基于光散射法對煙塵濃度的在線監(jiān)測研究

任燕卿

(1.太原理工大學 物理與光電工程學院，山西　太原　030024；2.西山煤電(集團)有限責任公司，山西　太原　030053)

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基于光散射法對煙塵濃度的在線監(jiān)測研究

任燕卿1，2

(1.太原理工大學 物理與光電工程學院，山西太原030024；2.西山煤電(集團)有限責任公司，山西太原030053)

摘要通過分析粉塵顆粒對激光的散射特性，結(jié)合粉塵排放實時測量技術(shù)，基于光散射法建立了一套激光粉塵自動測定系統(tǒng)用以測量工業(yè)生產(chǎn)煙道中粉塵的濃度。運用該系統(tǒng)對山西鋁廠回轉(zhuǎn)窯煙道中不同濃度的Al2O3粉塵進行實時監(jiān)測，實驗數(shù)據(jù)與等速抽濾采樣法標定結(jié)果比較誤差不超過15%，結(jié)果表明，所設計的裝置能用于工業(yè)生產(chǎn)作業(yè)場所粉塵濃度的監(jiān)測。

關(guān)鍵詞激光散射；粉塵監(jiān)測；光電傳感器；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

現(xiàn)代社會，隨著工業(yè)的發(fā)展，排放到空氣中的粉塵越來越受到關(guān)注。空氣中的粉塵危害人類健康，腐蝕古代建筑，還會阻礙植被光合作用，抑制其生長；另外，在一定條件下粉塵還會發(fā)生爆炸，造成嚴重的事故。為了降低空氣中粉塵濃度，應該從污染源抓起，對工業(yè)生產(chǎn)用以排放廢氣的煙道中的粉塵濃度進行監(jiān)測和控制變得意義重大，已成為近些年的研究熱點[1-3]。現(xiàn)有測量粉塵濃度的方法有很多：過濾稱重法[4]、超聲波法[5]、壓電晶體感應法和電荷感應法[6]等。其中，過濾稱重法是最基本的方法，缺點是不能連續(xù)監(jiān)測粉塵濃度；超聲波法還處于研究階段；壓電晶體感應法只適合用在粉塵濃度低的場所；電荷感應法利用置于高壓交替電場中傳感器的感應電壓感知粉塵從而測得濃度，但是不能用來測量電弧爐所產(chǎn)生的粉塵，容易受電弧爐高溫和強磁場的干擾[7]。本文基于光散射法建立了一套激光粉塵連續(xù)自動測定系統(tǒng)，并對山西鋁廠回轉(zhuǎn)窯煙道中的Al2O3粉塵濃度進行了實時測量研究。該自動測定系統(tǒng)測量粉塵濃度范圍大，適用粉塵類型廣泛。

1結(jié)構(gòu)設計與工作原理

1.1光在粉塵中的特性

沒有一種介質(zhì)對任何波長的電磁波是完全透明的。當光通過介質(zhì)時，一部分光被介質(zhì)吸收，另一部分光被散射，余下部分按原傳播方向繼續(xù)前進。光經(jīng)過厚度為X的均勻介質(zhì)的吸收層后，光強由I0減少為I. 根據(jù)朗伯定律：I=I0e-kx，k為吸收系數(shù)，是波長的函數(shù)。如果均勻介質(zhì)是溶液，則吸收系數(shù)k與濃度C成正比:k=αC.

根據(jù)比爾定律:I=I0e-α0x. 當光通過氣體中的塵粒時，由于粉塵粒子的不均勻結(jié)構(gòu)破壞了次波的相干性而產(chǎn)生廷德爾散射。當平行光通過厚度為X的粉塵介質(zhì)時，光強由I0減弱為I. 由于吸收和散射的影響:I=I0e-kx-hx，h為散射系數(shù)。

與普通光源相比，激光沿一條直線傳播，發(fā)散角很小。激光的譜線單一，相干長度可達數(shù)百米。由于光束細，功率密度特別大。基于激光的上述特點，適合用作測塵傳感器的光源。本文選用5 mW的氦氖激光器，其波長為632.8 nm.

1.2系統(tǒng)裝置及工作原理

圖1　激光自動測定系統(tǒng)示意圖

圖2　傳感器輸出電壓曲線圖

對于U0、U與煙塵濃度c的關(guān)系：假設反光鏡反射系數(shù)相同，均為I=βI0. 兩片防護鏡材料相同，厚度都為X1. 對于單一波長的激光束，其吸收系數(shù)k為常數(shù)，每穿過一次防護鏡I=I0e-kx1. 對于煙道中的煙氣，主要由于粉塵對激光束的散射作用而使光強減弱。煙道長為x，忽略粉塵對光的吸收作用I=I0e-hx. 散射系數(shù)h與粉塵濃度c是一個正比關(guān)系，h=αc，則有I=I0e-αcx.

(1)

經(jīng)煙道被粉塵散射衰減后的光強為I：

I=I0e-kx1e-αcxe-kx1β2e-kx1e-αcxe-kx1β=I0 β3e-4kx1e-2αcx

(2)

由式(1)、(2)得：

(3)

由于X、X1、α、β、k在具體測量時都為常數(shù)，則濃度可寫為：

(4)

由工業(yè)中常用的等速抽濾采樣法測得同時刻的煙氣濃度，與單片機對同時刻的U0與U的采樣值相比較,經(jīng)多次標定后即可確定常數(shù)a、b的值。

2數(shù)據(jù)采集與處理

光電接收傳感器輸出周期性的脈沖信號，實時性強，需要單獨的一片單片機來完成數(shù)據(jù)的采集。單片機1對電壓信號進行采集，采樣周期為1 ms，連續(xù)采200個數(shù)后通過RS232接口傳給單片機2. 單片機對所有數(shù)據(jù)分析比較，取出所有相鄰的脈沖峰值，大值為U0，小值為U，代入式(4)即可得出每個周期內(nèi)的煙塵濃度，然后傳給LED實時顯示出來。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)示意圖見圖3.

圖3數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)示意圖

3現(xiàn)場工況處理

要使激光傳感器在工業(yè)現(xiàn)場長期工作，需要對傳感器做密封處理，以免內(nèi)部光學器件污染。對于與外界直接接觸的防護鏡鏡片，采用壓縮空氣長期吹掃鏡片以防止灰塵污染。

4測量結(jié)果

通過山西鋁廠，用所設計的粉塵濃度自動測定裝置，在直徑為5 m的氧化鋁回轉(zhuǎn)窯煙囪上針對不同濃度粉塵進行多次連續(xù)測量實驗。該系統(tǒng)所測的煙塵濃度與標準值的比較見表1.

表1　5號回轉(zhuǎn)窯煙道濃度測定值表　　 mg·m-3

表1中所有的標準值為等速抽濾采樣法所測定的值。由表1可以看出，該系統(tǒng)所測定的實驗數(shù)據(jù)與標準值相比較，最大誤差不超過15%，能基本滿足工業(yè)生產(chǎn)與監(jiān)測等方面的需要。

5小結(jié)

本文分析了粉塵顆粒對激光的散射特性，并基于光散射法建立了一套激光粉塵自動測定系統(tǒng)，針對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行了粉塵濃度測量理論的分析。最后用所研制的系統(tǒng)裝置實驗測量了山西鋁廠回轉(zhuǎn)窯煙道中排放的Al2O3粉塵濃度，實驗數(shù)據(jù)與標準值比較誤差不超過15%，結(jié)果表明，所設計的裝置可用于工業(yè)生產(chǎn)作業(yè)場所粉塵濃度的實時監(jiān)測。

參考文獻

[1]Deng X Y, Ni X C, Wang B, et al. The experimental study on detection of dust concentration by back scattering method[J]. Advanced materials research, 2013:753-755,2400-2403.

[2]Klippel A, Schmidt M, Muecke O, et al. Dust concentration measurements duringfilling of a silo and CFD modeling offilling processes regarding exceeding the lower explosion limit[J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2014(29):122-137.

[3]Jugder D, Shinoda M, Kimura R, et al. Quantitative analysis on windblown dust concentrations of PM10(PM2.5) during dust events in Mongolia[J]. Aeolian Research, 2014(14):3-13.

[4]郭愛清.我國煙塵監(jiān)測技術(shù)現(xiàn)狀及思考[J].中國職業(yè)安全衛(wèi)生管理體系認證, 2001(5):12.

[5]He G C, Ni W. Ultrasonic attenuation model for measuring particle size and inverse calculation of particle size distribution in mineral slurries[J]. J. CENT. SOUTH. UNIV. TECHNOL,2006,13(4):445-450.

[6]Zheng K, Wang J G, Liu J, et al. Research on dust concentration measurement technique and experiment based on charge induction[J]. Applied Mechanics and Materials,2013:333-335,370-373.

[7]Fu Y, Wang N H. Measurement of dust concentration based on VBAI[J]. Journal of Physics: Conference Series, 2013:418.

Research on Monitoring System for Measuring the Dust Concentration

Based on Laser Scattering Method

REN Yanqing

AbstractThrough the analysis laser scattering characteristics of dust particles, considering the technology in dust measuring, establishes a set of dust automatic monitoring system for measuring the dust concentration of the industrial production based on laser scattering method. And the Al2O3dust concentration of Shanxi Aluminium plant rotary kiln flue is measured experimentally, error less than 15% compared the experimental data with standard, the results show that the designed system can be used for the dust concentration monitoring at industrial production place.

Key wordsLaser scattering;Dust monitoring;Photoelectric sensor; Information collect system

中圖分類號：TD679

文獻標識碼：B

文章編號：1672-0652(2015)04-0009-03