CN201436583U

CN201436583U - 光散射式烟尘颗粒测量探针

Info

Publication number: CN201436583U
Application number: CN200920069484XU
Authority: CN
Inventors: 李俊峰; 任丽娜; 蔡小舒; 郑卫平; 沈建琪; 陈春生
Original assignee: No5 Research Institute Of Chemical Defence Of Pla; University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: No5 Research Institute Of Chemical Defence Of Pla; University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2009-03-27
Filing date: 2009-03-27
Publication date: 2010-04-07
Anticipated expiration: 2019-03-27

Abstract

本实用新型公开了一种光散射式烟尘颗粒测量探针，包括光源模块、光源端保护模块、测量区、探测端保护模块和探测模块，光源模块、光源端保护模块、测量区、探测端保护模块和探测模块依次集成在一个圆形管腔内，构成稳定的探针结构，光源模块和光源端保护模块从左侧插入圆形官腔，并与测量区左侧密配，探测端保护模块和探测模块从右侧插入圆形官腔，并与测量区右侧密配。本实用新型的有益效果是测量装置集成在探针中，探针可插入测量区域从而实现在线、实时检测，可实现同时对颗粒粒径分布和浓度进行测试，探针结构简单、工作状态稳定。

Description

光散射式烟尘颗粒测量探针

技术领域

本实用新型涉及一种检测仪表，特别涉及一种光散射式烟尘颗粒测量探针。

背景技术

光散射颗粒测量方法中前向散射法可测量分散在气体中的固体粉尘和液滴，也可测量分散在液体中的固体粉末和气泡，该技术主要发展为实验室仪器，无法实现在线测量。

发明内容

本实用新型是针对现有光散射颗粒测量方法无法在线测试的问题，提出了一种光散射式烟尘颗粒测量探针，可同时测量烟尘颗粒粒度分布和浓度的集成探针，用于气体中其他固体粉尘颗粒的在线测量。

本实用新型的技术方案为：一种光散射式烟尘颗粒测量探针，包括光源模块、光源端保护模块、测量区、探测端保护模块和探测模块，光源模块、光源端保护模块、测量区、探测端保护模块和探测模块依次集成在一个圆形管腔内，构成稳定的探针结构，光源模块和光源端保护模块从左侧插入圆形官腔，并与测量区左侧密配，探测端保护模块和探测模块从右侧插入圆形官腔，并与测量区右侧密配。

所述光源模块由半导体激光器、扩束器、滤光器、光束方向调整座、固定板、导线管道和光学玻璃窗口构成，半导体激光器输出的光束经扩束器扩束、滤光器过滤杂散光后经过光束方向调整座通过固定在固定板上的光学玻璃窗口射出一束平行单色光束，整个模块采用封闭结构。

所述探测模块由接收透镜、接收透镜固定座、环状多单元探测器、透射光探测器、信号处理电路、探测器调整座、保护气端口和信号接口构成，通过测量区的散射光经固定在接收透镜固定座上的接收透镜收集到探测模块中的位于接收透镜焦平面上的环状多单元光探测器上被探测，透射光被接收透透镜会聚到位于接收透镜焦点上的光探测器上被探测，测得信号经过信号处理电路处理后通过信号接口输出，环状多单元探测器和透射光探测器分别固定在探测器调整座上。

所述光源端保护模块和探测端保护模块均由导气管道和出气口构成。

所述测量区为一个长方体空腔，长度为数十毫米至数百毫米，烟尘颗粒可自由通过测量区。

本实用新型的有益效果在于：本实用新型光散射式烟尘颗粒测量探针，测量装置集成在探针中，探针可插入测量区域从而实现在线、实时检测，可实现同时对颗粒粒径分布和浓度进行测试，探针结构简单、工作状态稳定。

附图说明

图1是本实用新型光散射式烟尘颗粒测量探针原理示意图；

图2是本实用新型光散射式烟尘颗粒测量探针环状多单元探测器示意图；

图3是本实用新型光散射式烟尘颗粒测量探针实施例测量装置示意图；

图4是本实用新型光散射式烟尘颗粒测量探针光源模块示意图；

图5是本实用新型光散射式烟尘颗粒测量探针光源端保护模块示意图；

图6是本实用新型光散射式烟尘颗粒测量探针测量区示意图；

图7是本实用新型光散射式烟尘颗粒测量探针探测端保护模块示意图；

图8是本实用新型光散射式烟尘颗粒测量探针探测模块示意图。

具体实施方式

如图1所示原理示意图，利用颗粒对入射光的散射和吸收作用，探测平行光束照射下的前向散射光信号和透过率信号，由此得到颗粒的粒度分布和颗粒浓度信息。这种方法称为光散射颗粒测量法。可测量1微米到数百微米之间的颗粒粒径分布及其浓度。本实用新型的测量原理如图1所示，半导体激光器1输出的光束经扩束器2扩束、滤光器3过滤杂散光后形成直径为4-8毫米的单色平行光束，单色平行光照射到位于测量区的烟尘颗粒4上，产生散射和吸收现象。在光束传播方向附近的散射光称作前向散射光6，入射光经过烟尘颗粒测量区后的透射光7减弱，透射光与入射光的强度之比称作透过率。前向散射光经接收透镜5收集到位于接收透镜焦平面上的环状多单元光探测器8上被探测，透射光被接收透透镜会聚到位于接收透镜焦点上的光探测器9上被探测。散射光信号和透射光信号经信号处理电路放大处理后经A/D卡送计算机处理得到烟尘颗粒的粒度分布和浓度。

半导体激光器1输出的单色光的波长λ可为635纳米、650纳米或者532纳米，接收透镜的焦距为f，在60-1000毫米之间选取，环状多单元探测器由M个单元(如31或60)构成，如图2所示，其形状可为半圆形或者扇形，其某个单元的径向尺寸范围为(r_in，j，r_out，j)，总体尺寸范围(最小半径r_min和最大半径r_max)在0.05-35毫米之间选取。

环状多单元探测器的第j个单元上的散射光能分布E_j由下式表示：

E_{j} = Σ_{i = 1}^{N} t_{j, i} W_{i}

(j＝1，2，…，M)其中，W_i(i＝1，2，…，N)是烟尘颗粒按重量(或者体积)的粒度分布，序号i对应的颗粒粒度为x_i。

t_{j, i} = \frac{1}{x_{i}^{3}} {&Integral;}_{θ_{in, j}}^{θ_{out, j}} I_{sca, j} (θ, x_{i}) \sin θdθ

是可理论计算得到的矩阵元，I_sca，i(θ，x_i)是粒度为x_i的颗粒在散射角θ处的散射光信号，可由米氏理论或者夫琅和费衍射理论描述，积分限(θ_in，j，θ_out，j)可由探测器径向尺寸(r_in，j，r_out，j)和接收透镜焦距f计算，θ_in，j＝arctan(r_in，j/f)和θ_out，j＝arctan(r_out，j/f)。

在测量时，只要测得环状多单元探测器上的散射光能信号E_j(j＝1，2，...，M)，结合理论计算矩阵元t_j，i，即可通过数值运算计算得到颗粒粒度分布W_i(i＝1，2，...，N)。

通过测量入射光和透射光强度可得透过率T，再由以下公式计算可得烟尘颗粒的体积浓度C_V。

C_{V} = - \frac{4 π}{λ^{2} L} \ln T \frac{Σ_{i = 1}^{N} W_{i}}{Σ_{i = 1}^{N} x_{i}^{- 1} k_{ext} (x_{i}) W_{i}} \cdot K

其中L为测量区光程、k_ext为消光系数由米氏理论计算、K为烟尘颗粒非球形校正因子根据待测烟尘颗粒设定数值。在烟尘颗粒密度已知情况下，可由体积浓度计算重量浓度。

本实用新型的可测烟尘颗粒的粒度范围覆盖1微米到1千微米，具体由接收透镜的焦距f、环状多单元光探测器的径向尺寸(最小半径r_min和最大半径r_max)和光波长λ确定。最小和最大可测烟尘颗粒直径的估算值为：最小颗粒直径x_min＝0.432λf/r_max和最大颗粒直径x_max＝0.432λf/r_min。

结构组成：光散射式烟尘颗粒测量探针如图3所示，由光源模块10、光源端保护模块11、测量区12、探测端保护模块13和探测模块14组成，这些模块依次集成在一起，集成在一个壁厚8-12毫米的圆形管腔内，探针长度范围为500-3000毫米，可实施现场插入式测量，构成稳定的探针结构。

如图4所示光源模块10：由半导体激光器1、扩束器2、滤光器3、光束方向调整座15、固定板16、导线管道17和光学玻璃窗口18构成。半导体激光器1输出的光束经扩束器2扩束、滤光器3过滤杂散光后经过光束方向调整座15通过固定在固定板16上的光学玻璃窗口18射出一束平行单色光束，光束直径范围为4-8毫米，半导体激光器1的电线通过导线管道17接入光源模块10。整个模块采用封闭结构以防污染。

如图5所示光源端保护模块11：由导气管道19和出气口20构成，在光学玻璃窗口18两边各有一个导气管道19，导气管道靠近光学玻璃窗口18的地方各有一个出气口20，这样在附近形成一个保护气幕防止烟尘颗粒污染光学表面。

如图6所示测量区12：为一个长方体空腔，位于光学玻璃窗口18的后面，其主要尺寸是光在测量区中传播长度，烟尘颗粒可自由通过测量区，测量区宽度在束十毫米、长度(光程)范围为数十毫米至数百毫米。

如图7所示探测端保护模块13：由导气管道22和出气口21构成，接收透镜固定座23两边各有一个导气管道22，导气管道靠近接收透镜5的地方各有一个出气口21，这样在接收透镜5附近形成一个保护气幕防止烟尘颗粒污染光学表面。

如图8所示探测模块14：由接收透镜5、接收透镜固定座23、环状多单元探测器8、透射光探测器9、信号处理电路24、探测器调整座25、保护气端口26和信号接口27构成，用于探测多个散射角方向的散射光信号和透射光信号。通过测量区12的散射光经接收透镜5收集到探测模块14中的位于接收透镜焦平面上的环状多单元光探测器8上被探测，透射光被接收透透镜会聚到位于接收透镜焦点上的光探测器9上被探测，测得信号经过信号处理电路24处理后通过信号接口27输出，环状多单元探测器8和透射光探测器9分别固定在探测器调整座25上。

Claims

1.一种光散射式烟尘颗粒测量探针，其特征在于，包括光源模块、光源端保护模块、测量区、探测端保护模块和探测模块，光源模块、光源端保护模块、测量区、探测端保护模块和探测模块依次集成在一个圆形管腔内，构成稳定的探针结构，光源模块和光源端保护模块从左侧插入圆形官腔，并与测量区左侧密配，探测端保护模块和探测模块从右侧插入圆形官腔，并与测量区右侧密配。

2.根据权利要求1所述光散射式烟尘颗粒测量探针，其特征在于，所述光源模块由半导体激光器、扩束器、滤光器、光束方向调整座、固定板、导线管道和光学玻璃窗口构成，半导体激光器输出的光束经扩束器扩束、滤光器过滤杂散光后经过光束方向调整座通过固定在固定板上的光学玻璃窗口射出一束平行单色光束，整个模块采用封闭结构。

3.根据权利要求1所述光散射式烟尘颗粒测量探针，其特征在于，所述探测模块由接收透镜、接收透镜固定座、环状多单元探测器、透射光探测器、信号处理电路、探测器调整座、保护气端口和信号接口构成，通过测量区的散射光经固定在接收透镜固定座上的接收透镜收集到探测模块中的位于接收透镜焦平面上的环状多单元光探测器上被探测，透射光被接收透透镜会聚到位于接收透镜焦点上的光探测器上被探测，测得信号经过信号处理电路处理后通过信号接口输出，环状多单元探测器和透射光探测器分别固定在探测器调整座上。

4.根据权利要求1所述光散射式烟尘颗粒测量探针，其特征在于，所述光源端保护模块和探测端保护模块均由导气管道和出气口构成。

5.根据权利要求1所述光散射式烟尘颗粒测量探针，其特征在于，所述测量区为一个长方体空腔，长度为数十毫米至数百毫米，烟尘颗粒可自由通过测量区。