CN110514566B - 一种新型烟尘测量装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型烟尘测量装置和方法。测量装置包括光源、测量室、光信号探测模块和光信号处理单元；测量室主要由窗口片、光阱、颗粒物测量区域、发射光路和散射光路组成；光源放置在窗口片的前端，光信号探测模块放置在散射光路的后端，从而构成一个典型的光散射测量光路系统；光信号探测模块主要由聚焦透镜和光信号传感器组成；光信号传感器与光信号处理单元相连接；光信号处理单元用于将接收到的光信号处理得到强度信号和脉冲信号，然后进行分析获得烟尘浓度。本发明的装置结构简单、使用成本低，测量方法采用强度信号和脉冲信号两相多类型信号结合分析处理，实现烟尘浓度的精确可靠测量。
Description
技术领域
本发明属于环保检测设备技术领域，具体涉及了一种烟尘测量装置和方法。
背景技术
在现代化的工业社会中，随着世界经济的发展和产业结构的调整转型，工业锅炉、电厂锅炉及工业窑炉等污染源所造成的环境污染问题愈加突出，各国都对此进行了深入研究并加以控制。随着国内“超低排放”改造的实施，国内污染源烟尘排放呈现低浓度、高湿度复合工况，在线监测难度较大。现有的主流在线监测产品采用高温抽取采样和光散射测量方案，取样后的高湿烟尘进行高温气化预处理，需要对测量室进行加热或者保温处理。如何在实现测量室加热的同时，减少温度对仪器测量的影响，提高激光器和探测器的测量精度和稳定性，是制约整个产品性能的关键。另外不同的工厂的污染源排口，甚至同一排口在不同运行负荷状况下，烟尘颗粒物的粒径、颜色等存在明显差异，而粒径、颜色等对散射强度信号影响较大，以至常规烟尘在线监测设备难以准确测量现场烟尘浓度。
中国发明专利CN201611014750.X公布了一种颗粒两相流的粒子浓度检测方法，通过激光束与粒子作用产生散射光，在传感器上输出波形，对应于一个粒子从进入测量取样区到出测量取样区的过程，鼓形波的高度代表代表粒子尺寸大小。中国发明专利CN201710687051.X公布了一种实时的烟尘颗粒在线监测系统，其特征是通过图像采集模块用于采集烟道内的烟尘图像，在图像处理中提出基于粒子群优化算法的最大熵阈值的图像分割方法。上述专利可能存在的问题是高浓度粒子波形序列会占据整个时间段导致系统无法识别浓度大小或者图像无法分割识别，这是常规粒子计数器原理的仪表存在的共通问题。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中存在的不足，提供了一种新型烟尘测量装置和方法。本发明的装置结构简单、使用成本低，测量方法采用强度信号和脉冲信号相结合分析处理，实现了烟尘浓度的精确可靠测量。
为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种新型烟尘测量装置，其特征在于：包括光源、测量室、光信号探测模块和光信号处理单元；所述的测量室主要由窗口片、光阱、颗粒物测量区域、发射光路和散射光路组成；所述的光源放置在窗口片的前端，所述的光信号探测模块放置在散射光路的后端，从而构成一个典型的光散射测量光路系统；所述的光信号探测模块主要由聚焦透镜和光信号传感器组成；所述的光信号传感器与光信号处理单元相连接；所述的光信号处理单元用于将接收到的光信号处理成强度信号和脉冲信号，实现两相多类型的信号采集，然后进行分析获得烟尘浓度。
本发明中烟尘测量装置进一步说明，所述的光信号探测模块通过光纤导光方式实现信号传输。
本发明中烟尘测量装置进一步说明，所述的光信号处理单元采用单片机或者ARM处理器。
本发明还提供了一种新型烟尘测量方法，包括以下步骤：
步骤一，典型的光散射测量光路系统中，在颗粒物测量区域，激光光束与烟尘颗粒物产生散射光信号；
步骤二，光信号传感器获取烟尘颗粒物的散射光信号并传输给光信号处理单元；
步骤三，光信号处理单元将接收到的散射光信号经放大、隔离处理后，获得单位时间t的强度信号A和若干脉冲信号；
步骤四，光信号处理单元对脉冲信号进行再处理，通过和基准波形比对分析，若是连续出现无法识别的波包信号，则进行步骤七，反之，通过分析不同波形基准的脉冲信号Bi得到烟尘的浓度Cp，并进行步骤五,浓度Cp的计算公式如下，其中脉冲信号Bi是单位时间内满足某类基准波形的脉冲数量，对应不同类型基准波形的权重为λ1、λ2、λ3…λn，对应脉冲信号数量分别为B1、B2、B3…Bn，kp表示脉冲信号的本征系数
步骤五，通过分析脉冲信号得到烟尘浓度Cp后，进而判断烟尘浓度Cp是否高于第一阀值，若是Cp低于第一阈值，则输出上述依据脉冲信号得到的烟尘浓度Cp，并进行步骤六，若是Cp高于第一阈值，则进行步骤七；
步骤六，若是烟尘浓度Cp低于第一阈值，且Cp大于第一阈值的80％，则光信号处理单元依据脉冲信号的数据修正强度信号的基准点L和相关系数kd，其中基准点L为烟尘浓度Cp时的强度信号值，此时强度信号和脉冲信号Bi和颗粒物浓度都具有相关关系，可实现脉冲信号对强度信号的修正和标定；
步骤七，若是不能识别脉冲信号峰形或者烟尘浓度Cp高于第一阈值，则通过光信号处理单元对强度信号A进行分析，依据步骤六中修正的基准点L和相关系数kd，计算得到烟尘颗粒物的浓度Cd并输出，浓度Cd的计算公式如下
Cd＝Cp+kd·(A-L)。
本发明中烟尘测量方法进一步说明，步骤五中的第一阀值为在某段脉冲信号可准确分析的状态所对应的烟尘浓度。随着烟尘浓度的增大，单位时间内产生的颗粒物脉冲信号杂冗在一起，会产生波包信号，此时根据脉冲信号的数量、波形状况，难以分辨烟尘的粒径状况，为此，在某段脉冲信号可准确分析的状态，此时对应的烟尘浓度，定义为第一阈值。
本发明中烟尘测量方法进一步说明，在低于第一阈值浓度的粉尘环境中，对脉冲信号进行分析处理，通过和称重等标准方法测得的粉尘浓度比较，实现烟尘测量装置的有效校准，同时通过脉冲信号对强度信号进行修正，从而实现全量程范围的准确标定。
当烟尘浓度低于第一阈值时，颗粒物散射光信号形成单个脉冲信号，单位时间内产生脉冲信号的数量、波形状况，和烟尘的粒径大小、浓度成相关关系，单位时间内光信号强度也和烟尘浓度成相关关系，此时处理单元对脉冲信号进行分析，可得到准确的烟尘浓度，并可以通过脉冲信号对强度信号进行标定；当烟尘浓度高于第一阈值时，此时只通过处理单元对强度信号进行分析，得到烟尘浓度大小。
本发明的优点：
1.本发明设计了新型两相多类型光信号的测量装置和方法，解决了传统强度散射式粉尘测量仪因信号受到颗粒物粒径、颜色影响，存在的工况普适性较差的问题，实现了光散射法对工业污染源排放烟尘的准确可靠测量。
2.脉冲信号的数量不受激光强度大小影响，本发明中新型烟尘测量装置的浓度不会受到温度干扰，从而解决了户外烟尘测量装置的温漂难题。
3.本发明尤其适用于超低排放后的高湿低浓度烟尘测量。
附图说明
图1为本发明专利一实施例的整体框架示意图。
图2为本发明专利一实施例的测量原理示意图。
以上各图中：1光源；2测量室；3光信号探测模块；处理单元4；21窗口片；22发射光路；23颗粒物测量区域；24光阱；25散射光路。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。
实施例1：
如图1所示，一种新型烟尘测量装置，包括光源1、测量室2、光信号探测模块3和光信号处理单元4；所述的测量室2主要由窗口片21、光阱24、颗粒物测量区域23、发射光路22和散射光路25组成；所述的光源1放置在窗口片21的前端，所述的光信号探测模块3放置在散射光路25的后端，从而构成一个典型的光散射测量光路系统；所述的光信号探测模块3主要由聚焦透镜和光信号传感器组成；所述的光信号传感器与光信号处理单元4相连接；所述的光信号处理单元4用于将接收到的光信号处理成强度信号和脉冲信号，实现两相多类型的信号采集，然后进行分析获得烟尘浓度。
如图2所示，为上述测量装置的原理说明。单颗粒物进入和离开颗粒物测量区域会产生散射光信号，颗粒物进入测量区域时有一个急速上升的上升沿，然后产生稳定波峰，后面是一个急速下降沿形，形成单个脉冲信号峰；随着烟尘浓度的增大，单位时间内产生的颗粒物脉冲信号杂冗在一起，会产生波包信号，此时根据脉冲信号的数量、波形状况，就难以分辨烟尘的粒径状况。与此同时，颗粒物产生的强度信号和烟尘浓度成相关关系，该强度信号不会因为粒子数的增多出现相关性缺失的状况。设计光信号探测模块同时得到强度信号和脉冲信号，通过介乎两类型信号的优点，可实现对全量程段的烟尘准确测量。如图2所示，第一阈值定义为，在某段脉冲信号可准确分析的状态所对应的烟尘浓度。
本实施例还提供一种新型烟尘测量方法，包括以下步骤：
步骤一，典型的光散射测量光路系统中，在颗粒物测量区域，激光光束与烟尘颗粒物产生散射光信号；
步骤二，光信号传感器获取烟尘颗粒物的散射光信号并传输给光信号处理单元；
步骤三，光信号处理单元将接收到的散射光信号经放大、隔离处理后，获得单位时间t的强度信号A和若干脉冲信号；
步骤四，光信号处理单元对脉冲信号进行再处理，通过和基准波形比对分析，若是连续出现无法识别的波包信号，则进行步骤七，反之，通过分析不同波形基准的脉冲信号Bi得到烟尘的浓度Cp，并进行步骤五,浓度Cp的计算公式如下，其中脉冲信号Bi是单位时间内满足某类基准波形的脉冲数量，对应不同类型基准波形的权重为λ1、λ2、λ3…λn，对应脉冲信号数量分别为B1、B2、B3…Bn，kp表示脉冲信号的本征系数
步骤五，通过分析脉冲信号得到烟尘浓度Cp后，进而判断烟尘浓度Cp是否高于第一阀值，若是Cp低于第一阈值，则输出上述依据脉冲信号得到的烟尘浓度Cp，并进行步骤六，若是Cp高于第一阈值，则进行步骤七；
步骤六，若是烟尘浓度Cp低于第一阈值，且Cp大于第一阈值的80％，则光信号处理单元依据脉冲信号的数据修正强度信号的基准点L和相关系数kd，其中基准点L为烟尘浓度Cp时的强度信号值，此时强度信号和脉冲信号Bi和颗粒物浓度都具有相关关系，可实现脉冲信号对强度信号的修正和标定；
步骤七，若是不能识别脉冲信号峰形或者烟尘浓度Cp高于第一阈值，则通过光信号处理单元对强度信号A进行分析，依据步骤六中修正的基准点L和相关系数kd，计算得到烟尘颗粒物的浓度Cd并输出，浓度Cd的计算公式如下
Cd＝Cp+kd·(A-L)。
步骤五中的第一阀值为在某段脉冲信号可准确分析的状态所对应的烟尘浓度。
在低于第一阈值的粉尘环境中，对脉冲信号进行分析处理，通过和称重等标准方法测得的粉尘浓度比较，实现烟尘测量装置的有效校准，同时通过脉冲信号对强度信号进行修正，从而实现全量程范围的准确标定。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明专利作举例说明。本发明专利所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明专利的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (3)
1.一种新型烟尘测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，典型的光散射测量光路系统中，在颗粒物测量区域，激光光束与烟尘颗粒物产生散射光信号；
步骤二，光信号传感器获取烟尘颗粒物的散射光信号并传输给光信号处理单元；
步骤三，光信号处理单元将接收到的散射光信号经放大、隔离处理后，获得单位时间t的强度信号A和若干脉冲信号；
步骤四，光信号处理单元对脉冲信号进行再处理，通过和基准波形比对分析，若是连续出现无法识别的波包信号，则进行步骤七，反之，通过分析不同波形基准的脉冲信号Bi得到烟尘的浓度Cp，并进行步骤五,浓度Cp的计算公式如下，其中脉冲信号Bi是单位时间内满足某类基准波形的脉冲数量，对应不同类型基准波形的权重为λ1、λ2、λ3…λn，对应脉冲信号数量分别为B1、B2、B3…Bn，kp表示脉冲信号的本征系数
步骤五，通过分析脉冲信号得到烟尘浓度Cp后，进而判断烟尘浓度Cp是否高于第一阈值，若是Cp低于第一阈值，则输出上述依据脉冲信号得到的烟尘浓度Cp，并进行步骤六，若是Cp高于第一阈值，则进行步骤七；
步骤六，若是烟尘浓度Cp低于第一阈值，且Cp大于第一阈值的80％，则光信号处理单元依据脉冲信号的数据修正强度信号的基准点L和相关系数kd，其中基准点L为烟尘浓度Cp时的强度信号值，此时强度信号和脉冲信号Bi和颗粒物浓度都具有相关关系，可实现脉冲信号对强度信号的修正和标定；同时，将此时的烟尘浓度Cp值保存为参考浓度Cp’；
步骤七，若是不能识别脉冲信号峰形或者烟尘浓度Cp高于第一阈值，则通过光信号处理单元对强度信号A进行分析，依据上一次正常识别波包信号时步骤六中修正的基准点L、相关系数kd和参考浓度Cp’，计算得到烟尘颗粒物的浓度Cd并输出，浓度Cd的计算公式如下：
Cd＝Cp'+kd·(A-L)。
2.根据权利要求1所述的新型烟尘测量方法，其特征在于：步骤五中的第一阈值为在某段脉冲信号可准确分析的状态所对应的烟尘浓度。
3.根据权利要求1所述的新型烟尘测量方法，其特征在于：在低于第一阈值的粉尘环境中，对脉冲信号进行分析处理，通过和称重等标准方法测得的粉尘浓度比较，实现烟尘测量装置的有效校准，同时通过脉冲信号对强度信号进行修正，从而实现全量程范围的准确标定。
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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