餐饮油烟颗粒物浓度和粒度在线测量方法与流程

本发明涉及一种颗粒物检测技术，特别涉及一种餐饮油烟颗粒物浓度和粒度在线测量方法。

背景技术：

近年来，我国空气污染愈加严重，随着城市人口增加，我国餐饮规模增大，餐饮油烟的排放已经成为影响空气质量的重要原因之一，餐饮油烟是食用油和食物在高温条件下经过热解产生的，其成分十分复杂。有研究表明冬夏两季餐饮源在油烟排放时间段pm2.5质量浓度是当日环境大气的3.0～23.9倍，且pm2.5质量浓度与pm10质量浓度比值介于0.55～0.91之间，表明餐饮油烟中的细颗粒物也是城市空气颗粒物的主要来源之一。颗粒物的浓度测量方法主要有滤膜称重法、β射线吸收法、微量天平振荡法以及光散射法，抽气式取样分析操作复杂，仪器昂贵，光散射法测量具有适用性广、测量准确、速度快、无接触等优点，但不同颗粒粒径的光散射效应不同，在粒径未知的情况下难以准确测量浓度。

技术实现要素：

本发明是针对餐饮油烟浓度测量难的问题，提出了一种餐饮油烟颗粒物浓度和粒度在线测量方法，能对餐饮油烟颗粒物的粒径和浓度进行同步在线监测，实现连续低成本免维护在线监测。

本发明的技术方案为：一种餐饮油烟颗粒物浓度和粒度在线测量方法，具体包括如下步骤：

1)、测量前将测量系统中激光器、镜头和相机布置于标准油烟发生装置上，激光器布置在油烟管道一侧面，光束照亮标准油烟发生装置发出的颗粒群，镜头光轴与激光光束垂直，相机通过镜头拍摄的颗粒散射光图像送入计算机，已知颗粒物浓度c0、粒径d0和相对折射率m0的球形颗粒，对测量系统进行标定，获得不同波长下测量系统响应系数k1；

2)、将步骤1)标定后测量系统中的激光器、镜头和相机用步骤1)相同的方式固定于餐饮油烟测量段上，打开相机的图像采集软件；调节镜头焦距并对焦于激光照明区域，调节相机曝光时间、增益和画幅大小，使图像灰度最大值小于图像饱和灰度；

3)、重复拍摄测量工况下的多张颗粒散射光图像并取平均，并将获取的图像保存至计算机；

4)、提取颗粒对不同波长激光的散射光图像灰度沿激光照射方向的分布，即不同角度区域下的光散射积分信号，将光束沿激光光轴方向分段统计图像灰度即可获得不同角度范围下散射光积分信号，并对其进行归一化处理，得到每段光束图像灰度占总光束图像灰度的比率g’；

5)、将颗粒系散射光能e对颗粒粒径进行离散，按下面公式(3)，根据理论模型获得系数矩阵t；

其中，下标i、j、k分别为颗粒粒径分档数、光束分段数以及波长个数；λ为入射光波长；i0为入射光强；d为颗粒粒径；；ρ为颗粒的密度；i1为垂直散射面的散射强度函数；i2为平行散射面的散射强度函数；θ为散射角，即散射点和镜头主点连线与激光光束轴向的夹角；θ1到θ2为成像位置对应的相机接收光能的散射角范围；m为颗粒相对介质折射率；为方位角，由公式(2)计算，

6)、通过反演算法求解公式(4)，得到粒径分布fv(d)；

g’＝t·fv(d)(4)

7)、已知粒径分布fv(d)，结合公式(5)和公式(1)，计算获得颗粒浓度c：

g＝k1·eτ(5)

其中，g为测量区图像灰度；τ为相机曝光时间；e为颗粒系散射光能。

本发明的有益效果在于：本发明餐饮油烟颗粒物浓度和粒度在线测量方法，采用一套非接触系统获取餐饮油烟颗粒群的多角度多波长散射光信号，以同时测量餐饮油烟颗粒粒度和浓度，实现低成本免维护在线监测。

附图说明

图1为本发明餐饮油烟颗粒物浓度和粒度在线测量原理示意图；

图2为本发明实施例一餐饮油烟颗粒物测量段示意图；

图3为本发明实施例而烟道出口测量示意图。

具体实施方式

本发明餐饮油烟颗粒物浓度和粒度在线测量原理示意图，如图1所示，系统主要组成包括多波长连续激光器1、cmos或ccd相机2、镜头3和计算机4。激光器1入射到待测颗粒，相机2和镜头3相连接。相机2位于激光器1发出的光线侧面，通过镜头3拍摄的颗粒散射光图像送入计算机4进行分析。

根据mie散射理论和光学成像原理，颗粒为球形时，成像过程时相机接收到的颗粒系散射光能e为：

其中，c为颗粒物质量浓度；λ为入射光波长；i0为入射光强；d为颗粒粒径；fv(d)为粒径d的颗粒占总颗粒体积或质量的百分比；ρ为颗粒的密度；i1为垂直散射面的散射强度函数；i2为平行散射面的散射强度函数；θ为散射角，即散射点和镜头主点连线与激光光束轴向的夹角；θ1到θ2为成像位置对应的相机接收光能的散射角范围，即所拍摄图片对应的散射角范围；m为颗粒相对介质折射率；为方位角，由公式(2)计算。

在不同光波长或不同颗粒粒径情况下，光能e随散射角θ的分布趋势是不同的，即利用不同光波长和不同散射角度下的光能e的分布，可以反演获得颗粒群粒径分布信息。将公式(1)对颗粒粒径进行离散，根据理论模型获得系数矩阵t’，如公式(3)所示，

其中，i、j、k分别为颗粒粒径分档数、光束分段数以及波长个数。同时将光束沿激光光轴方向分段统计图像灰度即可获得不同角度范围下散射光积分信号，并对其进行归一化处理，即获得每段光束图像灰度占总光束图像灰度的比率g’；由此，采用反演算法求解公式(4)即可得fv(d)。

g’＝t·fv(d)(4)

已知粒度分布后，考虑到测量区图像灰度g正比于光能e，即

g＝k1·eτ(5)

其中，τ为相机曝光时间；k1为相机响应系数，通过测量系统预先标定得到。结合公式(1)，即可获得测量区颗粒浓度水平c。

多个不同波长的连续半导体激光器平行放置，通过壁面开孔入射到待测颗粒物中，激光器光轴和镜头光轴垂直布置。

该测量方法步骤为：

1、测量前将激光器、镜头和相机布置于标准油烟发生装置上(已知颗粒物浓度c0、粒径d0和相对折射率m0的球形颗粒)，对测量系统进行标定，获得不同波长下测量系统响应系数k1。

2、将测量装置固定于餐饮油烟测量段上，打开相机的图像采集软件，调节相机参数。调节镜头焦距并对焦于激光照明区域，调节相机曝光时间、增益和画幅大小，使图像灰度最大值小于图像饱和灰度；

3、重复拍摄测量工况下的多张颗粒散射光图像并取平均，并将获取的图像保存至计算机；

4、提取颗粒对不同波长激光的散射光图像灰度沿激光照射方向的分布，即不同角度区域下的光散射积分信号，将光束沿激光光轴方向分段统计图像灰度即可获得不同角度范围下散射光积分信号，并对其进行归一化处理，得到公式(4)等号左侧的比率向量g’；

5、将公式(1)对颗粒粒径进行离散，按公式(3)，根据理论模型获得系数矩阵t’；

6、通过反演算法求解公式(4)，得到粒径分布fv(d)；

7、已知粒径分布，结合公式(5)和公式(1)，计算获得颗粒浓度c。

如图2所示实施例1，多波长连续激光器1装在餐饮油烟管道5的一侧，相机2和镜头3位于同一截面的另一侧对颗粒散射光图像进行采集，多波长连续激光器1由三个功率为100mw，波长分别为450nm、532nm、650nm组成。cmos相机2分辨率为1280*1024，最大帧率每秒150帧，最大可输出12bit灰度图像。镜头3用来采集散射光能，焦距4-16mm，光圈可调。

基于多角度多波长光散射的餐饮油烟颗粒物粒度和浓度测量方法步骤：

1)按图1原理所示布置测量装置，其中激光器1布置在管道一侧面，光束照亮管道横截面中心线区域，镜头3光轴与激光光束垂直，即镜头3与激光器1布置相邻侧面，相机2和镜头3相连，调节镜头3焦距使成像聚焦在激光光束上；计算机4与相机2相连接。

2)按照上述布置方式将测量装置固定于餐饮油烟测量段，打开计算机4、相机2和激光器1，打开相机的图像采集软件。将相机增益、亮度和锐化值设置为0，并调节相机曝光时间τ，使得图像灰度值适中，且最大值小于图像饱和灰度。

3)重复拍摄测量工况下的多张颗粒散射光图像并取平均，并将获取的图像保存至计算机；

4)提取颗粒对不同波长激光的散射光图像灰度沿激光照射方向的分布，将光束沿激光光轴方向分段统计图像灰度即可获得不同角度范围下散射光积分信号，并对其进行归一化处理，得到公式(4)等号左侧的比率向量g’；

5)将公式(1)对颗粒粒径进行离散，按公式(3)，根据理论模型获得系数矩阵t’；

6)采用人工鱼群反演算法求解公式(4)，得到粒径分布fv(d)；

7)保持实验中测量装置的相关参数设置不变，将其安装于标定实验装置，对测量系统进行标定。采用某一已知粒径d0和相对折射率m0的球形颗粒，分散于水中，颗粒物浓度在0.5mg·m^-3至60mg·m^-3范围内等间隔选取20个浓度水平；按照步骤(2)-(4)，获得不同波长下光束成像图片。

8)提取测量区图片灰度值g，根据公式(5)标定得到相应系数k1(若i0未知，则标定得到k1·i0)。

9)已知粒径分布，结合公式(5)和公式(1)，计算获得颗粒浓度c。

实施例2：

如图3所示，对于油烟管道排放出口处，加工制作相应固定装置将1、2和3放置于管道出口，测量步骤与实施例1操作过程相同。