CN101008604A - 一种在线检测气溶胶微粒浓度和粒度的方法和检测仪器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种气溶胶微粒浓度和粒度的在线检测方法及检测仪器，能同时实现浓度和粒度的测试，它采用三个光电探测器，分别对激光器发出的原始光信号、经角隅棱镜反射回的被微粒吸收后的信号及在一小立体角内的体散射光信号进行探测，并根据Lambert－Beer定律和Mie散射理论，通过计算实现了气溶胶微粒浓度和粒度的同时检测。本发明的检测方法理论可靠，方法可行，检测仪器结构简单，操作使用容易，并可以安装在高温高压烟囱上检测。

Description

一种在线检测气溶胶微粒浓度和粒度的方法和检测仪器

技术领域

本发明属于光学仪器领域，涉及一种对烟尘中气溶胶微粒进行在线检测的方法，该检测方法可以同时检测出烟尘中气溶胶微粒的浓度和粒度。本发明还涉及一种用于该在线检测方法的检测仪器。

背景技术

空气污染可分为气体污染物和气溶胶状污染物两大类。气溶胶微粒是指悬浮在大气或空气中的直径从不足1微米到上百微米的固体或液体粒子，一般是自然产生(如火山爆发和沙尘暴)或人为活动的结果。烟尘中的气溶胶微粒是空气污染物的主要来源，在线监测烟尘中气溶胶微粒的浓度和粒度，对控制污染排放，为排放企业监察排放情况及环保部门执法检查具有重要意义。

从近年来公开的专利分析，目前国内外连续测试烟尘中气溶胶微粒浓度采用的大多为光学方法，利用气溶胶粒子对各种光线(可见光、红外光、激光等)的作用(阻挡、吸收、漫反射等)，通过测量光线照射前后的变化来获取气溶胶浓度的信息。如97119085、99103172、01136683、01254195、02804173等中、美、英国申请的专利均采用了上述检测方法。

美国基于光衍射原理，研究和生产了用于检测气体中微粒浓度的光散射仪器——在线浓度监测仪，在八十年代末由我国几家大型炼油企业引进使用，但使用效果不理想，有的厂家甚至对该仪器的测量结果表示怀疑，现在各厂基本上已停止使用这一仪器。德国Sick公司和Rock公司在近几年也推出了用于监测烟道排放粉尘浓度的在线监测仪，但该仪器需要对各个监测对象逐一标定，检测过程烦琐；同时，由于该仪器是针对常温常压下的烟道设计的，难以移植到高温高压场合下进行微粒监测；而且该仪器结构复杂、价格昂贵。鉴于此，美国电力研究院(EPRI)在连续排放检测(Continuous Emissions Monitoring，CEM)2006投资规划中将对“微粒质量排放及在线连续测量”项目重新开始研究，说明该技术尚存在明显的不足和缺陷，迫切需要进一步发展和完善。在国内，上海、南京部分高校与相关环保部门及企业也在进行微粒测试的研究工作，其理论运算及结构复杂，研究进展缓慢，目前还没有相应的仪器产品。山西太原一高新技术企业开发的浓度检测仪器，需要将烟囱中微粒引出到一个特殊的管道后进行稀释，虽然原理简单，但设备复杂，施工难度大，经费投入较高。

而以上各种监测仪器的共同缺陷是仅能给出微粒浓度的变化，不能同时检测气溶胶微粒的粒度变化。

考虑到气溶胶微粒对人体健康危害程度的不同，有时还需测定气溶胶微粒的粒度分布情况。微粒粒径的分布有两种表示方式，一是不同粒径的数目分布，一是不同粒径的重量浓度分布。前者可用光散射式粒子计数器测定，后者可用根据撞击捕获原理制成的采样器分级捕集不同粒径范围的气溶胶粒子，再用称重法测定浓度分布。一般来讲，这些检测设备价格昂贵，检测过程复杂，检测周期长。

因此，虽然关于烟尘微粒的检测方法众多，但众多方法均是将微粒的浓度和粒度分别进行检测，没有一次同时检测气溶胶微粒浓度和粒度的方法和检测仪器。

发明内容

本发明的目的是提供一种对烟尘中气溶胶微粒进行在线检测的方法，本发明的检测方法可以同时检测气溶胶微粒中的浓度和粒度。

本发明的目的还在于提供一种用于上述检测方法的检测仪器，该检测仪器结构简单、使用方便，特别适合于高温高压现场的在线检测。

本发明的烟尘中气溶胶微粒浓度和粒度的在线检测方法包括以下步骤：

1).在烟囱的一侧固定一个内部安装有激光器、光电探测器、分光镜和球面反射镜的法兰盘，烟囱的另一侧固定一个内部安装有角隅棱镜的法兰盘，使两个法兰盘处于同一直线位置上；

2).由激光器发出的光束经分光镜分光，分为透射光和反射光；

3).透射光直接由光电探测器D1接收；

4).反射光通过烟道，由对面的角隅棱镜反射后从烟道原向返回；

5).返回光线中θ＝0°的光线由光电探测器D2接收；

6).返回光线中θ≤5°的散射光线经球面反射镜汇聚后，由光电探测器D3接收；

7).光电探测器D1、D2、D3接收的光信号经A-D转换器转换为电信号，输入计算机中，依据预标定数据计算出在线微粒浓度和粒度数据输出。

本发明采用调制激光作为光源，目的是便于使用锁相放大器，改善信号的信噪比，以适用于低浓度的气溶胶。分光镜采用1∶9分束，分光后的透射光光强∶反射光光强＝1∶9。透射光由光电探测器D1接收，记录原始光强，反射光由角隅棱镜原向反射后，在θ＝0°方向被光电探测器D2接收，在θ≤5°的空间范围内前向散射光经过球面反射镜的反射汇聚，被光电探测器D3接收。

本发明的工作原理如下：激光光束经分光镜分束为透射光和反射光，其中光电探测器D1接收透射光并记录原始光强，反射光进入排放烟道，在烟道内被烟尘微粒向各个方向散射和吸收，经过设置在烟囱另一端的角隅棱镜反射后折回烟道，此时入射光和反射光平行并有一个位移，再一次经过烟道，被微粒吸收后，经光电探测器D2在θ＝0°接收，光电探测器D3接收反射光中被微粒在小角度(θ≤5°)散射，经过球面反射镜汇聚后的散射光强，实际是在一小立体角内的体散射光强。

根据Lambert-Beer定律(公式1)和Mie散射理论(公式2)，将三个光信号经过A-D转换，输入计算机中进行计算，依据采用标准微粒的气溶胶对仪器进行标定得到的标定值，获得微粒的浓度和粒度：

I＝I₀e^-NKal    (1)

$\frac{I}{I_0}=\frac{3W}{\mathrm{\ρ\λ}}\left(\frac{i_1+i_2}{{\mathrm{\α}}^3}\right)---\left(2\right)$

公式(1)中，I₀为原始光强，I为经分光镜、角隅棱镜反射，由微粒吸收后的光强，N是微粒数浓度，K是消光系数，α为微粒在光束中的截面积，l为光经过的路程。

公式(2)中，ρλ分别是微粒的介质密度和光波长，W是质量浓度(可以与1式中的N相互计算)，α＝πd/λ是微粒的尺度参数，i₁ i₂分别是Mie散射理论的两个强度函数，函数中隐含粒度信息。

用仪器对不同已知浓度、粒度的标准微粒进行测定，得到标定值，然后对烟尘中气溶胶微粒进行检测，据公式(1)先确定微粒浓度，再根据公式(2)中散射光强与原始光强的比值和浓度的线性关系确定粒度。

本发明中，烟尘中气溶胶微粒浓度和粒度的在线检测是在烟囱上距离地面1～1.5米的高度上实施。

本发明的烟尘中气溶胶微粒浓度和粒度在线检测装置包括：

一个激光器(4)，用于发出检测光束；

一个分光镜(3)，用于将激光器(4)发出的检测光束分成透射光和反射光；

一个球面反射镜(1)，用于将烟道(5)中返回的θ≤5°的散射光汇集；

三个光电探测器(8)、(9)、(10)，光电探测器D1(8)用于接收透射光，光电探测器D2(9)用于接收烟道(5)中返回的θ＝0°的反射光，光电探测器D3(10)用于接收球面反射镜(1)汇聚的散射光，其中光电探测器D3(10)位于球面反射镜(1)的汇聚点上；

以上装置均安装在一个法兰盘(2)内；

一个角隅棱镜(7)，固定在另一个法兰盘(6)内，用于将通过烟道(5)的反射光原向反射；

以及，

固定在法兰盘(2)外部的电路系统(11)和与其连接的计算机系统(12)。

本发明的烟尘中气溶胶微粒浓度和粒度在线检测装置中，激光器(4)和光电探测器(8)、(9)、(10)可以三维调节，分光镜(3)可以二维旋转调节，它们与球面反射镜(1)一起安装在法兰盘(2)内，另一法兰盘(6)内安装角隅棱镜(7)，两个法兰盘分别与安装在烟道上的两个法兰(内有防高温隔热玻璃及吹扫风装置)对接。

各部分供电电源和光探测信号接收、处理电路均统一集成于电路系统(11)中，它们与激光器(4)、光电探测器(8)、(9)、(10)之间采用多芯屏蔽电缆线和接插件连接，方便可靠。

本发明针对目前烟尘中气溶胶微粒浓度和粒度检测技术存在的不足，开发出了一种全新的气溶胶微粒检测方法和检测仪器，根据微粒粒度检测中的散射光强与原始光强的比值同微粒浓度成线性关系的理论，首次实现了气溶胶微粒浓度、粒度的同时检测。

特别是对于粒度的检测，本发明在实验室中分别对不同微粒粒度的纸灰、草木灰和煤灰进行了测试，以上介质经拉曼光谱仪测试的平均粒度分别为1.12μm、2.26 μm和3.25μm。将用天平称量质量的各个介质逐次加入模拟烟囱中，经本发明的检测仪器测试，各介质的微粒粒度分别为1.08μm、2.15μm和3.12μm，误差小于5％。

本发明样机经安装在某大型石化企业在线检测，初步结果显示检测结果达到企业的测试误差要求，证明本发明的理论可靠，方法可行。

本发明的检测仪器结构简单，操作容易，并可以适用于高温现场的检测。

附图说明

图1是本发明烟尘中气溶胶微粒浓度和粒度在线检测方法的原理框图；

图2是本发明烟尘中气溶胶微粒浓度和粒度在线检测仪器的结构示意图。

具体实施方式

气溶胶微粒浓度和粒度在线检测装置的结构如图2所示，由法兰盘2和6组成。在法兰盘2的内部安装有激光器4、分光镜3、三个光电探测器8、9、10和球面反射镜1，其中激光器4和三个光电探测器8、9、10可通过固定杆三维调节、分光镜3可通过固定杆二维旋转调节。电路系统11固定在法兰盘2的外部，并与计算机系统12连接。激光器4、光电探测器8、9、10的多芯屏蔽电缆连接引线(电源线、信号线等)沿法兰盘2器壁整齐布置，以避免其对光路的影响，连接引线引出至电路系统11中，与各个电路对接，电路系统11的输出线接到外部计算机系统12上。另外一个法兰盘6内安装有一个角隅棱镜7。

在烟尘排放烟囱上离地面高度1～1.5米处，相对方向开凿两个φ＝200mm的孔，并分别安装两个内有防高温隔热玻璃及吹扫风装置的法兰。将法兰盘2和6分别与烟囱上的相同大小的法兰对接，将激光器、分光镜和光电探测器微调至合适的光路位置后锁定。

如图1所示，激光器4产生的检测光束经分光镜3按照1∶9分束为透射光和反射光，透射光直接由光电探测器D1接收并记录原始光强；反射光进入排放烟道5，在烟道内被烟尘微粒向各个方向散射和吸收，经过设置在烟囱另一端的角隅棱镜7反射后折回烟道，此时入射光和反射光平行并有一个位移，再一次经过烟道5，被微粒吸收后，由光电探测器D2在θ＝0°接收；被微粒在小角度(θ≤5°)散射的反射光经过球面反射镜1汇聚后，由光电探测器D3接收。

三个光电探测器接收的光信号通过连接引线传输给电路系统11，经A-D转换器转换为电信号，输入计算机系统12，根据Lambert-Beer定律和Mie散射理论，依据采用标准微粒气溶胶对仪器进行标定得到的标定值进行计算，在线获得烟尘中气溶胶微粒的浓度和粒度数值。

Claims (8)

1、一种烟尘中气溶胶微粒浓度和粒度的在线检测方法，包括以下步骤：

1).在烟囱的一侧固定一个内部安装有激光器、光电探测器、分光镜和球面反射镜的法兰盘，烟囱的另一侧固定一个内部安装有角隅棱镜的法兰盘，使两个法兰盘处于同一直线位置上；

2).由激光器发出的光束经分光镜分光，分为透射光和反射光；

3).透射光直接由光电探测器D1接收；

4).反射光通过烟道，由对面的角隅棱镜反射后从烟道原向返回；

5).返回光线中θ＝0°的光线由光电探测器D2接收；

6).返回光线中θ≤5°的散射光线经球面反射镜汇聚后，由光电探测器D3接收；

7).光电探测器D1、D2、D3接收的光信号经A-D转换器转换为电信号，输入计算机中，依据预标定数据计算出在线微粒浓度和粒度数据输出。

2、根据权利要求1所述的烟尘中气溶胶微粒浓度和粒度的在线检测方法，其特征是经分光镜分光后的透射光光强∶反射光光强＝1∶9。

3、根据权利要求1所述的烟尘中气溶胶微粒浓度和粒度的在线检测方法，其特征是在烟囱上距离地面1～1.5米的高度处进行在线检测。

4、一种用于实现权利要求1在线检测方法的检测装置，包括：

一个激光器(4)，用于发出检测光束；

一个分光镜(3)，用于将激光器(4)发出的检测光束分成透射光和反射光；

一个球面反射镜(1)，用于将烟道(5)中返回的θ≤5°的散射光汇集；

三个光电探测器(8)、(9)、(10)，光电探测器D1(8)用于接收透射光，光电探测器D2(9)用于接收烟道(5)中返回的θ＝0°的反射光，光电探测器D3(10)用于接收球面反射镜(1)汇聚的散射光，其中光电探测器D3(10)位于球面反射镜(1)的汇聚点上；

以上装置均安装在一个法兰盘(2)内；

一个角隅棱镜(7)，固定在另一个法兰盘(6)内，用于将通过烟道(5)的反射光原向反射；

以及，

固定在法兰盘(2)外部的电路系统(11)和与其连接的计算机系统(12)。

5、根据权利要求4所述的在线检测方法的检测装置，其特征是固定在法兰盘(2)内的激光器(4)和光电探测器(8)、(9)、(10)可以三维调节。

6、根据权利要求4所述的在线检测方法的检测装置，其特征是固定在法兰盘(2)内的分光镜(3)可以二维旋转调节。

7、根据权利要求4所述的在线检测方法的检测装置，其特征是激光器(4)、光电探测器(8)、(9)、(10)与电路系统(11)之间的连接采用多芯屏蔽电缆线和接插件连接。

8、根据权利要求4所述的在线检测方法的检测装置，其特征是所述的电路系统(11)包括供电电源、光探测信号接收、处理电路、计算电路和输出装置。

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