[發明專利]一種顆粒粒度及濃度光散射測量方法

有效

• 申請號: 201410779497.1
• 申請日: 2014-12-16
• 公開（公告）號: CN104515722A
• 公開（公告）日: 2015-04-15
• 發明（設計）人: 林學勇;李舒;許傳龍;張宸瑜
• 申請（專利權）人: 南京市計量監督檢測院
• 主分類號: G01N15/02
• 分類號: G01N15/02;G01N21/59
• 代理公司: 南京縱橫知識產權代理有限公司 32224
• 代理人: 董建林

技術領域

本發明涉及一種顆粒粒度及濃度光散射測量方法，屬于顆粒測量技術領域。

背景技術

顆粒測量在能源研究，環境保護，大氣科學等領域都有重要的地位，正因為其重要的地位，目前得到發展的顆粒測量技術有很多種，例如機械法、電感電容法、超聲波法、光學法等。近幾十年來由于激光技術、計算機技術和光纖技術的發展，光學法得到迅速的發展，其中就包括光散射法。光散射測粒的基礎是Mie散射理論，其是球形顆粒對電磁波散射的嚴格物理解。

光學測量顆粒粒度和濃度的方法比較成熟的是光全散射法(又稱消光法或濁度法)，由于顆粒對光的散射和吸收作用，經過測量區域的光的強度受到衰減，透射光與入射光的比值是粒徑分布與顆粒濃度的函數，根據測得的透射光和入射光的比值，已知光波長，光程和被測顆粒折射率后就可以得到顆粒的尺寸分布函數及濃度。另一種顆粒粒度和濃度測量方法是結合衍射散射法和光度計法的結合，衍射散射法根據散射光強和散射角度的關系建立線性方程組求解顆粒粒度參數，已知粒徑分布，利用光度計法中某一空間立體角內光能與濃度的近似線性關系可以求解顆粒濃度。

光學測量顆粒粒度和濃度的方法比較成熟的是光全散射法(又稱消光法或濁度法)，但是光全散射法單波長下只能給出粉塵的光學濁度值。對于相同的光學濁度值，不同的平均粒徑相對應不同顆粒濃度，想要求得粉塵濃度需要知道顆粒平均粒徑。多波長下光全散射法可以反演粒徑分布，然后求解顆粒濃度，但求解粒徑分布的公式中的消光系數是個十分振蕩復雜的函數，其一階導數不連續，增加了求解難度。衍射散射法在求解粒徑分布方面十分廣泛，結合光度計法可以求解顆粒濃度。衍射散射法事實上一般需要測量多個角度的散射值(角度個數與所需要獲得的粒徑分布區間數有關系)，這對實驗裝置的要求很高。在實際的工程測量中，顆粒粘附在測量區域的光學窗口上，造成大量雜散光影響測量精度。為了消除粘附顆粒對測量結果的影響，多數方法是采用改進光路設計的途徑。

發明內容

目的：針對上述現有存在的問題和不足，本發明提供了一種顆粒粒度及濃度光散射測量方法。

技術方案：為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案為：

設光電探測器某時刻t，采集到的信號光強為I_tΣ(θ)，在不相關單散射的假設下，有

I_tΣ(θ)＝I_tΣ1(θ)+I_tΣ2(θ)???(1)

其中，I_tΣ1(θ)為t時刻粘附在窗口上的沾污顆粒光強貢獻值，I_tΣ2(θ)為t時刻測量區域顆粒的光強貢獻值。Δt時間后，信號光強為：

I_t+ΔtΣ(θ)＝I_tΣ(θ)+I_ΔtΣ(θ)＝I_tΣ1(θ)+I_ΔtΣ1(θ)+I_tΣ2(θ)+I_ΔtΣ2(θ)???(2)

其中I_ΔtΣ(θ)為兩次光強測量的差值，I_ΔtΣ1(θ)，I_ΔtΣ2(θ)分別為兩次測量中窗口沾污顆粒引起的光強變化值和氣固流場中顆粒引起的光強變化值。由于Δt時間較短，窗口上沾污顆粒數不發生變化，故可認為I_ΔtΣ1(θ)＝0，則I_ΔtΣ(θ)＝I_ΔtΣ2(θ)，故Δt時間內的信號光強變化就是測量區域顆粒變化的信息，通過兩次測量就可以測量變化顆粒的信息。粘附在光學窗口的顆粒對測量結果的影響在兩次測量結果的相減中就可去除。而變化顆粒的粒度信息與整個流場的顆粒粒度信息是保持一致的。

(1)粒徑分布測量

粒徑分布非獨立模式解法中，事先假定顆粒的粒徑分布符合某個雙參數分布函數D是顆粒粒徑，k是分布參數，那么光強角分布矩陣的所有元素不再是獨立的，而是關于兩個分布參數的函數。假設兩個散射角分布為θ₁、θ₂，則這兩個角度方向的散射光強變化值為