一种应用白光LED光源的颗粒物浓度测量装置及方法与流程

本发明涉及环保行业的数据自动化采集与分析仪器，具体涉及污染物排放监测与测量装置，具体是一种应用白光led光源的颗粒物浓度测量装置及方法。

背景技术：

随着现代工业的发展，环境污染问题逐渐进入人们的视野，特别是近年来我国多地区大范围发生连续雾霾天气，使整个社会对空气污染问题尤其是对悬浮颗粒物的关注程度逐渐增强。悬浮颗粒是指大气中pm1、pm2.5、pm10。等粒径小于100μm的固体微粒。研究表明：颗粒物是造成雾霾天气污染的主要污染物，粒径小于10μm粒径的颗粒物可沉积在上呼吸道，粒径小于2μm的颗粒可进入支气管和肺泡，已经严重污染了大气环境和影响了人类健康。因此，大气悬浮颗粒的准确监测和防控也成为当前迫在眉睫的问题。

目前，国内外针对悬浮颗粒的测量方法主要有微量振荡天平法、β射线吸收法和称重法三种。微量振荡天平法是以锥形元件震荡微量天平原理为基础测量悬浮颗粒物质量浓度，测量灵敏度度较高；但测量成本较高并且受湿度影响较大。β射线吸收法通过测量滤膜上悬浮颗粒物对b射线的吸收强度来计算颗粒物质量浓度，能够实现自动、实时测量；但在测量中使用了放射性同位素，测量受人为影响较大。称重法是我国gb/t15432—1995标准规定的对颗粒的测量方法，由采样前后颗粒物在滤膜上的重量差和所测量的气体体积计算得到颗粒物的浓度。测量的原理简单，数据可靠，精度高；但时效低，不能实时测量，易引人人工误差。

mie粒子光散射原理是光散射法颗粒检测的理论依据。当光束入射到颗粒物上时，入射光发生光散射现象。在颗粒物特性一定的情况下，散射光强度与颗粒物质量浓度成线性关系。通过测量散射光强度，依照换算公式可得颗粒物质量浓度。分析可知，光散射法具有测量范围宽，适应性广，偏振光影响误差小、智能化微型化程度较高、可连续实时测量、原理简单、比较实用等优点。

目前已有根据mie粒子光散射原理，设计的颗粒物浓度测量装置，但都采用单色激光做为光源。根据mie粒子散射理论分析，悬浮颗粒的散射光强分布受入射光波长、颗粒物直径、颗粒物折射率的影响。因此在颗粒物成分复杂，特别是烟气、工业废气排放监测中，很难实现准确测量。

技术实现要素：

为了克服上述技术的缺陷，本发明的目的是针对颗粒物成分复杂的烟气、工业废气排放监测中，提供一种应用白光led光源的颗粒物浓度测量装置及方法，该装置是一种能够准确测量排放颗粒物质量浓度连续在线监测装置，并满足干烟气和湿烟气条件下的应用，且实现等速采样。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种应用白光led光源的颗粒物浓度测量装置，包括样气加热气化预处理单元、颗粒物质量浓度测量单元、等速取样控制单元和采样探枪，等速取样控制单元包括等速取样控制器以及与等速取样控制器相连的流量计、引风机和流速测量装置；采样探枪用于采集烟道中的烟气，采样探枪的样气出口与样气加热气化预处理单元连接，样气加热气化预处理单元用于对采样气进行充分加热气化处理，采样探枪的回气出口连通至烟道，样气加热气化预处理单元的出口与流量计的入口相连，流量计的出口与颗粒物质量浓度测量单元连接，颗粒物质量浓度测量单元的出口与引风机相连，引风机的出口与采样探枪的回气入口连接；引风机上连接有用于调速的变频器，变频器与等速取样控制器连接，引风机等速取样控制器控制变频器频率，调节与连接引风机抽气量；颗粒物质量浓度测量单元的检测光源为包含全部可见光的白光led；流速测量装置安装于烟道处，用于测量烟道内烟气流速。

样气加热气化预处理单元包括气化室和加热控制器，加热控制器与气化室相连并用于控制气化室的温度，气化室的入口与采样探枪的样气出口连通，气化室的出口与流量计的入口连通。

颗粒物质量浓度测量单元包括白光led、测量池、光电检测装置和信号处理单元，测量池的入口与流量计的出口连通，测量池的出口与引风机的入口连通，白光led安装于测量池的池壁上，白光led发出的光束与测量池的进样方向垂直；光电检测装置安装在与入射光夹角为30°位置；信号处理单元与光电检测装置连接，信号处理单元用于根据光电检测装置测量的散射光强度计算烟气中的颗粒物质量浓度。

信号处理单元包括信号处理器、颗粒物浓度计算器和颗粒物质量浓度信号输出单元，信号处理器、颗粒物浓度计算器和颗粒物质量浓度信号输出单元依次相连；信号处理器还与光电检测装置连接。

所述白光led发出的光波长包含380nm～720nm的光波。

一种应用白光led光源的颗粒物浓度测量方法，过程如下：

流速测量装置检测烟道中烟气的流速并将检测到的烟气流速信号传输给等速取样控制器；

等速取样控制器控制变频器的频率，调节引风机的抽气量，使采样探枪的样气入口采集烟道中的烟气，以采集的烟气作为样气，采样探枪采集的样气依次经样气加热气化预处理单元、流量计和颗粒物质量浓度测量单元后被引风机排至从采样探枪的回气入口，再由采样探枪排回烟道；

样气经样气加热气化预处理单元时，样气加热气化预处理单元对采集的样气进行充分加热气化处理；

样气经流量计时，流量计测量样气的流速并将进样流速信号传输给等速取样控制器；

等速取样控制器根据流速测量装置的烟气流速信号以及流量计的进样流速信号调节变频器的频率，调节引风机的抽气量，使颗粒物质量浓度测量单元单位时间的进样流量等于单位时间采样探枪进气口面积的烟气流量；

颗粒物质量浓度测量单元采用包含全部可见光波长的白光led对样气中的颗粒物浓度进行测量。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明的应用白光led光源的颗粒物浓度测量装置利用流速测量装置检测烟道中烟气的流速并将检测到的烟气流速信号传输给等速取样控制器；等速取样控制器用于控制引风机工作，使采样探枪的样气入口采集烟道中的烟气，以采集的烟气作为样气，采样探枪采集的样气依次经样气加热气化预处理单元、流量计和颗粒物质量浓度测量单元后被引风机排至烟道；样气加热气化预处理单元用于对流经的样气进行充分加热气化处理；流量计用于测量流经的样气的流速并将进样流速信号传输给等速取样控制器；等速取样控制器用于根据流速测量装置的烟气流速信号以及流量计的进样流速信号控制变频器以及引风机工作，使颗粒物质量浓度测量单元中单位时间内样气的流量与单位时间采样探枪进气口截面积的烟气流量相等，此时颗粒物质量浓度测量单元对样气颗粒物浓度进行测量，测量的样气中的颗粒物浓度即为烟道中烟气中的颗粒物浓度。由上述内容可以看出，本发明的测量装置是一种能够准确测量排放颗粒物质量浓度连续在线监测的装置，并能够满足干烟气和湿烟气条件下的应用，且实现等速采样。同时，本发明采用包含了全部连续可见光波长的白光led作为检测光源，因此能明显增强散射光强度、提高测量的准确度，使得测量的颗粒物的直径覆盖范围更大。

由上述本发明测量装置的有益效果可知，本发明应用白光led光源的颗粒物浓度测量方法得测量准确度更高，测量的颗粒物的直径覆盖范围更大。

附图说明

图1是本发明应用白光led光源颗粒度物浓度测量装置的结构示意图。

图2是本发明颗粒物质量浓度测量单元的结构示意图。

图3是本发明应用白光led光源颗粒度物浓度测量装置的电路模块逻辑图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式并对照附图对本发明进行进一步说明。

如图1和图2所示，本发明的应用白光led光源的颗粒物浓度测量装置，包括样气加热气化预处理单元、颗粒物质量浓度测量单元、等速取样控制单元和采样探枪，等速取样控制单元包括等速取样控制器以及与等速取样控制器相连的流量计、引风机和流速测量装置，引风机提供抽取样气的动力；采样探枪用于采集烟道中的烟气，采样探枪垂直安装在烟道上，采样探枪的样气出口与样气加热气化预处理单元连接，样气加热气化预处理单元用于对采样气进行充分加热气化处理，样气加热气化预处理单元的出口与流量计的入口相连，流量计的出口与颗粒物质量浓度测量单元连接，颗粒物质量浓度测量单元的出口与引风机相连，引风机的出口与采样探枪的回气入口连接；引风机上连接有用于调速的变频器，引风机通过变频器与等速取样控制器连接；颗粒物质量浓度测量单元的检测光源为白光led，白光led是指包含整个可见光范围(380nm～720nm)，且均具备充足光强度的led光源；流速测量装置设置于烟道处，用于测量烟气流速。流速测量装置的探测位置在烟道上处于采样探枪的上风向。采样探枪的回气出口连通至烟道。

其中，样气加热气化预处理单元包括气化室和加热控制器，加热控制器与气化室相连并用于控制气化室的温度，气化室的入口与采样探枪的样气出口连通，气化室的出口与流量计的入口连通。如图2所示，颗粒物质量浓度测量单元包括白光led、测量池和信号处理单元，测量池的入口与流量计的出口连通，测量池的出口与引风机的入口连通并与取样探枪的回气口相连，构成回气路，测量完成后的气体经过回气路返回烟道；白光led安装于测量池的池壁上，白光led发出的光束与测量池的进样方向垂直；信号处理单元安装于与白光led入射光成30°夹角的位置，测量散射光强度，根据测量的散射光强度计算烟气中的颗粒物质量浓度。流量计采用文丘里流量计并安装在测量池的入口位置，测量进样流速。信号处理单元包括光电转换单元、信号处理器、颗粒物浓度计算器和颗粒物质量浓度信号输出单元，光电转换单元设置于白光led的散射光的光路上，光电转换单元与信号处理器连接，信号处理器、颗粒物浓度计算器和颗粒物质量浓度信号输出单元依次相连。光电转换单元设置于与白光led的散射光夹角为30°的光路上，光电转换单元测量散射光强信号。散射光经过光电转换、放大、运算处理，比较得出样气中颗粒物质量浓度值。并输出颗粒物质量浓度信号。

参照图3，等速取样控制器对烟气流速和进样流速比较运算处理，产生变频引风机控制信号，通过变频器调节引风机的转速，使进样流速实时跟踪烟气流速变化，实现等速取样。

本发明的应用包含了全部可见光波长的白光led光源的颗粒物浓度测量方法过程如下：

流速测量装置检测烟道中烟气的流速并将检测到的烟气流速信号传输给等速取样控制器；

等速取样控制器控制引风机工作，使采样探枪的样气入口采集烟道中的烟气，以采集的烟气作为样气，采样探枪采集的样气依次经气化室、文丘里流量计和测量池后被引风机排至从采样探枪的回气入口，再由采样探枪排至烟道中；

样气经气化室时，气化室对采集的样气进行充分加热气化处理，使本装置满足在干烟气和湿烟气(烟气温度低于露点)环境条件下，消除液滴对测量准确度的影响；

样气经文丘里流量计时，文丘里流量计测量样气的流速并将进样流速信号传输给等速取样控制器；

等速取样控制器根据流速测量装置的烟气流速信号以及文丘里流量计的进样流速信号控制变频器以及引风机工作，使颗粒物质量浓度测量单元单位时间的进样流量等于单位时间采样探枪进气口面积的烟气流量；

颗粒物质量浓度测量单元采用了白光led对样气中的颗粒物浓度进行测量。

根据mie散射原理，在光束波长和颗粒物特性一定的条件下，悬浮颗粒物的质量浓度和散射光强度大小成线性关系。悬浮颗粒的散射光强分布与入射光波长、颗粒物直径、颗粒物折射率有关。通过仿真实验可得，折射率不同对散射光强影响比较小，可以忽略；在颗粒物特质一定的条件下，随着入射光波长的增大，散射光强主要集中在前向小角度被逐渐变化为集中在前向稍大角度内；在入射光波长一定的条件下，颗粒物直径越大，散射光强越大，越集中在前向小角度内，随着颗粒物直径的增大，前向散射角越小。

为了设计更加简单、方便，准确的测量0.1～10μm颗粒的质量浓度信息。本发明的颗粒物质量浓度测量单元，应用包含了全部连续可见光波长的白光led作为光源，采用前散射的测量方法，并对散射光信号进行测量、处理运算，根据mie粒子光散射原理，计算样气颗粒物的浓度值，因此本发明能明显增强散射光强度，明显提高测量的精度，测量的颗粒物的直径覆盖范围更大。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，则应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的保护范围。