专利名称：微电荷型在线粉尘及探头污染检测的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一类测量气流中粉尘的流量和浓度的方法及装置以及检测粉尘检测探头污染情况的方法及装置，特别涉及到原始数据的采集、数字信号处理部分的模型、原理及实现电路。
背景技术：
在夹带粉尘的气流(气固两相流)中，对粉尘(固体)浓度的测量技术在工业领域中有广泛的应用。如电力、热力的生产供应业；非金属矿物(特别是水泥)制品业；黑色金属冶炼及加工业；有色金属冶炼及加工业；化学制品业；石油化工业；以及造纸、纺织、农副产品加工等行业。对这些行业的生产过程进行控制和污染源(一次排放)进行检测，特别是这些污染源在经过粉尘回收、处理之后，在排放大气(二次排放)之前对其进行实时在线监测，这对保护大气的环境质量具有十分重要的意义。
气固两相流中固体成份浓度的连续实时在线测量一直是工业测量技术上的难点。现在可以实用化的主要是建立在光吸收原理，微电荷原理和β射线原理上的三项技术。
利用β射线原理制造的相关仪器由于在实用中要释放出对人有伤害的β射线以及价格高昂而很少采用。
利用光吸收原理的仪器曾经是对工业装置排放的粉尘进行测量的重要手段。但是，该仪器的最大缺陷是光吸收度与粉尘浓度存在非线性关系；难调试、难维护；在恶劣的工业条件下运行的可靠性差；特别是在低浓度时仪器的灵敏度和准确度都达不到满意的结果。随着近年全球环境质量越来越恶化和人们对环境保护意识的普遍提高，这种仪器很难满足各个国家对粉尘浓度测量提出的越来越严格的要求。
现有的微电荷粉尘浓度监测仪，无论其输出信号采用数字方式或模拟方式，它们的信号处理部分大都采用模拟电路，并且只利用原始信号所包含的部分信息。一类仪器利用信号的直流部分，其典型的实施方式是采用多极放大和低通滤波电路(截止频率在1赫兹左右)来测量直流信号的幅度。直流式的优点是信号与粉尘浓度的线性关系好，但其缺点是信号受气体流速影响较大，采用多极放大器使零点漂移和温度变化对电路影响很大，很难消除漂移的影响并得到正确的测量结果。另一类仪器利用信号的交流部分，其典型的实施方式是采用物理或电路的方法隔离直流信号，并采用多极放大，低通滤波(截止频率在10到20赫兹左右)和整流电路来测量交流信号的幅度。交流式的优点是不易受零点漂移和温度变化的影响，基本电路设计相对容易；但其缺点是信号信噪比低，信号与浓度，流体状况的关系复杂，也不容易得到准确的测量结果。
微电荷粉尘浓度监测仪的探头暴露在气流中，有时探头的绝缘体上会有粉尘堆积，粉尘的堆积会连接电极和接地的屏蔽外圈，有可能会产生架桥效应或原电池效应，影响测量结果的准确度。在容易发生粉尘堆积的场合，及时发现探头的污染情况并及时维护，是保证仪器良好工作的必要措施。现有的比较实用的方法是定期或当信号出现异常时对仪器进行人工检查；也有对仪器进行自动测量的方法，但由于需要使用两个或多个电极，现有的自动方法使探头的机械结构和电路复杂，并不实用。
发明内容
由于现有技术存在上述一些缺点，本发明着重在于解决以下一些技术问题本发明的首要目的是运用数字信号处理技术，充分地利用原始信号包含的所有信息，提出一种微电荷粉尘浓度监测的方法，使得测量精度更高，在不同条件下的适用范围更广。
本发明专利的第二个目的是提出一种简单、实用的能够自动检测探头是否被污染并发生了原电池效应的方法及电路。
本发明专利的第三个目的是提出一种简单、实用的能够自动检测探头是否被污染并发生了架桥效应的方法及电路。
以下为本发明揭示的技术方案，一种微电荷型在线粉尘检测方法，用于检测粉尘流量数据，包括以下步骤步骤1、对粉尘流体所产生的原始信号进行连续采样，获得转移电流、感应电流以及总电流；
步骤2、若粉尘颗粒经过检测探头所产生的感应电流和湍流对电流信号产生的影响可以忽略，则执行步骤3；电荷撞击检测探头所产生的转移电流和湍流对电流信号产生的影响可以忽略，则执行步骤4；当电荷撞击检测探头所产生的转移电流，粉尘颗粒经过检测探头所产生的感应电流和湍流对电流信号产生的影响都同时存在时执行步骤5；步骤3、在消除感应电流和湍流对总电流信号产生的影响后，计算并获得修正后的粉尘的流量数据；步骤4、在消除转移电流和湍流对总电流信号产生的影响后，计算并获得修正后的粉尘的流量数据；步骤5、计算总电流信号的功率谱密度P(f)，采用功率谱密度来估算粉尘流体的湍流强度和流速，若功率谱密度曲线在各个频段内都比较平坦且感应电流和湍流对电流信号产生的影响可以忽略，则执行步骤3；若功率谱密度曲线在各个频段内都比较平坦且转移电流和湍流对电流信号产生的影响可以忽略，则执行步骤4；否则执行步骤6；步骤6、计算功率加权平均频率，依据粉尘流体流速和功率加权平均频率的相对变化对粉尘流量的计算进行修正后得到粉尘的流量数据。
相应于以上方法，本发明还提出一种微电荷型在线粉尘检测装置，包括检测探头、采样电路模块、高精度模数转换模块、数字信号处理及控制模块、检测信号源。
进一步地，本发明还提出一种检测粉尘检测探头污染情况的检测方法，能够检测出粉尘检测探头是否产生了原电池效应。由数字处理模块计算转移电流、感应电流的方差和均值以及总电流的方差和均值；若总电流的方差和均值之比小于单个颗粒撞击探头所传递电荷QT则证明发生了原电池效应。
进一步地，本发明还提出一种检测粉尘检测探头污染情况的检测方法，能够检测出粉尘检测探头是否发生了架桥效应。设定一检测周期，当检测时间到时，由数字信号处理及控制模块控制串接在采样电路模块与数字信号处理及控制模块之间外加的检测信号源在检测探头上加载一检测信号，采样电路模块的输入信号变为粉尘流动所产生的电流信号与检测电流信号的加和；如果数字信号处理及控制模块判断到所测得的电流信号小于检测电流信号与粉尘电流信号的差，则说明检测探头有电流泄漏，证明发生了架桥效应。
本发明的有益效果是在电路中使用了高精度模数转换和数字电路部件，充分地利用了原始信号包含的所有信息，提高了测量精度和在不同条件下的适用范围；减少了模拟部件的使用，提高了仪器对温度变化的响应，消除了零点漂移和温度变化对电路的影响，仪器出厂前不需要进行单独手工校正，从而使生产过程更容易实现标准化，降低了生产成本；自动检测探头污染的方法及电路，确保了仪器长期稳定地运行和降低仪器的维护成本。
图1是典型的粉尘流动电流信号功率谱密度曲线的示意图；图2是本发明所揭示的抽象模块组成图；图3是本发明所揭示的不采用模拟放大器的一实施例的电路示意图；图4是本发明所揭示的采用单级模拟放大器的一实施例的电路示意图；图5是本发明所揭示的检测系统的整体流程图。
具体实施例方式
以下结合具体的实施例对本发明及其原理进行详细的描述。
暴露在夹带粉尘的气流中的，接地的导体，即探头，会感受到由于粉尘颗粒运动所引起的微弱电流。对这个微弱电流信号进行测量，分析和处理，就可得到粉尘浓度和流量的信息。
以上所述的微弱电流是由两种物理过程造成的一种是运动的颗粒撞击探头所产生的电荷传递(Triboelectrification)现象，由此种原因产生的电流称作转移电流；另一种是运动的颗粒经过探头附近，由颗粒本身所带电荷所产生的静电感应(Electrostatic Induction)现象，由此种原因产生的电流称作感应电流；由此两种物理过程产生的电流之和称作总电流。
单个颗粒撞击探头所产生的电荷转移是由撞击速度(动能)，颗粒本身所带电荷，颗粒形状和表面积，颗粒物和导体的介电常数等因素决定的，所以对于特定颗粒物
QT＝k1v2+k2QC(1)其中，QT是单个颗粒撞击探头时的电荷传递量，v是撞击速度，QC是颗粒本身所带电荷，k1，k2是和颗粒物特性有关的常数。
在理想状态稳定的气流中，粉尘颗粒呈自然随机分布。在探头观测的时间段tj到tj+1＝tj+Δt内，撞击探头颗粒的个数是呈均一泊松分布(Homogeneous PoissonDistribution)的随机序列NTj，在同一时间段内所探测到的转移电流是总传递电荷除以时间段长度ITj=NTj·QTΔt---(2)]]>如果在探头上连续采样n次，得到一个转移电流信号的时间序列ITj，(j＝0～n-1)，则这个转移电流信号序列的均值是Mean[ITj]=Mean[NTj]Δt·QT=NTΔt·QT=QT·MT---(3)]]>其中，NT是长度为Δt的时间段内撞击探头颗粒个数的平均值，MT是撞击探头的颗粒的数量流量，与管道内颗粒的总数量流量成正比关系。
同一个转移电流信号序列的方差是Var[ITj]=(QTΔt)2·Var[NTj]=(QTΔt)2·NT=QT2Δt·MT=fS·QT2·MT---(4)]]>其中，fS是采样频率。泊松分布随机序列NTj的方差与均值是相同的，均为NT。
单个颗粒从探头附近飞过，所产生的感应电流是由颗粒本身所带电荷，与探头的相对位置，及探头的形状，大小，接地电容和电阻决定的，所以对于特定颗粒物，如果忽略探头的特征IS(l)=dQIdt=d(QC·A2π·l2)dt=QC·A·v2π·d1l2dl=-QC·A·v4π·1l3,]]>当|l|≥r (5)IS(l)＝0，当|l|＜r其中，QI是探头上的感应电荷，QC是颗粒本身所带电荷，v是颗粒飞行速度，A是探头在与颗粒前进方向垂直平面上的投影面积，l是颗粒与探头的相对位置，r是颗粒与探头所能达到的最近距离。
由电荷守恒的关系，颗粒从无限远飞来，向无限远飞去，最终在探头上产生的感应电流的积分或总和为零∫-∞∞IS(l)·dl=0]]>或Σi=-∞∞ISi=0---(6)]]>在理想状态稳定的气流中，沿着气流前进的方向上，在时间段tj到tj+1＝tj+Δt内，通过探头所在的管道截面的颗粒个数是呈均一泊松分布的随机序列NI(j，0)，通过距离探头原点位置li所在的截面的颗粒个数是NI(j，i)，因为气流是平推流，颗粒在流动中没有一个混和过程，所以当时间序列序号j和位置序列序号i满足以下关系时(tj+1-tj)·v＝li+1-li(7)在任意时间段，任意位置的截面上通过颗粒个数是NI(j，i)＝NI(j-i，0)＝NI(j-i)(8)而探头上所感应到的电流是所有位置，所有颗粒所带电荷产生的感应电流的总和IIj=Σi=-∞∞NI(j-i)ISi---(9)]]>感应电流的均值为Mean[IIj]=1nΣj=0n-1Σi=-∞∞NI(j-i)·ISi---(10)]]>公式(10)经过化简Mean[IIj]=NI·Σi=-∞∞ISi=0---(11)]]>其中，NI是长度为Δt的时间段内，通过探头所在管道截面的颗粒个数的平均值。
感应电流的方差为Var[IIj]=1nΣj=0n-1(Σi=-∞∞NI(j-i)·ISi)2---(12)]]>公式(12)经过化简Var[IIj]=NI·Σi=-∞∞ISi2---(13)]]>代入公式(5)
Var[IIj]=NI(Δt)2·v2·Σi=-∞∞(ISi·Δl)2=QC2·A216π2·MI·fS·Σi=-∞,|li|≥r∞(Δlli3)2---(14)]]>归整公式(14)中的常数Var[IIj]=K·fS·QC2·MI---(15)]]>其中，K是与探头及探测系统有关的无量纲常数，MI是经过探头附近管道截面的颗粒的数量流量，与管道内颗粒的总数量流量成正比关系。
在理想状态稳定的气流中，呈自然随机分布的粉尘颗粒在探头上产生的总电流信号为Ij=ITj+IIj---(16)]]>总电流信号的均值为Mean[Ij]=Mean[ITj]+Mean[IIj]=QTMT---(17)]]>由于ITj与IIj两个信号的不相关性，总电流信号的方差为两部分信号方差的加和Var[Ij]=Var[ITj+IIj]=Var[ITj]+Var[IIj]=fS·QT2·MT+K·fS·QC2·MI---(18)]]>MI和MT与管道内颗粒的总数量流量M和管道内颗粒的总质量流量m成正比关系，公式(17)和(18)又可写成Mean[Ij]＝kTQTM＝kTmQTm (19)Var[Ij]/fS＝(kTQT2+kIQC2)·M＝(kTmQT2+kImQC2)·m (20)其中，kT，kTm分别为MT与M和m之间的比例系数，kI，kIm分别为MI与M和m之间的比例系数乘以K。
以上结果表明，可通过所测电流时间序列的均值或方差来计算粉尘颗粒流量，并且方差与采样频率的线性关系表明电流信号是“有限带宽白色噪音(Band LimitedWhite Noise)”。当取样时间间隔足够短时，每个时间段内只有0个或1个颗粒被探测到，泊松分布的规律将不再适用，此时的采样频率即是白色噪音的截止频率。在数字信号处理领域里，信号序列的均值相当于其直流部分的强度，信号序列的方差相当于其交流部分的能量，所以质量流量和直流信号的强度成正比，和交流信号的能量成正比。
在实际情况下，流体在管道中流动会由于障碍物，管道弯头，风机扇叶等原因产生湍流，而湍流会对粉尘颗粒的分布产生影响，所以粉尘颗粒呈非均一泊松分布(Inhomogeneous Poisson Distribution)。分布的非均一性是和流体的状态密切相关的在湍流的高压区，粉尘颗粒的密度被压缩；在低压区，粉尘颗粒的密度被稀释，此外，湍流还会影响局部流速的变化和颗粒的混和。当湍流通过探头时，粉尘颗粒密度和流速的变化会在探头上产生叠加的电流信号。由于物质守恒，在湍流情况下，一段管内空间内高压区和低压区颗粒个数的总和，是和非湍流情况下，同一段管内空间内的颗粒个数的总和相同的，所以最终所测电流时间序列的均值不受湍流引起的叠加电流信号的影响；由于能量守恒和粉尘颗粒的自然随机分布与湍流分布的不相关性，最终所测电流时间序列的方差是自然随机分布造成的方差与湍流分布造成的方差的加和。不同于自然随机分布的粉尘颗粒所产生的信号，湍流中的粉尘颗粒所产生的信号不是“白色噪音”，而是与湍流的频率密切相关的，湍流的频率又与流体流动状态，尤其是流速密切相关的。
通过对电流信号时间序列的频谱分析，即可估算到湍流的频率，而依据冯.卡门旋涡列(Von Karman Vertex Street)现象，进而计算流体的流速。当流体流过障碍物时，如果雷诺数在大约102到107之间，则会在障碍物后产生尾涡，涡流的频率是和流速成正比的v=fv·DCS---(21)]]>其中，fv是涡流的频率，DC是障碍物直径，S是斯特罗哈尔数(StrouhalNumber)，一个无量纲常数，通常取值在0.16到0.22左右。
本发明采用以下几种方法或方法的组合，来更准确地计算粉尘流量。
在较高流速的情况下(v在8m/s到12m/s范围内)，如果流动平稳，颗粒本身所带电荷较少，静电感应和湍流对总电流信号产生的影响趋向于零，联立撞击电荷转移电流信号的方程(3)和(4)，消除与流速有关的QT，即可得到M=kT′(Mean[Ij])2Var[Ij]/fS---(22)]]>其中，kT′＝1/kT。
在流速较低的情况下(v小于8m/s)，如果QC与撞击所产生电荷的极性相反，QT的取值可能是零或接近于零，联立消除QT的方法将不适用，公式(22)就不成立或误差太大。在较低流速的情况下，如果流动平稳，颗粒本身所带电荷较多，如静电除尘器的后端，或在采用嵌入管道内壁的环形探头时，撞击电荷转移和湍流对总电流信号产生的影响趋向于零，利用静电感应电流信号的方程(15)可得到M=kI′Var[Ij]/fSQC2---(23)]]>其中，kI′＝1/kI。
当撞击电荷转移，静电感应和湍流对总电流信号产生的影响都同时存在时，本发明计算总电流信号的功率谱密度(Power Spectrum Density)P(f)=1n|Σj=0n-1Ij·e-i·2π·f·j|2---(24)]]>并采用功率谱密度来估算流体的湍流强度和流速，以对总电流信号的均值或方差进行修正，使计算结果更符合实际的粉尘流量。
如图1所示为典型的粉尘流动电流信号功率谱密度曲线的示意图，标识1所指区域为低频区，波峰是管道特征引起的湍流造成的；标识2所指区域为中频区，波峰是探头特征引起的湍流造成的；标识3所指区域为高频区，截止频率代表了泊松分布的最高适用频率；在1Hz左右到100Hz左右的低频区，湍流主要是由管道的特征决定的，影响涡流生成的因素较多，功率谱密度的波峰比较分散，而且会随安装位置和管道特征的不同而不同。在100Hz左右到1000Hz左右的中频区(具体的数值取决于探头的形状和大小)，湍流主要的主要特征是由探头本身的尾涡造成的，功率谱密度在这个区域的波峰比较尖锐，可重复性好。
由于不存在一个单一频率的波峰，本发明在不同频段内计算功率加权平均频率(Power Weighted Average Frequency)fP_avg，并以此判断流体流速fP_avg=∫fLBfUBf·P(f)·df∫fLBfUBP(f)·df]]>或fP_avg=Σi=LBUBfi·PiΣi=LBUBPi---(25)]]>其中，P(f)是信号在频率f处的功率，Pi是信号在频率fi处的功率，LB和UB代表频段的下限和上限。
对于功率谱密度曲线特征有许多数字算法来判断，如导数法、滑动窗口法、拟合法等，由于计算量的优势，通常采用滑动窗口法，其中算法的参数及判断的阈值，如窗口的高度、宽度等由实验确定。
如果功率谱密度曲线在各个频段内都比较平坦，说明湍流强度比较弱，湍流对总电流信号方差的影响比较小，这时可用公式(22)或(23)分别在高流速和低流速下(总电流信号均值接近0)对粉尘流量进行计算。如果湍流特征明显，并且信号均值不接近于0，则将公式(1)代入公式(19)Mean[Ij]＝kT·(k1v2+k2QC)·M (26)k2取值通常较小，在流速不是很低、湍流特征明显时，k2QC项对计算结果的影响极微弱，所以公式(26)可进一步化简整理为M=kvMean[Ij]v2---(27)]]>其中，kv＝1/kTk1。流速具体数值的计算在通常情况下并不必要，在一些实施方式中也不可能，所以本发明依据流速和平均频率的相对变化对粉尘流量的计算进行修正M=kvv02·Mean[Ij]v2/v02=kv0Mean[Ij](fP_avg/fP_avg0)2---(28)]]>其中，v0是基准流速，fP_avg0是基准流速下的平均频率。
以上算法需要原始数据有足够动态范围、足够的频率响应，为了满足这个条件，本发明采用了高精度的模数转换器。
在容易发生粉尘堆积的场合中，粉尘在探头上造成的架桥效应和原电池效应会影响测量的精度。为判断探头否发生了原电池效应，本发明计算所测电流信号的方差和均值之比。粉尘流动电流信号的方差和均值之比不会小于单个颗粒撞击探头所传递电荷QT，由公式(17)和(18)Var[Ij]/fSMean[Ij]=QT2·MT+K·QC2·MIQTMT≥QT2·MTQTMT=QT---(29)]]>通常情况下QT不会超出几pC到一百pC的范围。在发生原电池效应时，根据粉尘材料的不同，探头上会产生一定的电位差，而这个电位差对所测电流信号的均值的影响通常在毫安级，远远大于粉尘流动对所测电流信号的均值的影响；同时对所测电流信号的方差没有影响，这样依据公式(29)计算出的比值就会小于QT的正常范围。本发明通过比较方差和均值的方法来判断探头是否发生了原电池效应。为判断探头否发生了架桥效应，本发明周期性地在测压电阻或运行放大器的正输入端接地电阻上加载激励电流，输入信号则是粉尘流动所产生的电流信号与激励电流信号的加和。如果发生架桥效应，所测信号则小于激励电流信号与粉尘电流信号的差。
图2为系统的组成框图，原始粉尘信号作用于检测探头，经检测探头与检测电源信号叠加后进入采样电路模块，经采样电路获得的模拟信号通过模数转换模块数字化后形成数字采样信号，然后由数字处理及控制模块对数字采样信号进行数字逻辑运算，从而获得检测结果，此外数字处理及控制模块还负责控制检测电源输出检测信号用来检测检测探头是否被污染，是否发生了原电池效应或架桥效应，如果检测到探头被污染可以通过报警装置通知管理维护人员。
图5检测系统的整体流程图，以下对流程做详细说明a、通过检测探头及采样电路模块对粉尘流体所产生的原始信号进行连续采样，从而获得转移电流及感应电流；b、由数字信号处理及控制部件计算转移电流、感应电流的方差和均值以及总电流的方差和均值；c、检测探头是否受到污染，是否产生了原电池效应，如果有的话通过数字信号处理及控制模块控制输出报警信号，等待维护人员处理，如果没有发生原电池效应就继续执行下述步骤；d、判断是否到了检测探头架桥效应的自检周期，如果到了则控制检测信号源输出检测电压，由数字信号处理及控制模块根据测得的数据判断是否发生了架桥效应，如果发生了则输出报警信号，等待维护人员处理，如果没有自检周期没到或者没有发生架桥效应则执行后续步骤；e、依据所在实际环境，对系统所在实际环境做出判断，若粉尘流体流速较高，粉尘颗粒经过检测探头所产生的感应电流和湍流对电流信号产生的影响趋向于零时(对应图5中的工况1)，则执行步骤f；若粉尘流速较低，电荷撞击检测探头所产生的转移电流和湍流对电流信号产生的影响趋向于零时(对应图5中的工况2)，则执行步骤j；当电荷撞击检测探头所产生的转移电流，粉尘颗粒经过检测探头所产生的感应电流和湍流对电流信号产生的影响都同时存在时执行步骤h；
此步骤需要对仪器所处实际环境状态做出判断，根据判断结果决定使用何种修正方法，如果安装位置仪器所处工作状况(简称工况)明确，且变化不大，由设置跳线或仪器菜单的方法帮助仪器选择算法；如果安装位置工况不明确且变化大，则仪器通过功率谱密度曲线特征和信号直流部分能量(即信号均值的平方)来自动判断，判断算法的参数和阈值是由实验确定的。实际应用中，多数安装都可满足工况明确且变化不大的条件，可由人工选择算法，这样可简化仪器。
f、在消除感应电流和湍流对总电流信号产生的影响后，计算并获得修正后的粉尘的流量数据，对应图5中的计算粉尘流量的方法1；j、在消除转移电流和湍流对总电流信号产生的影响后，计算并获得修正后的粉尘的流量数据，对应图5中的计算粉尘流量的方法2；h、计算总电流信号的功率谱密度P(f)，采用功率谱密度来估算粉尘流体的湍流强度和流速，若功率谱密度曲线在各个频段内都比较平坦且粉尘流速较高则执行f；若功率谱密度曲线在各个频段内都比较平坦且粉尘流速较低则执行步骤j；否则执行步骤i；i、计算功率加权平均频率，依据粉尘流体流速和功率加权平均频率的相对变化对粉尘流量的计算进行修正，对应图5中的计算粉尘流量的方法3；通过方法1、方法2、方法3所计算出的结果通过数字处理及控制模块的输入输出接口输出到外接的显示设备显示输出。
在需要满足低能耗，低成本的要求，而又不需要太高的频率响应时(小于100Hz左右)，例如将本发明运用在4-20mA粉尘流量信号变送器或无线粉尘流量信号变送器中时，本发明的一种实施方式是采用精密测流电阻作为原始电流信号到电压信号的转换器，如图3所示。其中R1是限流保护电阻，R2是精密测流电阻，R3是共模抑制电阻。当电流从探头经同轴电线，R1，R2，流向接地点时，会在R2上产生电压差，高精度模数转换器U1将电压差信号数字化，送向微控制器U2。由于采用了测流电阻，在此实施方式中，探头屏蔽外壳及同轴电线所带的电容与测流电阻所形成的电抗是不可忽略的，这就影响了整个采样系统的频率响应带宽。所以此实施方式中，功率谱密度的分析限于100Hz左右以下的低频范围，用波峰的相对位移来估算流速的相对变化量。
在采用测流电阻的电路中，为了检测探头污染的架桥效应，需要周期性地在探头上加一定的电压，来检测探头是否有电流泄漏。本实施方式利用微处理器U2来控制信号源U3周期性地输出电流信号，由于保护电阻R1的阻值不大，对同轴电线电容的充电时间不会很长，探头上的检测信号电压会在几百毫秒的时间内稳定下来。当检测信号稳定下来后，系统探测到的电压应是检测信号反馈电压与粉尘信号电压的总和，粉尘信号电压可根据先前测量结果估算出来，从而仪器可计算出检测信号的反馈电压。如果没有架桥效应，检测信号的反馈电压应该是检测信号电流乘以R2；如果发生了架桥效应，探头与接地外壳间的电阻阻值为RL，反馈电压则为检测信号电流乘以((RL+R1)R2/(RL+R1+R2))。此实施方式利用检测信号的反馈电压来判断是否发生了架桥效应。
在需要满足宽频率响应范围的要求时(小于10KHz左右)，例如在利用交叉相关法进行流速计算时，或者需要对100Hz以上的信号进行功率谱密度分析时，本发明的另一种实施方式是采用单级运行放大器作为原始电流信号到电压信号的转换器，如图4所示。其中R1，R2是限流保护电阻，R3是运行放大器的反馈电阻，U1是低飘移运行放大器，C1是为保持放大器稳定工作的电容。流经虚拟接地点(1)的电流信号经运行放大器U1的放大，在测量点(2)转换成电压信号，由高精度模数转换器U2将电压差信号数字化，送向数字信号处理器U3。由于探头经同轴电线到虚拟接地点(1)的电阻可忽略不计，系统有足够的频率响应带宽来采集最高到10KHz以上的信号。由于采用了高精度模数转换器，运行放大器的反馈电阻R3的阻值不必很大，而且采样系统不需要多级放大，这样就很大程度上减小了放大器零点漂移对测量的影响。
在采用单级运行放大器的电路中，为了检测探头污染的架桥效应，需要周期性地在探头上加一定的电压，来检测探头是否有电流泄漏。本实施方式利用数字信号处理器U3来控制信号源U4周期性地输出电压信号，而运行放大器正输入端(3)的电压则是输出电压信号乘以R4/(R4+R5)。虚拟接地点(1)的电压与正输入端(3)的电压保持一至，这样就在探头上加载了一个检测信号。由于反馈电阻R3的阻值不大，它与同轴电线的电容对检测信号响应时间的影响不会很大，探头上的检测信号会在几百毫秒的时间内稳定下来。当检测信号稳定下来后，系统探测到的电压应是检测信号反馈电压与粉尘信号电压的总和，粉尘信号电压可根据先前测量结果估算出来，从而仪器可计算出检测信号的反馈电压。如果没有架桥效应，检测信号的反馈电压应该和检测信号电压相同；如果发生了架桥效应，探头与接地外壳间的电阻阻值为RL，反馈电压则为检测信号电压乘以(1+R3/RL)。此实施方式利用检测信号的反馈电压来判断是否发生了架桥效应。
当微控制器(MCU)或数字信号处理器(DSP)收集到一定数量的数据点后，便对样本的均值、方差和功率谱密度进行计算。根据功率谱密度曲线特征的强弱和位置来判断湍流的强弱和流体的流速。在湍流较弱的情况下，根据流速的不同和均值的大小，分别利用公式(22)和(23)对粉尘流量进行计算。在湍流较强的情况下(此时流速通常较高)，流速的特征明显，利用公式(25)，(28)对粉尘流量进行计算。
由于在电路中使用了高精度模数转换和数字电路部件，并减少了模拟部件的使用，因此提高了仪器对温度变化的响应，消除了零点漂移和温度变化对电路的影响，电路中不需要手工调节、校正的部分，从而使生产过程更容易实现标准化，降低了生产成本；运用了数字信号处理技术，充分地利用了原始信号包含的所有信息，提高了微电荷粉尘浓度监测仪的测量精度和在不同条件下的适用范围；简单易行的自动探头检测污染的方法，降低了仪器的维护成本。
当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
权利要求
1.一种微电荷型在线粉尘检测方法，用于检测粉尘流量数据，其特征在于，包括以下步骤步骤1、对粉尘流体所产生的原始信号进行连续采样，获得转移电流、感应电流以及总电流；步骤2、若粉尘颗粒经过检测探头所产生的感应电流和湍流对电流信号产生的影响可以忽略，则执行步骤3；电荷撞击检测探头所产生的转移电流和湍流对电流信号产生的影响可以忽略，则执行步骤4；当电荷撞击检测探头所产生的转移电流，粉尘颗粒经过检测探头所产生的感应电流和湍流对电流信号产生的影响都同时存在时执行步骤5；步骤3、在消除感应电流和湍流对总电流信号产生的影响后，计算并获得修正后的粉尘的流量数据；步骤4、在消除转移电流和湍流对总电流信号产生的影响后，计算并获得修正后的粉尘的流量数据；步骤5、计算总电流信号的功率谱密度P(f)，采用功率谱密度来估算粉尘流体的湍流强度和流速，若功率谱密度曲线在各个频段内都比较平坦且感应电流和湍流对电流信号产生的影响可以忽略，则执行步骤3；若功率谱密度曲线在各个频段内都比较平坦且转移电流和湍流对电流信号产生的影响可以忽略，则执行步骤4；否则执行步骤6；步骤6、计算功率加权平均频率，依据粉尘流体流速和功率加权平均频率的相对变化对粉尘流量的计算进行修正后得到粉尘的流量数据。
2.如权利要求1所述的微电荷型在线粉尘检测方法，其特征在于，所述步骤3使用如下方程式计算粉尘的流量M=kT′(Mean[Ij])2Var[Ij]/fS]]>其中kT′＝1/kT，kT为MT与M之间的比例系数，MT是撞击探头的颗粒的数量流量，Mean[Ij]为总电流信号的均值，Var[Ij]为总电流信号的方差，fs是采样频率。
3.如权利要求1所述的微电荷型在线粉尘检测方法，其特征在于，所述步骤4使用如下公式计算粉尘流量M=kI′Var[Ij]/fSQC2]]>其中，kI′＝1/kI。kI为MI与M之间的比例系数乘以K，K是与探头及探测系统有关的无量纲常数，Var[Ij]为总电流信号的方差，fS是采样频率，QC是颗粒本身所带电荷。
4.如权利要求1所述的微电荷型在线粉尘检测方法，其特征在于，所述步骤5使用如下公式计算总电流信号的功率谱密度P(f)=1n|Σj=0n-1Ij·e-i·2π·f·j|2]]>其中f为采样频率，Ij为总电流信号。
5.如权利要求1所述的微电荷型在线粉尘检测方法，其特征在于，所述步骤6使用如下公式计算不同频段内的功率加权平均频率fP_avg=∫fLBfUBf·P(f)·df∫fLBfUBP(f)·df]]>或fP_avg=Σi=LBUBfi·PiΣi=LBUBPi]]>其中P(f)为总电流信号在频率f处的功率谱密度，Pi是信号在频率fi处的功率，LB和UB代表频段的下限和上限。
6.如权利要求1所述的微电荷型在线粉尘检测方法，其特征在于，所述步骤6使用如下公式对粉尘流量的计算进行修正M=kvv02·Mean[Ij]v2/v02=kv0Mean[Ij](fP_avg/fP_avg0)2]]>其中，v0是基准流速，fP_avg0是基准流速下的平均频率，Mean[Ij]为总电流信号的均值，kv＝1/kTkI。
7.如权利要求1所述的微电荷型在线粉尘检测方法，其特征在于，所述步骤1与步骤2之间还包含有检测检测探头是否发生了原电池效应的步骤，若总电流的方差和均值之比小于单个颗粒撞击探头所传递电荷QT则证明发生了原电池效应；如果发生了原电池效应则输出告警信号，如果没有发生原电池效应则继续执行所述步骤2。
8.如权利要求7所述的检测粉尘检测探头污染情况的检测方法，其特征在于，使用如下计算公式来判断是否发生了原电池效应Var[Ij]/fSMean[Ij]=QT2·MT+K·QC2·MIQTMT≥QT2·MTQTMT=QT]]>Mean[Ij]为总电流信号的均值，Var[Ij]为总电流信号的方差，fS是采样频率，QC是颗粒本身所带电荷，MT是撞击检测探头的颗粒的数量流量，QT是单个颗粒撞击检测探头时的电荷传递量，MI是经过检测探头附近管道截面的颗粒的数量流量。
9.如权利要求1所述的微电荷型在线粉尘检测方法，其特征在于，所述步骤1与步骤2之间还包含如下判断检测探头是否发生了架桥效应的步骤设定一检测周期，当检测时间到时，由数字信号处理及控制模块控制串接在采样电路模块与数字信号处理及控制模块之间外加的检测信号源在检测探头上加载一检测信号，采样电路模块的输入信号变为粉尘流动所产生的电流信号与检测电流信号的加和；如果数字信号处理及控制模块判断到测得的电流信号小于检测电流信号与粉尘电流信号的差，则说明检测探头有电流泄漏，说明发生了架桥效应；如果发生了架桥效应则输出告警信号，如果没有发生原电池效应则继续执行所述步骤2。
10.一种检测粉尘检测探头污染情况的检测方法，能够检测出粉尘检测探头是否产生了原电池效应，其特征在于，包括如下步骤步骤1、通过检测探头及采样电路对粉尘流体所产生的原始信号进行连续采样，从而获得转移电流及感应电流；步骤2、由数字处理模块计算转移电流、感应电流的方差和均值以及总电流的方差和均值；步骤3、若总电流的方差和均值之比小于单个颗粒撞击探头所传递电荷QT则证明发生了原电池效应。
11.一种检测粉尘检测探头污染情况的检测方法，能够检测出粉尘检测探头是否发生了架桥效应，包括如下步骤设定一检测周期，当检测时间到时，由数字信号处理及控制模块控制串接在采样电路模块与数字信号处理及控制模块之间外加的检测信号源在检测探头上加载一检测信号，采样电路模块的输入信号变为粉尘流动所产生的电流信号与检测电流信号的加和；如果数字信号处理及控制模块判断到所测得的电流信号小于检测电流信号与粉尘电流信号的差，则说明检测探头有电流泄漏，证明发生了架桥效应。
12.一种微电荷型在线粉尘检测装置，包括检测探头；采样电路模块；高精度模数转换模块；数字信号处理及控制模块；其特征在于还包括一个检测信号源，用于检测探头是否发生了架桥效应，所述检测信号源串接于采样电路模块和数字信号处理及控制模块之间，由数字信号处理及控制模块控制其输出检测电流，检测电流与原始信号叠加输入到采样电路模块。
13.如权利要求12所述的微电荷型在线粉尘检测装置，其特征在于，所述的采样电路模块包括限流保护电阻(R1)；精密测流电阻(R2)；共模抑制电阻(R3)；所述数字信号处理及控制模块包括一个微控制器(U2)；所述高精度模数转换模块为一高精度模数转换器(U1)；限流保护电阻(R1)的一端与所述检测探头相连，限流保护电阻(R1)的另一端与精密测流电阻(R2)的一端以及高精度模数转换器(U1)的正输入端相连，精密测流电阻(R2)的另一端接地，共模抑制电阻(R3)的一端与高精度模数转换器(U1)的负输入端相连，另一端接地，高精度模数转换器(U1)输出接微控制器(U2)的数据输入端；所述微控制器(U2)的数据输入由所述采样电路模块内的高精度模数转换器(U1)提供；所述检测信号源连接于微控制器(U2)与高精度模数转换器(U1)的正输入端之间。
14.如权利要求12所述的微电荷型在线粉尘检测装置，其特征在于，所述的采样电路模块包括第一电阻(R1)，用于限流保护；第二电阻(R2)，用于限流保护；第三电阻(R3)，用于运行放大器反馈；第一电容(C1)，用于保持放大器的稳定工作；第四电阻(R4)；低飘移运行放大器(U1)；所述的数字信号处理模块包括一个数字信号处理器(U3)；所述高精度模数转换模块为一高精度模数转换器(U2)；检测探头分别与第一电阻(R1)与第二电阻(R2)的一端相连，第二电阻(R2)的另一端与低飘移运行放大器(U1)的负输入端相连接，第一电阻R1另一段分别连接于第一电容(C1)和的第三电阻(R3)，第三电阻(R3)和第一电容(C1)的另一端共同连接于低飘移运行放大器(U1)的输出端，模数转换器(U2)的正输入端连接于低飘移运行放大器(U1)的输出端，模数转换器(U2)的负输入端接地，低飘移运行放大器(U1)的正输入端经过第四电阻(R4)接地，数字信号处理器(U3)的数据输入端与高精度模数转换器(U2)的输出端相连，所述检测信号源连接于数字信号处理器(U3)与低飘移运行放大器(U1)的正输入端之间。
全文摘要
本发明涉及测量气流中粉尘的流量和浓度的方法及装置以及探头污染检测方法及电路，目的是运用数字信号处理技术，充分地利用原始信号包含的所有信息，使得测量精度更高，适用范围更广。首先采样计算获得转移电流、感应电流以及总电流，计算方差和均值，根据环境考虑转移电流、感应电流以及湍流的影响使用不同的计算处理方式进行修正，最终获得修正后的粉尘流量数据。同时还公开了两种最佳的实施装置，以及自动检测探头是否发生了源电池效应及架桥效应的方法及电路。采用本发明所公开的方法及装置能够提高测量精度，扩宽适用范围，为仪器长期稳定地运行提供了可能，同时降低了仪器的生产成本。
文档编号G06F19/00GK101038190SQ20061005740
公开日2007年9月19日 申请日期2006年3月13日 优先权日2006年3月13日
发明者杜豫生 申请人:杜豫生