基于光散射法对烟尘浓度的在线监测研究

任燕卿

(1.太原理工大学 物理与光电工程学院，山西　太原　030024；2.西山煤电(集团)有限责任公司，山西　太原　030053)



基于光散射法对烟尘浓度的在线监测研究

任燕卿1，2

(1.太原理工大学 物理与光电工程学院，山西太原030024；2.西山煤电(集团)有限责任公司，山西太原030053)

摘要通过分析粉尘颗粒对激光的散射特性，结合粉尘排放实时测量技术，基于光散射法建立了一套激光粉尘自动测定系统用以测量工业生产烟道中粉尘的浓度。运用该系统对山西铝厂回转窑烟道中不同浓度的Al2O3粉尘进行实时监测，实验数据与等速抽滤采样法标定结果比较误差不超过15%，结果表明，所设计的装置能用于工业生产作业场所粉尘浓度的监测。

关键词激光散射；粉尘监测；光电传感器；数据采集系统

现代社会，随着工业的发展，排放到空气中的粉尘越来越受到关注。空气中的粉尘危害人类健康，腐蚀古代建筑，还会阻碍植被光合作用，抑制其生长；另外，在一定条件下粉尘还会发生爆炸，造成严重的事故。为了降低空气中粉尘浓度，应该从污染源抓起，对工业生产用以排放废气的烟道中的粉尘浓度进行监测和控制变得意义重大，已成为近些年的研究热点[1-3]。现有测量粉尘浓度的方法有很多：过滤称重法[4]、超声波法[5]、压电晶体感应法和电荷感应法[6]等。其中，过滤称重法是最基本的方法，缺点是不能连续监测粉尘浓度；超声波法还处于研究阶段；压电晶体感应法只适合用在粉尘浓度低的场所；电荷感应法利用置于高压交替电场中传感器的感应电压感知粉尘从而测得浓度，但是不能用来测量电弧炉所产生的粉尘，容易受电弧炉高温和强磁场的干扰[7]。本文基于光散射法建立了一套激光粉尘连续自动测定系统，并对山西铝厂回转窑烟道中的Al2O3粉尘浓度进行了实时测量研究。该自动测定系统测量粉尘浓度范围大，适用粉尘类型广泛。

1结构设计与工作原理

1.1光在粉尘中的特性

没有一种介质对任何波长的电磁波是完全透明的。当光通过介质时，一部分光被介质吸收，另一部分光被散射，余下部分按原传播方向继续前进。光经过厚度为X的均匀介质的吸收层后，光强由I0减少为I. 根据朗伯定律：I=I0e-kx，k为吸收系数，是波长的函数。如果均匀介质是溶液，则吸收系数k与浓度C成正比:k=αC.

根据比尔定律:I=I0e-α0x. 当光通过气体中的尘粒时，由于粉尘粒子的不均匀结构破坏了次波的相干性而产生廷德尔散射。当平行光通过厚度为X的粉尘介质时，光强由I0减弱为I. 由于吸收和散射的影响:I=I0e-kx-hx，h为散射系数。

与普通光源相比，激光沿一条直线传播，发散角很小。激光的谱线单一，相干长度可达数百米。由于光束细，功率密度特别大。基于激光的上述特点，适合用作测尘传感器的光源。本文选用5 mW的氦氖激光器，其波长为632.8 nm.

1.2系统装置及工作原理

图1　激光自动测定系统示意图

图2　传感器输出电压曲线图

对于U0、U与烟尘浓度c的关系：假设反光镜反射系数相同，均为I=βI0. 两片防护镜材料相同，厚度都为X1. 对于单一波长的激光束，其吸收系数k为常数，每穿过一次防护镜I=I0e-kx1. 对于烟道中的烟气，主要由于粉尘对激光束的散射作用而使光强减弱。烟道长为x，忽略粉尘对光的吸收作用I=I0e-hx. 散射系数h与粉尘浓度c是一个正比关系，h=αc，则有I=I0e-αcx.

(1)

经烟道被粉尘散射衰减后的光强为I：

I=I0e-kx1e-αcxe-kx1β2e-kx1e-αcxe-kx1β=I0 β3e-4kx1e-2αcx

(2)

由式(1)、(2)得：

(3)

由于X、X1、α、β、k在具体测量时都为常数，则浓度可写为：

(4)

由工业中常用的等速抽滤采样法测得同时刻的烟气浓度，与单片机对同时刻的U0与U的采样值相比较,经多次标定后即可确定常数a、b的值。

2数据采集与处理

光电接收传感器输出周期性的脉冲信号，实时性强，需要单独的一片单片机来完成数据的采集。单片机1对电压信号进行采集，采样周期为1 ms，连续采200个数后通过RS232接口传给单片机2. 单片机对所有数据分析比较，取出所有相邻的脉冲峰值，大值为U0，小值为U，代入式(4)即可得出每个周期内的烟尘浓度，然后传给LED实时显示出来。数据采集系统示意图见图3.

图3数据采集系统示意图

3现场工况处理

要使激光传感器在工业现场长期工作，需要对传感器做密封处理，以免内部光学器件污染。对于与外界直接接触的防护镜镜片，采用压缩空气长期吹扫镜片以防止灰尘污染。

4测量结果

通过山西铝厂，用所设计的粉尘浓度自动测定装置，在直径为5 m的氧化铝回转窑烟囱上针对不同浓度粉尘进行多次连续测量实验。该系统所测的烟尘浓度与标准值的比较见表1.

表1　5号回转窑烟道浓度测定值表　　 mg·m-3

表1中所有的标准值为等速抽滤采样法所测定的值。由表1可以看出，该系统所测定的实验数据与标准值相比较，最大误差不超过15%，能基本满足工业生产与监测等方面的需要。

5小结

本文分析了粉尘颗粒对激光的散射特性，并基于光散射法建立了一套激光粉尘自动测定系统，针对系统结构进行了粉尘浓度测量理论的分析。最后用所研制的系统装置实验测量了山西铝厂回转窑烟道中排放的Al2O3粉尘浓度，实验数据与标准值比较误差不超过15%，结果表明，所设计的装置可用于工业生产作业场所粉尘浓度的实时监测。

参考文献

[1]Deng X Y, Ni X C, Wang B, et al. The experimental study on detection of dust concentration by back scattering method[J]. Advanced materials research, 2013:753-755,2400-2403.

[2]Klippel A, Schmidt M, Muecke O, et al. Dust concentration measurements duringfilling of a silo and CFD modeling offilling processes regarding exceeding the lower explosion limit[J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2014(29):122-137.

[3]Jugder D, Shinoda M, Kimura R, et al. Quantitative analysis on windblown dust concentrations of PM10(PM2.5) during dust events in Mongolia[J]. Aeolian Research, 2014(14):3-13.

[4]郭爱清.我国烟尘监测技术现状及思考[J].中国职业安全卫生管理体系认证, 2001(5):12.

[5]He G C, Ni W. Ultrasonic attenuation model for measuring particle size and inverse calculation of particle size distribution in mineral slurries[J]. J. CENT. SOUTH. UNIV. TECHNOL,2006,13(4):445-450.

[6]Zheng K, Wang J G, Liu J, et al. Research on dust concentration measurement technique and experiment based on charge induction[J]. Applied Mechanics and Materials,2013:333-335,370-373.

[7]Fu Y, Wang N H. Measurement of dust concentration based on VBAI[J]. Journal of Physics: Conference Series, 2013:418.

Research on Monitoring System for Measuring the Dust Concentration

Based on Laser Scattering Method

REN Yanqing

AbstractThrough the analysis laser scattering characteristics of dust particles, considering the technology in dust measuring, establishes a set of dust automatic monitoring system for measuring the dust concentration of the industrial production based on laser scattering method. And the Al2O3dust concentration of Shanxi Aluminium plant rotary kiln flue is measured experimentally, error less than 15% compared the experimental data with standard, the results show that the designed system can be used for the dust concentration monitoring at industrial production place.

Key wordsLaser scattering;Dust monitoring;Photoelectric sensor; Information collect system

中图分类号：TD679

文献标识码：B

文章编号：1672-0652(2015)04-0009-03