CN1260493A - 颗粒物排放量在线监测装置及其信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于连续测定颗粒物排放浓度和流速的技术领域,包括安装在一个壳体内的单色光源、光学接收系统、光敏探测器、信号处理器及网络适配器,其中,该光学接收系统使光源所照明的一个小区域与光敏探测器共轭。本发明能自动地、快速地测定管道内气固两相流中颗粒物的流动速度与浓度,从而能够连续测定颗粒物的排放总量;安装时无需对光;镜头污染、粒子的颜色变化及光源波动均不影响测量精度;另外还可以通过互连网读取测量结果。

Description

颗粒物排放量在线监测装置及其信号处理方法

本发明属于连续测定颗粒物排放浓度和流速的技术领域，可以用于电厂颗粒物排放或其它烟道排放的连续监测。

为了测定锅炉向大气排放固体颗粒物累计总量，需要同时连续在线测定烟道某处的颗粒物质量浓度和流速。以往的在线测量方法是用光学法测浓度，用超声法、差压法或热膜法测定流速。对排放总量的测量需要采用两套不同的设备。以往对颗粒物质量浓度的测量，采用光学跨烟道式或单端式监测装置。跨烟道式监测方式是指光源与接收器分别安装在烟道的对称两侧，或安装在同一侧但由对面的三垂面反射镜把光束原路返回。接收器所接收的光是被粒子衰减后的平均光强，因此粒子数浓度越高，所接收的光就越弱，用Lambert-Beer公式可以计算颗粒物的质量浓度。此方式的缺点是：安装时需要精确调整光路，以保证光束全部射向对面的反射镜，另外烟道的振动或季节变化所引起的烟道变形会恶化光路的对准。单端式监测方式是指探测器所接收的光为颗粒物所散射的光。显然粒子数浓度越高，所接收的平均光就越强，浓度与平均光强呈线性关系。美国环境系统公司(ESC)生产的P-5A烟道颗粒物浓度连续监测系统采用了单端式，其组成结构如图4所示，光源1发出红外光经透镜2准值后穿过透镜3射入烟道气流01中。由于颗粒物7对光的散射，一部分散射光将通过光阑4和透镜3会聚到探测器5的敏感区，其输出一个电压信号02。为了抵消光源的老化或短期波动，设置了参考探测器6。光敏探测器5的输出电压除以参考探测器6的输出电压03，就得到一个与气流中颗粒物质量浓度成正比的输出。

相对于跨烟道式而言，单端插入式监测装置有显著优点，包括安装简单、不怕烟道振动和烟道变形。

上述两种方法存在一个共同的缺陷，即镜头污染和粒子的颜色的变化对浓度测量结果有显著影响，其原因是浓度信号的提取采用了计算光强平均值的方法。对美国P-5A的实际测试证明，其存在这个问题。

本发明的目的是为克服已有技术的不足，提供一种颗粒物排放量在线监测装置及信号处理方法。采用单端方式，它除了具有单端式监测装置的优点外，还能同时测定颗粒物的流速，且不怕镜头污染，不怕粒子颜色变化，不怕光源波动。

本发明提出的一种颗粒物排放量在线监测装置，包括安装在一个壳体内的单色光源、光学接收系统、光敏探测器、信号处理器及存储在其中的信号处理程序，其特征在于，该光学接收系统使光源所照明的一个小区域与光敏探测器共轭，所说的探测器为接收被粒子散射光的两个分立的相同光敏元。

本发明还可包括与所说的信号处理器相连的可以通过互联网读取装置的测量数据的网络适配器。

本发明用于上述装置的信号处理方法，包括下述步骤：

(1)将一个光敏元的输出信号转换成数字序列；(2)求此序列的数学期望：(3)求此序列的方差；(4)求数学期望的平方与方差的比值；(5)把此比值乘以修正系数后作为浓度值存贮起来，并输出对应的模拟信号；(6)将另一个光敏元的输出信号转换成数字序列；(7)求这两个序列的互相关函数；(8)计算流速，存贮结果并输出相应的模拟信号。

本发明的工作原理：当照明区域出现颗粒物时，其像会成在探测器上。此探测器由两个分立的相同的光敏元组成。由于颗粒的运动，其像先后经过这两个光敏元，所以两个光敏元的输出信号具有相关性。根据它们的互相关函数可以确定颗粒物的流速。光敏元的输出为一个波动信号，通过计算波动信号的统计参数，可以确定颗粒物的浓度。

实验和理论分析表明，由于颗粒物的粒子性，探测器所感受的散射光信号中含有波动成份。颗粒物的浓度正比于光信号的直流成份，反比于光信号的交流成份，浓度值可以用下式表示： $C\∝\frac{E{\left[I\right]}^2}{D\left[I\right]}$ 式中C为颗粒物质量浓度，E[I]表示光信号的数学期望，D[I]表示光信号波动的方差。从上式可以看出，颗粒物的颜色变化会同时引起E[I]²和D[I]的等比例变化，对于浓度C而言，两者的变化相互抵消。当镜头有污染时，或光源老化，E[I]²和D[I]也等比例减小，因而也相互抵消。故镜头污染和粒子颜色变化不影响浓度测定。

如果用两个光敏元接收散射光，则它们的输出信号具有相关性，通过计算它们的互相关函数R(τ)，就可以计算出颗粒物的运动速度，可以用下式表示： $V\∝\frac{d}{{\mathrm{\τ}}_m}$ 式中V为颗粒物的运动速度，d表示光敏元之间的距离，τ_m表示相关函数最大点。本发明的关键是基于上述两种信号处理方法。

本发明的特点及效果可归纳如下：

1、一套装置可以同时完成对颗粒物浓度和流速的测定，故设备成本至少降低一半；

2、镜头污染不引入浓度测量误差。本发明允许镜头污染到只剩下10％的透射率，故大大减少擦拭次数，降低维护成本；

3、颗粒物颜色的变化以及光源老化和波动不会给浓度测量引入误差，提高了测量精度；

4、由于采用单端方式以及浓度/流速一体化技术，使安装过程简化，运行成本进一步降低。

附图简要说明

图1是本发明的实施例总体结构图；

图2是本发明实施例的探测器结构图；

图3是本发明实施例的信号处理软件框图；

图4是已有技术中的美国环境系统公司的P-5A的结构图。

本发明设计的颗粒物排放量在线监测装置及其信号处理方法实施例结合各附图详细说明如下：

本实施例的颗粒物排放量在线监测装置总体结构如图1所示，包括单色光源、光学接收系统、光敏探测器、信号处理器及其相连的网络适配器，它们被安装在一个壳体内。其中，单色光源101所产生的光经透镜102准直后射入气固两相流体503中。光源101可以是发光二极管，也可以是激光器。进入气流的光束被粒子散射，一部分散射光经透镜201、反射镜202、203、204，被探测器206接收。经放大和模/数转换后在信号处理器301内进行处理计算，最后得到颗粒物的浓度和流速。窄带滤光片205是用来阻止其它波长的光进入探测器以减少背景光的干扰，其透射波长与光源的中心波长吻合。为了锅炉反馈控制，还需要将最后得到的浓度和流速信号经数/模转换器变成模拟输出信号501；还可以通过网络适配器及互联网502读取该装置的测量数据。

本实施例的探测器如图2所示，图中206a和206b是两个左右并排分立放置的相同光敏元，使粒子的像先经过206a再经过206b。

本实施例的浓度和流速信号处理软件的流程如图3所示。包括以下步骤：

S1：对206a的输出采样，将模拟信号转换成数字序列；

S2：求序列的数学期望E[I]；

S3：求序列的方差D[I]；

S4：计算颗粒物质量浓度C；

S5：将浓度值存贮到电子磁盘302并输出模拟结果，如0～10V电压信号；

S6：对206b的输出采样，将模拟信号转换成数字序列；

S7：求两序列的互相关函数R(τ)；

S8：根据互相关函数求流速V；

S9：将流速值存贮到电子磁盘302并输出模拟结果，如4～20mA电流信号；

S10：若有强制停机信号，则关闭光源，停止运算，否则执行下一步；

S11：检查有无网络请求，如果没有，则开始新的测量；

S12：如果有网络请求，则进行网络服务：把电子磁盘302的数据传送给用户。

Claims (3)

1、一种颗粒物排放总量监测装置，包括安装在一个壳体内的单色光源、光学接收系统、光敏探测器、信号处理器及存储在其中的信号处理程序，其特征在于，该光学接收系统使光源所照明的一个小区域与光敏探测器共轭，所说的探测器为接收被粒子散射光的两个分立的相同光敏元。

2、按权利要求1所述的总量监测装置，其特征在于还包括与所说的信号处理器相连的可以通过互联网读取该装置测量数据的网络适配器。

3、用于如权利要求1所述装置的信号处理方法，包括下述步骤：

(1)将一个光敏元的输出信号转换成数字序列；

(2)求此序列的数学期望；

(3)求此序列的方差；

(4)求数学期望的平方与方差的比值；

(5)把此比值乘以修正系数后作为浓度值存贮起来，并输出对应的模拟信号；

(6)将另一个光敏元的输出信号转换成数字序列；

(7)求这两个序列的互相关函数；

(8)计算流速，存贮结果并输出相应的模拟信号。

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