对设置，紊流段与由混合 段、稳定段、收缩段、实验段和扩压段连接组成的管道相对设置;扩压段的管径由实验段向 第一拐角段逐渐增大，增大方式为弧形曲线增大;在扩压段上设置若干个调压孔，每个调压 孔内壁上均设有滤膜;在第一拐角段和第二拐角段内均设有导流片;在稳定段的输入端设 有蜂窝器;收缩段的管径由稳定段向实验段逐渐减小，减小方式为弧形曲线减小;粉尘发生 装置的出尘口置于混合段内；风机位于第一拐角段的输出端与紊流段的输入端之间。2.根据权利要求1所述的一种粉尘环境模拟测量系统，其特征在于，所述环形风洞内的 气固两相流为逆时针方向，粉尘发生装置的出尘口方向与气固两相流流动方向相反。3.根据权利要求1所述的一种粉尘环境模拟测量系统，其特征在于，所述环形风洞为纵 向布置，第一拐角段和第二拐角段分别位于环形风洞的两侧，紊流段位于环形风洞的上侧， 由混合段、稳定段、收缩段、实验段和扩压段连接组成的管道位于环形风洞的下侧。4.根据权利要求1所述的一种粉尘环境模拟测量系统，其特征在于，所述实验段包括第 一实验段和第二实验段，其中第一实验段与收缩段相邻，第二实验段与扩压段相邻;第一实 验段以可拆卸的方式接入到环形风洞上；在第二实验段上方设有至少两个传感器放置工 位;在第二实验段上还设有有机玻璃材质的观察窗，观察窗上带有可开闭的金属罩。5.根据权利要求1所述的一种粉尘环境模拟测量系统，其特征在于，所述粉尘发生装置 包括依次连接的空气压缩机、油水分离器和气溶胶粉尘发生器。6.根据权利要求1所述的一种粉尘环境模拟测量系统，其特征在于，所述风机为离心式 防爆风机，该风机配置有变频器。7.根据权利要求1所述的一种粉尘环境模拟测量系统，其特征在于，所述粉尘传感及监 测系统包括粉尘传感系统及上位机显示系统;粉尘传感系统包括粉尘浓度传感器、风速传 感器、风压传感器和温湿度传感器，粉尘浓度传感器和风速传感器位于实验段内；风压传感 器位于扩压段、第一拐角段、紊流段、第二拐角段、混合段、稳定段或收缩段内；温湿度传感 器位于扩压段、第一拐角段、紊流段、第二拐角段、混合段、稳定段或收缩段内。8.根据权利要求1所述的一种粉尘环境模拟测量系统，其特征在于，所述粉尘环境模拟 测量系统还包括除尘装置，该除尘装置位于扩压段的输出端与第一拐角段的输入端之间； 所述除尘装置包括可拆卸的除尘滤膜。9.根据权利要求1所述的一种粉尘环境模拟测量系统，其特征在于，所述粉尘环境模拟 测量系统还包括用于调整环形风洞内温度的空调。
【文档编号】G01M9/04GK106017854SQ201610554830
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月14日
【发明人】程学珍, 冯翠萍, 李超, 亢菲菲, 于永进, 杨婕, 尹唱唱, 杜彦镔, 赵猛, 李继明
【申请人】山东科技大学