一種高溫?zé)煹澜孛娣e的在線檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)及方法研究

徐燕娟 陸杰鋒

摘 要：針對(duì)高溫?zé)煹赖膶?shí)際截面積的檢測(cè)，提出一種新型的在線檢測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)傳動(dòng)裝置帶動(dòng)激光測(cè)距傳感器對(duì)煙道截面做360°旋轉(zhuǎn)測(cè)量，激光測(cè)距傳感器每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度測(cè)量一次，得到儀器的中心到煙道內(nèi)孔壁的實(shí)際距離，同時(shí)記錄轉(zhuǎn)過(guò)的角度，根據(jù)轉(zhuǎn)過(guò)的角度和測(cè)得的距離值計(jì)算出煙道截面積，并在線顯示。結(jié)果表明，此新型檢測(cè)裝置能夠直接測(cè)量出高溫?zé)煹赖慕孛娣e，測(cè)量精度高且可操作性強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：高溫?zé)煹溃唤孛娣e；在線檢測(cè)裝置；設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：X851 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）29-0087-03

Abstract： A new on-line detection system is proposed to detect the actual cross section area of high temperature flue. The laser rangefinder is driven by the transmission device to do 360 °rotation measurement on the cross section area of the flue. Each time the laser rangefinder measures an angle， the actual distance from the center of the instrument to the hole wall in the flue is obtained， and the angle of rotation is recorded at the same time. According to the turning angle and the measured distance， the cross section area of the flue is calculated and displayed on line. The results show that the new testing device can directly measure the cross section area of the high temperature flue， and the measurement accuracy is high and the maneuverability is strong.

Keywords： high temperature flue； cross section area； on-line detecting device； design

引言

隨著城市建設(shè)的快速推進(jìn)，大氣污染越來(lái)越影響人們的生產(chǎn)生活。控制工業(yè)排污量對(duì)治理污染是十分必要的，國(guó)內(nèi)對(duì)工廠排污量的監(jiān)測(cè)控制，主要通過(guò)對(duì)煙道氣體的流量值進(jìn)行測(cè)量，因此，精確計(jì)量煙道氣體流量值對(duì)深入開(kāi)展環(huán)境保護(hù)，擬定相關(guān)法律政策提供有力的根據(jù)。

現(xiàn)有檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)定期對(duì)煙道排污的排放量進(jìn)行檢測(cè)，是通過(guò)流量計(jì)及理論的煙道截面積來(lái)計(jì)算的，計(jì)算公式為：煙氣排放量Q=煙氣排放速度V×煙道截面積A，這里的煙道截面積A采用設(shè)計(jì)值，而不是實(shí)際值。但這樣的計(jì)算方法是不準(zhǔn)確的，與實(shí)際的煙氣排放量存在誤差。煙道在實(shí)際使用過(guò)程中，內(nèi)壁會(huì)附著上水汽和灰塵等，使得實(shí)際的煙道截面積比理論設(shè)計(jì)值要小，并且隨著時(shí)間的推移，內(nèi)壁附著的東西會(huì)越來(lái)越多，截面積不斷在變化。所以有必要實(shí)時(shí)測(cè)量煙道的截面積。

目前，針對(duì)高溫?zé)煹缹?shí)際截面積還沒(méi)有現(xiàn)成的便捷式的檢測(cè)方法和裝置。本文研制的煙道截面積在線檢測(cè)裝置采用非接觸式測(cè)量方法，操作簡(jiǎn)便，自動(dòng)化程度高，且實(shí)現(xiàn)了高溫?zé)煹赖慕孛娣e在線測(cè)量，實(shí)用性強(qiáng)，方便檢測(cè)人員攜帶，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，具有良好的應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)構(gòu)成（系統(tǒng)設(shè)計(jì)）

該高溫?zé)煹澜孛娣e在線檢測(cè)系統(tǒng)用于對(duì)最大孔徑為？覫80mm的高溫?zé)煹纼?nèi)孔截面積進(jìn)行檢測(cè)。該檢測(cè)裝置能夠?qū)崟r(shí)在線檢測(cè)煙道的實(shí)際截面積。該煙道截面積在線檢測(cè)裝置主要有測(cè)距傳感器、液晶顯示屏、電機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、電源模塊及控制處理電路組成。檢測(cè)系統(tǒng)流程圖如圖1所示，檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示，檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)剖面如圖3所示。

該煙道截面積在線檢測(cè)裝置包括便于手持的手柄、外殼、設(shè)置在外殼內(nèi)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、掃描機(jī)構(gòu)以及保護(hù)罩、顯示器及主控板、電源等組成。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及與驅(qū)動(dòng)電機(jī)同軸連接的傳動(dòng)軸，掃描機(jī)構(gòu)包括激光測(cè)距傳感器及底座。驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸通過(guò)傳動(dòng)帶與傳動(dòng)軸的一端連接，傳動(dòng)軸隨驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)；傳動(dòng)軸的另一端延伸出外殼外部作為延長(zhǎng)段與掃描機(jī)構(gòu)連接；掃描機(jī)構(gòu)部分的激光測(cè)距傳感器通過(guò)底座固定在傳動(dòng)軸的延長(zhǎng)段上，激光測(cè)距傳感器隨傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)。激光測(cè)距傳感器的輸出端連接主控板；電路板的輸出端連接顯示器。 主控板控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度及激光測(cè)距傳感器的測(cè)量頻率，同時(shí)將電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的角度和激光測(cè)距傳感器測(cè)量的值實(shí)時(shí)顯示在顯示器上，測(cè)量完成后，主控板對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，將得出的截面積顯示在顯示器上。

由于應(yīng)用場(chǎng)合是高溫?zé)煹溃瑸榱烁玫谋Ｗo(hù)檢測(cè)儀器且不影響檢測(cè)效果，保護(hù)罩為耐高溫透明罩；所述的保護(hù)罩套于傳動(dòng)軸的延長(zhǎng)段上。儀器外殼表面采用高溫絕緣防腐涂料進(jìn)行高溫隔熱處理，保證儀器設(shè)備在使用過(guò)程中的正常工作。

2 系統(tǒng)核心器件選型及主控電路設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

單片機(jī)最小系統(tǒng)需集成兩通道12位ADC模塊、溫度檢測(cè)模塊、顯示模塊、電池電量檢測(cè)模塊及多種串口等，以完成信號(hào)的采集、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)的顯示和通信，以及其他擴(kuò)展功能。本文選用公司常用的STM32系列芯片為核心的單片機(jī)最小系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)換和顯示。

2.2 測(cè)距傳感器

由于測(cè)量的煙道直徑最大是80mm，激光測(cè)距儀固定在傳動(dòng)軸的延長(zhǎng)段上并作360°旋轉(zhuǎn)測(cè)量，所以測(cè)距儀的測(cè)距范圍選擇20-50mm的。本系統(tǒng)的激光測(cè)距傳感器采用奧泰斯高精度超小型激光測(cè)距傳感器，線性精度：±0.1%F.S，分辨率：6？滋m，外形尺寸：W18×D31×H44mm。

3 系統(tǒng)工作原理

檢測(cè)時(shí)，將帶有激光測(cè)距傳感器的檢測(cè)儀器的測(cè)量部分伸入煙道內(nèi)，啟動(dòng)測(cè)量?jī)x器，驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作帶動(dòng)傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)激光測(cè)距傳感器也跟著旋轉(zhuǎn)；激光測(cè)距傳感器在煙道內(nèi)做360°旋轉(zhuǎn)，激光測(cè)距傳感器每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度測(cè)量一次。根據(jù)轉(zhuǎn)過(guò)的角度和測(cè)得的距離值計(jì)算出煙道實(shí)際截面積。并將最終測(cè)量得出的截面積通過(guò)電路板進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后由顯示屏顯示。

如圖4所示，S1為煙道內(nèi)孔的原形狀；S2為煙道內(nèi)孔的實(shí)際形狀；P1，P2，…Pn為儀器的中心到煙道內(nèi)孔的實(shí)際測(cè)量距離；？茲1，？茲2，…？茲n為激光測(cè)距傳感器每次測(cè)量轉(zhuǎn)過(guò)的

角度。n為激光測(cè)距傳感器測(cè)量的次數(shù)。

煙道實(shí)際截面積計(jì)算公式：

（1）

即每次轉(zhuǎn)過(guò)的角度對(duì)應(yīng)的扇形面積的總和。

計(jì)算公式：假設(shè)每次電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的角度一樣，即？茲1=？茲2=？茲3=...=？茲n=？茲，則可以簡(jiǎn)化式（1）如下：

4 系統(tǒng)工作流程

（1）開(kāi)機(jī)通過(guò)液晶屏設(shè)置測(cè)量的速度，每次轉(zhuǎn)過(guò)的角度，一周測(cè)量的次數(shù)等。

（2）將帶有激光測(cè)距傳感器的儀器測(cè)量部分伸入高溫?zé)煹纼?nèi)。

（3）點(diǎn)擊開(kāi)始測(cè)量，電機(jī)旋轉(zhuǎn)，激光測(cè)距傳感器對(duì)煙道截面做360°旋轉(zhuǎn)測(cè)量。

（4）記錄儀器的中心到煙道內(nèi)孔壁的實(shí)際距離P；同時(shí)記錄此時(shí)轉(zhuǎn)過(guò)的角度θ，并實(shí)時(shí)顯示在液晶屏上。

（5）根據(jù)轉(zhuǎn)過(guò)的角度θ和測(cè)得的距離值P，根據(jù)計(jì)算公式計(jì)算出煙道實(shí)際截面積，并顯示。

這里每次轉(zhuǎn)過(guò)的角度是一樣的，可以在測(cè)量前進(jìn)行設(shè)置，電機(jī)的轉(zhuǎn)速也可以設(shè)置，測(cè)量的頻率越高，測(cè)量的煙道截面積的值越精確。但同時(shí)會(huì)增加計(jì)算量及計(jì)算難度，影響測(cè)量的速度，這對(duì)儀器本身也是一個(gè)考驗(yàn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)高溫?zé)煹澜孛娣e的檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了分析，并考慮到測(cè)量人員要求被測(cè)孔類煙道便攜式、動(dòng)態(tài)檢測(cè)的特殊性，提出了非接觸式在線檢測(cè)裝置，所設(shè)計(jì)的檢測(cè)裝置為集光、機(jī)電、算于一體的檢測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)了對(duì)高溫?zé)煹澜孛娣e的在線檢測(cè)，不僅測(cè)量速度快；而且體積小巧，手持便攜。

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