CN1424572A - 激光散射式粉尘浓度在线测量方法 - Google Patents

Abstract

激光散射式粉尘浓度在线测量方法是一种采用激光散射原理，用于测定排烟粉尘浓度的光机电一体化的在线测量方法。采用激光散射式测量的方法进行测量，即在激光的测量光束La上依序排列有激光器1、准直透镜2、半透半反棱镜3、被测烟尘流体6、半透半反镜7、付立叶透镜8、光电池9；在半透半反棱镜3处，与测量光束La相垂直的透射光束Lc上设有聚焦透镜b10和光电二极管b11，在与测量光束La相垂直的另一条参考光束Lb上设有聚焦透镜a4和光电二极管a5；将光电池9、光电二极管a5、光电二极管b11的传感信号，由信号处理装置转换成粉尘浓度值。

Description

激光散射式粉尘浓度在线测量方法

一、技术领域

本发明是一种采用激光散射原理，用于测定排烟粉尘浓度的光机电一体化的在线测量方法。

二、背景技术

对各种烟道排烟粉尘浓度的测定，一般采用手工采样的方法，如等速采样法，但它不能用于在线的监测，离线监测不能随时掌握环境污染物排放的实际情况。目前研究和使用最多的测量粉尘浓度有等速采样称重法和光学浊度法(或称消光法)，前者不能实现在线测量，后者只能给出排烟粉尘的光学浊度值。光学浊度是指光通过被测烟尘被减弱的程度，它和烟尘浓度是二个不同的概念，要想从粉尘的光学浊度求得浓度，还就必须知道烟尘颗粒的平均粒径。对于相同的光学浊度，如果平均粒经不同它们相对应的浓度也是不同的。因此用光学浊度法来在线测量烟尘颗粒浓度必须事前假定烟尘的颗粒尺寸。在大多数场合，由于排尘源工况的变化，烟尘的粒径是一个变化参量，在线测量则会带来很大的误差。

三、技术内容

1、技术问题

为了克服目前粉尘浓度测量中的不足，本发明提供一种准确度高、结构简单、使用方便、工作可靠、可直接给出粉尘浓度值的激光散射式粉尘浓度在线测量方法，该测量方法通过测量激光被粉尘颗粒群散射的前向散射光的积分强度，直接给出粉尘的浓度。

2、技术方案

一种激光散射式粉尘浓度在线测量方法，其特征在于采用激光散射式测量的方法进行测量，即在激光的测量光束上依序排列有激光器、准直透镜、半透半反棱镜、被测烟尘流体、半透半反镜、付立叶透镜、光电池；在半透半反棱镜处，与测量光束相垂直的透射光束上设有聚焦透镜b和光电二极管b，在与测量光束相垂直的另一条参考光束上设有聚焦透镜a和光电二极管a；将光电池、光电二极管a、光电二极管b的传感信号，由信号处理装置转换成粉尘浓度值，光电池采用硅光电池，半透半反棱镜由两个棱镜组合而成，两个棱镜的斜边相吻合，组成外型为矩形的整体。

考虑颗粒粒径是连续分布的气固二相流中，在V_T采样区内颗粒群的总体积Vp。颗粒群的体积浓度为 $C_V=\frac{V_P}{V_T}=\frac{\frac{4\mathrm{\π}}{3}{\∫}_0^{\∞}{a}^{3}f\left(a\right)\mathrm{da}}{{\mathrm{sA}}_L}----\left(1\right)$

其中，f(a)是颗粒尺寸分布函数，a是颗粒直径，A_L为激光束的截面面积，s为采样长度。

从随机统计的角度，颗粒体积浓度反映了颗粒粒径三次方的平均值。在前向小角范围，Fraunhofer衍射理论可以用来描述颗粒的光散射特性。粒径分布为f(a)的颗粒群，在不相关单散射情况下，有 $I\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{I_0}{{\mathrm{\θ}}^2}{\∫}_0^{\∞}{J}_1^2\left(\mathrm{ka\θ}\right)a^{2}f\left(a\right)\mathrm{da}----\left(2\right)$

根据颗粒粒径分布的积分变换反演算法，粒径分布f(a)积分变换方法可以写成如下的表达式 $f_b\left(a\right)=-\frac{{4\mathrm{\π}}^2}{{\mathrm{\λ}}^2{I}_0}{\∫}_0^{\∞}{H}_i\left(\mathrm{x\θ}\right)\frac{d}{\mathrm{d\θ}}\left[E_i\left(\mathrm{\θ}\right)\right]\mathrm{d\θ}----\left(3\right)$

考虑到Bessel函数的定义和性质和通过积分变换操作，可以有 $V_P=-\frac{{8\mathrm{\π}}^2}{3k}\·(-\frac{3}{8})\·2{\∫}_0^{\∞}\frac{I\left(\mathrm{\θ}\right)}{I_0}\mathrm{d\θ}=\frac{2\mathrm{\π}}{k}{\∫}_0^{\∞}\frac{I\left(\mathrm{\θ}\right)}{I_0}\mathrm{d\θ}----\left(4\right)$ 于是得到有关颗粒体积浓度的一种新的解析表达式 $C_V=\frac{V_P}{{\mathrm{sA}}_L}=\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{ksA}}_L}{\∫}_0^{\∞}\frac{I\left(\mathrm{\θ}\right)}{I_0}\mathrm{d\θ}----\left(5\right)$

从式(5)可以看出，颗粒的体积浓度与散射光强在无限空间的角度积分成正比。因此，从理论上我们有可能只要测量散射光在空间积分强度就能够得到颗粒的体积浓度。

3、技术效果

可以实时在线测量粉尘的浓度，且不需预先测量粉尘的粒径，结构简单，原理清晰，使用方便，测量准确度较高；结构合理、有很好效果；本发明稳定性好，具有很好的发展前景。本发明样机采用双参量的测定，提高对粉尘光效应的检测，消除粒径对浓度测量的影响，同时保留了消光法测定浊度的经典测量，具有先进性。

四、附图说明

图1是本发明的光路原理图。

图中有激光器1、准直透镜2、半透半反棱镜3、聚焦透镜a4、光电二极管a5、被测烟尘流体6、半透半反镜7、付立叶透镜8、光电池9、聚焦透镜b10、光电二极管b11、测量光束La、参考光束Lb、透射光束Lc。

五、具体实施方案

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

本发明的激光散射式粉尘浓度在线测量方法，采用激光散射式测量的方法进行测量，即在激光的测量光束La上依序排列有激光器1、准直透镜2、半透半反棱镜3、被测烟尘流体6、半透半反镜7。、付立叶透镜8、光电池9；在半透半反棱镜3处，与测量光束La相垂直的透射光束Lc上设有聚焦透镜b10和光电二极管b11，在与测量光束La相垂直的另一条参考光束Lb上设有聚焦透镜a4和光电二极管a5；将光电池9、光电二极管a5、光电二极管b11的传感信号，由信号处理装置转换成粉尘浓度值，半透半反棱镜3由两个棱镜组合而成，两个棱镜的斜边相吻合，组成外型为矩形的整体。

1、光路

本发明采用半导体激光光源。激光器(1)发射的激光通过空间滤波器和准直透镜(2)后形成一束平行光。平行光射入半透半反棱镜(3)，半透半反棱镜由二个相同的直角等腰棱镜胶合而成，其中一个棱镜的斜面镀有一层半透半反膜。它的作用是使入射平行光分成二部分，其中的一部分经直角反射后形成参考光束(Lb)被聚焦透镜a(4)聚焦于光电二极管a(5)上，光电二极管将这部分光信号转换为电流信号I₁后送入测量转换装置；另一部分光透过棱镜后射入被测烟尘流体(6)形成测量光束(La)。入射到被测烟尘流体的光被烟气中粉尘散射和吸收，透射出被测烟尘流的光再被一半透半反镜(7)反射回一部分，反射部分再次穿过粉尘空间后，经半透半反棱镜(3)反射后形成透射光(Lc)由聚焦镜(10)到光电传感器(11)。该传感器的输出作为透射光信号I₃也输入到电脑；透过半透半反镜(7)的前向散射光经过付立叶透镜(8)聚焦在光电池(9)上，光电池产生与散射光积分光强大小成相应比例的电流信号I₃。光电流I₁直接监视输入激光功率，利用它可以补偿由于输入激光功率不稳定所带来的测量误差。I₂实际反映了激光前向透射光强。付立叶透镜(8)和光电池(9)组成的光电转换系统输出I₃直接反应的前向角散射光和透射光的总积分强度。I₁反映了公式(5)中的I₀；通过I₂和I₃可得I(θ)，因此从在线测量得到的I₁，I₂，I₃由电脑按公式(5)处理完成粉尘浓度在线测量。

2、光电转换机构

(1)光电二极管测量系统

光电池(7)采用硅光电池。

由于原始光强、透射光强经聚焦后光聚集到一点上，测量区域很小，因此它们的测量装置选用了Burr-Brown公司的光电二极管OPT101作为光强检出装置使用。它为8脚封装的透明芯片，内置放大器，调节外接电阻值可调节其放大倍率。

(2)光电池

由于散射光经付立叶透镜聚焦后会在其焦平面上形成许多同心圆状的光环，它需要的测量面积较大，应采用大面积的光电接收装置，因此测量系统选用硅光电池作为测量元件。

3、测量转换装置原理

测量转换装置采用Motorola公司生产的68HC系列微处理器作为系统的主芯片。其基本工作原理为：外接测量光电转换机构送来的电压信号进入转换机构后，该电压信号经模拟开关和A/D转换器转换成相应的数字信号，然后进行必要的计算和逻辑分析，将结果分别送到存储、输出等单元，并通过通讯线路将数据传入系统上位机进行显示、处理。它亦可接收上位机的指令对其参数进行修改。

Claims (3)

1、一种激光散射式粉尘浓度在线测量方法，其特征在于采用激光散射式测量的方法进行测量，即在激光的测量光束(La)上依序排列有激光器(1)、准直透镜(2)、半透半反棱镜(3)、被测烟尘流体(6)、半透半反镜(7)、付立叶透镜(8)、光电池(9)；在半透半反棱镜(3)处，与测量光束(La)相垂直的透射光束(Lc)上设有聚焦透镜b(10)和光电二极管b(11)，在与测量光束(La)相垂直的另一条参考光束(Lb)上设有聚焦透镜a(4)和光电二极管a(5)；将光电池(9)、光电二极管a(5)、光电二极管b(11)的传感信号，由信号处理装置转换成粉尘浓度值。

2、根据权利要求1所述的激光散射式粉尘浓度在线测量方法，其特征在于光电池(9)采用硅光电池。

3、根据权利要求1所述的激光散射式粉尘浓度在线测量方法，其特征在于半透半反棱镜(3)由两个棱镜组合而成，两个棱镜的斜边相吻合，组成外型为矩形的整体。