CN1587984A - 激光相位多普勒粉尘粒子监测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光相位多普勒粉尘粒子监测方法及装置，属于粒子测量技术。所述方法过程：将两束相干入射光汇聚并垂直于粉尘粒子流流动方向照射；对称放置两个APD探测器，探测器接收到的粒子散射光信号具有相同的频率和不同的相位，频率与粒子的飞行速度成正比，相位差与粒子的直径与正比，处理器提取信号的频率和相位差，从而获得粒子的直径、速度及其它信息。实施方法的装置，包括激光光源、起偏器、分束器、物镜和APD探测器组成的探测系统，和信号预处理器、高速同步模数转、小波处理器、参数处理器、数据分、同步控制器构成的处理系统。本发明的优点在于，粉尘粒子的速度、直径等参数测量的准确性和可靠性高，测量范围宽，适用性强。

Description

激光相位多普勒粉尘粒子监测方法及装置

                        技术领域

本发明涉及一种激光相位多普勒粉尘粒子监测方法及装置，属于粒子测量技术。

                        背景技术

我国大气污染以燃煤产生的二氧化硫和固体颗粒物为主，大气质量与衡量固体颗粒物浓度的总悬浮颗粒(TSP)、飘尘等有关，因此，动态监测大气中粉尘物的排放速度和粉尘颗粒物大小构成具有重要意义。在环境监测过程中，人们既关心粉尘粒子的物理尺寸及其分布，也关心粉尘粒子的运动速度。

目前主要采用光学散射探测原理进行粉尘排放的动态监测和测量，利用探测器检测粉尘对发射光的吸收程度来估算粉尘排放量。该方法原理简单，测量系统结构紧凑，反应速度快。但由于光散射现象的复杂性，粒子引起的散射衰减只是一个关于粒子浓度的定性值，而且往往因尺寸分布差异而呈多值关系。其次，这种测试方法无法实现粒子速度的测量，而粒子速度却是衡量排放量的关键参数。同时，光散射强度极易受到干扰，粒子流可能引起的光束扩斑和漂移等都会给测量带来误差。由于无法了解关于粉尘粒子大小、尺寸分布、粒子飞行速度等粉尘排放构成的信息，现有仪器所获得的粉尘排放数据只是通过标定得到的粉尘排放参数(如TSP、PM₁₀、PM_2.5、PM₁等)的一个估计量，仪器灵敏度低，测量范围小，必须经常进行标定和调整以保证测试数据的可靠性。

                                    发明内容

本发明的目的在于提供一种激光相位多普勒粉尘粒子监测方法及装置。该方法具有测量准确性和可靠性高、测量范围宽特点；装置使用可靠。

本发明是通过下述技术方案实现的：根据探测信号的频率与粒子的飞行速度成正比：

$f_D=\frac{2\sin \frac{\mathrm{\α}}{2}}{\mathrm{\λ}}\·v$

之关系，以及两个探测信号的相位差与粒子的直径成正比：

$\mathrm{\Δ\Φ}=\frac{2m\sin \frac{\mathrm{\α}}{2}\sin \mathrm{\ψ}}{\mathrm{\λ}\sqrt{2(1+\cos \frac{\mathrm{\α}}{2}\cos \mathrm{\ψ}\cos \mathrm{\φ})(1+m^2-m\sqrt{2(1+\cos \frac{\mathrm{\α}}{2}\cos \mathrm{\ψ}\cos \mathrm{\φ})})}}\·d$

之关系；式中：m为粒子的相对折射率，λ为波长，d为粉尘粒子直径，实现激光相位多普勒粉尘粒子监测方法，其特征包括以下过程：采用两束相干入射光以α角汇聚于粉尘粒子流中，两入射光束与粒子流动方向共面(入射平面)，其角平分线与粒子流动方向垂直；两个APD探测器对称置于散射平面(两APD探测器与粒子流动方向所在的平面)的ψ和-ψ的散射方向上，且散射平面与入射平面的夹角为φ，两个APD探测器接收粒子的散射光信号，两个探测信号具有相同的频率和不同的相位，采用信号处理器提取信号的频率和两路信号的相位差，可获得了粉尘粒子的速度和直径信息，进而可获得单位时间内粉尘粒子的最大粒径、最小粒径、平均粒径，粒子分布(粒径分布、重量分布)、单位时间内的排放量和累积排放量信息。

上述的散射平面与入射平面的夹角φ，在选择平行偏振光入射的条件下，φ角选取在20°～70°范围内；对折射率较大的粉尘粒子，φ角的选择应适当小一些；ψ角在空间允许的前提下选择2°～10°。

用于实现上述方法的装置，其特征包括光学探测系统和信号处理系统，所述的光学探测系统包括激光光源、起偏器、分束器、物镜和APD探测器；所述的信号处理系统包括预处理器、高速同步模数转换器、小波处理器、参数处理器、数据分析器和同步控制器。

本发明的优点在于从粉尘粒子散射光信号的频率和相位中获取粒子信息，避免了散射幅度衰减的不确定性给测量带来的影响；粉尘粒子的运动速度、直径与信号的频率和相位参数有明确的线性关系，既能保证所获取的信号参数准确反映粉尘粒子的物理特征和动态特征，又能保证系统具有大的测量范围和很高的测量精度；适用于直径从0.1μm到1000μm范围的粒子流或粒子场的测量，测量范围宽，测量精度和空间分辨力高。本方法也可以应用于其它粒子流(场)的监测和测量。

                                附图说明

图1为本发明装置光学探测系统的光路布置与系统结构示意图；

图中：1-激光光源，2-起偏器，3-分束器，4-物镜，5、6-入射光束，7-光学入射孔，8-被测粒子流，9、10-APD探测器，11-粒子散射光接收孔，12-粉尘排放通道。

图2为本发明装置信号处理系统结构框图。

                            具体实施方式

下面结合对某燃煤锅炉的排放粉尘监测对本发明的实施过程加以详细说明：

在对某燃煤锅炉排放粉尘的监测过程中，本发明装置的光学探测系统安装在锅炉粉尘排放通道12上(如附图2所示)，通道直径800mm，入射光一侧开圆孔7，接收散射光一侧开长孔11，两孔均镶以透明材料。由激光器1输出的单频激光经起偏器2、分束器3转换成强度相等的两相干光束，经物镜聚焦4后，两相干入射光束5、6以α角汇聚于排放粉尘粒子流8。

两个APD探测器9、10接收到具有相同的频率和不同相位的散射光信号，且信号的频率与粉尘排放速度成正比，两个信号的相位差与粉尘粒子的直径成正比。两路信号分别通过预处理电路消除基座后由高速同步模数转换器转换为数字信号，再经小波处理进行粉尘粒子信号识别，提取信号频率和相位并变换为描述粉尘粒子物理特性的速度和粒径参数。

结合辅助参数(粉尘粒子的比重，排放管道截面积等)对测试数据进行统计分析。包括：

数量统计：

$N_d=\frac{{3n}_{d}v{\mathrm{ST}}_0\sin \mathrm{\α}}{{2d}_f^3}$

其中：N_d为(0，T₀)时间段通过排放通道粒径为d的粒子数；n_d为(0，T₀)时间段测量得到的粒径为d的粒子数；d_f为入射光束的束腰直径；α为两入射光束的夹角；S为排放通道截面积；v为粒子速度。

粒子总数

$N=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{N}_{d_i},(i=\mathrm{1,2,3},\·\·\·)$

数量比

${\mathrm{\η}}_N=\frac{N_d}{N}$

质量统计：

$M_d=\frac{\mathrm{\π\ρ}{N}_d{d}^3}{3}$

其中：d表示粒子直径；ρ为粉尘粒子比重；M_d为(0，T₀)时间段通过排放通道粒径为d的粒子重量。

总重量

$M=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{M}_{d_i},(i=\mathrm{1,2,3},\·\·\·)$

重量比

${\mathrm{\η}}_M=\frac{M_d}{M}$

浓度统计：

$C_d=\frac{\mathrm{\π\ρ}{N}_d{d}^3}{3\mathrm{vS}{T}_0}$

其中：C_d为(0，T₀)时间段通过排放通道粒径为d的粒子浓度。

粉尘浓度 $C=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{C}_{d_i},(i=\mathrm{1,2,3},\·\·\·)$

形成测试结果。包括单位时间内的最大粒径、最小粒径、平均粒径，单位时间内的排放量，累积排放量等。由于测量过程获得了粉尘粒子的直径、速度等信息，系统能够方便地生成粉尘排放数据。下表为该燃煤锅炉25分钟粉尘测试报告：

记录时间    平均直径    最大直径    最小直径    5分钟排量    累积排量

               (μm)       (μm)       (μm)      (mg/m³)       (kg)

16:28:29       116.6       157.8       71.7        0.312         0.99

16:33:29       119         139.9       103.6       0.322         0.99

16:38:29       107.2       139.1       74.7        0.282         0.99

16:43:29       109.1       137.3       88.3        0.299         0.99

16:48:29       1111        151.6       92.7        0.302         0.991

16:53:29       122         140.9       108.9       0.323         0.991

Claims (3)

1、一种激光相位多普勒粉尘粒子监测方法，该方法根据探测信号的频率与粒子的飞行速度成正比：

$f_D=\frac{2\sin \frac{\mathrm{\α}}{2}}{\mathrm{\λ}}\·v$

之关系，以及两个探测信号的相位差与粒子的直径成正比：

$\mathrm{\Δ\Φ}=\frac{2m\sin \frac{\mathrm{\α}}{2}\sin \mathrm{\ψ}}{\mathrm{\λ}\sqrt{2(1+\cos \frac{\mathrm{\α}}{2}\cos \mathrm{\ψ}\cos \mathrm{\φ})(1+m^2-m\sqrt{2(1+\cos \frac{\mathrm{\α}}{2}\cos \mathrm{\ψ}\cos \mathrm{\φ})})}}\·d$

之关系；式中：m为粒子的相对折射率，λ为波长，d为粉尘粒子直径，实现激光相位多普勒粉尘粒子监测，其特征在于包括以下过程：采用两束相干入射光以α角汇聚于粉尘粒子流中，两入射光束与粒子流动方向共面，其角平分线与粒子流动方向垂直；两个APD探测器对称置于散射平面的ψ和-ψ的散射方向上，且散射平面与入射平面的夹角为φ，两个APD探测器接收粒子的散射光信号，该两个探测信号具有相同的频率和不同的相位，采用信号处理器提取信号的频率和两路信号的相位差，可获得了粉尘粒子的速度和直径信息，进而可获得单位时间内粉尘粒子的最大粒径、最小粒径、平均粒径，粒子分布、单位时间内的排放量和累积排放量信息。

2、按权利要求1所述的方法，其特征在于：散射平面与入射平面的夹角φ，在选择平行偏振光入射的条件下，φ角选取在20°～70°范围内；对折射率较大的粉尘粒子，φ角的选择应适当小一些；ψ角在空间允许的前提下选择2°～10°。

3、一种用于实现权利要求1方法的装置，其特征在于：包括光学探测系统和信号处理系统，所述的光学探测系统包括激光光源、起偏器、分束器、物镜和APD探测器；所述的信号处理系统包括预处理器、高速同步模数转换器、小波处理器、参数处理器、数据分析器和同步控制器。

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