烟尘气采样器综合检测系统的制作方法

本发明涉及计量检测装置技术领域，特别是涉及一种集流量检测、压力检测、温度检测等多种检测为一体的烟尘气采样器综合检测系统。

背景技术：

烟尘气采集器需经温度、压力、流量和化学等计量专业进行计量检测，目前其计量工作仍存在检测效率低，主要不足之处有如下几点：

1、需要温度、压力、流量和化学等不同专业的人员进行计量检测工作，涉及人员、专业过多，人力成本大幅度增加；本项目成果可实现单人次一次性完成全部检测工作。

2、检测标准不一致，温度、压力和流量等皆是按照各自的标准规程检测，同一装置出具多个不同专业的证书。按本项目只需出具一份证书，参照一个标准。

3、烟尘气采样器相关参数(温度、压力、流速、流量和烟气含量等)过去检测时互相独立进行，互不相关。而本项目检测参数可同时动态检测。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，而提供一种将压力、流量、温度、化学、流速等检测项目组合为一套综合系统，实现对烟尘(气)采样器的多项参数快速检定，实现检测一体化，提高检定准确度和效率的烟尘气采样器综合检测系统。

为实现上述目的，本发明提供的烟尘气采样器综合检测系统，包括工控机，所述工控机的输入端分别连接有流量检测模块、温度测量模块、压力检测模块、大气压测量模块、烟气检测模块、流速检测模块。

所述工控机内设置有计时检测模块。

所述流量检测模块包括用于承载流体的管段、设置在管段侧面上端的上端换能器、设置在管段侧面下端的下端换能器，上端换能器和下端换能器输出流量信号至流量测算模块。

所述温度测量模块包括干体炉、设置在干体炉内的温度传感器和温控装置。

所述压力检测模块包括压力发生单元和压力测量单元，压力发生单元包括正负压力切换气源、压力调节装置和取压装置。

所述烟气检测模块包括若干支路的钢瓶气，每个支路上的钢瓶气连接有钢瓶气标气阀，零气通过零气输入阀后，一路进入零气清洁阀，在各支路上的钢瓶气连接有钢瓶气标气阀和第一质量流量控制器的控制下，进入第一混气瓶混合后输出配气，另一路进入第二质量流量控制器后，分为两支路，一支路进入第二混气瓶，另一支路进入电磁阀、调压阀、限流孔、流量传感器、氧气发生器后进入第二混气瓶，第二混气瓶输出的配气进入第一混气瓶输出配气，输出的配气为不同浓度的so2、no2、co，以检测空气自动监测系统中的相关气体含量。

所述流速检测模块包括变频器控制的轴流风机，变频器连接光电隔离单元，轴流风机的风洞工作段通过多路传感器连接信号调理单元，光电隔离单元和信号调理单元均连接至采集与控制系统，所述采集与控制系统连接有伺服控制器，伺服控制器通过控制伺服电机连接角度机构，待测仪器输出端通过信号调理单元连接至采集与控制系统，采集与控制系统通过总线连接工控机。

本发明的整个系统由若干个模块构成，包括流量检测模块、压力检测模块、温度检测模块、流速检测模块、烟气检测模块、大气压及计时检测等模块构成。考虑到烟尘采样器与烟气分析仪有的是一体化的，所有模块的数据均上传至微电脑主机，主机软件将进行测控和数据处理。由于温度、压力、流量等物理量的测量与化学量的测量由于温度等的原因可能相互影响，故系统的构成将由两个机柜组成，一个机柜用于烟尘部分的检测，包括动压、静压、计前压力、流量、温度等参数的检测，另一个机柜用于烟气部分的检测。

可同时对温度、压力、流量、大气压、流速和烟气含量等参数实时动态检定，烟尘采样仪所有参数可以在一个系统性的检测装置上完成检测任务。

本发明提供的烟尘气采样器综合检测系统，系统能够全性能全方位的检测烟尘烟气采样器等污染源采样器的各种性能参数，对被测仪器的动压、静压、计前压、大气压、流量、流速、环境温度、计前温度、烟气温度、仪器的气密性、烟气浓度等指标实施一体化的动态测量(即模拟在线监测的状态)，具备以下的创新点：

(1)集成创新

本发明系统可同时对温度、压力、流量、大气压、流速等参数时行自动检定，烟尘采样仪所测的所有参数在一个系统性的检测装置上进行检定和校准，涉及流量、压力、温度的有机整合及工艺实施措施，实现检测的高程度自动化。

(2)稳定的流量检测模块

流量计检测模块内部通过稳压后再升压的方式，使发送的超声波电压比一般的更高，信号更强，同时抗干扰性也得到了提升；由于合理的功耗范围控制，处理时将超声波的发送个数增多，发送频率和采样频率加快。这样流道内的流量变化，可以更快速地采样并计数出来；成本上比一般的民用仪表要求范围要宽，故采用了专用仪表放大芯片，使得微弱信号的放大倍数可以尽量增大，同时有效地减小了信号的失真，提高了信噪比。最终计数得到的流量更加稳定。

(3)提供稳定温度检定系统

本系统使用干体炉作为温度检测的核心部件，炉体选用定制的圆柱形马弗炉，炉体内部均匀包裹高功率交流加热丝作为加热源，炉膛内部安装环形黄铜导热管，因其比热容大、导热快，将原本不均匀的加热源隔绝后，通过导热管传导至内部中空处，形成稳定的温场，实现温度检定所需要求。

(4)动态压力发生系统

创新的动态压力发生系统，该系统中±55kpa压力发生系统采用倍压测量法和双级压力发生法，即使用±30kpa差压传感器测量±55kpa静压，具体实施过程中首先第一级压力发生系统产生一个参考压力作用于传感器的负端，等待参考压力稳定后，第二级压力发生系统直接发生所需要的±55kpa以内的压力，这样的设计可以大幅提高压力测量精度和分辨率，提高检定的准确性。

本发明具有的积极效果：该检测系统能够全性能全方位地检测烟尘烟气采样器等污染源采样器的各种性能参数，对被测仪器的大气压、流量、环境温度、计前温度、烟气温度等指标实施一体化测量，使得烟尘采样器一体化测量更加准确、快速，实现了在一个平台上对所有参数进行检定和校准，保证计量数据的准确性，大幅度提高检定效率，弥补了国内烟尘采样器检定领域的空白。

附图说明

图1为本发明整体原理框图；

图2为本发明流量计检测模块结构简图；

图3为本发明流量计检测模块电路原理框图；

图4为本发明流速检测原理框图；

图5为本发明风洞测控系统图；

图中：1、工控机；2、流量检测模块；3、温度测量模块；4、压力检测模块；5、大气压测量模块；6、烟气检测模块；7、流速检测模块；8、计时检测模块；2.1、管段；2.2、上端换能器；2.3、下端换能器；2.5、mcu控制模块；2.6、按键；2.7、显示屏；2.8、电源；2.9、通讯模块；2.10、超声波信号处理模块；2.11、信号收发电路。

具体实施方式

为便于更好的理解本发明的目的、结构、特征以及功效等，现结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

如图1所示，本发明设计的烟尘气采样器综合检测系统，包括工控机1，工控机1的输入端分别连接有流量检测模块2、温度测量模块3、压力检测模块4、大气压测量模块5、烟气检测模块6、流速检测模块7。

工控机1内还设置有计时检测模块8；流量检测模块2包括用于承载流体的管段2.1、设置在管段2.1侧面上端的上端换能器2.2、设置在管段2.1侧面下端的下端换能器2.3，上端换能器2.2和下端换能器2.3输出流量信号至流量测算模块。温度测量模块3包括干体炉、设置在干体炉内的温度传感器和温控装置。

压力检测模块4包括压力发生单元和压力测量单元，压力发生单元包括正负压力切换气源、压力调节装置和取压装置。

烟气检测模块6包括若干支路的钢瓶气，每个支路上的钢瓶气连接有钢瓶气标气阀，零气通过零气输入阀后，一路进入零气清洁阀，在各支路上的钢瓶气连接有钢瓶气标气阀和第一质量流量控制器的控制下，进入第一混气瓶混合后输出配气，另一路进入第二质量流量控制器后，分为两支路，一支路进入第二混气瓶，另一支路进入电磁阀、调压阀、限流孔、流量传感器、氧气发生器后进入第二混气瓶，第二混气瓶输出的配气进入第一混气瓶输出配气，输出的配气为不同浓度的so2、no2、co，以检测空气自动监测系统中的相关气体含量。

流速检测模块7包括变频器控制的轴流风机，变频器连接光电隔离单元，轴流风机的风洞工作段通过多路传感器连接信号调理单元，光电隔离单元和信号调理单元均连接至采集与控制系统，所述采集与控制系统连接有伺服控制器，伺服控制器通过控制伺服电机连接角度机构，待测仪器输出端通过信号调理单元连接至采集与控制系统，采集与控制系统通过总线连接工控机1。

如图2和图3所示，流量计检测模块2包括用于承载流体的管段2.1、设置在管段2.1侧面上端的上端换能器2.2、设置在管段2.1侧面下端的下端换能器2.3，以及流量测算模块；流量测算模块包括mcu控制模块2.5，mcu控制模块2.5分别连接有按键2.6、显示屏2.7、电源2.8、通讯模块2.9、超声波信号处理模块2.10，超声波信号处理模块2.10连接有信号收发电路2.11，信号收发电路2.11分别与上端换能器2.2和下端换能器2.3连接。工作原理是：流量检测系统采用超声波流量，流量计工作时，首先从上端换能器向下发送超声波到下端换能器，并测出超声波的飞行时间t1，然后切换电路，从下端换能器向上发送超声波到上端换能器，并测出超声波的飞行时间t2。鉴于这个两个飞行时间的不同，通过下面的公式就可以得出流体的速率。有了速率再加上管段的体积就可以算出流量。采用的流量计检测模块由于是全电子式，无机械部分，不受机械磨损、故障影响；而且体积小、重量轻，重复性好，压损小，不易老化，使产品的可靠性和精度提高很多。

流量计检测模块2测量流速的核心是时间数字转换芯片及电路。该芯片具有高精度的时间测量功能，分辨率达到65ps，为时差法流量计的应用提供了基本的测量保障；内置的脉冲发生器在小管径的流量测量中可直接驱动超声波换能器，无需另外增加驱动芯片。

该芯片搭配mcu和比较器、模拟开关元件就可完成控制和时间测量回路的设计。该方案使电路设计得到简化的同时大大缩小了设备的pcb面积，使设备的生产、维护也更加方便容易。电源为单路直流电源，电压12v±3v，电流大于100ma；电源管理部分主要是滤波，稳压，检压等作用；按键和显示屏可以方便实时查看各种表内参数；通讯模块接口为标准rs485接口，主要用于和上位机的通讯；超声波信号处理部分主要是对接收的信号进行滤波、放大、比较等处理；信号收发电路主要是产生超声波频率的电信号，以及发送和接收通道的反复切换；换能器主要是将电信号转换为超声波并发到流道中，并接收流道中的超声波信号反向转化为电信号；mcu为核心控制单元，保证整个系统的正常运行；控制整体的工作时序，并将各种信号处理后最终计数出流速。

烟气检测模块6采用自动配气标定系统将可溯源的气体标准物质对烟气化学量进行检定。自动配气标定动态气体发生器可以提供各种浓度的气体，这些不同浓度的气体可以用于环境空气分析仪和污染监测分析仪的校准。该系统可自动计算稀释比例，并由微处理器控制质量流量控制器的流量。实现对各种监测仪器单点及多点动态校准，同时能接受上位机指令进行零点、量程校准。

零气通过零气输入阀分别与三个钢瓶气标气阀(两通电磁阀)的控制下进入混气瓶混合后输出配气。(当清洗气路时，零气清洗阀由关闭切换到打开状态；通入零气将钢瓶气1、钢瓶气2、钢瓶气3支路中的残留的气体排出，达到清洗气路的目的)。

本系统还包括提供一套动态配气系统，通过高准确度质量流量计输出不同浓度的so2、no2、co等。

稀释配气：采用精密的质量流量控制器来精确控制钢瓶标准气体或其它源气体与稀释零空气(零气)的混合比，从而用零气将高浓度的钢瓶标准气体稀释成所需浓度的标准气体。按式(1)计算所需的标准气体流量与稀释气体的流量：

式中：cf为稀释气体最终浓度(对分析仪器进行校准的气体浓度)，1×10^-6；cb为标准气体浓度(钢瓶气的浓度标称值)，1×10^-6；qo为稀释气体流量(零气)，l/min；qb为标准气体流量(钢瓶标准气)，ml/min。

流速检测模块7采用风洞和标准皮托管进行烟尘(气)采样器流速指标的检测。流速检测模块7包括变频器控制的轴流风机，轴流风机输出端与工作段之间依次设置有喇叭口进风段、整流栅、稳定段、收缩段，工作段通过传感器、角度机构、待测设备输出检测连接有采集与控制系统。

风洞是能人工产生和控制气流以模拟物体周围气体的流动,可以用于采样器烟枪中皮托管的检测。环形低速风洞由四部组成：洞体部分、动力部分、待测设备支撑及角度系统、测控系统。原理框图如图4所示：

1)工作原理

风机采用轴流式风机，由变频器控制三相交流电机转速，从而达到工作段所需的不同风速。

皮托管安装在第二工作段,皮托管总压孔应对准来向，偏角<±3°，第一工作段风速等于第二工作段风速除以收缩比。

皮托管测量风速时，实际风速值按下式计算：

式中:vs为风洞工作段实际风速值,m/s；p为实测动压值,pa；k为皮托管系数；ρ为空气密度,kg/m³；p0为试验室大气压力,pa；t为风洞内空气温度,℃。

2)风洞计算机数据自动采集和处理系统

风洞测控系统的硬件架构图如5所示：

系统硬件由数据采集部分和控制部分构成，数据采集部分由采集模块、压差传感器、信号调理等部件构成。控制部分由光电隔离器、变频器、轴流式风机、伺服电机等几部分。传感器(温湿度、大气压、压力等)、信号处理装置、数据采集测量装置和数据处理系统等组成测量处理系统，在计算机的控制和管理下对风洞试验数据进行采集、测量、分析和处理。

本发明同时提供了气压与计时检测的功能采用分辩率为50pa的压力传感器，经电路放大处理后，由软件进行线性修正，进行大气压的校准。在大气压传感器测量范围内分别选取80kpa、90kpa、100kpa、110kpa左右共四个点，利用压力发生器产生与之相对应的标准压力ps(在考虑现场大气压条件下)，同时读取监测仪大气压显示值pc。

用分辨率为0.01s电子秒表作为计时标准，将其具有计时功能的监测仪的时钟同时记录走时，测定时间不少于1h，并记录其结果。

式中：δt——计时误差；

ti——监测仪时钟计时，s；

ts——电子秒表计时，s。

本发明的检测系统能够全性能全方位的检测烟尘烟气采样器等污染源采样器的各种性能参数，对被测仪器的动压、静压、计前压、大气压、流量、环境温度、计前温度、烟气温度等指标实施一体化测量。采用先进的超声波流量测量方法、自动压力发生系统及干体炉温度测量系统，使得烟尘采样器一体化测量更加准确、快速。实现了在一个平台上对所有参数上进行检定和校准，保证计量数据的准确性，大幅度提高检定效率，弥补了国内烟尘采样器检定领域的空白。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。