[發明專利]一種基于調制散射光強的顆粒物濃度測量裝置及其測量方法

在審

• 申請號: 201810328549.1
• 申請日: 2018-04-13
• 公開（公告）號: CN108680474A
• 公開（公告）日: 2018-10-19
• 發明（設計）人: 周賓;張勐;王一紅
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G01N15/06
• 分類號: G01N15/06
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 李倩

本發明公開了一種基于調制散射光強的顆粒物濃度測量裝置，包括激光光源模塊、光電轉換模塊、數據采集模塊、數據處理模塊和系統控制模塊；激光光源模塊前端設有準直元件，光電轉換模塊設置在待測區域的前向小角15°處；激光光源模塊發出的激光經準直元件準直后穿過待測區域，待測區域中的顆粒物對入射激光進行散射，散射光強被布置在待測區域前向小角15°處的光電轉換模塊接收，光電轉換模塊將光信號轉化成為電信號后經數據采集模塊A/D轉換后進入數據處理模塊處理；系統控制模塊通過數字調制信號發生器發生調制信號對激光光源模塊發出的激光進行正弦調制。本發明還公開了一種基于調制散射光強的顆粒物濃度的測量方法。

技術領域

本發明涉及一種基于調制散射光強的顆粒物濃度測量裝置，還涉及上述測量裝置基于調制散射光強對顆粒物濃度的測量方法，屬于光電檢測技術領域。

背景技術

工業生產中大量使用煤炭、石油等燃料，帶來的煙塵污染對人類生活環境造成的危害是巨大的。2015年新環保法開始實施，2016年修訂后的大氣污染防治法全面實施，基本法的陸續出臺加強了排污監管，將提振大氣污染治理市場整體活躍度。火電廠煙氣排放標準進一步下調的相關政策密集出臺，超低排放改造市場開始啟動。通過以上分析可知，國家對于工業煙粉塵排放表現出熱切的關注與嚴格的要求，行業排放標準一再提升。通過對工業粉塵、煙塵在線監測，從而對污染源進行有效控制，已經成為現代化環境監控及環境科學管理的有效手段。為了進行實時準確的監測，迫切需要能應用在普遍工業場合的高科技粉塵連續監測分析儀器。因此開發研究新的顆粒物濃度測量技術有很重要的科學意義和應用前景。

到目前為止，人們已經發展了許多基于各種不同原理的顆粒測量方法和測量系統。這些測量方法大致可以分為擾動法和非擾動法兩大類。擾動法通常需要對顆粒進行人工采樣，一方面增加了勞動強度，另一方面，采樣過程將會破壞顆粒物流場。更重要地，用作試樣的顆粒能否具有典型性和代表性是擾動法用于顆粒物測量遇到的最大挑戰。另外，在要求進行全場實時測量的場合，擾動法顯然是無能為力。

非擾動法包括電容法、電荷法、光透射法和光散射法等。電容法的基本原理是固體顆粒的介電常數比氣體大得多，在測試區域內，固體顆粒的存在將增大介質的相對介電常數，從而是電容量增大，因而可以通過測量電容量的變化測量顆粒濃度。該方法的問題在于整體感應性較低，易受環境影響，顆粒物流動特性的改變也會引起電容量的變化，從而導致測量誤差。電荷法是是顆粒在流動過程中帶電，顆粒濃度的變化將引起電荷量產生變化，借此原理可以得到顆粒物濃度。電荷法應用的難點在于濕度、顆粒物理和化學性質、管道尺寸都能對影響電荷的產生。光透射法通過測量激光透過含有顆粒物的煙氣后，光強出現的衰減來測量顆粒物濃度。光透射法在較高煙塵濃度的測量范圍內測量精度較高，而在煙塵濃度較低的測量范圍內，測量結果就會出現較大的誤差。光散射法的測量原理為：當光投射到測量對象上時，測量對象中的微小顆粒發生散射現象。在測量系統和測量對象的性質不變的條件下，一定濃度范圍內散射光強度值與顆粒濃度呈正比。煙氣中粉塵濃度測量法通常是通過測量粉塵散射光強度，再根據濃度與光強值之間的函數關系求解最終的質量濃度。相比較光透射法，光散射法在較低顆粒濃度范圍時測量精度更高，靈敏度也更高。

傳統的顆粒物濃度測量裝置，其激光光源采用穩定的光強測量，即采集到的光強信號為一個直流偏置，這樣的方式容易受到多方面因素的影響，進而將誤差傳遞到顆粒物濃度的測量值。濃度的測量主要依賴于散射光強的測量，而穩定入射光強下散射光強的大小由直流偏置大小直接反映，因而入射光光強的變化會影響到散射光強的變化，進而影響到測量結果。入射光強可能受到的影響主要來源于兩個方面：①光路系統的機械振動引起的入射光源光強變化；②自然光與50Hz工頻干擾耦合在入射光光強上，影響散射光光強變化。

發明內容

發明目的：本發明所要解決的技術問題是提供一種基于調制散射光強的顆粒物濃度測量裝置。

本發明還要解決的技術問題是提供上述測量裝置基于調制散射光強對顆粒物濃度的測量方法，該方法能夠極大的提高測量信號的信噪比，適用于在工業現場實現顆粒物濃度的監測。