大量程在線式粉塵濃度監測系統設計

趙欣然 李群 王衛東 徐志強 魯恒潤

摘要：針對高濃度可燃性粉塵存在爆炸的風險，該文基于光透射原理設計一套大量程在線式粉塵濃度監測系統，通過對透射光信號的采集反演出粉塵的濃度信息。系統整體包含6個單元模塊，實現對信號的采集、轉換、顯示和控制，其中單片機選用性能優越的s_lM32，上位機程序采用NI公司的虛擬儀器軟件LabvIEW進行設計。采用全反射的方式將測量激光束進行反射，解決傳統光透射法由于光程長而導致測量距離長的問題，有效縮短儀器長度，擴大適用范圍。與固定容積的標定裝置進行比對，結果表明該監測系統能夠對10-100g/m³粉塵濃度范圍進行有效監測，量程內絕對誤差最大為-4.2g/m³。

關鍵詞：粉塵濃度;在線監測;透射法;全反射;sTM32

中圖分類號：x831;TP212.9文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2019）04-0080-05

0引言

近幾年，國內外發生過多起由粉塵引起的爆炸事故，造成了大量人員和財產損失，因此對于粉塵濃度的監測特別是對于濃度范圍高于粉塵爆炸下限（30-50g/m3）的高濃度粉塵的監測迫在眉睫。目前，對于粉塵濃度的檢測方法主要有濾膜稱重法、β射線法、超聲波衰減法、電荷感應法、電容法、光散射法和光透射法，但普遍存在不能在線監測或測量濃度低等局限，一般應用于對0.1～1000mg/m³范圍內呼吸性粉塵PM10/2.5，的檢測。其中，光透射法需結合散射光才能達到對低濃度粉塵較為準確的測量，而單純的依據透射光信號更適用于檢測高濃度粉塵，因此符合對具有爆炸性的高濃度粉塵監測的需要。

本文基于光透射法測量原理，通過引入直角棱鏡和雙探測器結構，設計了適用于測量高濃度粉塵的監測系統，擴大了透射法測量粉塵濃度的應用范圍，為高濃度粉塵監測提供了參考。通過搭建試驗平臺探究了測量電壓值和粉塵濃度之間的關系，并通過擬合曲線對試驗結果進行標定。

1光透射法測量粉塵濃度的理論

光透射法又稱消光法或濁度法，基于著名的Lambert-Beer定理，基本原理是當一束光穿過含有顆粒的介質時，由于受到顆粒的散射和吸收影響，其穿過介質的透射光強會衰減，衰減程度和顆粒的大小、濃度、光程和消光系數相關，其關系式為

2整體系統設計

根據透射法檢測粉塵濃度原理，系統發出激光光束穿過被測粉塵，通過光電探測器檢測透射光強，然后對光電探測器轉化后的微弱信號進行放大、濾波、A/D轉化，再由單片機對轉化后的數字信號進行預處理后通過RS485通信傳輸到PC機，上位機使用LabVIEW軟件對接收到的數據進行處理并顯示。此外，由于激光器窗口和光電探測器窗口暴露在含塵氣流中，會不同程度粘連粉塵顆粒，對測試結果造成影響，因此添加了氣吹裝置用以清潔窗口，整體系統如圖l所示。

2.1激光發生模塊

激光具有單色性好、方向性好、亮度高等特點，因此本系統選用激光作為光源。常見的激光器有固體激光器、半導體激光器和氣體激光器，其中固體激光器和氣體激光器體積較大，工作電壓高，而半導體激光器具有體積小、質量輕、運轉可靠、效率高等優點，綜合考慮儀器的使用環境及空間限制，最終選用YD-D650PS-G10-35波長為650nm的紅色5mW半導體激光器。

2.2信號處理模塊

光信號通過光電探測器轉化為電流信號，電流信號再經過跨阻放大器轉化為放大后的電壓信號，之后通過低通集成濾波器LTCl563-2將信號中的高頻噪聲濾除，最后由運算放大器ICL7650將電壓信號調節到適用于A/D轉化的幅度。其中光電探測器選用日本濱松的$5972硅PIN型光電二極管，具有尺寸小、靈敏度高、速度快等特點。光電二極管工作模式選用光伏模式，在該模式下光電二極管是零偏置的，暗電流最小，可有效降低噪聲提高信噪比。A/D轉換則直接使用STM32自帶的A/D轉換功能，其位數為12位，共多達16個外部通道，1us轉換時間，轉化范圍為0-3.6v?？紤]到除激光光源外，環境光對光電二極管同樣會產生一定影響，為了排除環境光的影響，系統中加入另一光電二極管作為輔探測器用以接收環境光，再與主探測器通過差分電路做差分處理。信號處理流程如圖2所示。

2.3主控模塊

本系統單片機采用性能優越的STM32F103C8T6，該型號是32位基于ARM核心的中等容量增強型微控制器具有48/卜弓腳、64KB的ROM、USB、CAN、4個定時器、2個ADC、3個USART，完全滿足本系統對性能的要求。單片機及外圍電路如圖3所示。

STM32單片機接收信號處理模塊傳來的0～3.3v電壓，通過自身的A/D轉換功能將模擬電壓轉化為數字電壓。ADC時鐘設定為12MHz，即分頻因子設定為6，工作模式選用獨立工作、非掃描、單次轉換模式，對齊方式選擇右對齊，使用軟件控制轉換。為了提高精確度，設定通道采樣時間為239.5周期，并且進一步通過循環讀取10次DR寄存器中的AD值，求取平均數。數據傳輸選用通用同步異步收發器USART，設定時鐘72MHz，波特率9600，1位停止位無校驗位。因為A/D轉換后的數據是12位，USART每次只能傳輸一個字節數據，因此將AD值取高8位和低8位分別存放于8位無符號數組中。主函數初始化后通過循環查詢寄存器DR中的值，當查詢到0xFF時，將存有A/D轉換值的數組通過RS485通信傳輸到上位機中并同時轉變連接有LED指示燈的I/O口電位，使LED燈閃爍。I/O留用口和SPI通信口用于方便擴展，增加儀器適用范圍。

2.4上位機顯示模塊

本系統以PC機作為上位機，通過RS232轉RS485通信轉接頭Z-TEK與下位機通信線相連，界面顯示和通信使用LabVIEW開發平臺進行編寫。不同于傳統基于c語言進行編寫的軟件，LabviEW開發平臺運用圖形化語言進行編寫，即G語言，具有開發效率高、操作方便、顯示直觀、易更改等優點。VISA是一種用來與各種儀器總線進行通信的高級應用編程接口（API），通過VISA可實現LabviEW對串口數據的讀寫。首先配置VISA串口，將VISA resource name通過VISA打開（VISA Open）連接到VISA資源名稱端口，設定波特率為9600，數據比特8位，奇偶校驗位無（None）和停止位（1.0）。之后連接VISA清空I/O緩沖區，VISA寫人，VISA讀取和字符串至字節數組轉換，將單片機傳輸來的字符串數據轉化為字節數組，再通過索引數據將數據傳輸到濃度計算子Ⅵ中進行電壓值到濃度值的轉換，最終由顯示控件波形圖表顯示。運用while循環結構每隔1s通過VISA寫入oxFF，便可獲取下位機傳輸的數據。流程圖如圖4所示。

2.5光路和氣路模塊

本監測系統光程為40cm。根據國家標準GB/T 50243-2016《通風與空調工程施工質量驗收規范》，除塵系統所用的金屬圓形風管規格為直徑100-2000mm范圍內，為了提高本儀器的適用范圍，通過加入直角棱鏡運用全反射原理將儀器測量區長度縮短至一半。針對檢測粉塵濃度時激光器、光電二極管窗口和直角棱鏡表面會不同程度粘連粉塵顆粒的情況，設計中加入氣吹橫掃結構，利用氣泵不間斷向窗口吹送清潔空氣形成氣幕隔絕粉塵顆粒。整體結構如圖5所示。

激光器發出激光經直角棱鏡反射后照射到光電二極管窗口，同時將連接氣泵的導氣管連接到儀器氣道，便可實現對窗口的吹掃，使用時儀器通過法蘭與除塵管道相連。

3試驗及數據分析

將試驗儀器連接到測試環境中，儀器和PC機通過RS485通信線連接，上位機程序可實時顯示當前電壓值。測試環境為具有一定容量v的箱體，在其底部連接有扇葉，通過電機帶動扇葉旋轉，從而使箱體內含塵氣流旋轉流動，改變放人箱體內的粉塵質量m便可實現改變濃度的目的，則箱體內粉塵濃度為Cv=m/v，測試平臺如圖6所示。

通過采集不同濃度時的電壓值，分析粉塵濃度與電壓值的對應關系，表l為記錄的試驗數據。

從表中可以看出，隨著粉塵濃度的上升，電壓值從無粉塵時的最大值開始逐漸下降。粉塵濃度為100g/m³時，電壓值降到最大值的73%。通過將5組實驗數據取平均值，利用Matlab將數據進行擬合，得到1n（Io/I）值與濃度的關系，擬合結果如圖7所示。

通過擬合得到的關系函數為

y=318.24x+1.1008（12）線性相關系數r²=0.998，可看出回歸模型擬合程度較好，其變化規律與理論公式（4）相一致。為了驗證擬合函數的準確性，根據擬合公式重新進行粉塵樣品濃度測試，并將測試值與實際值相比較，試驗結果如表2所示。

從表中可以看出，測量高濃度粉塵時絕對誤差較大，但最大不超過4.2g/ms，此時相對誤差僅為4.2%，滿足儀器設計要求（相對誤差<±10%）。除此之外，對于0-10g/m³濃度范圍內的粉塵，本監測系統相對誤差較大，測量效果不理想，一方面原因為當粉塵濃度較低時，粉塵顆粒較為稀薄，由顆粒散射和吸收引起的光強衰減量較小，因此光電二極管很難探測出其差異量。另一方面，受本系統測試環境限制，測試時粉塵顆粒會不同程度粘附在測試箱體內表面，造成測量誤差，當顆粒濃度較低時由此而造成的影響更為突出。

4結束語

本文運用透射光進行了粉塵濃度測量的研究，論述了光透射法測量粉塵濃度的原理，開發了一套適用于在線監測高濃度粉塵的監測系統，并對系統各關鍵模塊進行了介紹，最后通過試驗得到電壓值與粉塵濃度的關系函數并驗證了其準確性。通過對光透射法測量粉塵濃度的研究，表明可以通過對透射光強的檢測來求解粉塵濃度，實現對10-100g/m³濃度范圍內高濃度粉塵的在線監測。由于受粉塵測試環境的限制，本試驗仍有許多不完善的地方，如本驗證試驗是通過向固定容量的箱體內加入定量粉塵，從而計算真實濃度，其存在著箱體內粉塵分布不均勻和內表面易粘附粉塵顆粒等現象，一定程度上制約了儀器測量精度的提高，因此還需設計一款穩定且能夠均勻產塵的試驗裝置。