一种红外线烟道在线流速仪的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种红外线烟道在线流速仪，包括：两个红外接收器、一个供电单元、一个信号处理单元及一个数据显示单元，信号处理单元接受来自红外接收器的信号并实时传输测量结果至数据显示单元。本实用新型基于红外互相关技术，利用两个红外接收器感应示踪气团的位置来测量流速和流量，成本低，具有普及应用的良好前景；红外接收器的测量是非接触式的，灵敏度高且响应快，流速仪与烟气接触的部件都采用防护等级为IP68的铝合金材料制成，能够实现高精度、耐腐蚀、耐高温、低误差的在线烟气流速和流量测量；此外，本实用新型的流速仪为插入式的安装方式，拆卸、维修及清洁保养操作简便，维护成本低。
【专利说明】一种红外线烟道在线流速仪
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种流速仪，具体涉及一种红外线烟道在线流速仪；基于红外互 相关技术，利用红外线探测气团的特征红外信号，从而实现对烟道排放气体的流速和流量 进行测量。
【背景技术】
[0002] 在冶金企业、化工企业及其它工业企业中，对烟道烟尘烟气的检测一直是环境污 染源监测的重中之重。烟道排放物是大量高温、有毒、有害气体和烟尘的混合物，成分很复 杂，气体中包括S02、CO、CO2、碳氢化合物以及氮氧化合物等，烟尘包括燃料的灰分、煤粒、油 滴以及高温裂解产物等。
[0003] 为了掌握烟气的流动特性，对其流速的测量十分重要，但是，烟道中是高温环境， 且烟气有毒有腐蚀性，因而烟道中烟气的流速测量难度大且准确性低。现有技术中常用的 测量方式一般有两种：
[0004] (1)、皮托管气体流量计，该流量计利用压力差来测量流速，其测量方法是：将皮托 管放在烟道中心位置，保证管口与气流方向垂直，通过测量动压和静压的差值，由伯努利方 程的气体化简公式V= (2Λρ/ρ)°_5来计算流速，其中，ν、Λρ、ρ分别为流速、压力差和气 体密度。该测量方法的缺点较多，其中较明显的缺点是皮托管细小、易造成堵塞，皮托管使 用寿命短且维护成本高；而且当流速比较小时，由于产生的压力很小，测量时误差会较大， 不能测量低速烟气。
[0005] (2)、超声波流速仪，该流速仪利用超声波传感器来测量流速，其测量方法和原理 是：超声波在流动的气体中传播时会载上气体流速的信息，因此通过接收到的超声波就可 以检测出烟气的流速，从而换算成流量。该测量方法的不足之处在于：抗干扰能力差，易受 到其他声源混入的超声音干扰、影响精度；测量管道结垢会严重影响测量精度；超声波传 感器价格昂贵，导致仪器成本高，用于腐蚀性强的烟道中极易损坏，维护成本相当高。
[0006] 综上，现有技术中两种常用的测量仪器价格昂贵，应用于烟道流速测量的话，极易 被腐蚀性气体及粉尘损坏，测量精度也无法满足要求，鉴于此，迫切需要一种耐腐蚀、耐高 温、灵敏度高、响应快、易于安装维护的流速仪，满足烟道的在线流速测量。 实用新型内容
[0007] 为解决现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种红外线烟道在线流速 仪，能够耐腐蚀耐高温，具有灵敏度高、响应快、易于安装维护等优点，能够快速、准确地获 得流速?目息。
[0008] 为了实现上述目标，本实用新型采用如下的技术方案：
[0009] 一种红外线烟道在线流速仪，包括：两个红外接收器、一个供电单元、一个信号处 理单元及一个数据显示单元，所述两个红外接收器沿烟气流向间隔分布于烟道内并通过屏 蔽线与信号处理单元和数据显示单元连接，所述信号处理单元接受来自红外接收器的信号 并实时传输测量结果至数据显示单元。
[0010] 具体地，前述红外接收器包括：一端开口的罩体、设置于罩体开口端的法兰盘、安 装于罩体内部的电路板和红外探测器，所述法兰盘与红外探测器对应的位置形成有通孔， 通孔内安装有锗窗口；所述罩体远离开口端的另一端安装有防水接头，所述屏蔽线自防水 接头穿过。
[0011] 具体地，前述信号处理单元由差分放大电路、模数转换芯片及一单片机组成，红外 探测器将检测到的信号经电路板进行四级放大滤波后传入信号处理单元，信号先经差分放 大电路去除共模噪声，然后再经模数转换芯片将模拟信号转换为数字信号，最后传入单片 机。
[0012] 具体地，前述数据显示单元由与单片机相连的微型计算机、LCD显示屏及操作面板 组成；微型计算机的输出端口与LCD显示屏相连，输入端口与操作面板相连，所述操作面板 设置有两个LED灯和若干按键。
[0013] 优选地，前述锗窗口不镀膜，厚度为2mm，透射的光谱范围为2-16μm。
[0014] 优选地，前述红外探测器为带有氟化钙窗口的热释电型红外探测器。
[0015] 优选地，前述罩体和法兰盘均由防护等级为IP68的铝合金材料制成。
[0016] 进一步地，前述罩体、锗窗口与法兰盘的连接处均设有O型密封圈。
[0017] 更进一步地，前述信号处理单元和数据显示单元置于一个保护盒内，所述保护盒 由防护等级为IP68的铝合金材料制成。
[0018] 本实用新型的有益之处在于：本实用新型的烟道在线流速仪基于红外互相关技 术，利用两个红外接收器感应示踪气团的位置来测量流速和流量，成本低，具有普及应用的 良好前景；红外接收器的测量是非接触式的，灵敏度高且响应快，流速仪与烟气接触的部件 都采用防护等级为IP68的铝合金材料制成，能够实现高精度、耐腐蚀、耐高温、低误差的在 线烟气流速和流量测量；此外，本实用新型的流速仪为插入式的安装方式，拆卸、维修及清 洁保养操作简便，维护成本低。
【专利附图】
【附图说明】
[0019] 图1是本实用新型的一种红外线烟道在线流速仪的整体结构示意图；
[0020] 图2是图1所示实施例中红外接收器的剖面结构示意图；
[0021] 图3是图1所示实施例的电路框图；
[0022] 图4是图1所示实施例在测量中接收到的信号波形图。
[0023] 图中附图标记的含义：1、红外接收器，2、供电单元，3、数据显示单元，4、信号处理 单元，5、屏蔽线，6、烟道，11、防水接头，12、罩体，13、红外探测器，14、电路板，15、锗窗口， 16、法兰盘，17、O型密封圈。
【具体实施方式】
[0024] 以下结合附图和具体实施例对本实用新型作具体的介绍。
[0025] 本实用新型的红外线烟道在线流速仪基于红外互相关技术，利用红外接收器1接 收追踪某一示踪气团红外辐射信号的时间信号差，信号处理单元4得到被测量气体的流速 和流量并实时传输测量结果给数据显示单元3。
[0026] 参见图1，本实用新型的流速仪包括：两个红外接收器1、一个供电单元2、一个信 号处理单元4及一个数据显示单元3,供电单元2为整个在线流速仪供电。两个红外接收 器1沿烟气流向间隔分布于烟道6内，两者的安装距离可根据现场情况灵活设置，红外接收 器1通过屏蔽线5与信号处理单元4和数据显示单元3连接，信号处理单元4接受来自红 外接收器1的信号、获得测量结果并实时传输给数据显示单元3,方便用户直观地获知测量 结果（流速和流量）。
[0027] 优选地，信号处理单元4和数据显示单元3均为现有技术中业已成熟的技术，将两 者置于同一个保护盒内，保护盒由防护等级为IP68的铝合金材料制成，防止信号处理单元 4和数据显示单元3受到高温腐蚀性烟气的干扰，进而确保测量精度。
[0028] 其中，红外接收器1的具体结构如图2所示，包括：一端开口的罩体12和设置于罩 体12开口端的法兰盘16,法兰盘16使流速仪可以固定在烟道6上，在罩体12内部安装有 电路板14和红外探测器13,法兰盘16在与红外探测器13对应的位置形成有通孔，通孔内 安装锗窗口 15 ;在罩体12远离开口端的另一端安装有防水接头11，屏蔽线5自防水接头11 穿过。作为一种优选，红外探测器13是表面带有氟化钙窗口的热释电型红外探测器，可以 根据气体的选择性吸收来追踪任一气团。
[0029] 更进一步地，在罩体12、锗窗口 15与法兰盘16的连接处均设有O型密封圈17,从 而起到了防水、防尘、保护内部部件的作用。优选地，罩体12和法兰盘16均由防护等级为 IP68的铝合金材料制成，从而具有较好的防腐蚀耐高温性能。
[0030] 具体地，锗窗口 15不镀膜，厚度为2mm，透射的光谱范围为2-16μm，即滤可见光， 透红外光，使得该流速仪具有高精度、低误差和灵敏性。
[0031] 本实用新型通过信号处理单元4控制红外线烟道在线流速仪，数据显示单元3则 接受来自信号处理单元4的信号数据并对其进行显示。流速仪的整体电路结构参见图3,每 个红外接收器1探测到烟道6内的信号，先经过模拟开关（正常使用时开关导通），然后经 过电路板14的四级滤波放大，将接收到较为微弱且淹没在高频噪声中低频信号提取并放 大后送入信号处理单元4。如图3所示，信号处理单元4由差分放大电路、模数转换芯片及 单片机组成，差分放大电路先将信号中的共模噪声去除，然后再经模数转换芯片将模拟信 号转换为数字信号，输入到负责信号处理的单片机，单片机将接收到的两路信号经过处理 后得到两路信号之间的时间差，计算出流速和流量，最后将所得结果发送到数据显示单元 3。需要特别说明的是，在该信号处理单元中，通过对信号传输方式进行改进，采用现有技术 中业已成熟的单片机技术对信号进行处理，从而实现了高精度低误差的在线烟气流速和流 量测量。
[0032] 数据显示单元3由微型计算机、IXD显示屏及操作面板组成，微型计算机控制信号 输出和IXD显示，信号经过微型计算机进一步处理后，可以通过与其输出端口相连的IXD显 示屏直观地显示各种字符汉字和图形，也可以通过485或232通信方式与上位机连接后显 示在上位机上，还可以4-20mA方式输出；微型计算机操作面板设置有两个LED灯和若干按 键，按键与微型计算机的I/O接口连接，包括但不限于Mode键、Enter键、丨键及丨键。
[0033] 为了更好地理解本发明，下面对本实用新型的流速仪的测量方法进行简要介绍， 正如前述，该流速仪的测量原理基于红外互相关技术，由于烟道6内的烟气一般是高温高 速的，所以我们将其理想成形态、速度不变的热气团，先后通过两个距离合适的红外接收器 I，根据时间差即可计算得到流速。
[0034] 该方法具体包括以下流程：
[0035] (1)、将两个红外接收器1相聚一定距离固定在烟道6内，通过屏蔽线5与供电单 元2、信号处理单元4及数据显示单元3相连；
[0036] (2)、将两个红外探测器13得到的气团波形信号分别定义为A(t)、B(t)，利用下列 函数：尺⑴=L//V/T 即)邓-「>//信号处理单元4计算气团经过两个红外探测 器13所用时间间隔；
[0037] 其中，t是时间变量，τ是A(t)的延迟时间变量，T是一个时间常数即一次完整测 量所用时间，R(T)是自变量为τ的函数，当τ= %时，R(TJ有极大值，其中％为所 求时间间隔，利用上面的函数R(T)计算出它的极大值，极大值所在点^值即等于最大的 延迟时间Tmax，也就是气团经过两个探测器所用时间间隔；
[0038] 图4所示为该流速仪某次测量接收到的信号波形，由A(t)、B(t)的波形可以得出 最大的延迟时间τ_即为气团经过两个红外探测器13的时间差，也等于R(T)的极大值 点所对应得τ值。
[0039] (3)、由速率的定义υ=距离/时间间隔，信号处理单元4得到气体的流速大小； 再用烟道6的截面积乘以流速得出烟气的流量；流速和流量显示于数据显示单元3的LCD 显示屏上。
[0040] 以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员 应该了解，上述实施例不以任何形式限制本实用新型，凡采用等同替换或等效变换的方式 所获得的技术方案，均落在本实用新型的保护范围内。
【权利要求】
1. 一种红外线烟道在线流速仪，其特征在于，包括：两个红外接收器、一个供电单元、 一个信号处理单元及一个数据显示单元，所述两个红外接收器沿烟气流向间隔分布于烟道 内并通过屏蔽线与信号处理单元和数据显示单元连接，所述信号处理单元接受来自红外 接收器的信号并实时传输测量结果至数据显示单元；所述红外接收器包括：一端开口的罩 体、设置于罩体开口端的法兰盘、安装于罩体内部的电路板和红外探测器，所述法兰盘与红 外探测器对应的位置形成有通孔，通孔内安装有锗窗口；所述罩体远离开口端的另一端安 装有防水接头，所述屏蔽线自防水接头穿过。
2. 根据权利要求1所述的一种红外线烟道在线流速仪，其特征在于，所述信号处理单 元由差分放大电路、模数转换芯片及一单片机组成，红外探测器将检测到的信号经电路板 进行四级放大滤波后传入信号处理单元，信号先经差分放大电路去除共模噪声，然后再经 模数转换芯片将模拟信号转换为数字信号，最后传入单片机。
3. 根据权利要求2所述的一种红外线烟道在线流速仪，其特征在于，所述数据显示单 元由与单片机相连的微型计算机、LCD显示屏及操作面板组成；微型计算机的输出端口与 LCD显示屏相连，输入端口与操作面板相连，所述操作面板设置有两个LED灯和若干按键。
4. 根据权利要求1所述的一种红外线烟道在线流速仪，其特征在于，所述锗窗口不镀 膜，厚度为2mm，透射的光谱范围为2-16 y m〇
5. 根据权利要求1所述的一种红外线烟道在线流速仪，其特征在于，所述红外探测器 为带有氟化钙窗口的热释电型红外探测器。
6. 根据权利要求1所述的一种红外线烟道在线流速仪，其特征在于，所述罩体和法兰 盘均由防护等级为IP68的铝合金材料制成。
7. 根据权利要求1所述的一种红外线烟道在线流速仪，其特征在于，所述罩体、锗窗口 与法兰盘的连接处均设有0型密封圈。
8. 根据权利要求1-7任一项所述的一种红外线烟道在线流速仪，其特征在于，所述信 号处理单元和数据显示单元置于一个保护盒内，所述保护盒由防护等级为IP68的铝合金 材料制成。
【文档编号】G01D21/02GK204255404SQ201420701673
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年11月20日 优先权日:2014年11月20日
【发明者】李伟, 姚军, 曹晨, 赵亚亭, 闫莹, 朱锡明, 奚易堃 申请人:苏州奥德克光电有限公司