基于前散射的超低煙塵濃度檢測(cè)儀研究

張振興，蘇 征

（1.中科天融（北京）科技有限公司 北京 100085；2.河北工程大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，河北 邯鄲 056038）

基于前散射的超低煙塵濃度檢測(cè)儀研究

張振興1，蘇 征2

（1.中科天融（北京）科技有限公司 北京 100085；2.河北工程大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，河北 邯鄲 056038）

針對(duì)目前超低排放改造后的超低煙塵濃度檢測(cè)，采用了對(duì)超低濃度煙塵變化靈敏度高的激光前散射技術(shù)，通過光電轉(zhuǎn)換和信號(hào)放大，以C8051f320為核心，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)對(duì)超低煙塵濃度的自動(dòng)檢測(cè)；現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明，該儀器符合目前對(duì)超低煙塵的測(cè)量要求，精度較高，靈敏度能達(dá)到0.1 mg/m3。并詳細(xì)介紹了光路結(jié)構(gòu)以及軟件和硬件電路的組成及實(shí)現(xiàn)。

前散射；超低煙塵；光電技術(shù)；濃度檢測(cè)

Abstract:This text applied Laser Light Scattering System Technology with high sensitivity to the change of ultra-low dust concentration to detect the super ultra-low dust concentration after the transformation.Through photoelectric conversion and signal amplification， C8051f320 as the core，， we achieved realtime automatic detection of ultra-low dust concentration.The spot test showed that this instrument consistent with the current measurement requirements with high accuracy，and the level of sensitivity could attain 0.1 mg/m3.Light path structure and the composition and implementation of software and hardware circuits were introduced in detail.

Key words:forward scatter； ultra-low dust； optoelectronic technology； concentration detection

目前我國(guó)對(duì)環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的要求越來越嚴(yán)格[1]，煙塵排放從早期的50毫克/立方米到目前的5毫克/立方米[2]，燃煤火電廠等領(lǐng)域相應(yīng)的超低排放除塵系統(tǒng)已逐步改造升級(jí)[3]。與其相隨的超低煙塵顆粒濃度在線、實(shí)時(shí)檢測(cè)技術(shù)，目前還存在檢測(cè)量程過大、精度不高等缺陷。本文利用前散射對(duì)超低濃度煙塵變化靈敏度高[4-5]，以及經(jīng)過顆粒物前散射后的光強(qiáng)度與顆粒物濃度成正比的特點(diǎn)[6]，設(shè)計(jì)了一種基于激光前散射的超低煙塵濃度檢測(cè)儀。該檢測(cè)儀能實(shí)時(shí)檢測(cè)超低煙塵的濃度，并通過串口屏顯示，可有效應(yīng)用于多領(lǐng)域的超低煙塵檢測(cè)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

1.1 光學(xué)測(cè)量原理設(shè)計(jì)

由于前散射的靈敏度很高，且散射光強(qiáng)度與粉塵濃度成良好的一次線性關(guān)系，因此其非常適合應(yīng)用于超低濃度粉塵測(cè)量。其測(cè)量原理如圖1所示，使用波長(zhǎng)約為650 nm可見光范圍的激光光束，照射氣流中的灰塵顆粒物，散射后被檢測(cè)器接收。激光的正前方設(shè)計(jì)有激光光阱用于雜光的吸收。檢測(cè)器要求靈敏度高，安裝位置與激光光抽的夾角為0～90°，實(shí)際實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)激光光軸與檢測(cè)器的夾角不同，散射光對(duì)粉塵的靈敏度不同，本設(shè)計(jì)綜合考慮后設(shè)計(jì)檢測(cè)器與激光光軸夾角約為15°。此外設(shè)計(jì)要求激光光束與檢測(cè)器接收孔之間的交叉點(diǎn)必須限定在圖1所示的測(cè)量區(qū)域內(nèi)。

圖1 光學(xué)測(cè)量原理

1.2 控制方案設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的組成主要有C8051F320微控器、激光調(diào)制電路、信號(hào)檢測(cè)電路、雙串口通訊電路、電源電路?？刂葡到y(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)的總體框圖

控制系統(tǒng)以C8051f320為核心，通過激光橫流調(diào)制電路穩(wěn)定光束強(qiáng)度，由高靈敏度硅光電二極管接收顆粒物散射光，進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換[7]，然后經(jīng)過信號(hào)調(diào)制解調(diào)后，由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最后顯示在LCD液晶屏上。另外系統(tǒng)設(shè)計(jì)了RS485通訊電路用以系統(tǒng)的外擴(kuò)，增加產(chǎn)品的適用范圍。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

C8051F320單片機(jī)內(nèi)置有兩個(gè)UART串口[6]，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)雙串口訊通電路提供了可能。系統(tǒng)選用了串口LCD液晶屏實(shí)時(shí)顯示超低煙塵濃度；通過另一個(gè)串口設(shè)計(jì)了RS485通訊電路，用于遠(yuǎn)程通訊；電源電路主要為系統(tǒng)提供工作電源。本文重點(diǎn)介紹系統(tǒng)關(guān)鍵硬件電路的設(shè)計(jì)。

2.1 檢測(cè)器單元設(shè)計(jì)

光路系統(tǒng)采用前散射工作原理，檢測(cè)器能接收到的光強(qiáng)很微弱，檢測(cè)到的電流一般為nA級(jí)別，并且要求其對(duì)650 nm波長(zhǎng)的光具有較高的靈敏度，因此對(duì)檢測(cè)器的選型要求較高。該系統(tǒng)綜合考慮選用濱松硅光電二極管S2386，該檢測(cè)器在可見光至近紅外范圍具有高靈敏度，如圖3所示，在650 nm處靈敏度達(dá)到0.45 A/W；并且暗電流低，反向電壓10 V時(shí)，其暗電流為100 PA，如圖4所示。此外該檢測(cè)器溫漂小、可靠性高、線性度卓越，因此非常適用于該裝置的檢測(cè)。

2.2 信號(hào)檢測(cè)電路

根據(jù)散射光強(qiáng)度特點(diǎn)選用的S2386硅光電二極管檢測(cè)器所產(chǎn)生的電流級(jí)別為nA，因此需要對(duì)其進(jìn)行I/V轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時(shí)放大器應(yīng)該選擇具有極低的輸入偏流和極高的輸入阻抗，共模抑制比比較高的電流型放大器，可提高系統(tǒng)的測(cè)量精度[8-9]。在電壓放大之前應(yīng)進(jìn)行工頻陷阱濾波以及低通巴特沃斯濾波，增加系統(tǒng)的抗干擾能力。然后根據(jù)AD轉(zhuǎn)換芯片的特點(diǎn)放大電壓信號(hào)，此裝置選擇的16位逐次逼近型AD芯片LTC1864，采用單5 V工作電源，內(nèi)部包括采樣及保持電路，通過三線式串行I/O進(jìn)行讀取數(shù)據(jù)，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，精度及穩(wěn)定性能較好。最終由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，計(jì)算煙塵濃度。圖5為信號(hào)檢測(cè)原理框圖。

圖3 光譜靈敏度

圖4 暗電流與反向電壓

圖5 信號(hào)檢測(cè)電路框圖

2.3 激光調(diào)制電路

系統(tǒng)測(cè)試超低煙塵濃度時(shí)，激光強(qiáng)度的穩(wěn)定性對(duì)系統(tǒng)檢測(cè)超低煙塵的濃度的精確度和穩(wěn)定性有著較大的影響。因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)了電壓負(fù)反饋橫流調(diào)制電路[10-11]，原理圖如圖6所示。電路采用了高精度電壓基準(zhǔn)芯片，取樣電路在激光亮度發(fā)生改變時(shí)，獲得等比例的電壓誤差信息[12]。誤差負(fù)反饋與電壓基準(zhǔn)比較后，通過調(diào)整電路調(diào)制流過激光器的電流，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)輸出調(diào)節(jié)系統(tǒng)，起到穩(wěn)定激光強(qiáng)度的目的[13-14]，提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

圖6 激光橫流調(diào)制電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 主控制程序

主程序利用C語言設(shè)計(jì)[15-18]主要有：系統(tǒng)的初始化參數(shù)配置、開啟串口中斷、激光反饋調(diào)節(jié)、煙塵濃度的數(shù)據(jù)采集和串口LCD顯示等。具體的控制流程圖如圖7所示。

圖7 主流程圖

3.2 串口中斷程序

系統(tǒng)設(shè)計(jì)了雙串口中斷。UART1串口用于LCD顯示屏的輸入和輸出，串口根據(jù)LCD顯示屏的命令，執(zhí)行相應(yīng)的程序，實(shí)現(xiàn)通過串口屏校準(zhǔn)標(biāo)定以及顯示煙塵濃度等功能。UART2串口用于RS485外擴(kuò)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通訊的目的。其流程圖如圖8所示。

4 結(jié)束語

圖8 中斷流程圖

超低煙塵濃度監(jiān)測(cè)儀的設(shè)計(jì)，對(duì)于目前的超低煙塵檢測(cè)具有重要的意義。檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠、便于維護(hù)；系統(tǒng)經(jīng)過調(diào)試和實(shí)驗(yàn)，檢測(cè)精度高、采樣速度快、系統(tǒng)實(shí)時(shí)性好；靈敏度高達(dá)0.1 mg/m3，測(cè)試時(shí)現(xiàn)場(chǎng)排放濃度范圍為（0.5～15）mg/m3，測(cè)試相關(guān)系數(shù)到達(dá)0.95，遠(yuǎn)高于合理指標(biāo)的0.85。此外設(shè)計(jì)了LCD顯示屏和RS485通訊，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)超低煙塵濃度的目的。

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Study on ualtra-low dust concentration detector based on light scattering theory

ZHANG Zhen-xing1，SU Zheng2
（1.Chinatech Talroad （Beijing）Branch Technology Co.， Ltd.，Beijing100085，China；2.Hebei University of Engineering， Institute of Mechanical and Electronic Engineering， Handan056038，China）

TN7

A

1674－6236（2017）19-0107-03

2016-08-21稿件編號(hào)201608151

張振興（1990—），男，河南鹿邑人，碩士研究生。研究方向：環(huán)境檢測(cè)儀表。