CN103558187A - 水雾浓度测量装置及测量方法 - Google Patents

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向定艾
吴兆奎
彭旭升
林一锋
张波涛
徐锐
祝文军
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Abstract

一种水雾浓度测量装置及测量方法，涉及水雾浓度测量仪、水雾浓度标定装置和水雾浓度测量方法。水雾浓度测量仪包括支架(1)，安装在支架(1)两侧的光学发射单元(9)和光学接收单元(3)，气流吹扫装置(6)。水雾浓度标定装置包括装有水雾发生器的箱体(12)，箱体(12)一侧装有吹雾风扇(13)，箱体(12)另一侧装有门扇(11)，箱体(12)置于压力传感器(10)上，压力采集仪(14)与压力传感器(10)联接。测量方法是：预备水雾浓度测量仪、水雾浓度标定装置；测量并建立相应沉降时刻下水雾浓度与散射电压的关系式；将该关系式置于单片机控制电路中后，就可将水雾浓度测量仪安装在现实水雾环境中，实时测量水雾浓度值。

Description

水雾浓度测量装置及测量方法
一、技术领域
本发明涉及一种测量表征空间(通常为大气空间)内水雾浓度的装置及测量方法，具体包括技术上相互关联的水雾浓度测量仪、水雾浓度标定装置和水雾浓度测量方法。
二、背景技术
水雾在熄灭电气、舰船、建筑各种类型火灾已得到广泛应用，在石油、天然气管道输送和矿井瓦斯防爆抑爆领域也有了一定应用和发展。水雾浓度是表征空间内水雾特征的重要参数之一，目前，水雾浓度测量是采用传统量杯法和称重法的方式。这些方法存在以下不足：1)只能测量一定时间内水雾浓度的变化，不能实现实时测量，2)只能测量一定体积空间内的总水雾量，不能实现点测量。另外，经检索，国内外目前也没有采用光学法测量空间水雾浓度的专利，主要是难以获得尺寸均匀的水雾颗粒，同时，由于蒸发和碰撞，水雾颗粒的尺寸和质量也会随时发生变化，没有可以借鉴的水雾浓度标定方法和装置。
三、发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种能实时测量表征空间内水雾浓度变化的水雾浓度测量装置及测量方法，具体包括技术上相互关联(有相同或相应必要技术特征)的水雾浓度测量仪、水雾浓度标定装置和水雾浓度测量方法。
本发明的基本思路是：利用光散射原理并通过标定装置制作的水雾浓度-散射电压关系式标定水雾浓度，从而实现水雾浓度在线实时测量。
本专利申请包括三个技术上相互关联(有相同或相应必要技术特征)的发明，分别是：
I、一种水雾浓度测量仪，其特征是：该测量仪包括支架，安装在支架一侧的光学发射单元，安装在支架另一侧的光学接收单元，气流吹扫装置；其中：
光学发射单元由发光元件和装在发光元件前面的发射透镜组成；
光学接收单元由接收透镜、装在接收透镜后面的光电二级管D1、与光电二级管D1连接的检测电路装置组成；
气流吹扫装置为设有两个气流出口的压力空气管道，其中一个气流出口对准发射透镜，另一个气流出口对准接收透镜；
检测电路装置包括电源电路、光电转换电路、单片机控制电路、显示电路。
进一步的方案是：发光元件是半导体激光二级管，光电二级管D1是硅光电二级管。
该发明中：电源电路、光电转换电路、单片机控制电路、显示电路都可采用常见的多种电路装置。压力空气管道可以外接压缩空气，也可以另设小风扇，小风扇一端与大气相通，另一端分别与两个气流出口相通。发光元件可以是功率为3mW、波长为635nm的半导体激光二级管。检测电路装置用于散射电压和水雾浓度检测、计算、储存、显示等。气流吹扫装置风力应该很小，只要能保证镜头不被沾上水雾，又不会对雾场产生影响即可，以确保测量精度。
II、一种水雾浓度标定装置，其特征是：该装置包括装有水雾发生器的箱体，箱体一侧装有吹雾风扇，箱体另一侧装有门扇，箱体置于压力传感器上，设有压力采集仪与压力传感器联接。该发明中：水雾发生器可采用常用的产品，既可装在箱体内，也可以装在箱体外并与箱体连通。
III、一种水雾浓度测量方法，其特征是：
A、预备水雾浓度测量仪：该测量仪包括支架，安装在支架一侧的光学发射单元，安装在支架另一侧的光学接收单元，气流吹扫装置；其中：
光学发射单元由发光元件和装在发光元件前面的发射透镜组成；
光学接收单元由接收透镜、装在接收透镜后面的光电二级管D1、与光电二级管D1连接的检测电路装置组成；
气流吹扫装置为设有两个气流出口的压力空气管道，其中一个气流出口对准发射透镜，另一个气流出口对准接收透镜；
检测电路装置包括电源电路、光电转换电路、单片机控制电路、显示电路；
B、预备水雾浓度标定装置：该装置包括装有水雾发生器的箱体，箱体一侧装有连通大气和箱体的风扇，箱体另一侧装有门扇，箱体置于压力传感器上，设有压力采集仪与压力传感器联接；
C、关闭门扇，开启压力采集仪，启动水雾发生器，工作T0秒使箱体内充满水雾，然后关闭水雾发生器，沉降T1秒后，启动风扇并打开门扇，吹出箱体内的悬浮水雾，通过与压力传感器联接的压力采集仪采集吹出悬浮水雾前后箱体的重量差即为T1时间点箱体内悬浮的水雾质量，用该水雾质量除以箱体容积即为箱体内的水雾浓度；用同样的方法，可得到沉降T2、T3、T4、T5…Tn秒后的水雾浓度，n为整数；
D、将水雾浓度测量仪置于箱体内，启动气流吹扫装置，关闭门扇，启动水雾发生器，工作T0秒使箱体内充满水雾，然后关闭水雾发生器，由检测电路装置分别测出沉降T1、T2、T3、T4、T5…Tn秒后的散射电压；
由步骤C、D得到相应沉降时刻下的水雾浓度及所对应的散射电压，通过数学方法二次拟合即得到水雾浓度与散射电压的关系式；
E、将水雾浓度与散射电压的关系式置于单片机控制电路中后，就可将水雾浓度测量仪安装在现实水雾环境中，测量现实水雾环境中的水雾浓度值。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
(1)本发明水雾浓度测量仪采用光学原理可以实现表征空间内水雾浓度的实时测量，结构简单，设计合理。
(2)本发明水雾浓度测量仪采用气流吹扫保护装置，可以有效防止镜头沾上水雾，保证测量结果准确性。
(3)本发明水雾浓度测量仪采用标定装置进行标定，通过对在标定装置中实验得到不同沉降时间内的水雾浓度、散射电压作图，经过二次拟合，得到水雾浓度-散射电压关系式。
(4)本发明水雾浓度仪的测量方法是通过采集水雾散射后的光信号，并转换为电压信号，根据标定装置制作的水雾浓度-电压关系式计算出对应的水雾浓度值。
四、附图说明
图1为本发明水雾浓度测量仪结构示意图。
图2为检测电路装置电路原理框图。
图3为一种具体的电源电路图。
图4为一种具体的光电转换电路图。
图5为一种具体的单片机控制电图。
图6为一种具体的显示电路图。
图7为本发明标定装置结构示意图。
图8电压-水雾浓度曲线示意图。
图9水雾浓度测量流程图。
图中：1、支架；2支撑杆；3、接收单元；4、电路装置；5、接收透镜；6、气流吹扫装置；7、发射透镜；8、发光元件(半导体激光二极管)；9、发射单元；10、压力传感器；11、门扇；12、箱体；13、吹雾风扇；14、压力采集仪。
五、具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述，但本发明不限于下列实施例。
参照图1，一种水雾浓度测量仪，其特征是：该测量仪包括支架1，安装在支架1一侧的光学发射单元9，安装在支架1另一侧的光学接收单元3，气流吹扫装置6；其中：
光学发射单元9由发光元件8和装在发光元件8前面的发射透镜7组成；
光学接收单元3由接收透镜5、装在接收透镜5后面的光电二级管D1、与光电二级管D1连接的检测电路装置4组成；
气流吹扫装置6为设有两个气流出口的压力空气管道，其中一个气流出口对准发射透镜7，另一个气流出口对准接收透镜5；
检测电路装置4包括电源电路、光电转换电路、单片机控制电路、显示电路。
发光元件8是半导体激光二级管，光电二级管D1是硅光电二级管。
参照图7，一种水雾浓度标定装置，其特征是：该装置包括装有水雾发生器的箱体12，箱体12一侧装有吹雾风扇13，箱体12另一侧装有门扇11，箱体12置于压力传感器10上，设有压力采集仪14与压力传感器10联接。
一种水雾浓度测量方法，其特征是：
A、预备水雾浓度测量仪：该测量仪包括支架1，安装在支架1一侧的光学发射单元9，安装在支架1另一侧的光学接收单元3，气流吹扫装置6；其中：
光学发射单元9由发光元件8和装在发光元件8前面的发射透镜7组成；
光学接收单元3由接收透镜5、装在接收透镜5后面的光电二级管D1、与光电二级管D1连接的检测电路装置4组成；
气流吹扫装置6为设有两个气流出口的压力空气管道，其中一个气流出口对准发射透镜7，另一个气流出口对准接收透镜5；
检测电路装置4包括电源电路、光电转换电路、单片机控制电路、显示电路；
B、预备水雾浓度标定装置：该装置包括装有水雾发生器的箱体12，箱体12一侧装有连通大气和箱体12的风扇13，箱体12另一侧装有门扇11，箱体12置于压力传感器10上，设有压力采集仪14与压力传感器10联接；
C、关闭门扇11，开启压力采集仪14，启动水雾发生器，工作T0秒使箱体12内充满水雾，然后关闭水雾发生器，沉降T1秒后，启动风扇13并打开门扇11，吹出箱体12内的悬浮水雾，通过与压力传感器10联接的压力采集仪14采集吹出悬浮水雾前后箱体12的重量差即为T1时间点箱体12内悬浮的水雾质量，用该水雾质量除以箱体12容积即为箱体12内的水雾浓度；用同样的方法，可得到沉降T2、T3、T4、T5…Tn秒后的水雾浓度，n为整数；
D、将水雾浓度测量仪置于箱体12内，启动气流吹扫装置6，关闭门扇11，启动水雾发生器，工作T0秒使箱体12内充满水雾，然后关闭水雾发生器，由检测电路装置4分别测出沉降T1、T2、T3、T4、T5…Tn秒后的散射电压；
由步骤C、D得到相应沉降时刻下的水雾浓度及所对应的散射电压，通过数学方法二次拟合即得到水雾浓度与散射电压的关系式；
E、将水雾浓度与散射电压的关系式置于单片机控制电路中后，就可将水雾浓度测量仪安装在现实水雾环境中，测量现实水雾环境中的水雾浓度值。
参照图2，为本发明水雾浓度检测装置包括电源电路、光电转换电路、单片机控制电路、LCD显示电路。其中光电转换、单片机控制、LCD显示均通过电源电路供电。光电转换电路将光电二极管接收到的散射光信号转换为电压信号并放大，单片机接收后经过A／D转换后通过预存的水雾浓度-散射电压关系式计算得出对应的水雾浓度值并通过LCD显示输出。
参照图3，为本发明水雾浓度检测的电源电路，包括电容C1～C5，电感L1、L2，电阻R1、R2和稳压模块U1组成。本实例中稳压模块采用LM7805，LM7805的3脚(Vin)作为输入端与电源正极相连，2脚(Vout)作为输出端为单片机提供电源，1脚与输入电源的地相连。其中C1～C5起稳压滤波作用，L1和R1，L2和R2串联后分别接在单片机电源(VCC)与运算放大器电源(Vdd)的正负极之间起隔离作用。
参照图4，为为本发明水雾浓度检测的光电转换电路，包括电压采集、跟随和放大电路，由硅光电二极管D1，电容C6，电阻R3～R6和运算放大器U2组成。本实例中运算放大器采用LM358，D1和C6并联，其中D1的正极与电源地相连，负极与U2A的3脚(同相输入端)相连，采集光散射的电压信号，U2A的2脚(反相输入端)与U2A的1脚(输出端)相连，起电压跟随作用。U2A的1脚经平衡电阻R3与U2B的5脚(正相输入端)相连，R4一端与电源地相连，一端与U2B的6脚(负相输入端)相连，放大电阻R5连接在U2B的6脚(负相输入端)与7脚(输出端)之间。
参照图5，为本发明水雾浓度检测的单片机控制电路，包括电容C7～C9、电阻R6、晶振Y1、单片机芯片组成。单片机芯片采用增加型的STC12C5A60S2，自带A／D转换功能。C7、R6与电源的正、负极及U3的9脚组成复位电路，C8、C9、Y1、电源负极、U3的18、19脚组成晶振电路，U3的40脚、31脚与电源正极相连，20脚与电源地相连，以上构成单片机工作所必须的最小***。其中U3的1脚(P1.0)与光电转换电路的7脚相连，对采集并经放大后的电压实现A／D转换。U3的26～28脚分别与U4(LCD12864)的7～5脚相连，控制液晶屏的显示。
参照图6，为本发明水雾浓度检测的显示电路，由滑动变阻器R7和液晶显示屏U4组成，本实例中，液晶显示屏采用LCD12864。R7与电源的正、负极及U4的3、4脚相连用于调节液晶显示屏的背光亮度。U4的1脚、16脚、20脚与电源的负极相连，19脚与电源的正极相连。U4的5～7脚分别与U3的28～26脚相连，从而通过单片机控制，显示所采集的电压值及转换的水雾浓度值等。
下面介绍一种具体水雾浓度标定曲线(水雾浓度-电压变化关系)制作方法：
启动雾化装置，工作3min，使箱体12内充满均匀饱和的水雾。然后关闭雾化装置，沉降30s后，启动吹雾风扇并快速打开出雾口，吹出箱体12内悬浮的水雾，通过与压力传感器相连的数据采集电路装置，采集两次重量差即为该时间点装置内悬浮的水雾质量，除以体积，即为该装置内的水雾浓度，为了消除***误差，尽量保证数据的准确性，每个时间点可重复实验5次，去掉最高值和最低值，然后取平均值作为该时间点的水雾浓度值，并计算。用同样的方法，做出沉降0s、90s、120s、150s的水雾浓度值。
将水雾浓度测量仪置于箱体12内，启动镜头吹扫装置及电源，启动雾化装置，工作3min(min为时间分)，使箱体12内充满同样均匀饱和的水雾。然后关闭雾化装置，分别测出沉降0s(s为时间秒，下同)、30s、90s、120s、150s内的散射电压，同样为了消除***误差，尽量保证数据准确性，每个时间点重复测量5次，去掉最高值和最低值，取其平均值。
根据重复实验的数据分析，饱和浓度和各个沉降时间点的水雾浓度值标准偏差均小于5g／m3，同时，沉降时间通过时间继电器控制，可以精确到秒。故可确保散射电压和水雾浓度值对应着相同初始条件下的同一沉降时间，因此可以得到不同时刻下的水雾浓度值所对应的散射电压，对不同水雾浓度下的散射电压作图，然后经二次多项式拟合即可得到水雾浓度-散射电压变化的曲线及方程，如图8。
具体实施时，将本发明水雾浓度测量仪安装在水雾环境中，并启动镜头吹扫装置。参照图9，为本发明装置具体测量的流程图，具体包含以下步骤：初始化→启动激光光源，产生散射光→光电二极管接收光信号→光电转换电路转换为电压信号放大后输出→单片机接收电压信号并进行A／D转换→单片机根据预存的电压-水雾浓度关系式计算出水雾浓度值→LCD显示水雾浓度值。

Claims (4)

1.一种水雾浓度测量仪，其特征是：该测量仪包括支架(1)，安装在支架(1)一侧的光学发射单元(9)，安装在支架(1)另一侧的光学接收单元(3)，气流吹扫装置(6)；其中：
光学发射单元(9)由发光元件(8)和装在发光元件(8)前面的发射透镜(7)组成；
光学接收单元(3)由接收透镜(5)、装在接收透镜(5)后面的光电二级管D1、与光电二级管D1连接的检测电路装置(4)组成；
气流吹扫装置(6)为设有两个气流出口的压力空气管道，其中一个气流出口对准发射透镜(7)，另一个气流出口对准接收透镜(5)；
检测电路装置(4)包括电源电路、光电转换电路、单片机控制电路、显示电路。
2.根据权利要求1所述的水雾浓度测量仪，其特征是：发光元件(8)是半导体激光二级管，光电二级管D1是硅光电二级管。
3.一种水雾浓度标定装置，其特征是：该装置包括装有水雾发生器的箱体(12)，箱体(12)一侧装有吹雾风扇(13)，箱体(12)另一侧装有门扇(11)，箱体(12)置于压力传感器(10)上，设有压力采集仪(14)与压力传感器(10)联接。
4.一种水雾浓度测量方法，其特征是：
A、预备水雾浓度测量仪：该测量仪包括支架(1)，安装在支架(1)一侧的光学发射单元(9)，安装在支架(1)另一侧的光学接收单元(3)，气流吹扫装置(6)；其中：
光学发射单元(9)由发光元件(8)和装在发光元件(8)前面的发射透镜(7)组成；
光学接收单元(3)由接收透镜(5)、装在接收透镜(5)后面的光电二级管D1、与光电二级管D1连接的检测电路装置(4)组成；
气流吹扫装置(6)为设有两个气流出口的压力空气管道，其中一个气流出口对准发射透镜(7)，另一个气流出口对准接收透镜(5)；
检测电路装置(4)包括电源电路、光电转换电路、单片机控制电路、显示电路；
B、预备水雾浓度标定装置：该装置包括装有水雾发生器的箱体(12)，箱体(12)一侧装有连通大气和箱体(12)的风扇(13)，箱体(12)另一侧装有门扇(11)，箱体(12)置于压力传感器(10)上，设有压力采集仪(14)与压力传感器(10)联接；
C、关闭门扇(11)，开启压力采集仪(14)，启动水雾发生器，工作T0秒使箱体(12)内充满水雾，然后关闭水雾发生器，沉降T1秒后，启动风扇(13)并打开门扇(11)，吹出箱体(12)内的悬浮水雾，通过与压力传感器(10)联接的压力采集仪(14)采集吹出悬浮水雾前后箱体(12)的重量差即为T1时间点箱体(12)内悬浮的水雾质量，用该水雾质量除以箱体(12)容积即为箱体(12)内的水雾浓度；用同样的方法，可得到沉降T2、T3、T4、T5…Tn秒后的水雾浓度，n为整数；
D、将水雾浓度测量仪置于箱体(12)内，启动气流吹扫装置(6)，关闭门扇(11)，启动水雾发生器，工作T0秒使箱体(12)内充满水雾，然后关闭水雾发生器，由检测电路装置(4)分别测出沉降T1、T2、T3、T4、T5…Tn秒后的散射电压；
由步骤C、D得到相应沉降时刻下的水雾浓度及所对应的散射电压，通过数学方法二次拟合即得到水雾浓度与散射电压的关系式；
E、将水雾浓度与散射电压的关系式置于单片机控制电路中后，就可将水雾浓度测量仪安装在现实水雾环境中，测量现实水雾环境中的水雾浓度值。
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