激光粉尘浓度测量仪的研制.pdf
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1、Jul,2023AUTOMATIONIEMICALINDUSTRY2023年7 月石自动油Vol.59,No.4化化第59 卷第4期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40 112 1)摘要:针对粉尘污染影响环境问题,达到超低排放标准要求,设计了一款基于前向散射激光粉尘浓度测量仪。分析了粉尘颗粒光散射原理,介绍了该测量仪的原理,构成及关键部件的选用。当激光光线通过粉尘时会发生前向散射,散射光由透镜接收后,导入光电二极管接收器,探测光信号的变化,经过特定算法换算实现了粉尘浓度测量。通过粉尘浓度检定装置测试,并比对自测试粉尘浓度,表明该测量仪符合设计要求,能够满足粉尘浓度测量要
2、求。关键词:粉尘浓度;激光;米氏散射;二极管中图分类号:TH744文献标志码:B文章编号:10 0 7-7 3 2 4(2 0 2 3)0 4-0 0 8 5-0 3Development of Laser Dust Concentration Measuring InstrumentJiang Yong(Chongqing Chuanyi Software Co.Ltd.,Chongqing,401121,China)Abstracts:Aiming at the problems of dust pollution affecting the environment and to meet
3、 therequirements of ultra-low emission standards,a dust concentration measuring instrument basedon forward scatter laser is designed,the principle of dust particle light scattering is discussed.The principle,composition and selection of key components of the measuring instrument areintroduced.Forwar
4、d scatter will occur when the laser light passes through the dust,after thescattered light is received by the lens,it will be introduced into the photodiode receiver todetect the change of the light signal,the dust concentration measurement will be realizedthrough specific algorithm conversion.Throu
5、gh testing with a dust concentration calibrationdevice,and comparing with the self-tested dust concentration,it indicates the dustconcentration measuring instrument can meet the design requirements,and can satisfy themeasurement requirements.Key words:dust concentration;laser;Mie scattering;diode随着中
6、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2 0 14年7 月1日就颁布实施了GB132232011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2 0 mg/m;2 0 14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(2 0 14一2 0 2 0 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/m,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5mg/
7、m。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呕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稿件收到日期:2 0 2 3-0 2-0 9,修改稿收到日期:2 0
8、2 3-0 5-0 6。作者简介:姜勇(196 7 一),男,重庆云阳人,198 7 年毕业于上海机械专科学校(现上海理工大学)机械制造工艺及装备专业,2 0 13 年毕业于西南大学计算机科学与技术专业,获工学学士学位,现就职于重庆川仪软件有限公司,从事工业自动化仪器仪表传感器设计工作,任高级工程师。86第59 卷石油化工自动化散射激光粉尘测量仪。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,光散射是指人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
9、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入时,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。为人射光正向人射,r为观察点P与球形颗粒的距离,为散射角,P点与
10、轴形成的平面为散射面,中为人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以及之间的数值关系。之入射平面球形颗粒入射光束图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 m,人射光波长为6 50 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 7电源信号处理光源光学元件光电转换图2激光粉尘浓度测量仪结构示意2.2关键部件2.2.1激
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