CN106840985A - 一种气体粉尘同时测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种气体粉尘同时测量方法，待测气体进入封闭管，封闭管一端的宽谱红外光源向另一端的热电堆探测器发射不同波长的平行光；平行光的一部分散射，另一部分继续射至热电堆探测器；利用每种平行光从发射至被热电堆探测器接收过程中的衰减，计算每种目标气体的浓度；根据光敏管捕获的光强度计算粉尘值。本发明同时提供了一种气体粉尘同时测量装置，包括封闭管，两端设置宽谱红外光源和热电堆探测器，之间设有气路，聚焦器和光敏管位于气路入口和气路出口之间。本发明提供的一种气体粉尘同时测量方法及装置，能够利用一件装置同时检测气体和粉尘，降低成本，提高精确度。

Description

一种气体粉尘同时测量方法及装置

技术领域

本发明涉及一种气体粉尘同时测量方法及装置，属于气体浓度及粉尘浓度检测装置领域。

背景技术

随着人们环保和生产安全意识的增强，在工业发展的过程中人们越来越重视微型颗粒物含量的测量，尤其是一些工地以及特殊行业生产场地内部，在生产或工程进程里，需要随时测量现场扬尘和特殊气体浓度，会用到相关测量设备。

现有的测量方法和设备中，基于基于光学传感器的测量方法具有传感结构本质安全、灵敏度高、响应速度快、动态范围大等特点，已经成为生产安全监测技术的主要发展方向。目前，人们提出了多种粉尘和气体浓度的测量方法，但这些方法均是独立地对粉尘或气体进行测量，将粉尘和气体测量的时间单元缩小，宏观上实现同时测量，本质上仍采用的是时分复用方法，并没有为测量精准度做出贡献。

目前也有理论上完全利用光的衰减方式来同时测量气体和粉尘的方法，这种方法是将气体和粉尘都作为与光作用的介质，利用介质对光的衰减作用，计算介质浓度。但是气体分子与粉尘颗粒的粒径差距非常大，粉尘和目标气体同时作为介质时，若光源强度小，光线在目标气体的作用下衰减，由光路接收装置正常接收并识别信号，但是粉尘让光衰减程度大幅增大，对光路接收装置的信号放大要求非常高，需要复杂的电路实现，并且电能成本高，若粉尘颗粒的粒径大至一定程度，更是难以检测，甚至反而影响气体浓度的监测精确度。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种气体粉尘同时测量方法及装置，能够利用一件装置同时检测气体和粉尘，降低成本，对不同粒径的粉尘颗粒物的浓度检测均具有非常好的检测精确度。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：提供了一种气体粉尘同时测量方法，包括以下步骤：

(1)设待测气体包括粉尘及1种以上目标气体，待测气体从封闭管设置宽谱红外光源的一端进入，顺封闭管向其另一端流动；

(2)封闭管的一端设置宽谱红外光源，所述宽谱红外光源向封闭管的另一端设置的热电堆探测器发射一组不同波长的平行光；平行光的一部分被待测气体中的粉尘散射，由封闭管中的聚焦器反射至封闭管中的光敏管上，平行光的另一部分继续射至热电堆探测器；

(3)根据宽谱红外光源至热电堆探测器的距离、每种目标气体对每种平行光的衰减系数，以及每种平行光从发射至被热电堆探测器接收过程中的衰减，计算每种目标气体的浓度；根据光敏管捕获的光强度计算粉尘值。

步骤(3)所述根据宽谱红外光源至热电堆探测器的距离、每种目标气体对每种平行光的衰减系数，以及每种平行光从发射至被热电堆探测器接收过程中的衰减，计算每种目标气体的浓度，具体采用以下公式：

其中，L为待测气体与平行光相互作用的距离，表示与第i个工作波长的平行光的发射光强，表示与第i种目标气体波长匹配的平行光的被热电堆探测器接收时的光强，α_ji表示第j种目标气体对与第i个工作波长的平行光的衰减系数，解得c_i为第i种目标气体的浓度，i∈[1,n],j∈[1,n]。

本发明同时提供了一种基于上述方法的气体粉尘同时测量装置，包括封闭管，所述封闭管内部的一端设置有发射与目标气体波长匹配的平行光的宽谱红外光源，另一端设置有热电堆探测器，所述宽谱红外光源和热电堆探测器之间设有气路，气路入口靠近宽谱红外光源，气路出口靠近热电堆探测器，封闭管的内管壁设有聚焦器以及用于接收聚焦器聚焦光线的光敏管，所述聚焦器和光敏管位于气路入口和气路出口之间。

所述气路出口设有负压。

所述气路出口设有采用风扇、气泵或热交换产生的气体流动方式中的一种方式产生的负压。

所述气路出口与带有风机的外接设备连通，使得气路内存在从气路入口至气路出口的负压。

本发明基于其技术方案所具有的有益效果在于：

(1)本发明利用封闭管两端的宽谱红外光源和热电堆探测器，能够根据不同波长的光在不同气体下的衰减原理，同时对多种气体浓度做出检测，采用封闭管，可以减小整个装置的体积，避免外部气体对检测结果的干扰；同时利用聚焦器和光敏管，根据光在大颗粒粉尘的散射原理，对待测气体中的粉尘浓度做出检测；热电堆探测器和光敏管能够与简单的信号处理电路连接，对检测结果进行计算，实时得出结论；

(2)本发明同时利用目标气体对光的衰减作用，以及粉尘颗粒对光的散射作用，同时对目标气体和粉尘颗粒进行检测，无论粉尘颗粒物的粒径大或是微小，均不会降低检测结果精度，并且与热电堆探测器和光敏管连接的信号检测电路能够简单实现，降低成本；

(3)本发明的封闭管对内腔的要求不高，由于光线直接从封闭管的一端射向另一端的热电堆探测器，这种平行光无需在内腔中反射，内腔不必采用高反射率的内膜，成本低，不易损坏，便于维护，长期使用不影响设备使用精度。

附图说明

图1是本发明的气体粉尘同时测量装置俯视角度示意图。

图2是本发明的气体粉尘同时测量装置侧视角度示意图。

图中：1-封闭管，2-宽谱红外光源，3-气路入口，4-热电堆探测器，5-气路出口，6-聚焦器，7-光敏管。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明提供了一种气体粉尘同时测量方法，包括以下步骤：

(1)设待测气体包括粉尘及1种以上目标气体，待测气体从封闭管设置宽谱红外光源的一端进入，顺封闭管向其另一端流动；

(2)封闭管的一端设置宽谱红外光源，所述宽谱红外光源向封闭管的另一端设置的热电堆探测器发射一组不同波长的平行光；平行光的一部分被待测气体中的粉尘散射，由封闭管中的聚焦器反射至封闭管中的光敏管上，平行光的另一部分继续射至热电堆探测器；

(3)根据宽谱红外光源至热电堆探测器的距离、每种目标气体对每种平行光的衰减系数，以及每种平行光从发射至被热电堆探测器接收过程中的衰减，计算每种目标气体的浓度；根据光敏管捕获的光强度计算粉尘值。

步骤(3)所述根据宽谱红外光源至热电堆探测器的距离、每种目标气体对每种平行光的衰减系数，以及每种平行光从发射至被热电堆探测器接收过程中的衰减，计算每种目标气体的浓度，具体采用以下公式：

其中，L为待测气体与平行光相互作用的距离，表示与第i个工作波长的平行光的发射光强，表示与第i种目标气体波长匹配的平行光的被热电堆探测器接收时的光强，α_ji表示第j种目标气体对与第i个工作波长的平行光的衰减系数，解得c_i为第i种目标气体的浓度，i∈[1,n],j∈[1,n]。

本发明同时提供了一种基于上述方法的气体粉尘同时测量装置，参照图1和图2，包括封闭管1，所述封闭管1内部的一端设置有发射与目标气体波长匹配的平行光的宽谱红外光源2，另一端设置有热电堆探测器4，所述宽谱红外光源2和热电堆探测器4之间设有气路，气路入口3靠近宽谱红外光源2，气路出口5靠近热电堆探测器4，封闭管1的内管壁设有聚焦器6以及用于接收聚焦器聚焦光线的光敏管7，所述聚焦器6和光敏管7位于气路入口3和气路出口5之间。

所述气路出口设有负压。

所述气路出口设有采用风扇、气泵或热交换产生的气体流动方式中的一种方式产生的负压。

所述气路出口与带有风机的外接设备连通，使得气路内存在从气路入口至气路出口的负压。

以下为本申请的气体粉尘同时测量方法的原理。

光通过介质时会发生介质对光的散射和吸收作用，一部分被介质散射，偏离入射的传播方向，另一部分光被介质吸收转化为热能，其余的光传播方向不变通过介质。当平行光通过均匀介质时，根据Lambert-Beer定律，透射光强与入射光强的关系为：

I_OUT＝I_IN exp(-αcL) (1)

其中I_OUT和I_IN分别为透射光强和入射光强，c为介质浓度，L为光与介质相互作用的距离，α为介质对光波的衰减系数。α由介质对光的吸收和散射作用共同决定，只与光波的波长和介质的性质有关，如粉尘颗粒的粒径、折射率、气体的种类等，与介质的浓度无关。由公式可知，在α和L确定的情况下，通过测量入射和透射光强即可得到介质浓度。

为了测量不同粒径的粉尘浓度和气体浓度，将不同粒径的粉尘和气体分别视为不同的介质，选择多个不同波长的光波作为载波进行强度调制。根据不同的待测气体采用的工作波长分别为：λ₁,λ₂…,λ_n。第j种介质(某种气体)对第i个工作波长的衰减系数α_ij。每一波长的光波通过粉尘和气体混合环境时，依次与以上n种介质发生衰减作用。当介质之间不发生相互作用时，每种介质对光的衰减作用是相互独立的。由Lambert-Beer定律，每一波长的透射光强与入射光强的关系为：

由公式(2)得到：

其中，L为介质与平行光相互作用的距离，表示与第i个工作波长的平行光的发射光强，表示与第i种目标气体波长匹配的平行光的被热电堆探测器接收时的光强，α_ji表示第j种目标气体对与第i个工作波长的平行光的衰减系数，为已知的常量，解得c_i为第i种目标气体的浓度，i∈[1,n],j∈[1,n]。以上方程可直接计算各种介质的浓度，由于不同波长对于不同特性介质的衰减系数不同，可以保证式(3)数学上有唯一解。

本发明提供的一种气体粉尘同时测量方法及装置，能够利用一件装置同时检测气体和粉尘，降低成本，提高精确度。

Claims (6)

1.一种气体粉尘同时测量方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)设待测气体包括粉尘及1种以上目标气体，待测气体从封闭管设置宽谱红外光源的一端进入，顺封闭管向其另一端流动；

(2)封闭管的一端设置宽谱红外光源，所述宽谱红外光源向封闭管的另一端设置的热电堆探测器发射一组不同波长的平行光；平行光的一部分被待测气体中的粉尘散射，由封闭管中的聚焦器反射至封闭管中的光敏管上，平行光的另一部分继续射至热电堆探测器；

(3)根据宽谱红外光源至热电堆探测器的距离、每种目标气体对每种平行光的衰减系数，以及每种平行光从发射至被热电堆探测器接收过程中的衰减，计算每种目标气体的浓度；根据光敏管捕获的光强度计算粉尘值。

2.根据权利要求1所述的气体粉尘同时测量方法，其特征在于：步骤(3)所述根据宽谱红外光源至热电堆探测器的距离、每种目标气体对每种平行光的衰减系数，以及每种平行光从发射至被热电堆探测器接收过程中的衰减，计算每种目标气体的浓度，具体采用以下公式：

$\left(\begin{array}{ccccc}{\mathrm{\α}}_{11}& & \mathrm{...}& & {\mathrm{\α}}_{1n}\\ & \mathrm{...}& & & \\ \mathrm{...}& & {\mathrm{\α}}_{ji}& & \mathrm{...}\\ & & & \mathrm{...}& \\ {\mathrm{\α}}_{n1}& & \mathrm{...}& & {\mathrm{\α}}_{nn}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{c}_1\\ \mathrm{...}\\ c_i\\ \mathrm{...}\\ c_n\end{array}\right)=\frac{1}{L}\left(\begin{array}{c}\ln \frac{I_{{\mathrm{IN}}_1}}{I_{{\mathrm{OUT}}_1}}\\ \mathrm{...}\\ \ln \frac{I_{{\mathrm{IN}}_i}}{I_{{\mathrm{OUT}}_i}}\\ \mathrm{...}\\ \ln \frac{I_{{\mathrm{IN}}_n}}{I_{{\mathrm{OUT}}_n}}\end{array}\right)$

其中，L为待测气体与平行光相互作用的距离，表示与第i个工作波长的平行光的发射光强，表示与第i种目标气体波长匹配的平行光的被热电堆探测器接收时的光强，α_ji表示第j种目标气体对与第i个工作波长的平行光的衰减系数，解得c_i为第i种目标气体的浓度，i∈[1,n],j∈[1,n]。

3.一种基于权利要求1所述测量方法的气体粉尘同时测量装置，其特征在于：包括封闭管，所述封闭管内部的一端设置有发射与目标气体波长匹配的平行光的宽谱红外光源，另一端设置有热电堆探测器，所述宽谱红外光源和热电堆探测器之间设有气路，气路入口靠近宽谱红外光源，气路出口靠近热电堆探测器，封闭管的内管壁设有聚焦器以及用于接收聚焦器聚焦光线的光敏管，所述聚焦器和光敏管位于气路入口和气路出口之间。

4.根据权利要求3所述的气体粉尘同时测量装置，其特征在于：所述气路出口设有负压。

5.根据权利要求4所述的气体粉尘同时测量装置，其特征在于：所述气路出口设有采用风扇、气泵或热交换产生的气体流动方式中的一种方式产生的负压。

6.根据权利要求4所述的气体粉尘同时测量装置，其特征在于：所述气路出口与带有风机的外接设备连通，使得气路内存在从气路入口至气路出口的负压。