一種高溫?zé)煹澜孛娣e的在線檢測裝置設(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，提出一種新型的在線檢測系統(tǒng)。通過傳動(dòng)裝置帶動(dòng)激光測距傳感器對(duì)煙道截面做360°旋轉(zhuǎn)測量，激光測距傳感器每轉(zhuǎn)過一個(gè)角度測量一次，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)過的角度，根據(jù)轉(zhuǎn)過的角度和測得的距離值計(jì)算出煙道截面積，并在線顯示。結(jié)果表明，此新型檢測裝置能夠直接測量出高溫?zé)煹赖慕孛娣e，測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)，大氣污染越來越影響人們的生產(chǎn)生活?？刂乒I(yè)排污量對(duì)治理污染是十分必要的，國內(nèi)對(duì)工廠排污量的監(jiān)測控制，主要通過對(duì)煙道氣體的流量值進(jìn)行測量，因此，精確計(jì)量煙道氣體流量值對(duì)深入開展環(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，是通過流量計(jì)及理論的煙道截面積來計(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)越來越多，截面積不斷在變化。所以有必要實(shí)時(shí)測量煙道的截面積。

目前，針對(duì)高溫?zé)煹缹?shí)際截面積還沒有現(xiàn)成的便捷式的檢測方法和裝置。本文研制的煙道截面積在線檢測裝置采用非接觸式測量方法，操作簡便，自動(dòng)化程度高，且實(shí)現(xiàn)了高溫?zé)煹赖慕孛娣e在線測量，實(shí)用性強(qiáng)，方便檢測人員攜帶，填補(bǔ)了國內(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。該檢測裝置能夠?qū)崟r(shí)在線檢測煙道的實(shí)際截面積。該煙道截面積在線檢測裝置主要有測距傳感器、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。檢測系統(tǒng)流程圖如圖1所示，檢測裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示，檢測裝置結(jié)構(gòu)剖面如圖3所示。

該煙道截面積在線檢測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)包括激光測距傳感器及底座。驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸通過傳動(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段與掃描機(jī)構(gòu)連接；掃描機(jī)構(gòu)部分的激光測距傳感器通過底座固定在傳動(dòng)軸的延長段上，激光測距傳感器隨傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)。激光測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)的速度及激光測距傳感器的測量頻率，同時(shí)將電機(jī)轉(zhuǎn)過的角度和激光測距傳感器測量的值實(shí)時(shí)顯示在顯示器上，測量完成后，主控板對(duì)測量數(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)用場合是高溫?zé)煹?，為了更好的保護(hù)檢測儀器且不影響檢測效果，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、溫度檢測模塊、顯示模塊、電池電量檢測模塊及多種串口等，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 測距傳感器

由于測量的煙道直徑最大是80mm，激光測距儀固定在傳動(dòng)軸的延長段上并作360°旋轉(zhuǎn)測量，所以測距儀的測距范圍選擇20-50mm的。本系統(tǒng)的激光測距傳感器采用奧泰斯高精度超小型激光測距傳感器，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

檢測時(shí)，將帶有激光測距傳感器的檢測儀器的測量部分伸入煙道內(nèi)，啟動(dòng)測量儀器，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)激光測距傳感器也跟著旋轉(zhuǎn)；激光測距傳感器在煙道內(nèi)做360°旋轉(zhuǎn)，激光測距傳感器每轉(zhuǎn)過一個(gè)角度測量一次。根據(jù)轉(zhuǎn)過的角度和測得的距離值計(jì)算出煙道實(shí)際截面積。并將最終測量得出的截面積通過電路板進(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)際測量距離；？茲1，？茲2，…？茲n為激光測距傳感器每次測量轉(zhuǎn)過的

角度。n為激光測距傳感器測量的次數(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)過的角度一樣，即？茲1=？茲2=？茲3=...=？茲n=？茲，則可以簡化式（1）如下：

4 系統(tǒng)工作流程

（1）開機(jī)通過液晶屏設(shè)置測量的速度，每次轉(zhuǎn)過的角度，一周測量的次數(shù)等。

（2）將帶有激光測距傳感器的儀器測量部分伸入高溫?zé)煹纼?nèi)。

（3）點(diǎn)擊開始測量，電機(jī)旋轉(zhuǎn)，激光測距傳感器對(duì)煙道截面做360°旋轉(zhuǎn)測量。

（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)過的角度θ，并實(shí)時(shí)顯示在液晶屏上。

（5）根據(jù)轉(zhuǎn)過的角度θ和測得的距離值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)過的角度是一樣的，可以在測量前進(jìn)行設(shè)置，電機(jī)的轉(zhuǎn)速也可以設(shè)置，測量的頻率越高，測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，影響測量的速度，這對(duì)儀器本身也是一個(gè)考驗(yàn)。

5 結(jié)束語

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

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