[發明專利]測量超低濃度煙塵的粒徑分布和質量濃度的裝置及方法

在審

• 申請號: 201710074100.2
• 申請日: 2017-02-10
• 公開（公告）號: CN106872316A
• 公開（公告）日: 2017-06-20
• 發明（設計）人: 劉小偉;崔江;陳棟;韓金克;江盟
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G01N15/02
• 分類號: G01N15/02;G01N15/06
• 代理公司: 華中科技大學專利中心42201
• 代理人: 周磊

1.測量超低濃度煙塵的粒徑分布和質量濃度的裝置，其特征在于，包括光路單元、氣路單元和電路控制單元，其中，

所述光路單元包括多波長連續白光激光器、激光準直儀、半反半透鏡、第一可變光闌、第二可變光闌、第一光信號探頭、第二光信號探頭和光譜儀，所述氣路單元包括氣流干燥器、旋風分離器、進氣緩沖腔、長光程樣品池和真空泵，并且，

所述多波長連續白光激光器發出的激光經所述激光準直儀準直后射到所述半反半透鏡，所述半反半透鏡用于反射和透射準直后的激光，其中，反射的激光依次穿過所述第一可變光闌和聚焦透鏡后被第一光信號探頭接收，透射的激光穿過所述第二可變光闌后從所述長光程樣品池的進口進入所述長光程樣品池的內部，并在所述長光程樣品池的內部經過多次反射后從所述長光程樣品池的出口出來，然后再被所述第二光信號探頭接收，所述第一光信號探頭和第二光信號探頭分別與所述光譜儀電連接；

所述氣流干燥器依次連接所述氣流干燥器、旋風分離器、進氣緩沖腔、長光程樣品池和真空泵，其中，所述氣流干燥器用于干燥含塵氣流，所述旋風分離器用于在含塵氣流中選出設定粒徑的粉塵進入所述長光程樣品池，以便對各種不同粒徑分布的粉塵進行監測；所述進氣緩沖腔用于使經過旋風分離器的氣流流動穩定，所述真空泵用于保持含塵氣流的流動；

所述電路控制系統包括光電轉換模塊、數據編程換算模塊和實時顯示模塊，其中，

所述光電轉換模塊用于將半反半透鏡反射的激光信號轉換為第一電信號，以作為激光器發出光強的基準值，以及將半反半透鏡透射并且通過長光程樣品池經過多次消光反射后的激光信號轉換為第二電信號；

所述數據編程轉換模塊通過獲得的光強信息分別對不同的波長進行差減得到各波長的消光信息，而后通過數據反演得出粉塵的粒徑分布，在得到粒徑分布后，積分計算得到粉塵的質量濃度；

所述實時顯示模塊用于將粉塵的粒徑分布和質量濃度信息通過數表和圖像的方式實時顯示。

2.根據權利要求1所述的測量超低濃度煙塵的粒徑分布和質量濃度的裝置，其特征在于，所述進氣緩沖腔的入口布置有紗網，以便使含塵氣流中的粉塵在氣流中的分布更加均勻，從而提高測量的精度。

3.根據權利要求1所述的測量超低濃度煙塵的粒徑分布和質量濃度的裝置，其特征在于，所述多光程樣品池具有主鏡和多塊輔鏡，以用于對激光進行多次反射，所述多光程樣品池在對應于主鏡和輔鏡的位置布置有多個氣幕，以用于向所述主鏡和輔鏡吹氣。

4.采用權利要求1～3中任一權利要求所述裝置測量超低濃度煙塵的粒徑分布和質量濃度的方法，其特征在于，包括以下步驟：

1)在長光程樣品池內，單位體積內直徑為D_i的顆粒數有N_i個并且這些顆粒作為一類顆粒，則入射光強I₀與出射光強I的關系為：

$ln{(I_0/I)}_j=\frac{3L}{2\mathrm{\ρ}}\underset{i=1}{\overset{k}{\Σ}}\frac{W_i}{D_i}{k}_{ext}({\mathrm{\λ}}_j,m,D_i)---\left(1\right)$

I₀為入射光強度，I為出射光強度，L為顆粒介質的厚度，ρ為單位體積內直徑為D_i的顆粒物的密度，k_ext為消光系數，W_i為顆粒物的重量頻率，λ_j表示入射光波長，m為折射率，k表示按照顆粒按直徑分類后的分類數；

2)將式(1)寫成矩陣形式：

E＝TW (2)

其中W＝(W₁,W₂,...W_k)^T，n對應不同波長入射光的數目，矩陣E中各元素均可通過測量獲得，E_j為矩陣E的元素，為得到W矩陣的值，采用最優化方法，即建立如下的目標函數：

$F=\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}{({E_j}^c-E_j)}^2---\left(3\right)$

其中E_j^c是計算出的理論消光值，而E_j是實測值，用偏差F來衡量矩陣W的合理性，則目標函數F的最小值對應的一組W即為所求粉塵顆粒的粒徑分布；

3)通過矩陣W擬合得到粉塵顆粒系的粒徑分布N(D)后，由MIE散射理論模擬出各波長下的消光值E_j^c和K_ext，則可得到顆粒系的顆粒數目濃度：

$N=\frac{4ln(I_0/I)}{\mathrm{\π}L\underset{a}{\overset{b}{\∫}}N\left(D\right)D^2{K}_{ext}dD}---\left(4\right)$

以及體積濃度

$C_v=\frac{2ln(I_0/I)}{3L\underset{a}{\overset{b}{\∫}}{K}_{ext}N\left(D\right)/DdD}---\left(5\right)$

其中，a和b分別表示顆粒粒徑的上下界；

得到體積濃度后，則通過顆粒系密度ρ可得到被測粉塵顆粒系的質量濃度M_v＝ρC_v。