一種高溫煙道截面積的在線檢測裝置設計及方法研究

徐燕娟 陸杰鋒

摘 要：針對高溫煙道的實際截面積的檢測，提出一種新型的在線檢測系統。通過傳動裝置帶動激光測距傳感器對煙道截面做360°旋轉測量，激光測距傳感器每轉過一個角度測量一次，得到儀器的中心到煙道內孔壁的實際距離，同時記錄轉過的角度，根據轉過的角度和測得的距離值計算出煙道截面積，并在線顯示。結果表明，此新型檢測裝置能夠直接測量出高溫煙道的截面積，測量精度高且可操作性強。

關鍵詞：高溫煙道；截面積；在線檢測裝置；設計

中圖分類號：X851 文獻標志碼：A 文章編號：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

隨著城市建設的快速推進，大氣污染越來越影響人們的生產生活?？刂乒I排污量對治理污染是十分必要的，國內對工廠排污量的監測控制，主要通過對煙道氣體的流量值進行測量，因此，精確計量煙道氣體流量值對深入開展環境保護，擬定相關法律政策提供有力的根據。

現有檢驗機構定期對煙道排污的排放量進行檢測，是通過流量計及理論的煙道截面積來計算的，計算公式為：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采用設計值，而不是實際值。但這樣的計算方法是不準確的，與實際的煙氣排放量存在誤差。煙道在實際使用過程中，內壁會附著上水汽和灰塵等，使得實際的煙道截面積比理論設計值要小，并且隨著時間的推移，內壁附著的東西會越來越多，截面積不斷在變化。所以有必要實時測量煙道的截面積。

目前，針對高溫煙道實際截面積還沒有現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，自動化程度高，且實現了高溫煙道的截面積在線測量，實用性強，方便檢測人員攜帶，填補了國內空白，具有良好的應用前景。

1 系統構成（系統設計）

該高溫煙道截面積在線檢測系統用于對最大孔徑為？覫80mm的高溫煙道內孔截面積進行檢測。該檢測裝置能夠實時在線檢測煙道的實際截面積。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、電機傳動機構、電源模塊及控制處理電路組成。檢測系統流程圖如圖1所示，檢測裝置結構如圖2所示，檢測裝置結構剖面如圖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、設置在外殼內的傳動機構、掃描機構以及保護罩、顯示器及主控板、電源等組成。傳動機構包括驅動電機以及與驅動電機同軸連接的傳動軸，掃描機構包括激光測距傳感器及底座。驅動電機的轉軸通過傳動帶與傳動軸的一端連接，傳動軸隨驅動電機的轉軸轉動而轉動；傳動軸的另一端延伸出外殼外部作為延長段與掃描機構連接；掃描機構部分的激光測距傳感器通過底座固定在傳動軸的延長段上，激光測距傳感器隨傳動軸轉動而轉動。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。 主控板控制電機轉動的速度及激光測距傳感器的測量頻率，同時將電機轉過的角度和激光測距傳感器測量的值實時顯示在顯示器上，測量完成后，主控板對測量數據進行計算處理，將得出的截面積顯示在顯示器上。

由于應用場合是高溫煙道，為了更好的保護檢測儀器且不影響檢測效果，保護罩為耐高溫透明罩；所述的保護罩套于傳動軸的延長段上。儀器外殼表面采用高溫絕緣防腐涂料進行高溫隔熱處理，保證儀器設備在使用過程中的正常工作。

2 系統核心器件選型及主控電路設計

2.1 單片機最小系統

單片機最小系統需集成兩通道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，以完成信號的采集、A/D轉換、數據的顯示和通信，以及其他擴展功能。本文選用公司常用的STM32系列芯片為核心的單片機最小系統進行數據的采集、轉換和顯示。

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軸的延長段上并作360°旋轉測量，所以測距儀的測距范圍選擇20-50mm的。本系統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 系統工作原理

檢測時，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，啟動測量儀器，驅動電機工作帶動傳動軸轉動，從而帶動激光測距傳感器也跟著旋轉；激光測距傳感器在煙道內做360°旋轉，激光測距傳感器每轉過一個角度測量一次。根據轉過的角度和測得的距離值計算出煙道實際截面積。并將最終測量得出的截面積通過電路板進行數據處理后由顯示屏顯示。

如圖4所示，S1為煙道內孔的原形狀；S2為煙道內孔的實際形狀；P1，P2，…Pn為儀器的中心到煙道內孔的實際測量距離；？茲1，？茲2，…？茲n為激光測距傳感器每次測量轉過的

角度。n為激光測距傳感器測量的次數。

煙道實際截面積計算公式：

（1）

即每次轉過的角度對應的扇形面積的總和。

計算公式：假設每次電機轉過的角度一樣，即？茲1=？茲2=？茲3=...=？茲n=？茲，則可以簡化式（1）如下：

4 系統工作流程

（1）開機通過液晶屏設置測量的速度，每次轉過的角度，一周測量的次數等。

（2）將帶有激光測距傳感器的儀器測量部分伸入高溫煙道內。

（3）點擊開始測量，電機旋轉，激光測距傳感器對煙道截面做360°旋轉測量。

（4）記錄儀器的中心到煙道內孔壁的實際距離P；同時記錄此時轉過的角度θ，并實時顯示在液晶屏上。

（5）根據轉過的角度θ和測得的距離值P，根據計算公式計算出煙道實際截面積，并顯示。

這里每次轉過的角度是一樣的，可以在測量前進行設置，電機的轉速也可以設置，測量的頻率越高，測量的煙道截面積的值越精確。但同時會增加計算量及計算難度，影響測量的速度，這對儀器本身也是一個考驗。

5 結束語

本文針對高溫煙道截面積的檢測技術進行了分析，并考慮到測量人員要求被測孔類煙道便攜式、動態檢測的特殊性，提出了非接觸式在線檢測裝置，所設計的檢測裝置為集光、機電、算于一體的檢測裝置，實現了對高溫煙道截面積的在線檢測，不僅測量速度快；而且體積小巧，手持便攜。

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