一种超低排放烟尘监测装置及监测方法与流程

本发明属于烟尘粒度和浓度测试领域，具体涉及一种基于多波长多角度激光角散射原理的超低排放烟尘监测方法与装置。

背景技术：

烟尘的颗粒浓度是表征烟尘污染物排放情况的重要参数之一。目前称重法为国际上颗粒污染物的通用检测方法，由于在线测量需求，又形成了连续称重法、β射线法等实时取样烟尘浓度分析法及电荷法、光散射法等在线浓度分析法。

但是随着环境保护的要求提高及除尘技术的进步，超低排放烟尘浓度及粒度的大幅降低，若采用取样方法进行测量，单次取样时间较长；若采用在线方法进行测量，测试误差较大。

为了解决超低排放烟尘监测问题，通常采用角散射法，该方法是在测量区呈角度安装一个激光器和一个光电探测器，激光器发出激光照射测量区，光电探测器接收角散射信号。由于在工业上通常忽略粒径对角散射光强的影响，简化认为角散射光信号强度与烟尘浓度成正比，因此，通过实验标定方法获得比例系数后，再通过激光初始光强与角散射光信号的比值即可确定烟尘的浓度。若结合米散射理论还可计算得到烟尘的平均粒径。

但对于超低排放烟尘而言，粒径对角散射光强的影响无法被忽略，因此，目前传统角散射法及工业测量仪器测量超低排放烟尘误差较大，并且无法得到粒径分布(粒度)信息。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于多波长多角度激光角散射原理的超低排放烟尘监测方法与装置，通过多波长多角度激光角散射方法，来降低现有角散射烟尘监测装置与方法的测量下限、提高测量精度，并且具有在线、非接触式、易维护等优点。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

本发明提供了一种超低排放烟尘监测装置，对烟尘测量区中烟尘的粒径分布和浓度进行监测，具有这样的技术特征，包括多波长激光光源部以及多角度光电探测部。其中，多波长激光光源部具有：多个激光器，用于同时发射不同波长的激光；耦合器，对不同波长的激光进行耦合；以及准直器，对耦合后的激光进行准直，得到用于照射到烟尘测量区的多波长激光。多角度光电探测部具有：多个光电探测器，分别与准直器呈一定角度设置并且可分辨不同波长激光强度，用于接收经烟尘颗粒散射后的多波长激光并将其转换成电信号；信号调制器，接收电信号并进行调制；以及信号处理器，对调制后的电信号进行处理，得到烟尘的粒径和浓度。

本发明提供的超低排放烟尘监测装置，还具有这样的技术特征：其中一个光电探测器和准直器处于同一条直线上，位于准直器的正对面。

本发明提供的超低排放烟尘监测装置，还具有这样的技术特征：

激光器、耦合器以及准直器之间通过光纤连接，光电探测器、信号调制器以及信号处理器之间通过电缆连接。

进一步，本发明还提供了一种超低排放烟尘监测方法，具有这样的技术特征，包括以下步骤：步骤1，依据测量对象与要求，确定每个激光器的工作波长及每个光电探测器的安装角度；步骤2，打开多波长激光光源部，使得多波长激光照射测量区，并触发所有光电探测器工作，接收经烟尘颗粒散射后的所述多波长激光，分辨不同波长角散射光的对应强度并将其转换成电信号；步骤3，采用信号调制器接收所述电信号并进行调制；步骤4，采用信号处理器对调制后的所述电信号进行处理，得到烟尘的粒径分布和浓度。

本发明的基于多波长多角度激光角散射原理的超低排放烟尘监测方法，步骤4处理原理是米散射理论，由于测量区设定为狭小空间，信号处理器根据米散射理论可到光入射情况下的单个颗粒的散射光强为：

$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为激光波长；r为颗粒到探测点距离；i(θ)为散射光振幅函数，是烟尘粒径D与散射角θ的函数；I₀为入射光强度。散射角θ为光电探测器接收的散射光与入射光所成的角度。

因此，特定波长、特定角度激光角散射光散射强度为：

$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，下标i为特定激光波长与特定角度组合。通过多波长多角度激光角散射原理的多波长、多角度组合，可建立方程组，求解得到对应的排放烟尘颗粒粒径，并进行计数统计，得到粒径的数量分布。

由此可得到颗粒物体积浓度：

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

其中，V_Di为n个粒径D_i颗粒的总体积，V为测量总体积，V＝S×v，S为光斑面积，v为烟气流速。

发明作用与效果

根据本发明提供的超低排放烟尘监测装置及监测方法，由于多波长激光光源部具有多个能够同时发射不同波长激光的激光器，并且多角度光电探测部中具有与准直器呈一定角度设置并且可分辨不同波长激光强度的多个光电探测器，使得本发明能够通过多波长多角度激光角散射方法，针对超低排放烟尘中的颗粒粒径分布特征同时设定多个不同的激光波长，进而同时得到多个角散射信号，通过对这些角散射信号的探测分析，就能够得到烟尘测量区中烟尘的浓度和粒径分布。不仅降低了现有角散射烟尘监测装置与方法的测量下限、提高测量精度，而且还具有在线、非接触式、易维护等优点。

附图说明

图1是本发明实施例的超低排放烟尘监测装置的结构示意图；

图2是本发明实施例的超低排放烟尘监测方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图具体本发明的具体实施方式。

图1是本发明实施例的超低排放烟尘监测装置的结构示意图。

超低排放烟尘监测装置100设置在排放烟尘测量区30附近，包括多波长激光光源部10以及多角度光电探测部20。多波长激光光源部10用来提供测量光源并照亮测量区，多角度光电探测部20用来多角度探测激光散射光信号。

多波长激光光源部10包括多个激光器、多波长光纤耦合器102、准直器101，三者通过光纤连接。

激光器1(103)、激光器2(104)……激光器n(105)等多个激光器发出的激光经多根光纤107传输至多波长光纤耦合器102耦合后，再经光纤106传输至准直器(101)准直后发出多波长激光301，并照射排放烟尘测量区30。

多角度光电探测部20包括通过电缆连接的光电探测器、信号调制单元以及信号处理单元。

每个光电探测器均可分辨不同波长激光强度，这些光电探测器分别与准直器呈一定角度设置，并且其中一个和准直器101处于同一条直线上，位于准直器101正对面，用于监测入射激光的透射光302光信号，由于排放烟尘超低浓度，可近似认为该透射光的光强即为激光初始入射光强。

在多波长激光301照射排放烟尘测量区30内的烟尘颗粒发生光散射后，不同角度的光散射信号由相应的光电探测器1(201)、光电探测器2(202)、光电探测器3(203)……光电探测器n(204)接收并转换为电信号。在本实施例中，光电探测器1(201)位于准直器101的正对面，用于监测初始入射光强，光电探测器2、3……n与分别与入射光成相应的不同角度，用来探测多角度的激光角散射光303的光信号。

信号调制单元205用来调制光电探测产生的电信号，并将其传输至信号处理单元206处理，得到烟尘粒度与浓度信息。

图2为本实施例中的超低排放烟尘监测方法的流程图。

如图2所示，超低排放烟尘监测方法包括以下步骤：

步骤1，依据测量对象与要求，确定每个激光器的工作波长及每个光电探测器的安装角度；

步骤2，打开多波长激光光源部，使得多波长激光照射测量区，并触发所有光电探测器工作，接收经烟尘颗粒散射后的所述多波长激光，分辨不同波长角散射光的对应强度并将其转换成电信号；

步骤3，采用信号调制器接收电信号并进行调制；

步骤4，采用信号处理器对调制后的所述电信号进行处理，得到烟尘的粒径分布和浓度。

本发明的基于多波长多角度激光角散射原理的超低排放烟尘监测方法的基本原理是米散射理论，由于测量区设定为狭小空间，信号处理器根据米散射理论可到光入射情况下的单个颗粒的散射光强为：

$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为激光波长；r为颗粒到探测点距离；i(θ)为散射光振幅函数，是烟尘粒径D与散射角θ的函数；I₀为入射光强度。散射角θ为光电探测器接收的散射光与入射光所成的角度。

因此，特定波长、特定角度激光角散射光散射强度为：

$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，下标i为特定激光波长与特定角度组合。通过多波长多角度激光角散射原理的多波长、多角度组合，可建立方程组，求解得到对应的排放烟尘颗粒粒径，并进行计数统计，得到粒径的数量分布。

由此可得到颗粒物体积浓度：

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

其中，V_Di为n个粒径D_i颗粒的总体积，V为测量总体积，V＝S×v，S为光斑面积，v为烟气流速。

实施例作用与效果

根据本实施例提供的超低排放烟尘监测装置及监测方法，由于多波长激光光源部具有多个能够同时发射不同波长激光的激光器，并且多角度光电探测部中具有与准直器呈一定角度设置并且可分辨不同波长激光强度的多个光电探测器，使得本发明能够通过多波长多角度激光角散射方法，针对超低排放烟尘中的颗粒粒径分布特征同时设定多个不同的激光波长，进而同时得到多个角散射信号，通过对这些角散射信号的探测分析，就能够得到烟尘测量区中烟尘的浓度和粒径分布。不仅降低了现有角散射烟尘监测装置与方法的测量下限、提高测量精度，而且还具有在线、非接触式、易维护等优点。

本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所述的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。