CN1959373A - 光学流速颗粒物浓度测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学流速颗粒物浓度测量方法与装置，包括有发光二极管和调制电路，发光二极管的前方安装有二个光电二极管探测器，光电二极管探测器将信号分别经过放大、检波电路后，接入低频带通滤波器a、b，低频带通滤波器a、b输出的信号分别经过A/D模数转换接入计算机数据处理系统。由计算机采样、处理，计算两路信号的互相关，最后由最大互相关的时间延迟计算出流速；同时，信号经低频带通滤波器a和A/D模数转换后，计算颗粒物浓度。将烟气流流速和颗粒物浓度测量结合在一起，简化了仪器结构，降低了成本，同时能提供颗粒物排放的必须数据，因而更具实用性和使用价值。

Description

光学流速颗粒物浓度测量方法及装置

技术领域

本发明属于一种光学测量方法与仪器，具体是光学流速颗粒物浓度的闪烁测量方法与装置。

背景技术

颗粒物是大气最重要的污染物之一，燃煤发电厂、水泥厂、金属冶炼厂等排放的烟气是大气中颗粒物和污染气体的主要来源，在今后相当长的时期内都是这样。要控制、治理污染必须对这些企业的污染物排放实行在线连续监测。

国外对用不透光度测量颗粒物浓度等方法做了长期的研究，这些方法对光源要求很高，技术上比较复杂，因而成本高，不易维护。现场检验表明，这些方法的测量精度并不高。闪烁法测量烟尘浓度，由于和平均光强无关，因此相比其他方法不仅成本低、便于维护，而且精度也比较高。没有活动机械部分，可靠性高，因此有更大的优势。目前已有用闪烁法测量颗粒物浓度的仪器。

用光闪烁互相关测量烟气流速的方法，是一种较为先进的方法。由于它的非介入性，减小了维护保养的时间、增加了使用寿命，并且能在非常极端的情况如易爆、高温、高腐蚀环境下使用，这种流速测量的方法和温度、压力、湿度、透光度无关，同样没有活动机械部分。Optical Scientific Inc.的光闪烁流速传感器(OFS2000)到目前为止，该公司仍是唯一生产光学流速传感器的厂家。光学流速测量方法还可以在其它管道的流速测量中应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种光学流速颗粒物浓度测量方法及装置，使用光闪烁信号，同时测量烟气流的流速和颗粒物的浓度。和已有技术仪器相比，不仅简化了仪器的结构，降低了成本，而且因数据配套，从而提高了实用性。

本发明的技术方案如下：

光学流速颗粒物浓度测量方法，其特征是将发光二极管经高频调制后发出的光，经透镜发射，光束穿过烟气流后，由两个透镜分别汇聚到透镜后的光电二极管探测器，探测器取得的两个被调制的电信号分别放大、检波，检波后信号强度的变化和光强相对变化一致，即为光闪烁信号；低频带通滤波器a、b将光闪烁信号进一步放大并去除直流成分，再经A/D模数转换，由计算机采样、处理，计算两路信号的互相关，最后由最大互相关的时间延迟计算出流速；同时，信号经低频带通滤波器a和A/D模数转换后，计算颗粒物浓度。

光学流速颗粒物浓度测量装置，包括有发光二极管和调制电路，其特征在发光二极管的前方安装有二个光电二极管探测器，光电二极管探测器将信号分别经过放大、检波电路后，接入低频带通滤波器a、b，低频带通滤波器a、b输出的信号分别经过A/D模数转换接入计算机数据处理系统。

测量原理

利用介质在流动中产生的随时间随机变化的信号，在运动方向两个距离已知测量点上的互相关，来计算介质的运动速度，这种方法已被广泛使用和研究。早先由光闪烁相关测速的方法是被用于大气中风速的测量，同时建立了相应的理论，这时的闪烁是由光束所通过介质的折射率湍流产生的。后来这种方法被用于烟道流速的测量，在高温烟气流中有较强的折射率湍流存在。在流动方向两个距离已知的测量点上，在平稳，均匀的假定下，互相关系数可以写成

$B(\mathrm{\&rho;},\mathrm{\&tau;})=\frac{<I(r+\mathrm{\&rho;},t+\mathrm{\&tau;})I(r,t)>-<I(r,t){>}^2}{<I(r,t){>}^2}---\left(1\right)$

式中I表示光强，r为流动方向的坐标，t为时间，ρ为两测点间的距离，τ为计算相关时所取时间延迟，角括号表示系综平均。假定介质的光散射特性在流动过程中完全不变，于是就得到相关特性随流动传播的表达式，即

B(ρ，τ)＝B(ρ-υτ)                (2)

式中υ为流动的平均速度。即使介质不是“冻结的”，只要介质局部的流动速度远小于总体平均运动速度，这个假定即可成立。利用(2)式可以测量介质的流速，有三类方法：利用相关曲线的特征点，例如最大互相关即

ρ-υτ＝0                           (3)

时的相关，互相关曲线和自相关曲线的交点等推算流速υ；斜率法，也叫梯度相关法，由互相关函数在τ＝0时的导数推算出流速υ。这种方法可以避免流速起伏对测量结果的影响，常在大气风速的测量中使用；最后是利用互相关函数的积分和流速的关系推算出流速。后一种方法是OFS2000流速计所采用的，其最大优点是能够在强干扰、低信噪比情况下工作。但发现这种方法在流速小于5m/s时，测量的流速偏低。我们采用传统的最大互相关法，同时解决了强干扰、低信噪比的问题。

浓度测量原理如下：实验表明，通过烟气流的光强起伏和颗粒物浓度之间存在稳定的线性关系

$\frac{\mathrm{\&delta;I}}{<I>}={\mathrm{am}}_0---\left(4\right)$

式中<I>为平均光强，δI为光强起伏的标准差，m₀为颗粒物浓度，a为比例系数。a和烟道内径等因素有关，可由称重法标定的闪烁强度-颗粒物浓度曲线给出，也可以使用仪器给出的经验值。因此(4)式可以作为浓度测量的基础。

发光二极管经高频调制后发出的光，经透镜发射，光束穿过烟气流后，由两个距离已知的透镜汇聚到相应的光电二极管探测器，探测器取得的两个被调制的电信号分别放大、检波，检波后信号强度的变化和光强的相对变化一致，即所谓光闪烁信号。低频带通滤波器a、b将信号进一步放大并去除直流成分，再经A/D模数转换，由计算机采样、处理，计算两路信号的互相关，最后由最大互相关点的时间延迟按式(3)计算出流速；同时，信号经低频带通滤波器a和A/D模数转换后，由(4)式计算颗粒物浓度。

技术特点

1、仪器具有光学方法测量气流流速的特点，能在非常极端的情况如易爆、高温、高腐蚀环境下使用，这种流速测量的方法和温度、压力、湿度、透光度无关。能在窗口轻度污染的情况下正常工作，没有活动机械部分，采用发光二极管做光源成本低，寿命长，易维护。

2、同时具有闪烁测量颗粒物浓度仪器的特点，因浓度仅和光强相对变化的标准差有关，因而对光源的要求低，不需要参考光，在光窗轻度污染情况下也能正常工作，维护成本低。仪器线性度好，测量精度高。

3、将烟气流流速和颗粒物浓度测量结合在一起，简化了仪器结构，降低了成本，同时能提供颗粒物排放的必须数据，因而更具实用性和使用价值。

4、采用计算机处理数据，具有更大的灵活性，方便仪器的维修，便于软件升级，优化人机界面的功能。

附图说明

图1是本发明装置光路结构示意图。

图2本发明装置风洞测量结果，横坐标为皮托管测量的流速。

图3本发明装置的流速测量结果，2005年4月17-18日，铜陵电厂，锅炉和鼓风机未工作。

图4本发明装置的流速测量结果，2005年9月1-2日，铜陵电厂，锅炉和鼓风机工作。实线为皮托管测量值.，虚线为光学流速浓度仪测量值。

图5本发明装置对颗粒物浓度和光闪烁的测量结果，浓度由称重法测量。

具体实施方式

本发明的方法与装置参见图1。并用于以下测量。

1、流速测量

本发明测量装置首先在风洞中实验。风洞标定误差为0.1+V×1％(m/s)，其精度满足需要。

图2给出了本发明装置的风洞测量结果。流速仪和皮托管测量值的差小于风洞标定误差。

图3给出了本发明装置在铜陵电厂烟道在锅炉和鼓风机未工作时的测速结果，时间经历了24小时，因鼓风机停止工作，折射率湍流很弱。计算相关时只用了10秒的数据，部分数据最大相关小于0.02，在图中没有标出。

图4铜陵发电厂烟道流速测量结果，2005年9月1-2日，锅炉和鼓风机工作。实线为皮托管测量值.，虚线为光学流速浓度仪测量值。

2、颗粒物浓度测量

图5给出了铜陵电厂烟道2005年4月和9月的两次测量结果。4月14日采样时间10分钟，9月1日采样时间改为4分钟。4月18日铜陵电厂发电设备停止发电一个月进行检修。颗粒物浓度用称重法测量，称重在铜陵市环保局完成(使用Sartorius BP211D)。

结果表明，颗粒物浓度和闪烁强度之间有稳定的线性关系。发电设备经检修后颗粒物浓度平均下降了一倍，但比例系数没有明显的变化。拟合直线过零点表明可以较准确地测量低浓度，拟合曲线相关系数为0.95。

本发明装置主要性能指标

测量距离：0.5～10m

测速：范围0.1～40m/s，精度0.1+5％V，单次平均时间10秒～30秒(可选)，滚动平均次数(可选)

颗粒物浓度：范围5～3000mg/m³(测量距离5m)，噪声＜3mg/m³，(测量距离＝5m时)，精度＜15％(包含实际的称重误差)(市场出售的仪器不给出这个指标)，平均时间10秒～30秒(可选)

Claims (2)

1、光学流速颗粒物浓度测量方法，其特征是将发光二极管经高频调制后发出的光，经透镜发射，光束穿过烟气流后，由两个透镜分别汇聚到透镜后的光电二极管探测器，探测器取得的两个被调制的电信号分别放大、检波，检波后信号强度的变化和光强相对变化一致，即为光闪烁信号；低频带通滤波器a、b将光闪烁信号进一步放大并去除直流成分，再经A/D模数转换，由计算机采样、处理，计算两路信号的互相关，最后由最大互相关的时间延迟计算出流速；同时，信号经低频带通滤波器a和A/D模数转换后，计算颗粒物浓度。

2、光学流速颗粒物浓度测量装置，包括有发光二极管和调制电路，其特征在发光二极管的前方安装有二个光电二极管探测器，光电二极管探测器将信号分别经过放大、检波电路后，接入低频带通滤波器a、b，低频带通滤波器a、b输出的信号分别经过A/D模数转换接入计算机数据处理系统。

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