（热能工程专业论文）散射法烟尘浓度在线监测仪器的可靠性和标定研究.pdf

摘要 环境监测是把握环境状况 预测污染发展趋势的重要手段 随着全球工业化进程的加速 发展和全球人口的急剧增加 全球环境的日益恶化引起了世界各国的高度重视 各国政府对 环境保护方面的科学研究 治理工程和环境监测的投入逐年增加 环境监测是个比较新的 研究和应用领域 有关检测技术及检测仪器数据的代表性 准确性以及仪器本身的可靠性和 精明性等质量问题需深入研究 本文就烟尘颗粒物的浓度测量这一课题进行探讨 首先比较分析了常见烟尘浓度测量方 法的优缺点以及这一领域最近比较流行的方法 之后以l c d i i 型烟尘浓度测量仪器为中心 介绍散射法粉尘测量的原理以及仪器的软硬件结构 然后从机械结构设计和电路系统的抗干 扰与可靠性设计两个方面对系统进行可靠性设计并采用可靠性预计方法计算出系统的可靠 性参数 系统可靠性满足国家环保总局对c e m s 可靠性的要求 最后叙述系统的标定方法和 对比标定实验并分析了实验结果误差可能原因 关键字 环境监测 烟尘测量 激光散射 可靠性设计 标定 a b s t r a c t e n v i r o n m e n tm o n i t o r i n gi st h em a i nm e t h o dt ok n o wh o wt h ee n v i r o n m e n t p r o g r e s s e sa n di nw h i c hd i r e c t i o ni tw o u l dg o w i t ht h ea c c e l e r a t i n g w o r l d w i d e i n d u s t r i a li z a t i o na n dt h e b o o m i n gp o p u l a t i o n t h e d e t e r i o r a t i n gw o r l de n v i r o n m e n th a sg o tt h ea t t e n t i o no fm o s to ft h e c o u n t r i e so nt h ee a r t h g o v e r n m e n t sp u tm o r ea n dm o r ef u n d si nt h ef i e l d fe n v i r o n m e n t a ls c i e n t i f i c r e s e a r c h e s p r o j e c t sa n de n v i r o n m e n t a l m o n i t o r i n g e n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n gi sq u i t ean e wk i n do fr e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o nf i e l d a n dt h e r ei sm u c hw o r kt od ot ov e r i f yt h et e c h n o l o g y o fm e a s u r i n ga n dt h er e l i a b i l i t yo ft h ed a t aa c q u i r e dt h r o u g hi t i tn e e d s m u c hh a r da n dp r o f o u n dd e v o t i o nt os t u d yt h ep r e c i s i o na n dr e l i a b i l i t y o ft h ei n s t r u m e n t st h e m s e l v e s t h i sd i s s e r t a t i o nd w e l l so ns o o t p a r t i c l ed i a m e t e rm e a s u r e m e n t f i r s t l y i tr e v i e w ss o m ec o m o ns o o t p a r t i c l e d i a m e t e r m e a s u r i n gm e t h o d s a n dr e v e a lst h es t r o n g p o i n ta n dd is a d v a n t a g e so fe a c hk i n do fm e t h o d s i ta l s os t u d i e ss o m ep o p u l a rm e a s u r i n gm e t h o d s s e c o n d l y t a k i n gt h e l c d i is o o t d e n s i t y m e t e ra sa n e x a m p l ei tp r e s e n t st h et h e o r yo f d i s p e r s i o nm e t h o da n dd i s c u s s e st h es o f t w a r ea n dh a r d w a r es t r u c t u r eo f t h ee q u i p m e n t t h i r d l y t h ed i s s e r t a t i o nt a l k e da b o u tt h er e li a b l ed e s i g n m e t h o d sa n dd i ds o m ec a l c u l a t i o nt op r e d i c tt h e1 i f e s p a no ft h el c d i i s o o t d e n s i t y m e t e r f i n a l l y i tc a m et ot h ep r e s e n t a t i o no f p r i n c i p l e o fc a l i b r a t i o na n dt h ec a l i b r a t i o nd e v i c e k e yw o r d s e n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n g s o o tm e a s u r e m e n t l a s e rd i s p e r mo n r e l i a b l ed e s i g n c a l i b r a t i o n 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果 尽我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含 其他人己经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意 研究生签名 i 亟匏1 垒日期 丝匹 雏 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学 中国科学技术信息研究所 国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档 可以采用影印 缩印或其他复制手段保存论文 本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致 除在保密期内的保密论文外 允许论 文被查阅和借阅 可以公布 包括刊登 论文的全部或部分内容 论文的公布 包 括刊登 授权东南大学研究生院办理 研究生签名 句鼬玫 导师签名 和传送条件 管道尺寸 管壁粗糙度 温度的线性废等等 决定 固体颗粒的浓度和速 度也是影响电荷信号大小的因索 根据此原理设计的一台仪器能够标定已知颗粒性质且在稳 定流动的条件下的固体材料 但当实际颗粒性质和流动条件随时间不可预知变化时会存在误 差 另外电荷法除了扰动流场外 它的有效测量区域很小 一般只能准确测出金属电极附近 几十毫米以内 近场 的颗粒浓度 1 1 2 无扰动法 无扰动法顾名思义就是指测量时对被测流场没有扰动 不会破坏原流场的测试方法 主 要有格林曼黑度法 透光度法 光散射法 射线法等方法 1 黑度法 黑度法 1 也称为林格曼黑度法是十九世纪末法国工程师林格曼 r i n g e l m a n n 提出的烟 尘浓度的目测法 它以操作人员的目视观察某一排放源 井将所观察到的烟尘黑度与林格曼 黑度表比较后确定烟尘的浓度值 黑度法简单易行 但测量结果很大程度上要受到诸如目视 2 东南大学硕士学位论文 人员的视力 判断力等主观因素以及气象和周围环境等客观因素的影响 只能给出一个相对 大小的估值 其测量结果的准确性是有疑问的 通常此方法只适用于燃煤烟尘排放的定性测 量 对于非煤烟排放如石油化工等排放的白烟 炼钢时产生的棕色烟雾就无能为力 2 透光度法 1 利用投射率法测量烟尘颗粒物浓度的原理是基于朗伯一比尔定理而设计的 朗伯一比尔 定理表明光通过含有颗粒物的烟气的透过率于k c l 呈指数下降 即 t o e 1 1 式中丁r 光通过烟气的透过率 n 入射光强 j 接收光强 k 分子吸收率 于颗粒物直径 波长及吸光度有关 c 颗粒物浓度 l 光程 对于稳定的介质和固定的波长 k 为常数 对于固定的烟道 l 为常数 因此c 只与 j 有关 o1 0 0 2 0 03 0 04 0 0 疆粒翰澈密如彬押 铷 图卜2 颗粒物浓度与消光度的关系 3 光散射法 光散射法保留了以上讨论的光学法的优点 可以实现对排放源的远距离 实时 在线和 连续测量 它的另一个重要静优点是可以直接给出烟气中以m g m 3 表示的烟尘排放浓瘦 无 需标定 这是其他光学方法所不能的 同时散射法比浊度法测量灵敏度要高得多 将一光束射入烟道 光束与烟尘颗粒物相互作用产生散射 散射光的强弱与总散射截面 成正比 当烟尘颗粒物浓度升高时烟尘颗粒物的散射截面增大 散射光增强 通过测量散射 光的强弱 即可得到烟尘颗粒物的浓度 由于自然界或工业过程中存在的两相流动中颗粒浓 度跨越范围非常广 因此根据测量的颗粒浓度范围的不同 一般所采用的方法也有所不同 3 呲 心 吣 吣 第一章绪论 1 前向散射 前向散射用于低浓度颗粒测量 前向散射法以激光为光源 综合利用角散射和全散射 原理 根据角散射原理 在多个散射立体角内接收散射体 烟尘 的散射光能 司以计算得 到烟尘颗粒的大小和分布 根据全散射原理 在单波长激光为光源的情况下 若已知被测颗 粒群粒径大小及分布 根据所测量到的消光值即可得到颗粒相的浓度 2 后向散射 在高浓度颗粒区域 颗粒分布比较密 颗粒对入射的光波进行多次散射 颗粒之间的 多次散射现象的数学模型非常复杂 一般很难用单颗颗粒的散射函数准确地表示出来 目前 普遍使用的用于颗粒特征参数测量的方法是后向散射法 这种方法中利用介质的辐射传导方 程来描述多散射过程 然后通过选取合适的边界条件对其进行求解 对于不同的测量对象显 然其边界条件也不完全一样 因而得到的数据处理方法也将各有所异 后向散射测尘仪系统中的固态光源 发光二极管 发射经脉冲调制器调制的近红外或 激光平行光束 光束照射的烟气中的颗粒物对光在所有方向散射 后向散射的光被聚焦经检 测器检测 放大器放大并转换为电压或电流信号输出 在一定范围内此信号与颗粒物浓度成 比例 oi o 2 03 0 一窗口沾污 一 一窗口来沾污 图卜3 散射光仪器光学窗口玷污使测量产生的偏差 4 射线法 射线法主要有伽马射线法 b 射线法和x 射线法 1 b 射线法 o 射线是放射线的一种 是 种电子流 所以在通过物质时 和物质内的电子发生散射 冲突而被吸收 当b 射线的能量恒定时 这一吸收量就与物质的重量成正比 不受颗粒物的 粒径 分布 颜色等的影响 粉尘测量仪把烟气中颗粒物按等速采样方法采集到滤纸上 利用b 射线吸收方式 根据 滤纸在采样前后吸收b 射线的差求出滤纸捕集颗粒物的重量 用质量浓度 m g m 3 表示出 颗粒物的浓度 b 射线测尘仪属点测量 仍需要与手工采样测尘法同步进行比对 建立8 射线测尘仪探 头所在烟道截面上测点的颗粒物质量浓度与烟道截面颗粒物的平均质量浓度的关系曲线 定 量测定烟气中颗粒物含量 2 伽马射线 1 伽马射线法测量原理主要是利用被研究的介质对射线的吸收率与颗粒浓度存在单值性 关系 设五和 分别是穿过介质前后的射线强度 根据l a m b e r t b e e r 定律 有 1 c 二一 l n 二生 1 3 其中 为颗粒质量浓度 禹颗j 酗 孵线酌吸l 5 擦数 p 为颗粒的密度 4 5 2 9 6 3 巾 求鼷簪 东南大学硕士学位论文 伽马射线穿透性好 因此不存在测量窗口颗粒污染问题 由于不同介质的吸收率不同 两相流动中流型对测量结果影响很大 为减小流型对测量结果的影响 a b r o 和h o h a n s e n 提 出了多束伽马射线测量系统 尽管应用伽马射线测量颗粒浓度的物理模型比较简单 但是实 际测量中影响测量结果的因素还很多 为此探索新的数据处理方法也在近年来受到重视 例 如应用神经网络理论来处理复杂两相流的测量数据 3 x 射线 1 与伽马射线类似 x 射线对介质的衰减特性可以用于颗粒浓度的测量 但是由于x 射线 法在安全性以及设备价格方面的原因 这种方法一傲只用于常规方法无法测量的场合 射线法的优点在于测量的动态范围宽 空间分辨率高 能提供一个绝对基准 而其他基 于低价位传感器的固体流量仪要靠离线或在实际操作时的标定或验证 但是由于存在放射性 辐射源容易产生辐射泄漏 因此用于现场测量对操作人员的素质要求较高 系统需要增加各 种屏蔽措旗 结构设备复杂且昂贵 5 过程层析成像法 2 过程层析成像法 p r o c e s s t o m o g r a p hy p t 是2 0 世纪8 0 年代中期正式形成和发展起来 的一种以两相流为主要对象的过程参数在线实时检测技术 它是一种代表将来的用于确定气 体动力传送中固体浓度的测量技术 受到医学计算机层析成像 c t 原理的启发 它通过 在管道传输的多组分混合物中获得可视化图像来测量两相流流动参数如颗粒浓度或分数容 积的三维分布 由于过程层析成像技术具有实现流场无扰动 多参数三维测量的优点 它在 两相流流型辨识和参数测量方面将具有很强的生命力 6 微波法 微波衰减技术已经应用在空气中固体颗粒浓度的测量 其测量原理是管道中的固体颗粒 吸收微波能量 增加了微波源与探测器间的微波衰减 对于一个固定的微波路径长度 固体 浓度越高 衰减越厉害 当湿度 颗粒尺寸 煤等级变化时衰减也会有明显变化 而且煤颗 粒在微波窗口的沉积引起衰减的明显增加 从而造成错误结果 1 2 测量系统的可靠性设计与预测 粉尘浓度测量系统使用环境恶劣 对测量系统防震 抗干扰的要求比较高 测量系统本 身应该具有一定的解决现场可能出现问题的能力 粉尘测量仪是光机电一体化的精密仪器 自身很容易收到外界不良环境的影响 使仪器的功能或精确度收到影响严重时甚至会导致无 法运行的故障 可靠性贯穿于产品的整个寿命周期 从产品的设计 制造到安装 使用 维 护的各个阶段都有一个可靠性问题 产品可靠性的指标应该在设计过程就得到落实 为产品 的固有可靠性奠定良好的基础 反之 一个忽视可靠性设计的产品 必然是 先天不足 后 患无穷 在使用过程中大部会暴鳍出一系列不可靠问题 据统计 由于设计不当而影响产 品可靠性的程度占各种不可靠因素的首位 系统可靠性设计是为了在设计过程中挖掘 分析和确定系统或设备中的薄弱环节及其隐 患 采取设计预防和改进措施 以清除薄弱环节和隐患 提高设备和系统的固有可靠性 一般系统可靠性设计的内容主要包括 元器件的选择和降额设计 元器件的降额和漂移 设计 对高可靠性系统进行冗余设计 环境保护设计 热设计和 三防 设计 抗振动 冲 击设计 电磁兼容性设计和防电磁泄漏设计 可维修性设计和可用性设计 软件可靠性设计 系统可测试性设计 容错技术的应用 可靠性预计是为了获得设备或系统在给点的工作与非工作条件f 的可靠性而进行的测 算工作 它根据设备或系统的功能和组成 逐层推测组成设备或系统的元器件 部件 子系 5 第一章绪论 统的可靠性来推测系统的可靠性 可靠性预计的目的是 1 将可靠性预计的结果与可靠性指 标要求进行比较 确定可靠性要求是否合理 2 在产品可靠性论证阶段 通过可靠性预计 可对不同的设计方案进行比较 选择最优方案 3 在产品设计阶段 通过可靠性预计 发现 殴计中的薄弱环节 改进产品设计 提高其可靠性 4 为可靠性增长试验 可靠性验证试验 提供依据 5 为系统可靠性分配和权衡分析提供依据 6 东南大学硕士学位论文 第二章系统原理 目前应用最广泛同时也得到国家认可的测量方法是静压平衡等速移动采样法和透射法 浊度法 等速采样法的测量原理简单 但它的缺点是测量结果可信性不高 测量周期长 不能实现实时连续测量 消光法是利用l a m b e r t b e e r 定律 它的基本原理是当一束平行 圯穿过含有颗粒的均匀介质时 其透射光和入射光之间有 r2r 万 五 1 0 a e xp 一三 二 兰 坠兰l 1 1 l 8 口3 2 其中 由是透射光强 扔是入射光强 c v 是颗粒群的体积浓度 q 是平均消光系 数 s 是光学长度 0 3 2 是平均粒径 在上式中 实际测量时透射光强 勘和入射光强 由可以直接测量得到 它们的比值称 为透过率或浊度 因此得到的直接参数是颗粒群的浊度 但是浊度和浓度是二个不同的概 念 要想从颗粒群的浊度求取颗粒的浓度 我们还必须知道颗粒的平均消光系数和平均粒 径 一般来说 平均消光系数可以通过计算得到 并且在大多数场合可近似取为2 但是平 均粒径是一个实时变化的参量 需要测量才能得到 对于实验室研究 由于工况相对稳定 可以通过直接采样分析或其它方法预先测定颗粒群的平均粒径从而得到颗粒浓度 在工业 现场在线测量时如不能同时知道颗粒的直径参数 用消光法来直接测量烟尘颗粒浓度会带 来很大的误差 目前在线测量颗粒粒径的方法大都需要一种阵列光电器件并要求非常严格 的光学对中 使测量仪结构复杂 工作不可靠 因此找到一种不需要知道平均粒径就可以 测量浓度的方法可以大大提高粉尘浓度在线测量的精度和提高测量仪器的可靠性 本文从平均值理论出发 根据颗粒的衍射散射特性 得到一种不需要预先知道颗粒平均 粒径的浓度测量方法 2 1 测量方法的原理 考虑在粒径连续分布的气固二相流中 在 采样区内颗粒群的总体积坳 颗粒群的体积 竿f 3 口灿 g 鲁 学 口 u蚋 其中 口 是颗粒尺寸分布函数 a 是颗粒直径 a 为激光束的截面面积 s 为采样长度 从随机统计的角度 颗粒体积浓度反映了颗粒粒径三次方的平均值 因此在实际测量中 艮要测出颗粒的某种平均粒径就能够给出颗粒的特征参数 当粒子被照明时会出现不同的效应 这些效应互相重叠 在不同的角度它们的量是不同 的 散射光是与辐射角相关的观察角的函数 图2 1 是颗粒物散射敲应示意 7 第 章系统原理 反射 图2 1 颗粒物散射效应示意 相同粒径的颗粒对不同波长的光线各个空间角的散射强度不同 从罔2 2 可以看到 颗 粒物散射光强度的方式依次排列为前散射 后教射 9 0 度散射 前向小角度散射最强 光捕集器区域 9 0 区域 图2 2 颗粒物散射光各角度相对强度示意 区域 在前向小角范围内散射光强度比较大 使用小角度比其他角度散射法仪器更灵敏a f r n h 蕊e f 衍射理论可以甩来攒述颗粒的光散射特性 粒径分布为 的颗粒群 在不相关 单散射情况下 有 巾 r 她啦2 o m 2 国 k 0 0 和h i r i e m a n 1 6 1 7 1 对颗粒粒径分布的积分变抉反演算法进行了研究 他们发现目前 提出的几种积分变换方法可以统一写成如下的表达式 五k 一磊n x 8 品啪m p 2 3 考虑到b c s s e l 函数的定义和性质 1 将 4 代入 2 和通过积分变换操作 可得 k 一要 一矛f 挚一 警r 挚p c 卅 于是得到有关颗粒体积浓度的一种新的解析表达式 g 岳 最f 警 p s 由式 2 5 可以看出 颗粒的体积浓度与散射光强在无限空间的角度积分成正比 因此 从珲论e 我们有可能只要测量散射光在空问积分强度就能够得到颗粒的体积浓度 8 东南大学硕士学位论文 2 2 光学原理图 依据上述原理所设计测量系统的光学原理图为 图2 3 颗粒浓度测量系统光学原理图 其中卜激光器 2 一准直透镜 3 一光点二极管 4 一聚焦透镜 5 一半透半反棱镜 6 一粉尘 空间 7 一聚焦透镜 8 一激光器 标定 o 聚焦透镜 1 0 一光电池 1 卜摄像机组件 标定 1 2 一光电二极管 1 3 一半透半反镜 激光器1 发出的光经准直透镜2 和半透半反棱镜5 后成为两束光强想等的平行光 一束 透镜4 聚焦后会聚于光电二极管3 上 其光强为k 另一束平行光穿过粉尘空问6 部分被 粉尘散射 经聚焦透镜7 后再被半透半反镜1 3 一分为二二 分别会聚于光电池1 0 和光电二极 管1 2 的感光面上 由于光电池的感光面积大 所以产生的j 信号实际上就是透射光和散射 光的复合光 而光电二极管本身的感光区域 1 1 4 面积与激光束的阵面相近加上对其安装又 做了特殊设计 可以认为其产生的信号j 2 是复合光中的那部分透射光 这样一来 l 与 2 的 差就是我们需要的散射光信号 摄像机组件1 1 激光器8 聚焦透镜9 用于安装和运行期间 光路调整和校准 2 3 硬件结构瞳町 9 第一章系统原理 整个测量系统由单片机与电磁铁驱动模块盒 电源盒 发射盒 图2 5 接收盒 工 控机 m p c 6 0 2 2 a 带a g p 功能一体化 亡作站如图2 4 所示 3 0 6 0 烟气流速连续监测仪 镜头反吹装置等部分组成 图2 4m p c 一6 0 2 2 a 带a g p 功能一体化工作站 图2 5 发射器与接收器 烟气流速 压力 温度等热工参数的测量采用3 0 6 0 型s 型皮托管连续检测仪器0 9 1 其 结构如图2 6 所示 仪器由温度 压力测量系统 微控制器系统 反吹控制系统 模拟信号 输出控制系统等部分组成 采用差压法测烟气流速 当主机工作时 微控制器系统采集各种 传感器检测的信号 计算出动压 静压 大气压 烟温等参数 根据式 2 7 计算出烟气流速 经d a 转换后成为标准模拟电流信号输出 4 2 0 m a 同时 仪器根据设定时间自动反吹 和对压力传感器自动调零 使系统 数据更可靠准确 其内部计算公式如下 静压 式中只 静压 k p a 尸 动压 k p a 烟气流速 式中符号意义同上 湿烟气密度 只 c 一 只k 2 6 厉 k 1 4 1 4 k e p vn 2 7 东南大学硕士学位论文 州1 3 4 1 x s w 0 8 毗w 舞 蒜b p 2 s 式中成 烟气密度 幻 m 3 吃 大气压力 p a x s w 姻气的体积分数 图2 63 0 6 0 型s 皮托管连续检测仪器结构 系统以8 0 c 3 1 单片机为核心的数据采集控制系统为核心 负责现场电信号的预处理 包 括滤波 求平均值 粉尘浓度数值的实时在线显示 包括4 2 0 v a 标准电流显示 接受上 位机的控制指令 实现现场的标定操作 保障单片机子系统的正常工作 实现长时间稳定工 作 结构见图2 7 笙三兰 至竺堕堡 图2 7 系统结构框图 8 0 c 3 1 单片机系统共包括以下几个模块 1up u 模块 2 模数转换模块 3 数模转换模 块 4l e d 显示模块 5 继电器控制模块 6 通讯模块 7 电源监控模块 整个单片机子系统的结构如图2 8 所示 d 霄t v 丌 v 图2 8 单片机子系统总图 2 1 8 单片机子系统接受传送过来的电信号 经模数转换器传入up u 进行数据预处理再传入 1 2 东南大学硕士学位论文 数模转换器 最后转化成4 2 0 m a 的标准电流信号输出 期间pf u 通过外接l e d 显示器来完 成数据的实时显示 并通过r s 4 8 5 总线将数据传送到p c 机 以及与p c 机进行信息交互 此 外单片机通过继电器控制模块来对光学实验设备系统进行实时调整控制 而由电源监控系统 来对整套单片机子系统电源的正常工作进行监控 图2 9 单片机工作流程 2 4 测量数据及控制信号传送流程 j o l 和j 2 三路光强信号经过光电二极管组件和光电池转化为电压信号 3 0 5 0 输出的 三路4 2 0 m a 电流信号经2 0 0 高精度标准电阻转换为0 4 0 9 6 v 电压信号 单片机 8 0 2 3 1 系统采集这六路路电压信号 经a d 转换 滤波处理后由串口上传送至m p c 一6 0 2 2 a 工控机 上位机通过这六路信号计算烟气的颗粒物体积浓度 质最浓度 颗粒捧放量等参数 并实时 显示出浓度曲线 实时浓度信号经过串口回传至单片机系统 显示在六段红色l e d 数码管 上 同时浓度信号经d a 转换为标准模拟电流信号输出 4 2 0 m a 可用于模拟显示或将 来的系统扩展 光学传嬉器 3 个 j 二位机 控制信 号 浓度数据倚 息 转换扳 o p t i o l 2 个s 1 3 3 7 b 个 苹片帆 控制电 磁铁 激光器 墅幂浓j 堑数据 发送数嘏 单 帆 脑转 换 数字滤波 电搬袭 i 二瞄醯泳 器 秉娆髓税 图2 1 0 数据及控制信号传送流程 卜韫桃 数搦 运算 罹示 存档 第 二章系统原理 2 5 上位机软件 上位机主要功能包括 具有二级操作管理权限 在线更改系统的参数设置 包括用户 名和密码 测量需要的参数 查询历史的浓度数据 最近的1 0 0 0 组浓度数据 标定的k 值 历史的操作记录 绘制指定日期的日浓度曲线 在线进行手动或自动的标定操作 打印 历史数据报表 年 月 日报表 数据处理单元采用a c c e s s 2 0 0 0 作为存储实时浓度测量数 据和其他参数的数据库开发系统 图2 1 i 是上位机工作时的介面 圉2 1 1 上位机工作介面 图2 一1 2 上位机工作流程 1 4 东南大学硕士学位论文 2 6 上位机与单片机的通讯 不同的独立系统通过线路互相交换数据 便是通讯 通讯的目的是进行数据交换 因 为数据必须经过交换才能由一端传送到另一端 发送端所使用的方法就是将数据通过一定的 程序与线路发送出去 接受端则按照协商好的方式将数据收集起来并保存或显示在画面上 通讯的方式通常可以分为两种 1 并行通讯 p a r m l e lc o m n u n i c a t i o n 2 串行通讯 s e r i a lc o r m n u n i c a t i o n 2 6 1 硬件协议 简单的说并行通讯虽然可以在一次的数据传输中就传输8 个位 但是因为数据电压传 输的过程中 容易因线路的因素而使标准电位发生变化 最常见的是电压衰减问题 以及信 号间互相干扰问题 c r o s st a l k 因而使传输的数据发生错误 如果传输线比较长的话 电压衰减效应及互相干扰问题会更加明显 数据的错误也就会比较容易发生 相比之下 串 行通讯一次只传一位 相对来说 处理的数据电压只有一个标准电位 因此不太容易把数据 遗失 再加上一些防范措施 就更不容易遗失数据了 考虑到本监测系统的应用环境等因素 本监测系统采用串行通讯 而串行通讯近年来 发展是很迅速的 比如r s 2 3 2 r s 4 8 5 u s b i e e e 一1 3 9 4 等等 相信对这些术语而言 大家 一定是很熟悉了 对各个方式的优缺点也是很了解的 对于本监测系统 主要采用了r s 2 3 2 和r s 4 8 5 这2 种方式 单片机子系统采用r s 4 8 5 技术的芯片 以提供r s 4 8 5 串行通讯 这是因为在工业现场 的恶劣环境下 通常会有噪声干扰传输线路 而r s 2 3 2 的信号标准电位来自参考地线 这 样的话 干扰的噪声信号会导致传输的信号发生错误 加之单片机子系统与光路子系统同处 恶劣的工业现场 与处于控制机房的上位机子系统有较远的地理距离 本身r s 2 3 2 的最大 传输距离也满足不了 因此 在单片机孑系统采用r s 4 8 5 的串行通讯方式 可以保证数据 的稳定 不受干扰 至于 位机子系统 直接使用r s 2 3 2 在计算机上的通讯端口 c o m i 或c o m 2 考虑到2 个子系统串行通讯方式的不同 需要在接入r s 2 3 2 通讯端口前将r s 4 8 5 转换 为r s 2 3 2 目前市场上有许多这样的转换接头 如下图所示 1 5 第 章系统原理 图2 1 3r s 2 3 2 r s 4 8 5 转接器 2 6 2 软件 通讯协议 图2 一1 4 通讯流程 发射端和接受端在建立好硬件的通讯基础后 必须遵守统一的规范和约定才能通信 规定如何传输数据或命令 否则双方没有一套菇同的译码方式 就无法了解对方传过来的电 压中所代表的数据意义 因此 双方为了可以通讯起见 必须遵守一定的通讯规则 这就包括数据的帧速率 每一帧的格式如传送单位 起始位 停止位 校验位 工作 模式及校验纠错模式等等 本监测系统的通讯协议规定如下 1 上位机子系统初始化后发送一个字节 任意值 的起始指令 单片机子系统收 到后开始工作 2 单片机子系统主程序每循环 次发送1 8 个字节的数据 分别为 首字节为较验 字节 f f 1 2 个字节的6 个信号值 每个信号2 个字节 4 个字节的累加校验 末字 节校验字节sx 1 3 上位机子系统收到单片机子系统发送过来的字节后进行数据处理 然后向单片 机子系统发回3 个字节数据 分别为 第1 个字节为指令 后2 个字节为浓度值 其 中指令字节最高一位赋值1 浓度字节每个字节的最高一位赋值0 以作为区分校验 指令字节的格式 高4 位为控制指令 1 0 0 0 b 浓度数据传送 1 0 0 1 b 零漂的两个继电器开 l o l o b 标漂的一个继电器开 1 0 1 1 b 零漂的两个继电器关 1 l o o b 标漂的一个继电器关 1 1 0 1 b 复位 低4 位为浓度值量程 0 0 0 1 b 量程为2 0 0m g m 3 0 0 1 0 b 量程为5 0 0m g m 3 0 0 1l b 量程为1 0 3 0m g m 浓度字节的格式 整数先 小数后 2 0 0 量程时 整数占一个字节 小数占一个字节 高于2 0 0 量程 整数1 2 位 小数4 位 先传整数的高8 位 再传整数低4 位和4 位小数 1 6 东南大学硕士学位论文 整个通讯协议 上位机子系统采用d e l p h i 6 中的串口通讯组件t c o m m 使用该组件可以对串 口通讯需要的各种参数进行设定 如波特率 起始位 停止位 数据位等 单片机子系统采 用8 0 3 1 下的串口通讯方式3 综合两者 最终的通讯方式为 波特率为4 8 0 0 每帧信息1 1 位 包括1 位起始位 8 位数据位 1 位可编程位 第9 数据位 1 位停止位 第三章系统的可靠性设计 第三章系统的可靠性设计 粉尘浓度测量系统使用环境恶劣 对测量系统防震 抗干扰的要求比较高 测量系统本 身应该具有一定的解决现场可能出现问题的能力 粉尘测量仪是光机电一体化的精密仪器 自身很容易收到外界不良环境的影响 使仪器的功能或精确度收到影响严重时甚至会导致无 法运行的故障 可靠性贯穿于产品的整个寿命周期 从产品的设计 制造到安装 使用 维 护的各个阶段都有一个可靠性问题 产品可靠性的指标应该在设计过程就得到落实 为产品 的固有可靠性奠定良好的基础 反之 一个忽视可靠性设计的产品 必然是 先天不足 后 患无穷 在使用过程中大部会暴露出 系列不可靠问题 据统讨 由于设计不当而影响产 品可靠性的程度占各种不可靠因素的首位 本章将从系统的机械设计与电气设计两个方面对 系统的可靠性问题进行讨论 最后对系统常见的故障进行简单分析 3 1 机械结构设计瞳 机械结构设计包括三部分 反吹空气组件 发射器和接收器 3 1 1 反吹空气附件 反吹空气组件结构如图3 1 所示 匿3 l 反吹空气组件结掏 卜组件本体 2 一挡风板 3 一通风管 测量窗口沾上的微细颗粒对测量结果主要有两方面的影响 首先 污染颗粒由于集中聚 结在窗口 特别是接收端窗口 会引起局部的多次散射 其次 污染颗粒在流场中处于相对 静止的状态 我们得到的信号实际是运动颗粒的散射信号与静止颗粒散射信号的混合 这使 得流场中颗粒浓度的测量结果如图3 2 所示 目前常用也是最有效的解决方法是使用压缩空 气吹扫测量窗口玻璃 1 8 东南丈学硬士学位论文 o1 0 2 03 0 窗口沽污 一 一寄口束沾污 图3 2 窗口沾污对测量结果的影响 由于现场环境恶劣 粉尘较多 因此反吹空气必须经过净化 经过净化的空气沿箭头 所至方向流动 首先由下方的进气孔进入反吹空气组件本体1 与通风管3 间的空隙 被挡风 板2 阻挡后由通风管与挡风板之间的间隙反吹入粉尘空间 从而防止粉尘 污染气体污染保 护玻璃 3 1 2 发射装置 测量系统发射装置如图3 3 所示 1 发射装置的同轴度要求 测量系统光路的调整精度对光学测量系统的测量误差是很重要的 一般来讲 光学测 量系统对所有光学零件的同轴度要求很高 因此测量发射装置中的所有光学部件全部被固定 在发射角铁1 上 保证所有光学部件安装在同一个基准面上 使光学零件易于达到测量系统 同轴度的要求 2 测量系统光路调整 透散法测量系统的光路采用发射装置外部紧固 内部调节方式 测量系统光路经过初 步调节 测量光束射入接收装置后 将法兰与反吹空气组件紧密连接以防止测量系统移动 测量系统发射装置中增加一套反射分光镜架 它具有三维调 图3 3 发射装置图 5 2 9 6 3 巾长装醣蹬 第三章系统的可靠性最计 卜发射角铁 2 一激光器组件 3 原始光接收组件 4 一半透镜组件 5 一底板 6 一密封窗组件 7 一摄像机组件 8 一全反棱镜组件 9 一光挡板 1 0 一光挡板电机 节功能 测量激光器固定在反射分光镜架上 调节镜架上的两颗细牙螺栓可以很方便 精密 的调节镜架的二维旋转角度 从而改变光束的出射方向 测量光路调整好后 将细牙调节螺 丝上的紧固螺母锁死 可以防止系统光路由于振动而漂移 3 测量系统污染防护 由于光学测量元件受到污染将会影响系统测量的准确度 因此在测量系统与粉尘空间 之间增加一套密封窗组件6 防止排放烟道中的粉尘进入测量系统内部污染光学测量部件 虽然测量系统中采用反吹空气防止烟道中的粉尘污染保护玻璃 但是由于测量系统长 时问的运转在污染环境中 保护玻璃还是町能被污染 所以密封窗的结构设计为可以拆卸以 便于保护玻璃的清洗 4 测量系统光路调整监测系统 测量系统采用了内置电视摄像器件动态监视光学系统的调整 摄像系统的视场大小必 须保证测量光束在管道对面形成的光斑成像清晰 摄像系统镜头的焦距太短 监视器观测的 视场较大 光斑在监视器上的像点成像不清晰 焦距太长 监视器观测的视场较小 如果测 量系统光路漂移较大 监视器视场内观测不到测量光束形成的光斑 因此摄像系统镜头焦距 的选择是非常关键的 焦距的选择与排放现场管道的直径有关 因此每套摄像系统的镜头的 焦距必须根据粉尘排放现场的实际情况进行选择 由于发射装置内部空间有限 如果排放管道的直径比较大 则摄像系统镜头的长度较 长 因此测量系统内增加了全反棱镜8 使摄像系统前的空间加大 摄像机组件7 经过全反棱 镜和半透镜后可以观察排放管道内光路的偏移状况 3 1 3 接收装置 接收装置如图3 4 所示 图3 4 接收装置图 1 一异型底板 2 一标定激光器组件 3 一散射光接收组件 4 半透镜组件 5 一全反射棱镜组件 6 一透射光接收组件 7 一减光片电机组件 8 一聚焦透镜组件 9 一底板 1 0 密封窗组件 1 接收装置的同轴度要求及污染防护 2 0 衮南大学硕士学位论文 基于同样的原因 与发射装置类似 接收装置中所有光学部件全部固定在异型底板1 上 接收装置与排放烟道之问有一套密封窗组件l o 2 接收装置聚焦透镜 接收装置聚焦透镜焦距对系统光强的测量有重要意义 如果焦距过长 则接收装置的 长度过长 可以测量的散射光强角度过小 如果焦距过短 由于光电接收器件与聚焦透镜距 离过短 接收装置内各测量部件的位置安排困难 因此接收装置的聚焦透镜的焦距必须选择 一个相对合理的长度 才能保证接收装置空间的合理利用正常运行 3 接收装置反射分光系统 接收装置中 测量光束被反射分光系统分为两束 分别由散射光接收组件3 与透射光 接收组件6 接收 由于光束中包含散射光 因此光束的直径比较大 如果采用半透半反棱镜 进行分光 则棱镜的尺寸较大 既增加成本 又浪费接收装置内本不富裕的空间 因此接收 装置中的反射分光装置选用了半透半反平面镜 3 1 4 零点漂移和量程漂移标定设计 零点漂移与量程漂移的标定是为了保证测量系统的稳定性和准确性 因此零漂和标漂 的标定是c 酬系统必须具备的功能 因此在透散法粉尘浓度测量系统接收装置部分增加了一 套用于零漂与标漂标定的光学系统 光学标定系统由标定激光器 光挡板 减光片和两个直流异步电机组成 由继电器控 制的激光器作为标定校准光源 光挡板位于发射装置半透半反棱镜5 和粉尘空间6 之间 减 光片位于接收装置光电二极管1 2 和半透半反镜1 3 之间 光挡板与减光片分别由直流异步电 机1 2 控制 在测量系统进行零漂标定时 直流异步电机1 动作 光挡板旋转阻止测量激 光器l 发出的光束进入粉尘空间 同时打开标定激光器8 进行零点校准 零点校准结束后 直流异步电机2 动作 减光片旋转 射入光电二极管1 2 的光强衰减 开始进行量程校准 零漂与标漂标定结束后 直流异步电机1 2 同时反向旋转 测量系统恢复正常测量状态 将新的校准数据与原始校准数据进行比较 如果标定结果误差不大 测量系统继续应用原始 参数进行测量 否则系统将根据标定的结果对校准系数进行调整 粉尘污染解决方案 粉尘浓度测量装置设计完成后 根据测量系统中与管道连接组件的 长度和聚焦透镜的焦距可以确定测量系统可接收的粉尘排放系统中运动颗粒造成的散射光 的最大角度 测量装置散射光接收角度分析如图3 5 所示 图3 5 测量仪散射光接收角度分析 1 散射光接收器 2 角铁 3 一聚焦透镜 4 一反吹空气组件 5 一法兰 2 1 第三章系统的可靠性设计 运动颗粒的最大散射角口可以由下式计算锝到 a a r c t g r 1 5 1 其中 r 为聚焦透镜的有效口径 f 为粉尘颗粒到聚焦透镜的距离 在数值上等于法兰 长度边缘与透镜之间的距离 由图中可以看出 散射光接收系统接收的有效散射光通量信号中 散射光的最大散射角 是由排放管道内靠近连接法兰边缘运动的粉尘颗粒形成的 由屉大散射角以及聚焦透镜的焦 距 计算可得光通量接收器件有效测量区域的直径 因此可以认为光电接收器有效测量尺寸 以外接收的散射光通量是由法兰和反吹空气组件内悬浮的颗粒以及保护玻璃上附着的粉尘 颗粒造成的干扰信号 它是形成粉尘浓度测量误差的一 个重要原因 由于粉尘浓度测量现场排放烟道的直径一般都较大 所以散射光接收器接收到的测量系 统发射单元的法兰和反吹空气组件内的悬浮颗粒以及保护玻璃e 附着的颗粒的教射光的散 射角度很小 如粉尘排放烟道的直径为2 米时 散射光接收器接收的这些颗粒的最大散射角 只有o 7 3 2 电路系统的抗干扰与可靠性设计 影响测控系统可靠 安全运行的主要因素是来自系统内部和外部的各种电气干扰 以及 系统结构设计 元器件选择 安装 制造工艺和外部环境条件等 这些因素对测控系统造成 的干扰后果主要表现在下述几个方面 1 数据采集误差加大 干扰侵入微机系统测量单元模拟信号的输入通道 叠加在有用信号之上 会使数据采集 误差加大 特别是当传感器输出微弱信号时 干扰更加严重 2 控制状态失灵 一般微机输出的控制信号较大 不容易受到外界的干扰 但微机输出的控制信号常依据 某些条件的状态输入信号和这些信号的逻辑处理结果 这些输入的状态信号收到干扰 引入 虚假状态信号 将导致输出控制误差加大 甚至控制失常 3 擞据受干扰发生变化 微机系统中 由于r a m 存储器是可读写的 因此在于扰的侵害下 r a m 中的数据有 可能被窜改 在单片机系统中 程序及表格 常数存于程序存储器e p r o m 中 避免了这些 数据受到干扰破坏 但是 对与r a m 外扩r a m 中的数据都有肯能受到外界干扰丽变化 根据干扰窜入的途径 受干扰数据的性质不同 系统受损坏的情况也不同 有的造成数据误 差 有的使控制失灵 有的改变程序状态 有的改变某些部件 如定时器肘数器 串口等 的工作状态 例如 m c s 5 l 系列单片机的复位 r e s e t 没有特殊抗干扰措施时 干扰 侵入该端口 虽然不易造成系统复位 但会使单片机特殊功能寄存器 s f r 状态变化 导 致系统工作不正常 4 程序运行失常 微机中程序计数器p c 的正常工作 是系统维持程序正常运行的关键所在 但若外界干 扰导致p c 值的改变 破坏了程序的正常运行 由于受干扰后的pc 值是随机的 因而导致 程序混乱 通常的情况是程序将执行一系列毫无意义的指令 最后进入 死循环 这将使 输出严重混乱或系统失灵 3 2 1 硬件抗干扰 1 东南大学硕士学位论文 目前电子器件用于各类电子设备和系统时 仍然以印制电路板为主要装配方式 实践证 明 即使电路原理图设计正确 如果印制电路板设计不当 也会对电子设备的可靠性产生不 利影响 例如 如果印制板地线的阻抗较高 构成的公共阻抗就会在器件之间形成耦合干扰 如果印制板两条细平行线靠得很近 则会形成信号波形的延迟 在传输线的终端形成反射 噪声 因此 在设计印制电路板时 应注意采用正确的方法 以保证整个系统的可靠性 为了便于系统现场安装与可靠运行减少干扰系统分成个模块 系统电源与两路激光器电 源模块 单片机系统板与驱动模块 光电二极管与光电池前置模块 光电二极管与光电池的 信号微弱 为了减少被噪声干扰 将其电路板置于密封运行的发射器与接收器内 将容易产 生噪声的开关电源模块与激光器电源安装在纯铝外壳的盒子里 并可靠接地 单片机系统板依据各功能模块的功能与信号性质不同 模拟 数字 分区放置 如图 3 6 所示 图3 6 单片机系统组件位置分配 3 2 1 1 光电隔离与继电器隔离 对与数字量输出采用光电隔离与继电器隔离的方式 光电隔离是由光电耦合器件来完成的 光电隔离器是以光为媒介传输信号的器件 其输 入端配置发光源 输出端配置受光器 因而输入和输出在电气上是完全隔离的 开关量输入 输出电路接入光电耦合器之后 由于光电耦合器的隔离作用 使夹杂在开关量中的各种干扰 脉冲都被隔离在光电耦合器的俩侧 除此之外 还能起到很好的安全保障作用 因为在光电 耦合器的输入回路和输出回路之间有很高的耐压值 达5 0 0 vl k v 甚至更高 由于光电 耦合器不是将输入侧的电信号进行直