CN85109253B - 双光束对测粉尘浓度法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光学仪器，用于对各种物料粉尘的浓度进行自动和连续监测。其特征：Ａ，所选发射光源为两个激光器；Ｂ，所用检测方法是将该两激光分别通过同步动作的两组由光学取样器、光电检测器，前置放大器构成的光电转换系统，先后完成对其光源强度在透过粉尘前的自检和透过粉尘后的对测；Ｃ，而数据处理采用微计算机进行。因而本发明测浓精度高，综合误差低，测试结果不受外界多因素变化的影响，对元器件参数的稳定性要求不高，维护工作量少。

Description

双光束对测粉尘浓度法及其装置

本发明涉及一种光学仪器，是关于对各种物料粉尘浓度进行自动和连续监测的方法及其装置。

发明这种监测方法及其装置，旨在针对目前了解到的国内外关于物料粉尘浓度的测量方法及装置，无论在精度上，还是采用的原理上，均有这样那样的不足甚至缺点，直接影响到气、固两相流粉尘浓度的测量准确性，并且所用方法不十分可靠，因而研制出了双光束对测法的测试技术，并以此制作了激光智能粉尘浓度计。

总括目前世界上众多的监测装置所采用的测量方法，基本上分作两类：沉降法和非沉降法。沉降法的优点是可直接测量粉尘的质量浓度，但缺点一般不能做到连续和自动，精度也不高，且就目前多采用的等速取样法、冲击法、碰撞法、静电捕臬法等。其采样、测量、计算均得严格按规定程序进行，计算工作量大，时间长，操作繁杂，要求工况还须长时间稳定，因而它的使用具有很大的局限性;至非沉降法，是一种不直接接触粉尘的测量法，虽然可以做到连续和自动测量，但目前的已有技术中，因其中包含的影响测试结果的未知因素太多，故而使精度也并不很高，自然，准确性也难以保证。

本发明虽也是一种采用光学原理的非沉降法的测浓装置，但因采用了如下的三个技术结构特征，因而提高了测量精度，简化了测量手续，保证了测量的可靠性。

首先本发明采用单色、能量集中、方向性好的激光源，激光的引入提高了仪器的分辨率和测浓灵敏度。并因所选波长避开了近红外区，因而克服了粉尘中水份对示值的影响，也克服了因光源波长变化对示值精度的影响。

其次，本发明采用了双光束对测法的结构特点。这种结构与已有的单光束测量法和单光分解式测量法相比，提高了测量精度，扩大了测浓范围，并克服了光电检测器件性能变化、放大器参数变化、电源电压波动、发光器件衰老以及光学元件污染等的影响。

再次，本发明采用了微计算机进行数据处理，避开了通常的模拟仪表办法，实现了对信号的迅速、准确、连续的运算处理和直接显示打印各步骤运算结果。

因而，本发明方法是一个比较先进的技术构思，本发明装置是一个比较理想的测浓装置，实现了精、准、快的浓度测量，实现了自动和连续的技术要求。

根据本发明提供的测浓装置，它包括两个结构基本一致的发光检测系统和一个单板信号处理系统，其结构原理框图如图一所示，图中，1、1′为激光发射器，2、2′为扩束器，3、3′是光学取样器，4、4′是净化装置，5、5′是光电检测器，11为同步电机电源，6、6′为前置放大器，以上分别构成甲、乙两个发光检测系统。而微计算机7、打印机8、指示计录表9和电源10组成了单板机信号处理系统。

所述激光发射器1、1′，取氦、氖激光器，其功率大小随测浓范围可以是任意的，其激光束走向可以直线布置、也可以用三棱镜来转折。本装置采用了后一种形式。

所述扩束器2、2′，是一倒置的平行光管;由一凸凹镜组和一双凹透镜构成，是为了扩大激光束用以克服粉尘粒径分散度较宽对测浓精度的影响，扩大被测粉尘浓度的普遍性和代表性。本发明是将φ1mm的激光束扩大到了φ5mm。

所述光学取样器3、3′，是两个特殊结构的光学转盘，该两转盘的形状由图3给出，似一带把的盘盖。在盘的斜侧壁上，按90°间隔各开三个孔，直径方向上的两个孔a（a′）和c，（c′），可使光束径直通过，而过圆心与此径垂直的另一个孔b（b′），可使光束进入光学转盘内壁由对侧抛光镜面M（M′）反射。两光学取样器分置甲乙两个发光检测系统内，由同步装置带动并配合动作，即可在一个测量周期内，相继完成两个自检、两个对测的取样任务。

所述光电检测器5（包括18、19、20）和5′（包括18′、19′、20′）的结构由图4给出。它主要包括有，可改变测浓范围的变换拨盘18（18′），上开四个对称孔洞的反射光束接受帽19（19′）和将光信号转变为电信号的光敏元件20（20′）。本发明所选光敏元件为日本产A5型硒光电池，也可用普通国产硅光电池。

所述前置放大器6、6′，选用运算放大器，为与单板机接口，本发明采用电压输出形式，接受光电源输出的电压信号，其放大倍率随被测粉尘浓度可调。为确保单板机及接口芯片的使用安全，在前置板上还设置有限幅、保护回路。

以上激光器、扩束器、三棱镜组成了发光传递系统，而光学取样器，光电检测器（包含接受帽、变换拨盘和光敏元件）、前置放大器和保护回路组成了光电转换系统。

所述净化装置4、（4′），是两个多层喇叭状中心开孔的光栏通道，一般均装于被测粉尘管路的光通道上，用于减压被测粉尘和隔断其正压向外喷泄。

电源11，是供同步电机用的。本装置用一个同步电机，由它来带动一个发射自整角机和两个接受自整角机。电源与电机可置其中任一个发光检测装置内。电源10是供单板机用的。

所述单板机信号处理系统，可以是多种形式的，本装置主机选用TP-801B型微计算机，外围接口的A/D转换器采用“北工大”产的TP-801A/D转换板，数模转换器选用TP-801A/D板的一部分，输出设备采用本单板机上的六位LED数字显示器，并配有屏幕显示接口及显示器，或通过A/D带一台指示记录表并配用一台TPMP或TP-801P微型打印机定时打印或调打瞬时值。其软件功能、检测和运算程序使用了Z-80汇编语言，为提高精度，运算程序用浮点24位（三字节）编制。程序占用内存约3k，固化于EPROM中，另有几百字节的RAM作为数据缓冲及堆栈使用。

本装置经内部实测鉴定，用1mW激光器，当光程为3cm时，可测浓度上限为3.6mg/cm³。当光程为400cm时，可测浓度上限为0.027mg/cm³。而精度，整机综合误差＜±3%，重复性误差＜0.5%，而当光电参数变化时综合误差＜±3%。

议器的测浓周期视同步电机转速定，本装置选60转/分同步电机，所以测试周期为1秒，采用220V单相电源。由于测试过程属非接触测量，因而对介质的温度、压力等无特殊限制。

本装置能连续、自动和及时、准确地监测气、固两相流介质中的粉尘浓度，能用来准确评价各种除尘设备的效率、粉尘排放数量和环境污染程度;能用以研究各种粉尘工艺流程中的最佳运行工况;能在科研工作中，为提供粉尘浓度场的分布数据，进行合理设计和深入掌握气、固两相流态，提供测试手段。

本发明装置的附图说明及使用实例。

图2是该装置的光机结构图，图3～4为其局部放大图，图中标号上不加“，”的为甲测浓度计，加“，”的为乙测浓度计。

开启甲乙两激光发射器1和1′，均发射出直径为1mm、波长为6328

的氦、氖激光束，本浓度计的激光发射功率为2mW。测浓范围为0-27g/m³，两激光束的功率可以不相一致。

φ1mm的两束激光分别经甲侧三棱镜12-1，12-2和乙测三棱镜12′-1，12′-2作两次反射后，方向均改变180°，穿过扩束器2和2′扩大为φ5mm，射向各对应的光学取样器3和3′。

启动同步电机13，带动发射自整角机14并甲乙两个接受自整角机15和15′以及甲乙两光学取样器3及3′，按编定的程序同步动作，即可在一个测量周期内完成如下的四个检测功能：

（1）甲侧激光发射器1的强度自检。其过程是，在1/4的周期内，扩束后的激光束I₁通过光学取样器3上的第二个孔洞b射向同一取样器对面内壁镜面M上进行反射，经测浓变换转盘18的对应孔和反射光接受帽19的光栏孔入射到光敏元件20上，产生一光电动势，又经前置放大器6放大后得一甲侧输出电压信号E₁此时乙侧激光发射器1′的被扩束后的激光束I₂直穿取样器3′的a′、c′孔洞，再穿净化器4′和4以及被测粉尘射到甲侧取样器3上，但被M反射面的背壁阻挡。

（2）乙侧激光发射器1′的强度自检。工作过程同（1），即在1/2的周期内，扩束后的激光束I₂，通过取样器3′的第二个孔洞b′，射向自身取样器对面内壁的M′镜面上进行反射，经变换转盘18′的光栏孔和接受帽19′的对应孔入射到光敏元件20′上，产生另一光电动势并经前置放大器6′放大后得乙侧输出电压信号E₂，此时甲侧激光放大器1的被扩束后的激光束I₁直穿取样器3的a、c孔洞，再穿净化器4和4′以及被测粉尘直射到乙侧取样器3′的M′镜面背壁，但也被阻挡。

（3）乙侧激光发射器1的激光透过粉尘后的强度对测。当进入3/4的周期内时，甲侧光学取样器3转到与动作（1）相反的位置，乙侧光学取样器3′则转到能使激光束I₂通过c′、a′孔的位置。此时甲侧射来的I₁激光束被取样器3′阻挡，而乙侧的I₂激光束则穿过c′、a′孔射向净化器4′，透过被测粉尘又经净化器4出来，入甲侧取样器3的b孔，射到对面的M镜面上，被反射到光电检测器5内产生另一光电动势，又经前置放大器6放大后，得一被衰减后的由乙侧发射，甲侧接受的对测粉尘电压信号E₁′。

（4）甲侧激光发射器1的激光透过粉尘后的强度对测。工作过程同（3）。即当进入一个周期时，光学取样器3′转到了与动作（2）相反的位置，而光学取样器3又转到了能使激光束I₁通过的c、a孔位置。此时，射来的乙侧I₂激光束被取样器3′阻挡，甲侧I₁激光束则穿过c、a孔射入净化器4，透过被测粉尘又经净化器4′出来，穿取样器3′的b′孔，射向其对面的M′反射镜面，被反射到光电检测器5′内，产生的光电动势经前置放大器6′放大后则得由甲侧发射、乙侧接受的被衰减后的E₂′输出电压信号。

在这个工作周期内的以上四个电压信号，按计算公式T＝

编定的程序相继送入单板机内，则可得到被测气流粉尘的透光率T。将此结果，再按ln1/T＝k91公式编程运算，即可得粉尘浓度的指示值。

当同步电机进入第一个周期时，即可重复上述检测过程得到第二周期的测量结果。如此周而复始地重复下去，即可实现连续、自动地监测。

考虑激光束进入取样器的孔洞时，光照面积有一个由少到多，又由多到少的变化过程;这将影响到计算机采样的精度，为此，在每个孔洞前，均另设置一个小的光电转换器16，作为计算机的同步采样信号，此转换器的光信号可用一小条状全反镜折射引入，在时间上超前E₁、E₂几毫秒，这样即可达到供计算机对测量波形的同步识别和准备采样之目的。

测浓变换拨盘上的四个对应孔，有两个相邻孔是用于对测的，这两孔不加任何滤色片;另两个相邻孔则是用于自检的，其中一个不加滤色片，一个加滤色片。作用在于根据粉尘浓度来变换测浓范围。变换靠机械办法，手柄置装置面板上。

测量周期，根据需要可选用不同转速的同步电机来确定。

本发明由于采用了双光束对测法，所以消除了单光束吸收法影响测量精度的几个主要因素。使光源强度的变化、电源电压的波动、光电接受器电气参数的变化，以及光学元件的污染，均对测量结果无影响。更换光源也无需重新刻度。

本发明由于采用了激光源，大大提高了仪器的分辨率和灵敏度。就本装置样机采用1mW氦氖激光源言，可测量光程为4米宽浓度上限为27g/m³的烟道烟尘浓度，而用白炽灯作光源，欲测同样光程的烟尘浓度所需白炽灯功率为800W以上。另外，激光源的利用，还降低了气流中水份对测量精度的影响。

本发明由于采用上述做法并配合以计算机作数据处理，使整个装置，另具有如下一些优点：

（1）精度高，不受外界多因素变化的影响。整机精度优于±3%，重复性优于0.5%。

（2）光、机、电及计算机综合误差低。本装置按国家计量院标定的专用标准试样做标准进行静态标定，在两侧光强及放大倍数相同时，最大误差≤±2.5%，最大重复性误差＜0.5%，两侧光强及放大倍数不对称时最大误差≤±2%，两侧光强相同而光电转换系数相差30%（包括电源、电压波动、光电检测器性能变化，放大器元件衰老，环境温度变化等）最大误差≤2.05%;两侧光电转换系数相同而光强相差33%（包括电源电压变化，激光管更换及激光电源变化，光学元件污染等）最大误差≤1.7%。

（3）整个采样系统的结构及软件设计紧凑，对光电元器件参数的稳定性要求不高，便于调整，操作简单，使用方便，维护工作量少。

本发明可用于对各种行业的有粉尘排放的环境浓度进行自动连续监测。也可用于试验室对气固两相流的研究，在环境保护和大气污染监测方面提供了新的监测手段。

本发明所用同步光学取样器，可用光电开关来代替。这种光电开关是一种特制的光电元件，即当有光照时便产生一电压信号，此电压信号的大小随光照强度成正比变化。光照消失此电压也立即回零。如采用了此光电转换技术将使结构大大简化，维护量更小。

Claims (8)

1、一种用激光作光源来监测各种物料粉尘浓度的浓度测量法，其特征在于测量时是采用两束激光在粉尘流的两侧，称作甲乙侧进行对测，其过程是在一个测量的周期内，利用两个结构一样的光电检测转换系统，分置被测粉尘流的两侧对称排放，将光束调制成脉冲式，由一个低速单相同步电机，带动自整角机和光学取样器同步动作，按甲侧自检、乙侧也自检，乙侧发射由甲侧接收的对测和甲侧发射由乙侧也接收的对测之顺序与步骤，使对测时各自接收到的对方被衰减的脉冲讯号E′₁、E′₂，与原自检时未衰减的脉冲讯号E₁、E₂按T＝

和ln1/T＝kp1公式（式中：T为粉尘的透光率，k为吸收系数，p为粉尘浓度，l为粉尘厚度），编定运算程序，通过微计算机处理而测得粉尘浓度值。

2、一种用于双光束对测粉尘浓度法的装置，其特征在于两束激光通过的两光电检测系统，分置被测粉尘流的两侧，对称排放，每组是由光学取样器3（3′）、光电检测器5（5′）和前置放大器6（6′）所构成。其中光学取样器3（3′）是两个特殊结构的光学转盘，该两转盘似一带把的盘盖，在盘斜侧壁上按90°间隔各开三个孔，直径方向上的两个孔a（a′）和c（c′）可使光束经直通过，过圆心垂直该直径方向上的另一个孔b（b′）可使光束进入转盘内壁对侧的抛光镜而M（M′）;两光电检测器5（5′）主要是由在上均开四个对称孔洞，可改变测浓范围的变换转盘18（18′）和反射光束接受帽19（19′）以及光敏元件20（20′）组成，测浓变换转盘上的四个孔，两个相邻孔用于对测，另两个相邻孔则用于自检;对于前置放大器6（6′），采用普通运算放大的电压输出形式与单板机接口，放大倍率视被测粉尘浓度可调。

3、按权利要求项2所述的测浓装置，其特征在于所用的激光束，功率大小随测浓度范围可以是任意的，但在0～27g/m³范围内以选2mW为宜，其光束走向可以直线布置，也可以用三棱镜来转折，本装置采用两个三棱镜转折使方向改变了180°。

4、按权利要求项3所述的测浓装置，其特征在于激光在测量前要进行扩束，扩束是由一凸凹镜组和一双凹透镜构成的平行光管来完成。

5、按权利要求项3或4所述的测浓装置，其特征在于被测粉尘管路的光通道上，加装粉尘净化器，该净化器由多层中开孔喇叭状光栏构成。

6、按权利要求项2所述的测浓装置，其中取样器上的每个孔洞前另装一个附加光电转换器，该转换器可以保证微机对同步信号的同步识别和准备采样，由一小条状全反射镜来制作。

7、按权利要求项2所述的测浓装置，其中所用的同步光学取样器，可用光电开关来代替，该光电开关是一种特制的光电元件，有光照即有电压讯号，该电压讯号随光照强度正比变化。

8、按权利要求2～7中的任一个权利要求所述的测浓装置，其特征在于经光电转换系统获得的所有放大电压信号是采用微计算机作数据处理。该微机可以是多种形式的，软件功能可以使用多种程序语言，本装置主机选TP-801A/B微计算机，外围接口的A/D转换器选TP-801A/D转换板，数模转换器选TP-801A/D的一部分，输出设备采用本单板机上的六位LED数字显示器，并配有屏幕显示接口及显示器，或通过D/A带一台指示记录表并配用一台TPM或TP-801P微型打印机，定时打印或调打瞬时值，软件功能、检测和运算程序使用Z-80汇编语言，用浮点24位（三字节）编制。程序占用内存3k，固化于EPROM中，另有几百字节的RAM作为数据缓冲及堆栈使用。

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