本發(fā)明屬于煙塵粒度和濃度測(cè)試領(lǐng)域，具體涉及一種基于多波長(zhǎng)多角度激光角散射原理的超低排放煙塵監(jiān)測(cè)方法與裝置。

背景技術(shù)：

煙塵的顆粒濃度是表征煙塵污染物排放情況的重要參數(shù)之一。目前稱重法為國(guó)際上顆粒污染物的通用檢測(cè)方法，由于在線測(cè)量需求，又形成了連續(xù)稱重法、β射線法等實(shí)時(shí)取樣煙塵濃度分析法及電荷法、光散射法等在線濃度分析法。

但是隨著環(huán)境保護(hù)的要求提高及除塵技術(shù)的進(jìn)步，超低排放煙塵濃度及粒度的大幅降低，若采用取樣方法進(jìn)行測(cè)量，單次取樣時(shí)間較長(zhǎng)；若采用在線方法進(jìn)行測(cè)量，測(cè)試誤差較大。

為了解決超低排放煙塵監(jiān)測(cè)問題，通常采用角散射法，該方法是在測(cè)量區(qū)呈角度安裝一個(gè)激光器和一個(gè)光電探測(cè)器，激光器發(fā)出激光照射測(cè)量區(qū)，光電探測(cè)器接收角散射信號(hào)。由于在工業(yè)上通常忽略粒徑對(duì)角散射光強(qiáng)的影響，簡(jiǎn)化認(rèn)為角散射光信號(hào)強(qiáng)度與煙塵濃度成正比，因此，通過實(shí)驗(yàn)標(biāo)定方法獲得比例系數(shù)后，再通過激光初始光強(qiáng)與角散射光信號(hào)的比值即可確定煙塵的濃度。若結(jié)合米散射理論還可計(jì)算得到煙塵的平均粒徑。

但對(duì)于超低排放煙塵而言，粒徑對(duì)角散射光強(qiáng)的影響無法被忽略，因此，目前傳統(tǒng)角散射法及工業(yè)測(cè)量?jī)x器測(cè)量超低排放煙塵誤差較大，并且無法得到粒徑分布(粒度)信息。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種基于多波長(zhǎng)多角度激光角散射原理的超低排放煙塵監(jiān)測(cè)方法與裝置，通過多波長(zhǎng)多角度激光角散射方法，來降低現(xiàn)有角散射煙塵監(jiān)測(cè)裝置與方法的測(cè)量下限、提高測(cè)量精度，并且具有在線、非接觸式、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案：

本發(fā)明提供了一種超低排放煙塵監(jiān)測(cè)裝置，對(duì)煙塵測(cè)量區(qū)中煙塵的粒徑分布和濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，具有這樣的技術(shù)特征，包括多波長(zhǎng)激光光源部以及多角度光電探測(cè)部。其中，多波長(zhǎng)激光光源部具有：多個(gè)激光器，用于同時(shí)發(fā)射不同波長(zhǎng)的激光；耦合器，對(duì)不同波長(zhǎng)的激光進(jìn)行耦合；以及準(zhǔn)直器，對(duì)耦合后的激光進(jìn)行準(zhǔn)直，得到用于照射到煙塵測(cè)量區(qū)的多波長(zhǎng)激光。多角度光電探測(cè)部具有：多個(gè)光電探測(cè)器，分別與準(zhǔn)直器呈一定角度設(shè)置并且可分辨不同波長(zhǎng)激光強(qiáng)度，用于接收經(jīng)煙塵顆粒散射后的多波長(zhǎng)激光并將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；信號(hào)調(diào)制器，接收電信號(hào)并進(jìn)行調(diào)制；以及信號(hào)處理器，對(duì)調(diào)制后的電信號(hào)進(jìn)行處理，得到煙塵的粒徑和濃度。

本發(fā)明提供的超低排放煙塵監(jiān)測(cè)裝置，還具有這樣的技術(shù)特征：其中一個(gè)光電探測(cè)器和準(zhǔn)直器處于同一條直線上，位于準(zhǔn)直器的正對(duì)面。

本發(fā)明提供的超低排放煙塵監(jiān)測(cè)裝置，還具有這樣的技術(shù)特征：

激光器、耦合器以及準(zhǔn)直器之間通過光纖連接，光電探測(cè)器、信號(hào)調(diào)制器以及信號(hào)處理器之間通過電纜連接。

進(jìn)一步，本發(fā)明還提供了一種超低排放煙塵監(jiān)測(cè)方法，具有這樣的技術(shù)特征，包括以下步驟：步驟1，依據(jù)測(cè)量對(duì)象與要求，確定每個(gè)激光器的工作波長(zhǎng)及每個(gè)光電探測(cè)器的安裝角度；步驟2，打開多波長(zhǎng)激光光源部，使得多波長(zhǎng)激光照射測(cè)量區(qū)，并觸發(fā)所有光電探測(cè)器工作，接收經(jīng)煙塵顆粒散射后的所述多波長(zhǎng)激光，分辨不同波長(zhǎng)角散射光的對(duì)應(yīng)強(qiáng)度并將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；步驟3，采用信號(hào)調(diào)制器接收所述電信號(hào)并進(jìn)行調(diào)制；步驟4，采用信號(hào)處理器對(duì)調(diào)制后的所述電信號(hào)進(jìn)行處理，得到煙塵的粒徑分布和濃度。

本發(fā)明的基于多波長(zhǎng)多角度激光角散射原理的超低排放煙塵監(jiān)測(cè)方法，步驟4處理原理是米散射理論，由于測(cè)量區(qū)設(shè)定為狹小空間，信號(hào)處理器根據(jù)米散射理論可到光入射情況下的單個(gè)顆粒的散射光強(qiáng)為：

$I_s=\frac{{\mathrm{\λ}}^2}{8{\mathrm{\π}}^2{r}^2}\[i_1\left(\mathrm{\θ}\right)+i_2\left(\mathrm{\θ}\right)\]I_0$

其中，λ為激光波長(zhǎng)；r為顆粒到探測(cè)點(diǎn)距離；i(θ)為散射光振幅函數(shù)，是煙塵粒徑D與散射角θ的函數(shù)；I₀為入射光強(qiáng)度。散射角θ為光電探測(cè)器接收的散射光與入射光所成的角度。

因此，特定波長(zhǎng)、特定角度激光角散射光散射強(qiáng)度為：

$I_{si}=\frac{{{\mathrm{\λ}}_i}^2}{8{\mathrm{\π}}^2{r}^2}\[i_1\left({\mathrm{\θ}}_i\right)+i_2\left({\mathrm{\θ}}_i\right)\]I_{0i}$

其中，下標(biāo)i為特定激光波長(zhǎng)與特定角度組合。通過多波長(zhǎng)多角度激光角散射原理的多波長(zhǎng)、多角度組合，可建立方程組，求解得到對(duì)應(yīng)的排放煙塵顆粒粒徑，并進(jìn)行計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)，得到粒徑的數(shù)量分布。

由此可得到顆粒物體積濃度：

$C_V=\mathrm{\Σ}\frac{V_{Di}}{V}=\mathrm{\Σ}\frac{n_i{\mathrm{\πD}}_i^3}{6V}$

其中，V_Di為n個(gè)粒徑D_i顆粒的總體積，V為測(cè)量總體積，V＝S×v，S為光斑面積，v為煙氣流速。

發(fā)明作用與效果

根據(jù)本發(fā)明提供的超低排放煙塵監(jiān)測(cè)裝置及監(jiān)測(cè)方法，由于多波長(zhǎng)激光光源部具有多個(gè)能夠同時(shí)發(fā)射不同波長(zhǎng)激光的激光器，并且多角度光電探測(cè)部中具有與準(zhǔn)直器呈一定角度設(shè)置并且可分辨不同波長(zhǎng)激光強(qiáng)度的多個(gè)光電探測(cè)器，使得本發(fā)明能夠通過多波長(zhǎng)多角度激光角散射方法，針對(duì)超低排放煙塵中的顆粒粒徑分布特征同時(shí)設(shè)定多個(gè)不同的激光波長(zhǎng)，進(jìn)而同時(shí)得到多個(gè)角散射信號(hào)，通過對(duì)這些角散射信號(hào)的探測(cè)分析，就能夠得到煙塵測(cè)量區(qū)中煙塵的濃度和粒徑分布。不僅降低了現(xiàn)有角散射煙塵監(jiān)測(cè)裝置與方法的測(cè)量下限、提高測(cè)量精度，而且還具有在線、非接觸式、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例的超低排放煙塵監(jiān)測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例的超低排放煙塵監(jiān)測(cè)方法的流程圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖具體本發(fā)明的具體實(shí)施方式。

圖1是本發(fā)明實(shí)施例的超低排放煙塵監(jiān)測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

超低排放煙塵監(jiān)測(cè)裝置100設(shè)置在排放煙塵測(cè)量區(qū)30附近，包括多波長(zhǎng)激光光源部10以及多角度光電探測(cè)部20。多波長(zhǎng)激光光源部10用來提供測(cè)量光源并照亮測(cè)量區(qū)，多角度光電探測(cè)部20用來多角度探測(cè)激光散射光信號(hào)。

多波長(zhǎng)激光光源部10包括多個(gè)激光器、多波長(zhǎng)光纖耦合器102、準(zhǔn)直器101，三者通過光纖連接。

激光器1(103)、激光器2(104)……激光器n(105)等多個(gè)激光器發(fā)出的激光經(jīng)多根光纖107傳輸至多波長(zhǎng)光纖耦合器102耦合后，再經(jīng)光纖106傳輸至準(zhǔn)直器(101)準(zhǔn)直后發(fā)出多波長(zhǎng)激光301，并照射排放煙塵測(cè)量區(qū)30。

多角度光電探測(cè)部20包括通過電纜連接的光電探測(cè)器、信號(hào)調(diào)制單元以及信號(hào)處理單元。

每個(gè)光電探測(cè)器均可分辨不同波長(zhǎng)激光強(qiáng)度，這些光電探測(cè)器分別與準(zhǔn)直器呈一定角度設(shè)置，并且其中一個(gè)和準(zhǔn)直器101處于同一條直線上，位于準(zhǔn)直器101正對(duì)面，用于監(jiān)測(cè)入射激光的透射光302光信號(hào)，由于排放煙塵超低濃度，可近似認(rèn)為該透射光的光強(qiáng)即為激光初始入射光強(qiáng)。

在多波長(zhǎng)激光301照射排放煙塵測(cè)量區(qū)30內(nèi)的煙塵顆粒發(fā)生光散射后，不同角度的光散射信號(hào)由相應(yīng)的光電探測(cè)器1(201)、光電探測(cè)器2(202)、光電探測(cè)器3(203)……光電探測(cè)器n(204)接收并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。在本實(shí)施例中，光電探測(cè)器1(201)位于準(zhǔn)直器101的正對(duì)面，用于監(jiān)測(cè)初始入射光強(qiáng)，光電探測(cè)器2、3……n與分別與入射光成相應(yīng)的不同角度，用來探測(cè)多角度的激光角散射光303的光信號(hào)。

信號(hào)調(diào)制單元205用來調(diào)制光電探測(cè)產(chǎn)生的電信號(hào)，并將其傳輸至信號(hào)處理單元206處理，得到煙塵粒度與濃度信息。

圖2為本實(shí)施例中的超低排放煙塵監(jiān)測(cè)方法的流程圖。

如圖2所示，超低排放煙塵監(jiān)測(cè)方法包括以下步驟：

步驟1，依據(jù)測(cè)量對(duì)象與要求，確定每個(gè)激光器的工作波長(zhǎng)及每個(gè)光電探測(cè)器的安裝角度；

步驟2，打開多波長(zhǎng)激光光源部，使得多波長(zhǎng)激光照射測(cè)量區(qū)，并觸發(fā)所有光電探測(cè)器工作，接收經(jīng)煙塵顆粒散射后的所述多波長(zhǎng)激光，分辨不同波長(zhǎng)角散射光的對(duì)應(yīng)強(qiáng)度并將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；

步驟3，采用信號(hào)調(diào)制器接收電信號(hào)并進(jìn)行調(diào)制；

步驟4，采用信號(hào)處理器對(duì)調(diào)制后的所述電信號(hào)進(jìn)行處理，得到煙塵的粒徑分布和濃度。

本發(fā)明的基于多波長(zhǎng)多角度激光角散射原理的超低排放煙塵監(jiān)測(cè)方法的基本原理是米散射理論，由于測(cè)量區(qū)設(shè)定為狹小空間，信號(hào)處理器根據(jù)米散射理論可到光入射情況下的單個(gè)顆粒的散射光強(qiáng)為：

$I_s=\frac{{\mathrm{\λ}}^2}{8{\mathrm{\π}}^2{r}^2}\[i_1\left(\mathrm{\θ}\right)+i_2\left(\mathrm{\θ}\right)\]I_0$

其中，λ為激光波長(zhǎng)；r為顆粒到探測(cè)點(diǎn)距離；i(θ)為散射光振幅函數(shù)，是煙塵粒徑D與散射角θ的函數(shù)；I₀為入射光強(qiáng)度。散射角θ為光電探測(cè)器接收的散射光與入射光所成的角度。

因此，特定波長(zhǎng)、特定角度激光角散射光散射強(qiáng)度為：

$I_{si}=\frac{{{\mathrm{\λ}}_i}^2}{8{\mathrm{\π}}^2{r}^2}\[i_1\left({\mathrm{\θ}}_i\right)+i_2\left({\mathrm{\θ}}_i\right)\]I_{0i}$

其中，下標(biāo)i為特定激光波長(zhǎng)與特定角度組合。通過多波長(zhǎng)多角度激光角散射原理的多波長(zhǎng)、多角度組合，可建立方程組，求解得到對(duì)應(yīng)的排放煙塵顆粒粒徑，并進(jìn)行計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)，得到粒徑的數(shù)量分布。

由此可得到顆粒物體積濃度：

$C_V=\mathrm{\Σ}\frac{V_{Di}}{V}=\mathrm{\Σ}\frac{n_i{\mathrm{\πD}}_i^3}{6V}$

其中，V_Di為n個(gè)粒徑D_i顆粒的總體積，V為測(cè)量總體積，V＝S×v，S為光斑面積，v為煙氣流速。

實(shí)施例作用與效果

根據(jù)本實(shí)施例提供的超低排放煙塵監(jiān)測(cè)裝置及監(jiān)測(cè)方法，由于多波長(zhǎng)激光光源部具有多個(gè)能夠同時(shí)發(fā)射不同波長(zhǎng)激光的激光器，并且多角度光電探測(cè)部中具有與準(zhǔn)直器呈一定角度設(shè)置并且可分辨不同波長(zhǎng)激光強(qiáng)度的多個(gè)光電探測(cè)器，使得本發(fā)明能夠通過多波長(zhǎng)多角度激光角散射方法，針對(duì)超低排放煙塵中的顆粒粒徑分布特征同時(shí)設(shè)定多個(gè)不同的激光波長(zhǎng)，進(jìn)而同時(shí)得到多個(gè)角散射信號(hào)，通過對(duì)這些角散射信號(hào)的探測(cè)分析，就能夠得到煙塵測(cè)量區(qū)中煙塵的濃度和粒徑分布。不僅降低了現(xiàn)有角散射煙塵監(jiān)測(cè)裝置與方法的測(cè)量下限、提高測(cè)量精度，而且還具有在線、非接觸式、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明不限于具體實(shí)施方式的范圍，對(duì)本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來講，只要各種變化在所述的權(quán)利要求限定和確定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，這些變化是顯而易見的，一切利用本發(fā)明構(gòu)思的發(fā)明創(chuàng)造均在保護(hù)之列。