激光粉尘浓度测量仪的研制

姜勇

(重庆川仪软件有限公司,重庆 401121)

随着中国经济的高速发展,环境问题越来越受到人们的普遍关注。中国是产煤大国,粉尘污染较严重。而粉尘污染会引起持续的雾霾天气,对人体有很大的危害,甚至诱发哮喘、肺癌、心脑血管等疾病。国家环保局在2014年7月1日就颁布实施了GB 13223—2011《火电厂大气污染排放标准》[1-2],要求重点地区燃煤电厂粉尘排放限值低于20 mg/m3;2014年国家发展改革委、国家环境保护部、国家能源局联合发布了《煤电节能减排升级与改造行动计划(2014—2020年)》,要求分别在不同时段不同地区燃煤发电机组大气污染排放质量浓度应小于10 mg/m3,江浙地区及京津冀地区部分火电厂粉尘排放质量浓度小于5 mg/m3。

为了响应国家环保政策,满足最新环保指标的要求,工矿企业特别是煤炭企业[3]必须测量粉尘质量浓度,才能够找到粉尘污染的根源,从而采取相应措施,使粉尘等污染物达到超低排放标准。煤矿产生的粉尘,一方面严重危害工人的身体健康,导致工人患尘肺病;另一方面粉尘质量浓度超过一定极限,会有爆炸的危险。因此,粉尘浓度测量仪的研发,对于有效治理粉尘,防止事故的发生是当前亟待研究与解决的重要课题,具有非常重要的意义[4]。

粉尘是在生产过程中产生并能较长时间悬浮在空气中的固体颗粒,具有悬浮、固体、球形颗粒的特性。根据粉尘的特性,试制了一种基于前向散射激光粉尘测量仪。

1 粉尘颗粒光散射理论

散射是指入射光通过某种介质时,由于该介质的折射率具有非均匀性,引起入射光波阵面的扰动,造成入射光中的一部分偏离原传播方向而以一定规律向其他方向发射的过程[5]。通俗地讲,光散射是指入射光的一部分被阻挡,使这些光改变方向并以颗粒为核心按一定规律向四周发射出去,以致原来入射方向的光强减弱。散射可分为瑞利散射、米氏散射和拉曼散射。对不同的散射需采取不同的处理方法。

其中,米氏散射是指当粉尘颗粒半径的大小接近或者大于入射光线的波长λ时,大部分的入射光线会沿着前进的方向散射,这种现象被称为米氏散射[6]。米氏散射的散射强度与频率的二次方成正比,并且散射的光线向前方向比向后方向更强,方向性比较明显。

戴昊对光散射理论做了大量推理和计算[5],粉尘颗粒米氏散射如图1所示。从图1可以看出,影响球形颗粒散射光强度的因素包括: 球形颗粒折射率、球形颗粒大小、散射角度、方位角及入射光特性等。z为入射光正向入射,r为观察点P与球形颗粒的距离,θ为散射角,P点与z轴形成的平面为散射面,φ为入射光与散射面之间的夹角。通过计算,建立了球形颗粒的散射光强与颗粒直径D,折射率n以及θ之间的数值关系。

图1 粉尘颗粒米氏散射示意

激光粉尘测量仪测量的粉尘颗粒的大小一般为0.1～10 μm,入射光波长为650 nm单色激光,所以,适用米氏散射理论。

2 测量仪的组成和关键部件

2.1 组 成

激光粉尘浓度测量仪结构如图2所示,主要由光源、光学元件、光电转换与信号处理单元、电源单元等组成。电源为光源提供稳定的功率,经过光学元件,再经过光电转换并进行信号处理[7-8]。

图2 激光粉尘浓度测量仪结构示意

2.2 关键部件

2.2.1激光光源

该测量仪的激光光源,采用一款激光二极管,通过特定驱动,发射出一束调制激光。该激光二极管波长为650 nm,功率为7 mW,阈值电流为20 mA,弧矢方向上峰值半宽发散角为9°,子矢方向上峰值半宽发散角为28°。该激光二极管具有良好的温度特性,操作温度范围为-10～70 ℃,环境适应能力强,能够满足大多数环境的温度要求。

该激光光源采用非球面平凸透镜,当激光二极管被驱动后,光线通过非球面平凸透镜进行准直,产生一束直径约2～3 mm的激光光束。该透镜主要用于激光光形准直,它的直径为6.35 mm,焦距为10 mm,材质为L-BAL42,设计波长为786.5 nm,数值孔径为0.27,净孔径为5.45 mm,中心厚度为3 mm,工作距离为8.26 mm。该透镜具有良好的准直效果,能够解决球面透镜的球差带来光学上的缺陷,修正球面透镜在准直和聚焦系统中所带来的球差。通过调整透镜曲面常数和非球面系数[7],让远轴光线和近轴光线所形成的焦点位置尽量重合,从而最大限度地消除球差,获得良好的准直光线。

2.2.2光电转换

该激光光源发出的高稳定性激光经过准直后射入测量段[7],激光束与粉尘颗粒物相遇后产生前向散射。激光光源发射的激光光路如图3所示,当激光束入射到粉尘颗粒上时,将向空间各个方向散射,光的各个散射与粉尘浓度密切相关。将光电二极管安装在某一个散射角处,散射光由透镜接收,经过超高灵敏度光电信号转换和信号放大电路后,送到一微处理器进行数字信号运算等处理。散射光信号转变成与颗粒物浓度成正比的电信号,经过特定的算法,输出颗粒物的浓度值。通过检测散射光强度的连续变化,经过滤波算法实时计算,就可以连续输出粉尘浓度的测量信号。该测量仪具有灵敏度高,适用测量超低浓度粉尘的环境。

图3 激光光源发射的激光光路示意

3 主要技术参数及特点

该测量仪基于前向散射激光抽取式测量原理,其中跨度漂移和零点漂移是以7 d为检测周期,主要技术参数见表1所列。

表1 激光粉尘浓度测量仪主要技术参数

该测量仪具有以下特点:

1)在测量过程中,因为硬件本身的性能及外界环境的影响,可能会引入干扰有用信号的噪音信号,在软件设计过程中,通过使用相关噪音滤波算法,排除噪音信号对有用信号的干扰,保证有用信号的稳定与准确。

2)该测量仪采用前向散射原理测量粉尘质量浓度。光电二极管接收器在收集粉尘散射光后,通过快速傅里叶变换的方法,获得对应光源频率的散射光强,排除其他干扰信号带来的影响,保证有效的散射光强被成功检测。

3)为了该测量仪操作的便捷性,软件设计中添加了一键校准的功能。通过点击校准按键,软件将自动运行零点校准和满量程校准功能,保证测量精度,省去大量的手动校准步骤。

4)粉尘质量浓度检测的难点在于对高湿度、低温度的粉尘检测存在较大误差。因此,该测量仪在软件设计上,将测量仪工作的环境温度及激光光源的温度加入控制算法中,同时通过压力检测,使用气泵保证测量管道微正压,确保颗粒物测量数据的正确和可靠。

4 主要参数的测试

将编号为3号、4号、5号的3台测量仪放入一粉尘浓度检定装置中,接入电源,将测量仪与外部计算机进行通信。启动粉尘浓度检定装置,设定粉尘采样模式为定体积采样方式,通过采集一定体积的粉尘量,计算出粉尘质量浓度。

用精度为0.01 mg的分析天平对滤纸吸附粉尘前后进行称重,对比前后质量的差值,就能够计算出滤纸上粉尘的净质量,再以粉尘净质量除以采样体积,即可以得到该称重粉尘的浓度。每组粉尘质量浓度用2张滤纸分别测2次,可求出平均粉尘质量浓度,平均粉尘质量浓度测量见表2所列。

表2 平均粉尘质量浓度测量

测量仪示值误差是仪器中一个非常重要的指标,它表示测量仪的浓度显示值与实际称重法计算出的质量浓度值之间的偏差情况。通过称重法测量的粉尘质量浓度,与测量仪的显示值进行比较,可以计算出该测量仪的示值误差, 测量示值误差见表3所列。由表3可知,该仪器的示值误差满足技术参数要求。

表3 3台测量仪粉尘浓度检定测量示值误差

5 结束语

随着时代的发展、社会的进步,对环境污染提出了更高的要求,要求粉尘达到近零排放,要求的检出限值也越来越低。该测量仪可以连续测量粉尘质量浓度,达到了主要技术参数的要求,实现了快速、方便和准确的粉尘质量浓度测量。该超低浓度粉尘测量仪的研发具有广阔的前景。