雙光路粉塵濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

李霄霄

【摘 要】針對(duì)以往測(cè)量粉塵濃度時(shí)會(huì)受實(shí)驗(yàn)者的主觀因素和光源穩(wěn)定性等影響的缺點(diǎn)，本系統(tǒng)利用激光經(jīng)粉塵時(shí)產(chǎn)生的散射、吸收特性與粉塵尺寸、擴(kuò)散濃度和周?chē)h(huán)境的特性，達(dá)到粉塵濃度監(jiān)測(cè)的目的。系統(tǒng)采用雙光束探測(cè)法，把探測(cè)及參考光線分別送到兩個(gè)光電探測(cè)器，比較兩者的輸出信號(hào)，得光強(qiáng)變化，用一種做除法的方式完全去掉兩份光束中成比例的誤差，不但消掉了光源波動(dòng)帶來(lái)的誤差，還能消除溫度、晝夜光線改變等成分帶來(lái)的影響。

【關(guān)鍵詞】粉塵濃度；雙光路；除法比較

中圖分類號(hào)： X831 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2017）23-0090-002

【Abstract】Aiming at the shortcomings that the experimenter's subjective factors and light source stability affect the measurement of dust concentration in the past，this system uses the scattering，absorption characteristics and dust size， diffusion concentration and the characteristics of the surrounding environment when the laser passes the dust，To achieve the purpose of dust concentration monitoring.The system uses double beam detection method， the detection and reference light were sent to two photodetectors，comparing the output signal of the two，the light intensity changes，using a division method to completely remove the two beams in proportion to the error，Not only eliminates the error caused by fluctuations in light sources，but also eliminate the impact of temperature，light changes in day and night and other ingredients.

【Key words】Dust concentration；Dual optical path；Division comparison

0 引言

隨科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展，資源過(guò)度開(kāi)采帶來(lái)環(huán)境污染問(wèn)題，工業(yè)和農(nóng)業(yè)發(fā)展帶來(lái)了嚴(yán)重的粉塵危害。政府過(guò)去忽視大氣治理，監(jiān)管力度、治理水平等方面存在不少漏洞，環(huán)境監(jiān)測(cè)工作難以滿足社會(huì)發(fā)展要求，制約了環(huán)境保護(hù)事業(yè)發(fā)展。要想解決粉塵濃度監(jiān)測(cè)范圍的老難題，就要解決系統(tǒng)在線檢測(cè)難，測(cè)量精密度低，受環(huán)境影響大等難題。

全球粉塵污染越來(lái)越嚴(yán)重，這就對(duì)粉塵濃度在線監(jiān)測(cè)提出更細(xì)致更嚴(yán)厲的要求。例如光電檢測(cè)法，運(yùn)用的光散射理論和透射式測(cè)量技術(shù)被廣泛應(yīng)用于分析粉塵濃度。這些均是非接觸式測(cè)量，當(dāng)顆粒粒徑變化較大，實(shí)驗(yàn)儀器的標(biāo)定條件改變會(huì)產(chǎn)生額外誤差，需改進(jìn)檢測(cè)系統(tǒng)，本論文是一種更精確有效的監(jiān)測(cè)粉塵新方法。

1 光散射測(cè)量原理

讓一束單色平行光在粉塵中傳播一段距離，因?yàn)榉蹓m自身的散射及吸收特性，出射時(shí)必定會(huì)衰減，可以由朗伯一比爾光透射定律得到出射光強(qiáng)與入射光強(qiáng)的關(guān)系，需要測(cè)得入射光和透射光的強(qiáng)度或比值I/I0，假設(shè)入射光波長(zhǎng)λ，光在粉塵中傳播路程l及粉塵微粒折射率m已經(jīng)獲得，則顆粒尺寸分布函數(shù)N（D）與體積濃度也可求出，再知粉塵密度ρ，則可用體積濃度表示質(zhì)量濃度。綜上，要取得粉塵的質(zhì)量濃度，需測(cè)出粉塵顆粒濃度改變時(shí)的透射光強(qiáng)。

以往將參考和測(cè)量光束作減法的差分法不能全部消去光源波動(dòng)帶來(lái)的誤差。若兩束激光的強(qiáng)度不等，但光強(qiáng)波動(dòng)在兩個(gè)通道產(chǎn)生的變化是同比例的，本文采取的是除法比較的方法，可使兩份光束中成比例的誤差信號(hào)完全去除。本方法不但能消除光源波動(dòng)帶來(lái)的誤差，對(duì)氣溫變化、觀察窗染塵等影響都有很好的消除作用，也使儀器的維護(hù)次數(shù)極大減少。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及器件的選擇

2.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

采用雙光束探測(cè)法，多提供一束參考光，將探測(cè)光和參考光送入兩個(gè)光電探測(cè)器，比較兩者電信號(hào)輸出，計(jì)算光強(qiáng)的改變值，參考光路對(duì)補(bǔ)償大氣環(huán)境與探測(cè)光路的參數(shù)不對(duì)稱、溫度改變對(duì)精密度影響起到很大作用。一是能作為未衰減光束的參考標(biāo)準(zhǔn)，二是能消去激光器的輸出功率波動(dòng)產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)誤差。用除法比較法把測(cè)量和參考光束中成比例的誤差信號(hào)完全除去，不僅消除光源波動(dòng)產(chǎn)生的誤差，對(duì)溫度和環(huán)境光線改變帶來(lái)的影響都能起到特別好的消除作用。

2.2 儀器選擇

粉塵濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的儀器主要包括激光器驅(qū)動(dòng)、半透半反鏡、擴(kuò)束鏡、透鏡、光電探測(cè)器，A/D轉(zhuǎn)換器等。使用擴(kuò)束鏡的目的是為擴(kuò)大經(jīng)過(guò)粉塵區(qū)域的光束截面，讓更大區(qū)域的濃度信號(hào)被收集到，可以測(cè)量更低濃度的粉塵，對(duì)測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性有很大提升。

3 實(shí)驗(yàn)步驟

粉塵濃度監(jiān)測(cè)儀器的實(shí)驗(yàn)步驟如下：

1）在監(jiān)測(cè)前標(biāo)定粉塵濃度測(cè)量所需的參數(shù)；

2）沒(méi)有粉塵時(shí)，在兩光電探測(cè)器的接收處分別記下測(cè)量和參考光束的原光強(qiáng)Im0和IR0；有粉塵的時(shí)候，記下測(cè)量以及參考光束光強(qiáng)：Im、Ir。比較Ir和Ir0有無(wú)不同。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)量與分析endprint

假設(shè)粉塵顆粒的尺寸分布函數(shù)切合羅森—拉姆勒分布，實(shí)驗(yàn)使用的紅光激光器波長(zhǎng)為650nm。用光波振幅表示顆粒濃度變化范圍，實(shí)驗(yàn)測(cè)得未經(jīng)過(guò)粉塵時(shí)光波通過(guò)氣室的直路峰值平均值與經(jīng)過(guò)粉塵的近似相等，示波器輸出信號(hào)近似為0。當(dāng)經(jīng)過(guò)粉塵時(shí)，光波振幅開(kāi)始衰減，隨粉塵擴(kuò)散，光波振幅逐漸下降，突然振幅變大，再到0。應(yīng)該是因?yàn)榉蹓m散開(kāi)時(shí)，在某一時(shí)刻都堆積到氣室口，使振幅有一個(gè)大的回升。

實(shí)驗(yàn)后可知入射光強(qiáng)和光波的衰減中有顆粒尺寸濃度信息，實(shí)驗(yàn)可得輸出電壓值，將光強(qiáng)與輸出電壓做成關(guān)系曲線，把關(guān)系曲線上的典型點(diǎn)做成光強(qiáng)與電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系表，用電壓值查表得出光強(qiáng)，再將其代進(jìn)濃度公式，知入射波長(zhǎng)，光程和顆粒折射率，由激光在顆粒中傳播衰減原理得顆粒尺寸分布函數(shù)，通過(guò) Mei 散射推出粒子數(shù)濃度，即可得到粉塵質(zhì)量濃度。整個(gè)實(shí)驗(yàn)標(biāo)定有兩部分：顆粒粒徑的標(biāo)定和濃度的標(biāo)定。顆粒粒徑的標(biāo)定可將顆粒粒徑按標(biāo)準(zhǔn)顆粒的粒徑假設(shè)，通過(guò)測(cè)量跟實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)比進(jìn)行反演；濃度標(biāo)定可用標(biāo)準(zhǔn)濃度作為輸入量，做出輸出光強(qiáng)或電壓曲線，即可得到輸出電壓對(duì)應(yīng)濃度值。此系統(tǒng)預(yù)先按最大粉塵濃度為設(shè)，當(dāng)濃度增加，出射光強(qiáng)逐漸減小。當(dāng)透光率最小，衰減值最大，它所對(duì)應(yīng)的光波振幅也最大。故實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算模擬結(jié)果吻合，表明該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)顯示物質(zhì)濃度的變化情況。

5 結(jié)論

隨工業(yè)農(nóng)業(yè)發(fā)展越來(lái)越快，解決粉塵濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)問(wèn)題迫在眉睫。本論文通過(guò)介紹粉塵濃度測(cè)量技術(shù)，詳細(xì)分析了粉塵濃度測(cè)量原理，描述了雙光路光學(xué)粉塵顆粒濃度監(jiān)測(cè)法中系數(shù)的標(biāo)定方法，演算出有應(yīng)用意義的計(jì)算公式；分析了測(cè)量過(guò)程中光源光強(qiáng)波動(dòng)、溫度變化等影響測(cè)量結(jié)果的因素，提出一種新的除法思路有效的解決了誤差影響，重新設(shè)計(jì)了測(cè)量光路，對(duì)系統(tǒng)測(cè)量的準(zhǔn)確度有很大提升，并經(jīng)過(guò)試驗(yàn)也驗(yàn)證了新思路的準(zhǔn)確性。

【參考文獻(xiàn)】

[1]翁非.中國(guó)能源結(jié)構(gòu)特征及發(fā)展前景[J].經(jīng)濟(jì)視角（下），2012（1）：90-92.

[2]姚冰.鍋爐煙塵監(jiān)測(cè)質(zhì)量控制技術(shù)討論[J].中國(guó)石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2013，11：063.

[3]朱法華，李輝，邱署光.煙氣排放連續(xù)監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用前景[J].環(huán)境監(jiān)測(cè)管理與技術(shù)，2010（4）：10-14.

[4]Liu Shaopu.Resonance Light Scattering Method for Determination of Amikacin with Potassium Ferrioxalate as a Probe[J].Chinese Universities，2010，26（3）：366-370.

[5]陳剛.光散射法測(cè)量顆粒尺寸和濃度的實(shí)驗(yàn)研究[D].西安電子科技大學(xué)，2007：19-23.endprint