基于單粒子激光散射法揚(yáng)塵在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馬永躍

The Design of Fugitive Dust On-line Monitoring System Based on Laser Scattering

摘要： 為有效監(jiān)測(cè)工地和道路揚(yáng)塵，基于不用技術(shù)的顆粒物在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)得到越來越多的關(guān)注。由于成本控制的要求，光散射技術(shù)具有很高的價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力。然而基于光散射技術(shù)的顆粒物傳感器的精度，一直是制約光散射法的可靠性應(yīng)用。單粒子激光光散射法，使光散射法的監(jiān)測(cè)精度得到很大的提升。本文以本公司研制的單粒子激光散射揚(yáng)塵傳感器為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)一套揚(yáng)塵在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過對(duì)長(zhǎng)期的運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，揚(yáng)塵傳感器的穩(wěn)定性和一致性都能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

Abstract： In order to effectively monitor site and road dust， more and more attention has been paid to the on-line monitoring system of particles based on no technology. Due to the requirements of cost control， light scattering technology has a high price competitiveness. However， the precision of the particle sensor based on light scattering has always been the application of the reliability of light scattering. The single particle laser scattering method makes the monitoring precision of the light scattering method greatly improved. Based on the single particle laser scattering sensor developed by our company， this paper designs a set of on-line monitoring system for the dust. Through the analysis of long run data， the stability and consistency of the dust sensor can meet the requirements of the relevant standards.

關(guān)鍵詞： PM10；在線系統(tǒng)；激光光散射；揚(yáng)塵；單粒子計(jì)數(shù)器

Key words： PM10；online system；laser scattering；dust；single particle counter

中圖分類號(hào)：X84 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）15-0134-03

0 引言

單粒子光散射法又叫粒子計(jì)數(shù)器法，與顆粒群光散射法相比，它的測(cè)量對(duì)象為單個(gè)粒子的散射光。粒子計(jì)數(shù)器主要由光源、光室、流量監(jiān)控系統(tǒng)、光電探測(cè)器和后續(xù)電路系統(tǒng)構(gòu)成，其中光源分為普通光源和激光光源，激光光源由于單色性好，光能量集中穩(wěn)定，信噪比高，能檢測(cè)到更小粒徑的顆粒物等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用，目前常見的激光光源有He-Ne激光器和激光二極管；粒子計(jì)數(shù)器光室中比顆粒群光散射法多了一寬度為小于或等于毫米量級(jí)的光敏區(qū)，它的目的就是保證每一瞬間只有一個(gè)顆粒物經(jīng)過光敏區(qū)，以便正確計(jì)數(shù)和確定其粒徑大小。

由于激光散射法受天氣氣象條件影響比較嚴(yán)重，檢測(cè)系統(tǒng)需要同時(shí)監(jiān)測(cè)氣象五參數(shù)數(shù)據(jù)，以便對(duì)揚(yáng)塵監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)修正。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)由ARM控制器、粒子計(jì)數(shù)器、噪聲傳感器、氣象五參數(shù)傳感器、LED屏、和監(jiān)測(cè)平臺(tái)等部分組成。

其中粒子計(jì)數(shù)器工作原理：當(dāng)單個(gè)顆粒物通過光學(xué)傳感器的光敏區(qū)時(shí)，顆粒會(huì)散射入射的激光，在90°采光角方向設(shè)置一塊旋轉(zhuǎn)球面反射鏡收集顆粒的散射光，再利用光電探測(cè)器將球面反射鏡的散射光轉(zhuǎn)化成電壓脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)的幅度對(duì)應(yīng)顆粒物的粒徑，一段時(shí)間后，粒子計(jì)數(shù)器將檢測(cè)到一個(gè)個(gè)的電壓脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)的個(gè)數(shù)對(duì)應(yīng)顆粒物的個(gè)數(shù)，最后根據(jù)電壓脈沖信號(hào)的幅度分布演算各粒徑范圍內(nèi)顆粒物的質(zhì)量濃度。

ARM控制單元，由STM32103RB微控器電路、兩路RS485通訊電路、一路RS232電路和IO接口電路組成。控制單元通過RS485-1與粒子計(jì)數(shù)器以及其他傳感器組成星形傳感網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)傳感器數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)讀取以及對(duì)傳感器進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。同時(shí)控制單元通過RS232接口電路與通信模塊通信，將測(cè)量數(shù)據(jù)通過通信模塊實(shí)時(shí)上傳到檢測(cè)平臺(tái)。

統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

1.2 監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

①由于粒子計(jì)數(shù)器中氣體采樣泵的使用壽命有限，粒子計(jì)數(shù)器必須間歇工作。沒五分鐘工作1分鐘，然后將粒子計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)通過特定算法轉(zhuǎn)換為不同粒徑顆粒物濃度數(shù)據(jù)。

②每五分鐘讀取一次溫度、濕度和大氣壓數(shù)據(jù)。通過溫度和壓力數(shù)據(jù)將顆粒物濃度值轉(zhuǎn)換為標(biāo)況下的濃度值，再使用濕度數(shù)據(jù)對(duì)濃度值進(jìn)行修正。

2 主要硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用12位ADC，串口發(fā)送采用無校驗(yàn)，一位停止位模式，如果滿足1ksps的采樣率，則串口波特率至少需要20bits/s的波特率。STM32F103RB單片機(jī)內(nèi)置有多個(gè)UART串口，最高波特率可達(dá)到4.5Mbits/s[6]。在實(shí)際使用中，串口波特率采用115200bits/s，完全滿足設(shè)計(jì)需求。本文重點(diǎn)介紹其他關(guān)鍵硬件電路設(shè)計(jì)。

2.1 計(jì)數(shù)器電路設(shè)計(jì)

計(jì)數(shù)器電路首先通過光源控制電路產(chǎn)生恒定的激光光源電壓，是激光器的發(fā)射功率能夠在不同的溫濕度條件下能夠發(fā)出恒定功率的光源。粒子的散射光由光電池接收并通過調(diào)理電路，將接收到的光電信號(hào)進(jìn)行放大濾波。然后通過通道分配電路區(qū)分出六種不同粒徑信號(hào)。波形整形電路將不同粒徑的電壓信號(hào)整形成計(jì)數(shù)器電路能夠識(shí)別的方波信號(hào)。最后計(jì)數(shù)器電路將計(jì)數(shù)值交由ARM控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2.2 傳感網(wǎng)絡(luò)電路及固件設(shè)計(jì)

傳感網(wǎng)絡(luò)電路采用RS485硬件通訊電路，并使用Modbus-RTU通訊協(xié)議與各個(gè)傳感器組成星形傳感器網(wǎng)絡(luò)。對(duì)粒子計(jì)數(shù)器和其他傳感器進(jìn)行地址預(yù)分配，ARM控制器通過對(duì)不同地址的操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同傳感器的設(shè)置和數(shù)據(jù)讀取。

3 測(cè)試結(jié)果

為有效比對(duì)粒子計(jì)數(shù)器的一致性，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行一段時(shí)間后的三臺(tái)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)平行性分析。通過十天的數(shù)據(jù)采集，對(duì)比數(shù)據(jù)如圖4所示。

對(duì)十天的數(shù)據(jù)按天為單位求濃度的平均值，然后進(jìn)行平行性計(jì)算，結(jié)構(gòu)如圖5所示。

設(shè)備的平行性為3.03，完全滿足標(biāo)準(zhǔn)HJ 653-2013《環(huán)境空氣顆粒物（PM10和PM2.5）連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)要求及檢測(cè)方法》對(duì)平行性的要求。

4 結(jié)語

通過測(cè)試結(jié)果曲線可以看出，本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重復(fù)性和一致性非常好，通過軟件平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)施工工地的顆粒物數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。同時(shí)通過設(shè)置超限報(bào)警可對(duì)工地的違規(guī)施工進(jìn)行及時(shí)報(bào)警，從而促進(jìn)工地規(guī)范施工。

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