一种测量烟尘中颗粒的粒径和质量浓度的装置及方法与流程

本发明属于环境监测领域，更具体地，涉及一种同时测量烟尘中颗粒的粒径和质量浓度的装置及方法。

背景技术：

随着电厂污染物排放标准越来越严格，准确地对烟道内各种低浓度污染物进行监测是环保测评的前提。而各种污染物中，低浓度的烟尘监测是目前排放检测的难点和重点。

随着激光技术和光学仪器的发展，激光用于烟尘和颗粒物检测的应用也越来越多，目前利用光学原理测量的主要方法有消光法、光散射法等。其中，光散射法是根据一定波长的光照射到烟尘中时，烟尘颗粒对光的散射强度与烟尘颗粒浓度成正相关，通过测定某一立体角内的散射光强度，可以计算出烟道内颗粒物浓度。

由于实际锅炉燃烧过程中，燃煤颗粒粒径受到燃烧工况以及除尘设备性能影响较大，粒径分布变化频繁，现有技术的光散射法测量装置通常受到颗粒的粒径影响。例如，专利文献CN1959374中公开了一种激光烟尘浓度测量装置，该装置采用固定角度的散射光探测器，根据Mie散射理论，建立烟尘浓度与散射光强度的联系，实现烟尘浓度的测量。然而，该方法无法实时获取颗粒的粒径，只能通过定期的手工测量对颗粒的粒径进行标定修正，不仅增加了人力成本，同时难以实时获取准确的颗粒的质量浓度，降低了测量效率和准确性。

技术实现要素：

针对现有光散射测量颗粒物质量浓度缺乏实时颗粒粒径信息而导致结果偏差的问题，本发明提供了一种同时测量烟尘中颗粒的粒径和质量浓度的装置及方法，通过设置固定位置的第一光强探测器以及运动的第二光强探测器，使得所测烟尘中颗粒的质量浓度不受其粒径的影响。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种同时测量烟尘中颗粒的粒径和质量浓度的装置，包括激光光源、第一光强探测器、第二光强探测器以及计算中枢；

所述激光光源用于向光散射测量区的烟尘发出单色激光，使得烟尘中颗粒产生散射光；

所述第一光强探测器的探测方向面向光散射测量区，且与单色激光出射方向的夹角为5°～60°，所述第一光强探测器用于获得第一散射光强

所述第二光强探测器的探测方向面向光散射测量区，且与单色激光出射方向的夹角θ在θ1～θN之间变化，所述第二光强探测器用于获得第二散射光强Iθ；其中，θ1为5°～20°，θN为160°～175°；

所述第一光强探测器的输出端连接计算中枢的第一输入端；所述第二光强探测器的输出端连接计算中枢的第二输入端；所述计算中枢用于根据第一散射光强以及第二散射光强Iθ，获得烟尘中颗粒的粒径和质量浓度。

优选地，所述第二光强探测器与第一光强探测器位于所述单色激光出射方向的异侧，第二光强探测器的探测方向、第一光强探测器的探测方向与单色激光出射方向在同一水平面内。

优选地，所述第二散射光强Iθ对应的夹角(即第二光强探测器的探测方向与单色激光出射方向的夹角)θ为θ1、θ2、…、θN，采样数N为8～171。

优选地，第二光强探测器的探测方向与单色激光出射方向的夹角θ的变化周期T为1s～5s。

优选地，所述装置还包括气路系统以及机械控制系统；所述气路系统用于容纳待测量的烟尘，所述机械控制系统用于控制第二光强探测器，使所述第二光强探测器的探测方向与单色激光出射方向的夹角θ在θ1～θN之间变化。

作为进一步优选地，所述气路系统包括采样口、进气管、探测腔、出气管、过滤装置和真空泵；

所述采样口的出口连接进气管的入口，所述进气管的出口连接探测腔的入口，所述探测腔的出口连接出气管的入口，所述激光光源、第一光强探测器以及第二光强探测器设置于所述探测腔内，所述出气管的出口连接所述过滤装置的入口，所述过滤装置的出口连接所述真空泵的入口，所述真空泵的出口作为所述气路系统的出口；

所述采样口用于采集待测量的烟尘，所述进气管用于将待测量的烟尘通入探测腔并形成烟尘柱，且被单色激光照射的烟尘柱所在的区域为光散射测量区，所述探测腔用于容纳待测量的烟尘，所述出气管用于收集已测量的烟尘，所述过滤装置用于收集测量的烟尘中的颗粒，所述真空泵用于调节烟尘的流量。

作为更进一步优选地，所述进气管的出口为渐缩喷嘴，以保证烟尘柱的形态稳定，从而使得光散射测量区具有稳定的体积。

作为更进一步优选地，所述出气管的截面积为进气管的出口的截面积1.5倍～2倍，以保证烟尘充分通过出气管进入过滤装置。

作为进一步优选地，所述机械控制系统包括旋转电机以及支撑支架；旋转电机的控制端通过支撑支架连接第二光强探测器，所述旋转电机用于控制第二光强探测器的探测方向与单色激光出射方向的夹角θ在θ1～θN之间变化。

优选地，所述装置还包括依次设置于所述激光光源的前端的光束准直器以及光源光阑；所述光束准直器用于对单色激光进行整形调理，保证单色激光的发散角小于1mrad；所述光源光阑用于限制单色激光的光斑直径为1mm～2mm，保证只有单色激光的高斯光束中间强度均匀部分进入光散射测量区，减小由于烟尘中颗粒的散射光的光强不均造成的测量误差。

优选地，所述激光光源包括激光器、半反半透镜以及光源探测器；所述半反半透镜面向所述激光器，所述半反半透镜的反射方向以及透射方向分别面向所述光源探测器以及光散射测量区，且半反半透镜的反射方向与入射至半反半透镜上的单色激光的角度为30°～150°，所述光源探测器的输出端连接计算中枢的第三输入端；

所述激光器用于发出光强为2I0的单色激光，所述半反半透镜用于将所述单色激光均分为光强为I0的反射的单色激光以及透射的单色激光，所述光源探测器用于获取照射至光散射测量区的烟尘的单色激光的光强I0，以避免温度和激光器的使用寿命对所述光强I0的影响。

优选地，所述装置还包括设置于所述单色激光的光路尾部的光陷阱；所述光陷阱用于对单色激光穿过光散射测量区后形成的透射光进行拦截，并减少装置的内壁对单色激光的反射，避免测量结果偏大。

优选地，所述第一光强探测器以及第二光强探测器分别包括第一光阑、凸透镜、第二光阑以及光电探测器，所述第二光阑、凸透镜以及第一光阑依次设置于光电探测器的前端；所述第一光阑用于控制光电探测器的探测角，所述凸透镜用于汇聚收集到的散射光至光电探测器的感光面内，所述第二光阑用于防止环境中的杂散光进入光电探测器，并调节散射光的强度至光电探测器的光电转换线性区，所述光电探测器用于获取散射光的光强信号。

按照本发明的另一方面，提供了一种同时测量烟尘中颗粒的粒径和质量浓度的方法，包括以下步骤：

S1.根据第一散射光强的实际相对散射相曲线的平均峰宽Δθ，获得颗粒的粒径

其中，为第一散射光强，所述第一散射光强的探测方向与单色激光出射方向的夹角为5°～60°；所述Iθ为第二散射光强，所述第二散射光强的探测方向与单色激光出射方向的夹角θ在θ1～θN之间变化，θ1为5°～20°，θN为160°～175°，β和δ为探测因子；

S2.获得颗粒的质量浓度

其中，I0为单色激光的光强，ρ为烟尘的密度，r为第一散射光强的探测距离，V为光散射测量区的体积，λ为单色激光的波长，为第一散射光强的水平偏振强度，为第一散射光强的垂直偏振强度，m为颗粒对单色激光的折射率。

优选地，在所述步骤S1中，获取探测因子β和δ的方法包括以下子步骤：

S1-1.获得第一散射光强的K条理论相对散射相曲线其中，为第一散射光强的理论水平偏振强度函数，第一散射光强的理论垂直偏振强度函数，i1(θ,Dk,m,λ)为第二散射光强的理论水平偏振强度函数，i2(θ,Dk,m,λ)为第二散射光强的理论垂直偏振强度函数，m为颗粒对单色激光的折射率，λ为单色激光的波长，Dk为颗粒的粒径的设定值，为0.1μm～10μm的常数，k为1、2、…、K，设定值的个数K为3～50的整数；

S1-2.获得所述理论相对散射相曲线P(θ,k)理的平均峰宽Δθk与对应的颗粒的粒径的设定值Dk的K条理论关系曲线为D1、D2、…、DK，平均峰宽Δθ为Δθ1、Δθ2、…ΔθK，β和δ为探测因子；

S1-3.根据所述K条理论关系曲线，获得探测因子β和δ。

作为进一步优选地，所述理论相对散射相曲线的获取方法包括如下子步骤：

S1-1-1.获取第一Mie因子第二Mie因子第三Mie因子hn(z)＝jn(z)+iyn(z)，第四Mie因子第五Mie因子第六Mie因子以及第七Mie因子

其中，x＝πDk/λ，计算参数n为1～x+4x^1/3+2之间的自然数，i为虚数符号，z为x或mx；

S1-1-2.根据所述第一Mie因子至第七Mie因子，获得理论相对散射相曲线其中，第一散射光强的理论水平偏振强度函数第一散射光强的理论垂直偏振强度函数第二散射光强的理论水平偏振强度函数i1(θ,Dk,m,λ)＝i1(ξ,Dk,m,λ)，ξ＝θ，第二散射光强的理论垂直偏振强度函数i2(θ,Dk,m,λ)＝i2(ξ,Dk,m,λ)，ξ＝θ；水平偏振强度函数为垂直偏振强度函数为

优选地，所述单色激光的波长λ为350nm～850nm，烟尘的密度ρ为2.0mg/m³～2.8mg/m³，光散射测量区的体积V为0.01cm³～0.5cm³。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

1、在固定角度的第一光强探测器的基础上，增加了围绕光散射测量区中心旋转的第二光强探测器，通过第二光强探测器与第一光强探测器的比值得到了烟尘中颗粒的实际相对散射相曲线，从而能实时获得颗粒的粒径，避免了颗粒的粒径变化对质量浓度的测量造成的影响，使得颗粒的质量浓度的测量更加准确；

2、利用光源探测器实时获取单色激光的光强，从而避免了温度和器件老化对激光光源的影响而造成的测量误差；

3、颗粒粒径与实际相对散射相曲线的平均峰宽的关系可预先通过理论相对散射相曲线计算获得，从而简化了计算，加快了检测速度。

附图说明

图1为本发明实施例1装置的整体结构图；

图2为本发明实施例1的光路设计图；

图3为实施例1中不同粒径下相对散射相函数与散射角的曲线关系图；

图4为实施例1中相对散射相函数中平均震荡峰宽与颗粒的粒径的关系图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：101-进气管，102-出气管，103-真空泵，201-激光器，202-光束准直器，203-光阑，204-光陷阱，205-半反半透镜，206-光源强度探测器，301-第一光阑，302-双凸透镜，303-第二光阑，304-第二光强探测器；401-第一光阑，402-双凸透镜，403-第二光阑，404-第一光强探测器；501-旋转电机，502-第二光强探测器支架。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种同时测量烟尘中颗粒的粒径和质量浓度的装置，包括气路系统、机械控制系统、激光光源、第一光强探测器、第二光强探测器、光源探测器以及计算中枢；

所述气路系统用于容纳待测量的烟尘；

所述激光光源用于向光散射测量区的烟尘发出单色激光，使得烟尘中颗粒产生散射光；

所述第一光强探测器的探测方向面向光散射测量区，用于获得第一散射光强所述第一光强探测器的探测方向与单色激光出射方向的夹角为5°～60°，能一方面保证获得较强的第一散射光强另一方面保证第一光强探测器不干扰单色激光的光路；

所述机械控制系统包括旋转电机以及支撑支架；旋转电机的控制端通过支撑支架连接第二光强探测器，所述旋转电机用于控制第二光强探测器的探测方向与单色激光出射方向的夹角θ在θ1～θN之间变化；

所述第二光强探测器的探测方向面向光散射测量区，用于获得第二散射光强Iθ；由于第二光强探测器的探测方向转动到近0°或180°时可能会对单色激光的光路造成干扰，通常θ1为5°～20°，θN为160°～175°，所述第二散射光强Iθ对应的夹角θ为θ1、θ2、…、θN，采样数N为8～171，采样数N越大，计算越精确，然而可能一定程度上影响计算速度；第二光强探测器的探测方向与单色激光出射方向的夹角θ的变化周期T(即夹角θ从θ1到θN，又从θN到θ1)为1s～5s，因此在0.5s到2.5s(T/2)内即可获取一套完整的第二散射光强Iθ的采样值；

为了避免测量误差，并简化装置结构，可将第二光强探测器与第一光强探测器设置于所述单色激光出射方向的异侧，第二光强探测器的探测方向、第一光强探测器的探测方向与单色激光出射方向在同一水平面内。

所述第一光强探测器的输出端连接计算中枢的第一输入端；所述第二光强探测器的输出端连接计算中枢的第二输入端；所述计算中枢用于根据第一散射光强以及第二散射光强Iθ，获得烟尘中颗粒的粒径和质量浓度。

其中，所述气路系统包括进气管、探测腔、出气管以及真空泵；所述进气管的出口连接探测腔的入口，所述探测腔的出口连接出气管的入口，所述激光光源、光源探测器、第一光强探测器以及第二光强探测器设置于所述探测腔内，所述出气管的出口连接所述真空泵的入口，所述真空泵的出口作为所述气路系统的出口；

所述进气管用于将待测量的烟尘通入探测腔并形成烟尘柱，且被单色激光照射的烟尘柱所在的区域为光散射测量区，进气管的出口可设置为渐缩喷嘴，以保证烟尘柱的形态稳定，从而使得光散射测量区具有稳定的体积；所述探测腔用于容纳待测量的烟尘，所述出气管用于收集已测量的烟尘，所述出气管的截面积为进气管的出口的截面积1.5倍～2倍，以保证烟尘充分通过出气管进入过滤装置，所述真空泵用于调节烟尘的流量；

在进气管之前还可以设置采样管，所述采样口的出口连接进气管的入口，用于采集待测量的烟尘；在出气管和真空泵之间，还可以设置过滤装置，用于收集烟尘中的颗粒。

在所述激光光源的前端，还可以依次设置光束准直器以及光源光阑，所述光束准直器用于对单色激光进行整形调理，保证单色激光的发散角小于1mrad；所述光源光阑用于限制单色激光的光斑直径为1mm～2mm，保证只有单色激光的高斯光束中间强度均匀部分进入第一光强探测器以及第二光强探测器的光散射测量区，以减小由于光散射测量区内的散射光光强不均造成的测量误差。

在单色激光的光路尾部还可以设置光陷阱；所述光陷阱用于拦截穿过光散射测量区的单色激光，并减少装置的内壁对单色激光的反射对测量的影响，避免测量结果偏大。

虽然激光光源在功率固定时，光强I0也是确定，但长期使用以及温度会对其光强I0造成影响，可以在激光光源中设置光源探测器避免这些额外因素造成的测量误差；例如，激光光源可以由激光器、半反半透镜以及光源探测器组成；所述半反半透镜面向所述激光器，所述半反半透镜的反射方向以及透射方向分别面向所述光源探测器以及光散射测量区，且半反半透镜的反射方向与入射至半反半透镜上的单色激光的角度为30°～150°，所述光源探测器的输出端连接计算中枢的第三输入端；

所述激光器用于发出光强为2I0的单色激光，所述半反半透镜用于将所述单色激光均分为光强为I0的反射的单色激光以及透射的单色激光，所述光源探测器用于获取照射至光散射测量区的烟尘的单色激光的光强I0，以避免温度和激光器的使用寿命对所述光强I0的影响。

所述第一光强探测器以及第二光强探测器分别包括第一光阑、凸透镜、第二光阑以及光电探测器，所述第二光阑、凸透镜以及第一光阑依次设置于光电探测器的前端；所述第一光阑用于控制光电探测器的探测角，所述凸透镜用于汇聚收集到的散射光至光电探测器的感光面内，所述第二光阑用于防止环境中的杂散光进入光电探测器，并调节散射光的强度至光电探测器的光电转换线性区，所述光电探测器用于获取散射光的光强信号。

按照本发明的另一方面，提供了一种上述装置用于测量颗粒的粒径和质量浓度的方法，包括以下子步骤：

S1-1-1.获取第一Mie因子第二Mie因子第三Mie因子hn(z)＝jn(z)+iyn(z)，第四Mie因子第五Mie因子第六Mie因子以及第七Mie因子

其中，x＝πDk/λ，计算参数n为1～x+4x^1/3+2之间的自然数，i为虚数符号，z为x或mx，m为颗粒的折射率(折射率与颗粒的成分相关，当待测量的烟尘由多种成分的颗粒组成，可根据颗粒在烟尘中所占的比例取折射率的平均值)，单色激光的波长λ为350nm～850nm；Dk为颗粒的粒径的设定值，因为烟尘中颗粒的粒径一般为0.1μm～10μm，因此Dk为0.1μm～10μm的常数，k为1、2、…、K，设定值的个数K为3～50的整数；

S1-1-2.根据所述第一Mie因子至第七Mie因子，获得第一散射光强的K条理论相对散射相曲线其中，第一散射光强的理论水平偏振强度函数第一散射光强的理论垂直偏振强度函数第二散射光强的理论水平偏振强度函数i1(θ,Dk,m,λ)＝i1(ξ,Dk,m,λ)，ξ＝θ，第二散射光强的理论垂直偏振强度函数i2(θ,Dk,m,λ)＝i2(ξ,Dk,m,λ)，ξ＝θ；水平偏振强度函数为垂直偏振强度函数为

在实际测量中，可将常用的颗粒的折射率m以及颗粒的粒径Dk的设定值对应的理论相对散射相曲线储存于计算中枢中，当需要计算时，直接根据实际待测量的烟尘中的颗粒的成分以及预计的粒径的大小进行调用即可；

S1-2.获得所述理论相对散射相曲线P(θ,k)理的平均峰宽Δθk与对应的颗粒的粒径的设定值Dk的K条理论关系曲线为D1、D2、…、DK，Δθ为Δθ1、Δθ2、…ΔθK；

S1-3.根据所述K条理论关系曲线，获得探测因子β和δ；

S1-4.获取第一散射光强以及第二散射光强Iθ，并根据第一散射光强的实际相对散射相曲线的平均峰宽Δθ，获得颗粒的粒径

S2.获取单色激光的光强I0，并根据所述颗粒的粒径以及光强I0，获得颗粒的质量浓度其中，ρ为已知的烟尘的密度，通常为2.0mg/m³～2.8mg/m³，r为第一散射光强的探测距离(即第一光强探测器至光散射测量区的距离)，光散射测量区的体积V可以通过待测量的烟尘的直径与激光束光斑大小构成的圆柱体估算(所述圆柱体的直径为单色激光的光束直径，高为待测量的烟尘柱的截面直径)，也可以通过标准颗粒实验对光散射测量区的体积V进行准确标定，通常光散射测量区的体积V为0.01cm³～0.5cm³。

实施例1

图1为实施例1的正视图，体现装置整体结构，图2为实施例1的俯视图，体现装置光路设计原则。

本实施例通过气溶胶发生器产生稳定浓度ρ为4mg/m³(利用低压电子撞击器测定)的石英烟尘颗粒，烟尘气流通过特殊设计的进气管101进入光散射测量区，流量为10L/min，光散射测量区有鞘气保护(图中已省略)，流量为5L/min，光散射测量区前喷口直径为3mm；出气管102内径为10mm；真空泵103抽取流量为15L/min。

激光器201采用633nm红色激光光源，光束准直器202对光束进行准之后，光斑直径为6mm，通过光阑203后，光斑直径为1mm，此时光斑强度已较为均匀；在光阑203之后，还设置有半反半透镜205，其反射方向与单色激光的出射方向的角度为90°，用于将单色激光均分为光强相等的反射的单色激光以及透射的单色激光；在半反半透镜的反射方向设置有光源强度探测器206，由于反射的单色激光与透射的单色激光的强度相等，该光源强度探测器206获取的光源强度I0相当于透射的单色激光的强度；透射的单色激光通过光散射测量区，使得待测量的烟尘发出散射光，最后被设置于光路尾部的光陷阱204拦截。

如图2所示，光散射测量区的散射光通过第一光强探测器404以及第二光强探测器304进行收集，第一光强探测器404固定在散射角45°处，第一光阑401保证散射光立体角为±3°；双凸透镜402直径25.4mm，焦距50mm，用于聚焦散射光至探测器光敏区，第二光阑403限制杂散光进入探测器，提高光强探测器的信噪比。

第二光强探测器304、第二光阑303、双凸透镜302以及第一光阑301的型号、配合关系以及与光散射测量区的距离与对应的404、403、402、401相同，光散射测量区到第一光强探测器和第二光强探测器的距离均相等；而第二光强探测器304整体与第二光强探测器支架502连接，旋转电机501位于测量区出口管的正下方，第二光强探测器支架502与旋转电机501相连，以保证第二光强探测器304的探测方向在10°～170°散射角范围内围绕光散射测量区进行周期性运动，往复周期为3s。

本实施例的装置测量烟尘中颗粒的粒径和质量浓度的过程包括以下步骤：

S1-1.由于本实施例中烟尘的颗粒的粒径经估算0.5μm～5μm之间，因此将颗粒的粒径的设定值分别设置为D1＝0.5μm，D2＝1μm，D3＝2μm，D4＝3μm，D4＝5μm，根据本实施例中单色激光的波长633nm以及颗粒的折射率1.544(由于颗粒的材料为石英)，获得45°参考角处的理论散射相函数β为1、2、3、4、5；获得理论相对散射相曲线P(θ)理如附图3所示；

S1-2.获得β为1、2、3、4、5时，理论相对散射相曲线P(θ)理分别的平均峰宽Δθβ；例如，β＝2时，如图3所示，可以得到对应的平均峰宽再根据粒的粒径的设定值Dβ对应的平均峰宽Δθβ，可获得平均峰宽Δθ与粒径的拟合关系曲线如图4所示；

S1-3.获取第一光强信号I45°为0.113nW/cm²，同时，在10°～170°范围内获取161个第二光强信号Iθ；

根据上述光强测量信号，可得到以45°为参考散射角的散射相函数Pθ与颗粒的粒径D的实际相对散射相曲线

根据实际相对散射相曲线，得到待测颗粒峰值平均峰宽Δθ测＝11°，根据图4中拟合关系曲线，可以得到颗粒的实际粒径为3.5μm；

S2.获得颗粒的质量浓度其中，以某一瞬时测量数据为例，单色激光的光强I0为0.5W/cm²，I45°为0.113nW/cm²。预计的烟尘中的颗粒密度ρ＝2.65g/cm³，第一光强探测器与光散射测量区中心距离r＝100mm，光散射测量区的容积V(45°)＝15.7mm³，第一光强信号的水平偏振强度i1(45°)为39.6，第一光强信号的垂直偏振强度i2(45°)为101.0，最终可计算出烟尘真实质量浓度Cm＝3.82mg/m³，测量误差为4.5％。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。