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透射法粉塵濃度測量標(biāo)定技術(shù)研究

文檔作者：劉小虎文檔來源：西安培華學(xué)院		點擊數(shù)：	更新時間： 2022年10月19日
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透射法粉塵濃度測量標(biāo)定技術(shù)研究
劉小虎
(西安培華學(xué)院，陜西西安710125)
Study on the Calibration Technology of M easuring Dust Concentration
by Light Transmission M ethod
LIU xiaohu
(Xi’an Peihua University，Xi’an 710125，China)
摘要：粉塵濃度測量系統(tǒng)的測量精確度一方面
取決于系統(tǒng)本身的設(shè)計，另一方面取決于標(biāo)定技
術(shù)。分析和研究了幾種標(biāo)定方法的優(yōu)缺點，結(jié)合實
際測量需求，提出了一種適用于光透射法粉塵濃度
測量系統(tǒng)的標(biāo)定方法。并經(jīng)過分析計算及實驗數(shù)
據(jù)分析，驗證了該標(biāo)定方法的可行性。
關(guān)鍵詞：光透射；標(biāo)定；濃度測量
中圖分類號：TP216
文獻標(biāo)識碼：A
文章編號：1001—2257(2014)10—0052一O3
Abstract：The measurement accuracy of dust
concentration testing system depends on the design
of the present system and the calibration tech—
nique．The advantages and disadvantages of sever～
al calibration methods have been studied and ana～
lyzed in this article．Combining with practical requirement，
a calibration method which is suitable
for dust concentration measurement system by
light transmission， has been proposed too．Besides，
the feasibility of the calibration method has
been verified by experiment and data analysis．
Key words：light transmission； calibration；
concentration meas11rament
0 引言
隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，粉塵的產(chǎn)生和排放
問題日益嚴重。粉塵排放到空氣中，一方面會直接
對人體的呼吸系統(tǒng)造成傷害，影響健康，另一方面，
如果粉塵顆粒具有強氧化性，且在空氣當(dāng)中達到一
定濃度的情況下，就會有爆炸的危險，影響到人身
收稿日期：2014—07—11
基金項目：西安培華學(xué)院校級項目(PHKT20140757)
· 52 ·
和財產(chǎn)的安全。粉塵爆炸具備的三要素是：一定的
粉塵濃度、氧氣的環(huán)境和火源?；鹪?包括摩擦火
花、靜電火花等)很難杜絕，另外無氧氣環(huán)境也很難
實現(xiàn)，然而對粉塵濃度的監(jiān)測比較容易實現(xiàn)，因此，
監(jiān)測粉塵濃度對防止粉塵爆炸具有重要的現(xiàn)實意
義，也是研究可燃性粉塵爆炸規(guī)律的重要參數(shù)。
目前，粉塵濃度的檢測方法有很多種-】]，如超聲
波法、電容法、光吸收法(光透射法)、光散射法、摩
擦電法、G射線法和微波法等。在這幾種測量方法
中，光電探測法L2 中的光透射法具有實用、簡單和不
干擾測量場的優(yōu)點，被廣泛采用，而且更適用于粉
塵濃度較高的測量場。基于光透射法研制出來的
粉塵濃度測量系統(tǒng)，對應(yīng)不同的濃度會得到一系列
相應(yīng)的電壓值，如何把這一系列的電壓值精確地轉(zhuǎn)
換為粉塵濃度值，也就是所謂的濃度標(biāo)定，是粉塵
測量系統(tǒng)中一個重要研究部分。
1 標(biāo)準量具
選取標(biāo)準量具是粉塵測量系統(tǒng)標(biāo)定的關(guān)鍵，理
想的方法是將粉塵顆粒均勻分布在介質(zhì)中。目前，
為了在標(biāo)定的過程中能使粉塵顆粒均勻分布在介
質(zhì)中，科研工作者提出了一些方法。一種是直接用
空氣作介質(zhì)，做一個封閉且體積固定的空間，定量
地向空間內(nèi)吹送粉塵顆粒，使其能較均勻分布在封
閉的空間里，這種方法可操作性差，而且粉塵顆粒
僅靠自由擴散難以達到均勻分布，如果放置時間過
長，粉塵顆粒由于重力影響會沉降，也會造成粉塵
顆粒分布不均勻，另外，每次投放的粉塵顆粒的質(zhì)
量很難精確控制。另一種方法則是選用透光率較
好，有一定粘度的樹脂作介質(zhì)，把粉塵顆粒均勻分
布于一種選定的樹脂當(dāng)中，樹脂凝固后就可以用于
標(biāo)定了，這種方法比較簡單、可行。但是樹脂的透
《機械與電子}2014(10)
法
光度一般介于92 ～95 之間，而且固化后會有一
定的體積收縮，一般在2 左右，這樣會引入較大的
測量誤差。另外，在樹脂里均勻分布粉塵顆粒，需
要把粉塵顆粒在樹脂里充分攪拌，對于可燃性粉塵
顆粒，攪拌的過程是很危險的。
為此，選用純凈水做介質(zhì)，把純凈水放置在能
方便實時觀測物質(zhì)體積的玻璃器皿中，純凈水和玻
璃的透光度遠遠大于樹脂。另外，采用和被測物質(zhì)
大小、形狀、體積相同的標(biāo)準物質(zhì)顆粒來代替被測
物質(zhì)，這種標(biāo)準顆粒物質(zhì)的密度為1．05 g／cm。，和
水的密度十分接近，在水中就不會受到重力因素影
響而能夠保證均勻分布，且不與水發(fā)生反應(yīng)。定量
投放標(biāo)準物質(zhì)顆?；蚣铀M行稀釋，可得到一系列
濃度值的混合物。
2 標(biāo)定原理及方法
2．1 光透射法粉塵測量系統(tǒng)的原理
由朗伯一比爾定律 。 可知，由于粉塵顆粒對光束
的散射和吸收 ，當(dāng)一束單色光穿過粉塵顆粒區(qū)
域時，出射光強會有一定的減弱。如圖1所示。
dL
— — — — — — '一
圖1 光束穿過粉塵顆粒介質(zhì)示意
單一粒徑時，出射光強J和入射光強J。之間的
關(guān)系為：
一 ne-{N ‘ ‘ 塒“ (1)
N 為塵粒的粒子數(shù)濃度；L為待測粉塵區(qū)厚
度；K 為消光系數(shù)，它與光源波長 、折射率m和塵
粒粒徑d有關(guān)。
推導(dǎo)得：
N 一in(導(dǎo)) c2
假設(shè)被測顆粒形狀為球形，直徑為d，且密度p，
則質(zhì)量濃度為：
Mo—N．pV=N 警(導(dǎo))。一
In(爭) 4了re( ㈤
V為單個球形顆粒的體積。
《機械與電子))2Ol4(1O)
從式(3)的推導(dǎo)過程可以看出，粉塵顆粒濃度
的值取決于幾個參數(shù)：粉塵顆粒直徑d、入射光強
j。、出射光強 、吸收層厚度L、光源的波長 、消光
系數(shù)K 和折射率／n等。在其他參數(shù)固定的情況下，
粉塵顆粒濃度與出射光的衰減程度有一定的關(guān)系，
通過監(jiān)測出射光的衰減情況，就可以實現(xiàn)對粉塵顆
粒濃度的監(jiān)測。
2．2 標(biāo)定方法
由于粉塵顆粒濃度與出射光的衰減程度有關(guān)
系，通過標(biāo)定就可以找到這個關(guān)系。首先，標(biāo)定時
所使用的粉塵濃度測量系統(tǒng)和實際測量系統(tǒng)需一
致。其次，把標(biāo)準顆粒在純凈水里面定量稀釋 ]，得
到一系列顆粒濃度值的混合物。最后，利用粉塵濃
度測量系統(tǒng)對不同顆粒濃度下的混合物進行測量，
得到濃度與透過率T===I／I。對應(yīng)關(guān)系，重復(fù)大量測
量，擬合成關(guān)系曲線。由于粉塵測量系統(tǒng)所使用的
光電探測器是線性的，所以T—I／I。一 ／ 。， 和
是對應(yīng) 和J。測得的電壓值，這樣就把測量得
到的電壓值和粉塵濃度值一一對應(yīng)[7]。
2．3 標(biāo)定濃度的修正
通過上述方法，可以得到電壓值和粉塵濃度值的
對應(yīng)關(guān)系，但標(biāo)定所使用的顆粒物質(zhì)和實際被測物質(zhì)
是不一樣的，所以測得的這些濃度值需要修正。
根據(jù)式(3)和已知條件可知，實際的濃度和標(biāo)
準顆粒的濃度之間存在著一定的差異。第一，密度
參量是需要修正的，這里用修正系數(shù)K 一10 來表
示，lD 是實際顆粒的密度，lD是標(biāo)準顆粒的密度；第
二，消光系數(shù)影響濃度值，而消光系數(shù)又與光源的
波長 、折射率m和顆粒直徑d有關(guān)，標(biāo)定波長和實
際測量波長一致，不影響消光系數(shù)，被測顆粒直徑
和實際被測顆粒直徑相同，也不影響消光系數(shù)，標(biāo)
準顆粒的折射率和實際被測顆粒的折射率不同，影
響消光系數(shù)。
利用計算機仿真，給出了不同折射率下，隨著
顆粒粒徑參數(shù)的變化，消光系數(shù)的變化曲線[8 ，如
圖2所示。
在已知光源波長時，粒徑的增大，會引起顆粒粒
徑參數(shù)a一 ／ 的增大。由圖2可以看出，不同的折
射率m值下，消光系數(shù)最終趨于2附近。實際測量
中，粒徑是比較大的，就本課題實際測量的顆粒直徑
為10 m，當(dāng)A=0．65 m時，a-~50，消光系數(shù)K基本
趨于常數(shù)。由此可以看出，折射率m 的大小已經(jīng)基
本不能對消光系數(shù)有太大的影響。
· 53 ·
●
●．-．= ．- ^●～i 一．●
圖2 消光系數(shù)曲線
綜上可知，實際的濃度要在標(biāo)定的濃度上進行
修正，即M 一K。M ，M 為實際濃度，M 為標(biāo)定濃
度，K 為修正系數(shù)。
3 實驗測量
往玻璃器皿里定量增加純凈水，逐漸稀釋標(biāo)準
顆粒物質(zhì)的濃度，得到一系列的濃度值，同時也得
到了一系列相對應(yīng)的電壓值。表1為重復(fù)3次測量
不同濃度下的電壓值，圖3～ 圖5為對應(yīng)的曲線。
表1 粉塵濃度測量電壓值
1 5．75 9．34 12．77 14．86
2 5．56 9．22 13．O3 14．91
3 5．82 9．19 12．86 14．89
由圖3～ 圖5可以看出，測得的電壓值呈近似
線性變化趨勢。增加測量次數(shù)和減小質(zhì)量密度間
隔，得到大量數(shù)據(jù)后，通過數(shù)據(jù)擬合，得到電壓值和
粉塵顆粒濃度的關(guān)系，修正后就可以使用。
· 54 ·
圖3 測量次數(shù)1
圖4 測量次數(shù)2
圖5 測量次數(shù)3
4 結(jié)束語
在基于光透射粉塵濃度測量原理的基礎(chǔ)上，通
過分析、比較，提出了一種較為簡單、實用和可操作
性強的粉塵濃度標(biāo)定方法，經(jīng)過理論推導(dǎo)和利用計
算機仿真，分析研究了相關(guān)參數(shù)對粉塵濃度測量的
影響，給出了實際被測粉塵顆粒濃度與標(biāo)準顆粒濃
度之間的修正關(guān)系，并通過實驗測量，驗證了該標(biāo)
定方法的可行性，為光透射粉塵濃度測量系統(tǒng)的整
體研制提供了重要支持。
參考文獻：
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《機械與電子))2014(10)
4 5 3 5 2 5 l 5 0
3 2 1 O
2 3 2
∞
0 1 O
"
O O O
叮 ¨
O O O
1 2 3
利用無線模塊的列車軸承在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計
余文航，孔凡讓，張海濱，陸思良，沈長青
(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)精密機械與精密儀器系，安徽合肥230027)
Design of a Online M onitoring System of Train Bearing Based on W ireless M odule
YU W enhang，KONG Fanrang，ZHANG Haibin，LU Siliang，SHEN Changqing
(Department of Precision Machinery and Precision Instrumentation，University of Science and Technology
of China，Hefei 230027，China)
摘要：鑒于道旁麥克風(fēng)采集的聲音信號受多普
勒效應(yīng)及周圍噪聲影響而難以提取的缺陷，提出一
種基于無線模塊的軸承在線監(jiān)測系統(tǒng)。通過振動
傳感器在線采集軸承振動信號，利用無線模塊進行
無線數(shù)據(jù)傳輸，最后對接收到的數(shù)據(jù)進行分析處理
以確定是否有故障。主要從無線模塊選型、硬件電
路實現(xiàn)、通信協(xié)議等幾個方面介紹了系統(tǒng)的設(shè)計與
實現(xiàn)過程。
關(guān)鍵詞：軸承監(jiān)測；振動信號；無線模塊；無線
數(shù)據(jù)傳輸
中圖分類號：TH133．3；TN911．7
文獻標(biāo)識碼：A
文章編號：1001—2257(2014)10—0055—04
Abstract：In view of the defect of acoustic sig—
nal collected by m icrophone which is hard to extract
for it corrupted by the Doppler Effect and
surrounding heavy noise，this paper will show us a
online monitoring system of train bearing based on
industrial wireless module． It can collect bearing
vibration signal in real time by vibration sensors，
transport the data by wireless module and finally
analyze and process the received data to determ ine
whether there exists a fault．The paper mainly in—
troduces the development and realizing process of
the system in the aspects of the selection of wire一
收稿日期：2014—06—04
less module，the design of the hardware configura—
tion，comm unication protocol and SO on．
Key words：bearing monitor；vibration signal；
wireless module；wireless data transmission
0 引言
鐵路運輸在交通運輸領(lǐng)域占有十分重要的地位，
在國民經(jīng)濟建設(shè)中發(fā)揮著舉足輕重的作用，據(jù)統(tǒng)計，
鐵路運輸每年承擔(dān)了全國旅客三分之一以上的運送
量，完成了全國貨物運送量的55 _1]。然而，由于列
車所處的環(huán)境差異很大，列車的軸承、車輪輪箍和轉(zhuǎn)
向架等受到交變的作用力，常常會發(fā)生故障。這些故
障對鐵路運輸造成的影響輕則是被迫停車，嚴重的則
會導(dǎo)致列車出軌等嚴重事故。軸承故障是最常見最
主要的列車故障類型_2]，因此，研究針對列車軸承的
故障診斷與狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)具有重要意義。
根據(jù)故障診斷技術(shù)機理的不同，診斷軸承故障
的常用方法有振動分析法、噪聲分析法、油樣分析
法、溫度分析法和聲發(fā)射診斷等[3]。其中，油樣分析
法僅僅適用于使用油潤滑的軸承故障診斷，對使用
脂潤滑的軸承較困難；溫度分析法對于列車軸承的
早期故障檢測能力弱；噪聲分析法優(yōu)點是可以進行
無接觸測量，其弊端是難以從周圍環(huán)境中的各種其
他噪聲中分離出軸承異常的聲音信號；聲發(fā)射診斷
使用超聲波信號，檢測頻率更高，可以避開低頻源
[7] 蔡周全，夏自柱，李桂云．超高濃度粉塵測量儀表標(biāo)定
方法的研究EJ]．煤炭工程師，1998(5)：1—5．
E83 姬豐，鄭剛，屠其軍，等．基于Matlab的光散射物理
量的數(shù)值計算方法[J]．光學(xué)儀器，2003，25(1)：29—32．
[9] 張艷春，劉纏牢，趙?。诿资仙⑸淅碚摰牧６葴y試
《機械與電子))2014(10)
算法研究[J]．國外電子測量技術(shù)，2009，28(11)：24—26
作者簡介：劉小虎 (1983一)，男，河南舞鋼人，碩士，助理工
程師，主要從事自動控制和光電檢測方面的教學(xué)與科研工作。
· 55 ·

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