一种新型激光粉尘浓度在线测量仪的研究

第28卷　第6期2007年6月

仪器仪表学报

ChineseJournalofScientificInstrument

Vol128No16Jun.2007

一种新型激光粉尘浓度在线测量仪的研究

潘　琦,赵延军,汤光华,许传龙王式民

(东南大学能源与环境学院　摘　要:,可直接测量浓度。,,具有浓度的实时LED显示和数模输出功能,,可在单片机的控制下进行在线标定和在线光路对中,,,可满足实时在线测量粉尘浓度的要求。

关键词:粉尘浓度;光散射;在线标定

中图分类号:TK934文献标识码:A　　国家标准学科分类码:460.40

Studyofanovelinstrumentforon2linesootconcentrationmeasurement

PanQi,ZhaoYanjun,TangGuanghua,XuChuanlong,WangShimin

(CollegeofEnvironmentandEnergy,SoutheastUniversity,Nanjing210096,China)

Abstract:Anovelmethodforsootconcentrationmeasurementispresentedinthispaper.Themethodisbasedonlightscatteringprinciple,andcanmeasuresootconcentrationdirectlywithoutthepre2knowledgeofthemeanparticlesize.Aninstrumentforon2linesootconcentrationmeasurementwasdevelopedusingthisnewmethod.Theinstru2mentisbasedonasingle2chipmicrocomputer8031,andcangivereal2timesootconcentrationvalueonitsLEDdis2playandDAoutputaswell.Theconcentrationvaluecanbestoredinanindustrialcontrolcomputerthroughserialcommunication.Theinstrumenthasadistinctopticstructure,whichcanrealizeon2linecalibrationandon2linealign2mentunderthecontrolof8031.Aprototypeinstrumenthasbeenappliedtothereal2timemeasurementofsootemis2sionsinasteelworks.Measurementresultsprovethattheinstrumenthasgoodsensitivityandreliability,whichsatis2fiesthereal2timesootconcentrationmeasurementrequirement.

Keywords:sootconcentration;measurement;lightscattering;on2linecalibration

测量速度较慢、结构复杂、可靠性较低及成本较高等。

针对上述问题,本文提出了一种基于光散射原理的排烟粉尘浓度在线测量新方法,可直接测得粉尘浓度而无需预知粉尘粒径;并研制了一套基于新方法的粉尘浓度在线测量仪,依靠独特的光学构造和软件控制,可实现在线标定和在线光路对中。

[124]

1　引　　言

大气粉尘污染的日益加剧需要对工业粉尘排放进行

严格监控,粉尘浓度在线监测对实现国家环保粉尘总量控制有极其重要的意义。光学法是目前粉尘浓度在线测量采用最多的方法。传统的光学法基于郎伯2比尔定理,又称消光法或浊度法,实际上测量的是粉尘的浊度。浊度和浓度是2个不同的概念,由浊度转换成浓度必须知道粉尘颗粒的平均尺寸,因此,应用浊度法在线测量排烟粉尘浓度需预先测得粉尘颗粒的平均粒径,导致仪器的

　收稿日期:2006207　　ReceivedDate:2006207

2　测量原理

依据Fraunhofer衍射理论:对于粒径分布为f(a)的

颗粒群,若满足不相关单散射条件,则前向小角范围内散

　第6期潘　琦等:一种新型激光粉尘浓度在线测量仪的研究

[5]

　1071

射角为θ处的散射光强可表示为

)=I(θ

I0

∞

20

2

1

2

:

(1)

θ)af(a)daJ(ka

θ∫

)是散射角为θ式中:I0是入射光强,I(θ处的散射光强,J1是第一类Bessel函数,a为粒径,f(a)是粒径尺寸分

[6]

布函数,将式(1)进行积分反演变换可得:

2∞3θ)Y1(kaθ)[θθf(a)=-J1(ka]d

θa0dI0

图2所示。可以看出,在平均粒径较小时,比值曲线斜率

较大,即与粒径存在较强依赖关系,但随着粒径的增加,这种依赖关系逐渐减弱直至消失,当平均粒径由50μm变为200μm,比值相对变化小于3.2%,符合颗粒浓度测量的误差指标。

因此当入射光强恒定时,而式

(∫

(2)

式中:Y1是第二类Bessel函数,k为波数。续分布的气固两相流,∞3Cv=

3sAL

af(a)d∫

(3)

式中:s将式(2)代

[7]

入式(3),根据,经过一定的积分变

换,则可得到有关颗粒体积浓度的一种新的解析表达式:

∞

∞())(θ=Cθ(4)Cv=dd

ksAL

I

I

从式(4)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。实际测量中,无限角度无法取

到,假设光学系统最大接收角度为8°,用Mie散射理论对式(4)进行数值模拟验证,结果如图1所示。从图1可以看出,在不同粒径下,模拟结果近似为一水平直线,即散射光强在前向小角的积分与颗粒浓度的比值始终为定值,而与粒径无关。这是因为对于粒径在10～200μm范围内的颗粒,散射光能量大部分集中于前向小角范围内,只需保证散射角的积分上限达到8°,式(4)依然成立。

3.1　系统组成

图2　光通量角度积分与浓度比值的数值模拟

Fig.2Simulationoftheratiobetweenthelightflux2angleintegralandtheconcentration

3　硬件设计

激光粉尘浓度在线测量仪主要由发射单元、接收单

元和单片机控制单元组成,发射单元和接收单元通过标准法兰安装在现场被测烟道上。仪器测量光路如图3所示,发射单元中的半导体激光器发射激光,经准直后被半透半反棱镜分为2束:反射光束由传感器1接收,作为入射光信号I0;透射光束穿过烟道,经被测气流中的粉尘散射后进入接收单元,成为由散射光和部分未散射的透射光所组成的复合光。复合光再经半透半反镜分束,透射光束被传感器2接收,作为复合光信号I1;反射光束经过

图1　光强角度积分与浓度比值的数值模拟

Fig.1Simulationoftheratiobetweenthelightintensity2angleintegralandtheconcentration

由聚焦透镜与位于透镜焦平面的小针孔挡板构成的空间

滤波器,透射光是准直的平行光,能顺利通过小孔被传感器3接收,作为透射光信号I2;而散射光方向杂乱,经过透镜后绝大部分不能通过小孔而被滤除。光电传感器的输出电信号与输入光通量成正比,因此I1与I2的差即为前向小角内接收到的散射光通量信号,测得的信号传输到单片机控制单元,经计算处理即可获得粉尘浓度。单片机控制单元是系统的核心部分,如图4所示,包括信号处理电路、单片机、LED显示、4～20mA模拟输出

实际测量中,光电传感器测得的通常是某一立体角内的散射光通量,用

Mie散射理论对前向8°角内的散射

光通量与颗粒浓度的比值做数值模拟,模拟选取2种颗粒分布形式,采用Johnson2SB函数为分布模式

[8]

,结果如

　1072仪　器　仪　表　学　报第28卷

电路和继电器控制等。传感器测得的电信号经信号处理模数转换成数字信号后送入8031单片机,经数据处理后得到实时浓度值,浓度值由LED显示同时数模转换为

4～20mA的标准电流输出,并通过串口通信送至上位机

中在线存储。单片机根据上位机反馈的相关命令,进行参数调整、

在线标定以及光路对中。

图3　激光粉尘浓度在线测量仪测量光路图

Fig.3Theopticalpathoftheonlinesootconcentrationmeasurementinstru

ment

总线的差分总线收发器Max481与上位机进行串口通信,通过G5V22型继电器与直流异步电机驱动模块对标定系统进行操作。整个系统由看门狗芯片Max705进行电源监控和死循环复位保护。为了防止干扰,单片机与继电器之间通过 …… 此处隐藏：3382字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……