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光电耦合器TLP52122来隔离。

3.4　标定系统设计

系统标定包括光电传感器标定、零点标定、量程标定

图4　激光粉尘浓度测量仪控制单元图

Fig.4Thecontrolunitoftheonlinesootconcentration

measurementinstrument

及参比标定。其中光电传感器标定由单片机软件完成,参比标定由上位机软件来建立颗粒浓度测量装置的浓度测量值与参比方法(国家或行业发布的标准方法)颗粒物浓度测量值间的相关曲线。而针对测量系统在长期运行下产生的零点漂移和量程漂移,文中测量仪可完成对其的在线标定,标定系统如图3所示,主要由直流异步电机、挡光板、减光片和标定激光器组成。

零点标定时,单片机通过驱动模块控制直流异步电机1旋转,使挡光板挡住测量激光器发出的激光束,并接通继电器,将标定激光器打开。标定激光器发出的光束经半透半反镜分光后分别被光电池和OPT101接收,复合光信号I1和透射光信号I2变为2个相等信号,此时的浓度值成为新的零基准点。量程标定时,单片机首先使挡光板挡住测量光束,打开标定激光器,而后通过电机带动减光片遮住光路,使标定激光器的光束射入OPT101的信号I2衰减,此时的浓度值成为新的满量程基准点。

3.5　光路监控系统设计

3.2　传感器设计

入射光和透射光均是平行光,经透镜聚焦后会聚于一点。因此,仪器采用小面积(0.09inch×0.09inch)集成光电测量芯片OPT101作为入射光传感器和透射光传感器。

OPT101是一块将光电二极管与放大器结合在一起的集成

芯片,二者的集成有效地排除了漏电流引起的噪声干扰,具有高线性度、低暗电流的优点。复合光中的散射光分散在前向的散射立体角内,经透镜聚焦后形成的光斑较大,选用光敏面积较大(10mm×10mm)的光电池S13372

1010BR来测量复合光,并采用LM358作为外接放大器。3.3　单片机系统设计

单片机系统主要由单片机8031、12位模数转换芯片

Max197、12位数模转换芯片Max530、6段LED数码管显

示电路及其驱动芯片ICM7218B组成,并以基于RS485测量现场振动较大,光路易发生漂移,导致测量错

　第6期潘　琦等:一种新型激光粉尘浓度在线测量仪的研究　1073

误。针对上述问题,如图3所示,系统配有专用的摄像头监控光路,监控图像通过缆线传入上位机,若发现光路偏离,则由上位机向单片机发送光路对中指令。

光路对中时,单片机将透射光信号数模转换为4～

20mA的标准电流输出,现场操作人员根据连接在输出

储数据、向单片机发控制指令和参数、历史数据查询等。由于长期运行的数据量巨大,上位机采用数据库的多线程存储和读取来提高系统的整体速率。

5　测量结果分析

,6

3

mg/m周围上下波动,每隔一定时,峰值间隔恰与静电除尘器的击打时间间隔一致,证明了测量仪能较好的跟踪监测现场工况变化,

具有良好的实时灵敏度。

接口上的电流计的示值调节测量激光器安装架上的细牙螺母,由于透射光传感器OPT101面积相当小,光路的微小偏离将使透射光信号波动巨大,当电流计示值达到最大值时,认为光路对中。

4　软件设计

4.1　μVersion2开发平台,采用模块化设计方法,包括模数转换、信号滤波、浓度值计算、LED显示、数模转换、上传数据、标定,光路对中等子程序模块,先分别编制调试好各子程序模块后联机通调。单片机软件总体结构如图5所示

。

图6　激光粉尘浓度在线测量仪测量结果

Fig.6Theresultofonlinemeasurement

本测量仪还与现场另一台已标定的消光法测量仪进

行对比实验(消光法经颗粒采样称重校正),结果如图7所示。由图7可以看出,文中测量仪与消光法测量仪浓度测量数据之间基本保持相同,在高浓度下两者相对误差略高,这主要是由高浓度下粉尘分布的不均匀性引起的;在其他情况下两者的相对误差小于10%,表明文中测量仪具有良好的可靠性

。

图5　单片机软件流程图

Fig.5TheflowchartoftheSCMsoftware

单片机和上位机通过串口传递数据和指令。串行通

讯采用的波特率为9600,其中单片机采用8031下的串口通讯方式3,采用查询方式检测信号,利用第9位校验位来区分接收到的指令数据和参数数据。

系统首次空载运行时,先进行光电传感器标定,由软件调节传感器放大倍率,使3个光电传感器的输出值相等,然后进行系统的零点和量程标定,最后进行参比标定。正常运行后,系统将定时自动进行零点和量程标定。

4.2　上位机软件设计

图7　激光粉尘浓度在线测量仪对比实验结果

Fig.7Theresultofonlinemeasurementin

thecomparisonexperiments

上位机软件使用BorlandDelphi6编写,采用TComm控件实现与单片机的串口通讯。上位机软件完成的主要功能有:用户分级管理、参比标定系数计算、光路监控、存

　1074仪　器　仪　表　学　报第28卷

[6]　叶茂.两相流颗粒粒径分布及浓度的光散射在线测量

6　结　　论

本文提出了一种基于光散射原理的粉尘浓度测量新方法,无需预知颗粒粒径,可直接测量粉尘浓度。本文基于新方法设计了一套粉尘浓度在线测量仪,该仪器以单片机为核心,可完成浓度值的实时显示和存储,并具有模拟输出接口。仪器具有新颖的构造,可在线标定浓度和光路对中。通过现场实验表明,该仪器具有良好的灵敏度和可靠性,可满足实时在线测量粉尘浓度的要求。　　参考文献

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潘琦,女,1980年11月出生,现为东南大学博士研究生,主要研究方向为光散射测量技术。

E2mail:qpan@

PanQi,female,borninDec.1980.SheisaPhDcandidateinSoutheastUniversity.Herresearchinterestismeasurementtech2

niquesbylightscattering.E2mail:qpan@

王式民,男,1943年出生,东南大学教授、博士生导师,主要研究方向为多相流测试技术。

WangShimin,male,bornin1943.HeisaprofessorandPhDsupervisorinSoutheastUniversity.Hisresearchinterestismultiphaseflowmeasurements.

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/u0xq.html