CN106290097A - 粉尘浓度测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明适用于粉尘浓度处理装置技术领域，提供的粉尘浓度测量装置设有供空气进出的粉尘通路，并包括光源、准直光路、第一耦合光路、第一光电二极管、第二耦合光路以及第二光电二极管；光源发出的出射光经第一耦合光路入射至第一光电二极管以及经第二耦合光路入射至第二光电二极管，对第一光电二极管和第二光电二极管上的信号进行处理和比对并计算光源的散射光强。该粉尘浓度测量装置通过设置供空气进出的粉尘通路，以便于实时采集空气中粉尘和测量粉尘浓度，利用光散射原理计算散射光强，并利用散射光强与粉尘浓度关系得到粉尘通路中的粉尘浓度，结构简单，有利于实现自动化的粉尘测量和控制。

Description

粉尘浓度测量装置及方法

技术领域

本发明属于粉尘浓度处理装置技术领域，尤其涉及一种粉尘浓度测量装置以及采用该粉尘浓度测量装置进行粉尘浓度测量的方法。

背景技术

传统的颗粒物浓度测量使用的是称重法和β射线法。称重法作为标准测量方法，具有测量准确、稳定的特点，但是其测量时间周期长，且是人工测量，存在一定的偶然误差；β射线法是将含尘烟气通过滤纸，收集尘粒，然后用β射线照射滤纸，通过测量β射线的衰减量来确定尘粒的质量，进而确定被测粉尘的质量浓度。以上两种方法都需要对粉尘进行收集，存在一定的耗材，加大了维护量和维护费用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光散射法粉尘浓度处理装置，旨在解决现有技术中粉尘浓度测量中需要对粉尘进行收集而无法进行实时测量的技术问题。

本发明是这样实现的，一种粉尘浓度测量装置，设有供空气进出的粉尘通路，所述光散射法粉尘浓度测量装置包括光源、与所述粉尘通路垂直相通以使所述光源的出射光通过的准直光路、与所述粉尘通路和所述准直光路均垂直相通的第一耦合光路、设置于所述第一耦合光路末端的第一光电二极管、与所述准直光路和所述第一耦合光路相交于所述粉尘通路的第二耦合光路以及设置于所述第二耦合光路末端的第二光电二极管；所述光源发出的所述出射光经所述准直光路以平行光射入所述粉尘通路或者经准直光路聚焦于所述粉尘通路的轴线上，并经所述第一耦合光路入射至所述第一光电二极管以及经所述第二耦合光路入射至所述第二光电二极管，对所述第一光电二极管和所述第二光电二极管上的信号进行处理和比对并计算所述光源的散射光强。

进一步地，所述第二耦合光路与所述准直光路之间的夹角范围为110°～160°。

优选地，所述第二耦合光路与所述准直光路之间的夹角为120°。

进一步地，所述粉尘浓度测量装置还包括与所述第一光电二极管电性连接且固定安装的第一电路板以及与所述第二光电二极管电性连接且固定安装的第二电路板。

进一步地，所述粉尘浓度测量装置还包括固定安装所述第一电路板的第一支架以及固定安装所述第二电路板的第二支架。

进一步地，所述粉尘浓度测量装置还包括设置于所述准直光路中并位于所述粉尘通路和所述光源之间的准直透镜组件、设置于所述第一耦合光路中并位于所述粉尘通路和所述第一光电二极管之间的第一平凸镜组以及设置于所述第二耦合光路中并位于所述粉尘通路和所述第二光电二极管之间的第二平凸镜组。

本发明还提供了一种粉尘浓度测量方法，采用上述粉尘浓度测量装置对粉尘浓度进行测量，并包括以下步骤：

设置供空气进出的粉尘通路；

将光源照射至与所述粉尘通路垂直相同的准直光路中，并经所述准直光路的准直处理以使所述光源的出射光平行入射至所述粉尘通路或者聚焦于所述粉尘通路的轴线上；

进入所述粉尘通路的出射光在粉尘颗粒散射作用下经与所述粉尘通路相交相通的第一耦合光路和第二耦合光路入射至对应的第一光电二极管和第二光电二极管上；

对所述第一光电二极管和所述第二光电二极管上接收的光强信号进行处理和比对，并计算所述光源的散射光强；

根据计算得到的散射光强计算出粉尘浓度。

进一步地，根据单个粉尘颗粒的Mie散射光强公式：

计算所述第一光电二极管和所述第二光电二极管分别接收到的散射光强；

上述公式中，I₀为出射光强，λ为光波长，r为第一光电二极管或者所述第二光电二极管与粉尘颗粒之间的距离，m为折射率，θ散射角，α＝πD/λ为尺寸参数，D为粉尘颗粒的直径，i₁(α,m,θ)和i₂(α,m,θ)是关于尺寸参数α、折射率m和散射角θ的散射光强函数。

进一步地，根据计算出的所述第一光电二极管和所述第二光电二极管接收的散射光强进行对比，对比公式为：其中，阶次n是从1～∞变化，θ₁和θ₂分别是出射光于所述第一光电二极管和所述第二光电二极管的散射角，散射角函数π_n(cosθ)和τ_n(cosθ)是两个常量，且

${\mathrm{\π}}_{n+1}\left(cos\mathrm{\θ}\right)=cos\mathrm{\θ}\frac{2n+1}{n}{\mathrm{\π}}_n\left(cos\mathrm{\θ}\right)-\frac{n+1}{n}{\mathrm{\π}}_{n-1}\left(cos\mathrm{\θ}\right),$

τ_n(cosθ)＝n cosθ.π_n(cosθ)-(n+1)π_n-1(cosθ)；

通过递归计算出n的最大值，并根据n_max＝α+4α^1/3+2计算尺寸参数α，利用D＝α·λ/π计算出粉尘颗粒的直径，其中，λ为光波长。

本发明相对于现有技术的技术效果是：该粉尘浓度测量装置通过设置供空气进出的所述粉尘通路，以便于实时采集空气中粉尘和测量粉尘浓度，所设的所述准直光路、所述第一耦合光路和所述第二耦合光路相交于所述粉尘通路，所述光源经所述准直光路入射至粉尘通路，并由所述第一耦合光路和所述第二耦合光路散射至所述第一光电二极管和所述第二光电二极管上，利用光散射原理计算散射光强，并利用散射光强与粉尘浓度关系得到粉尘通路中的粉尘浓度，结构简单，有利于实现自动化的粉尘测量和控制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供粉尘浓度测量装置的结构图；

图2是图1中粉尘浓度测量装置的局部剖视图；

图3是图1中粉尘浓度测量装置于一方向的剖视图；

图4是图1中粉尘浓度测量装置于另一方向的剖视图。

附图标记说明：

10 粉尘通路 36 第一支架

20 光源 38 第一平凸镜组

22 准直光路 40 第二耦合光路

24 准直透镜组件 42 第二光电二极管

30 第一耦合光路 44 第二电路板

32 第一光电二极管 46 第二支架

34 第一电路板 48 第二平凸镜组

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参照图1至图4，本发明实施例提供的粉尘浓度测量装置设有供空气进出的粉尘通路10，所述光散射法粉尘浓度测量装置包括光源20、与所述粉尘通路10垂直相通以使所述光源20的出射光通过的准直光路22、与所述粉尘通路10和所述准直光路22均垂直相通的第一耦合光路30、设置于所述第一耦合光路30末端的第一光电二极管32、与所述准直光路22和所述第一耦合光路30相交于所述粉尘通路10的第二耦合光路40以及设置于所述第二耦合光路40末端的第二光电二极管42；所述光源20发出的所述出射光经所述准直光路22以平行光射入所述粉尘通路10或者经准直光路22聚焦于所述粉尘通路10的轴线上，并经所述第一耦合光路30入射至所述第一光电二极管32以及经所述第二耦合光路40入射至所述第二光电二极管42，对所述第一光电二极管32和所述第二光电二极管42上的信号进行处理和比对并计算所述光源20的散射光强。

本发明实施例提供的粉尘浓度测量装置通过设置供空气进出的所述粉尘通路10，以便于实时采集空气中粉尘和测量粉尘浓度，所设的所述准直光路22、所述第一耦合光路30和所述第二耦合光路40相交于所述粉尘通路10，所述光源20经所述准直光路22入射至粉尘通路10，粉尘将经所述准直通路处理后的出射光散射，并由所述第一耦合光路30和所述第二耦合光路40散射至所述第一光电二极管32和所述第二光电二极管42上，利用光散射原理计算散射光强，并利用散射光强与粉尘浓度关系得到粉尘通路10中的粉尘浓度，结构简单，有利于实现自动化的粉尘测量和控制。

在该实施例中，所述光源20为半导体激光器光源20，其发出的光经所述准直光路22平行射入所述粉尘通路10或者经所述准直光路22聚焦于所述粉尘通路10的轴线上，所述焦点位于所述粉尘通路10轴线与所述准直通路轴线的交点上。

在该实施例中，所述第一耦合光路30、所述准直光路22和所述粉尘通路10垂直相交，且交点为所述第一耦合光路30、所述准直光路22和所述粉尘通路10轴线的交点，所述第二耦合光路40与所述第一耦合光路30相交，且所述第一耦合光路30、所述第二耦合光路40和所述准直光路22于轴线的剖面位于同一平面上。

请参照图4，进一步地，所述第二耦合光路40与所述准直光路22之间的夹角范围为110°～160°。通过设置所述第二耦合光路40于所述准直光路22之间的夹角以确定所述粉尘对所述出射光的散射角度，其散射角度与所述第二耦合光路40和所述准直光路22的夹角相同。优选地，所述第二耦合光路40与所述准直光路22之间的夹角为120°。

请参照图2至图4，进一步地，所述粉尘浓度测量装置还包括与所述第一光电二极管32电性连接且固定安装的第一电路板34以及与所述第二光电二极管42电性连接且固定安装的第二电路板44。通过设置所述第一电路板34和所述第二电路板44以通过电量计算所述第一光电二极管32和所述第二光电二极管42接收的散射光强，从而测得粉尘浓度。操作简单，只需通过电量测量即可完成粉尘浓度的采集和传输，有利于提高采样效率，并利于实现自动化的粉尘浓度测量和控制。

在该实施例中，所述第一电路板34垂直于所述第一耦合光路30的轴线，以使经所述第一耦合光路30散射的光垂直入射至所述第一光电二极管32上，同样地，所述第二电路板44垂直于所述第二耦合光路40的轴线，以使经所述第二耦合光路40散射的光垂直入射至所述第二光电二极管42上，这样可以大大减小散射光强损失，提高测量精度。

请参照图1，进一步地，所述粉尘浓度测量装置还包括固定安装所述第一电路板34的第一支架36以及固定安装所述第二电路板44的第二支架46。通过设置所述第一支架36以固定安装所述第一电路板34以及设置所述第二支架46以固定安装所述第二电路板44，以保证所述第一光电二极管32和所述第二光电二极管42的结构稳定和角度固定，从而提高测量精度。

请参照图2至图4，进一步地，所述粉尘浓度测量装置还包括设置于所述准直光路22中并位于所述粉尘通路10和所述光源20之间的准直透镜组件24、设置于所述第一耦合光路30中并位于所述粉尘通路10和所述第一光电二极管32之间的第一平凸镜组38以及设置于所述第二耦合光路40中并位于所述粉尘通路10和所述第二光电二极管42之间的第二平凸镜组48。通过设置准直透镜组件24以将光源20发出的光进行准直处理，使光源20发出的光沿准直通路平行入射至所述粉尘通路10，粉尘通路10中的粉尘颗粒将光源20发出的平行光散射至所述第一耦合光路30和所述第二耦合光路40，经所述第一平凸镜组38和所述第二平凸镜组48透射至所述第一光电二极管32和所述第二光电二极管42，从而测得经粉尘颗粒散射的光的光强，并根据散射光强与粉尘浓度的关系计算出粉尘浓度，结构简单，使用方便。

请参照图1至图4，本发明实施例提供的粉尘浓度测量方法采用上述粉尘浓度测量装置对粉尘浓度进行测量，并包括以下步骤：

设置供空气进出的粉尘通路10；

将光源20照射至与所述粉尘通路10垂直相同的准直光路22中，并经所述准直光路22的准直处理以使所述光源20的出射光平行入射至所述粉尘通路10或者聚焦于所述粉尘通路10的轴线上；

进入所述粉尘通路10的出射光在粉尘颗粒散射作用下经与所述粉尘通路10相交相通的第一耦合光路30和第二耦合光路40入射至对应的第一光电二极管32和第二光电二极管42上；

对所述第一光电二极管32和所述第二光电二极管42上接收的光强信号进行处理和比对，并计算所述光源20的散射光强；

根据计算得到的散射光强计算出粉尘浓度。

本发明实施例提供的粉尘浓度测量方法通过设置供空气进出的所述粉尘通路10，以便于实时采集空气中粉尘和测量粉尘浓度，所设的所述准直光路22、所述第一耦合光路30和所述第二耦合光路40相交于所述粉尘通路10，所述光源20经所述准直光路22入射至粉尘通路10，粉尘将经所述准直通路处理后的出射光散射，并由所述第一耦合光路30和所述第二耦合光路40散射至所述第一光电二极管32和所述第二光电二极管42上，利用光散射原理计算散射光强，并利用散射光强与粉尘浓度关系得到粉尘通路10中的粉尘浓度，结构简单，有利于实现自动化的粉尘测量和控制。

在该实施例中，所述光源20为半导体激光器光源20，其发出的光经所述准直光路22平行射入所述粉尘通路10或者经所述准直光路22聚焦于所述粉尘通路10的轴线上，所述焦点位于所述粉尘通路10轴线与所述准直通路轴线的交点上。

在该实施例中，所述第一耦合光路30、所述准直光路22和所述粉尘通路10垂直相交，且交点为所述第一耦合光路30、所述准直光路22和所述粉尘通路10轴线的交点，所述第二耦合光路40与所述第一耦合光路30相交，且所述第一耦合光路30、所述第二耦合光路40和所述准直光路22于轴线的剖面位于同一平面上。

进一步地，根据单个粉尘颗粒的Mie散射光强公式：计算所述第一光电二极管32和所述第二光电二极管42分别接收到的散射光强；

上述公式中，I₀为出射光强，λ为光波长，r为第一光电二极管32或者所述第二光电二极管42与粉尘颗粒之间的距离，m为折射率，θ散射角，α＝πD/λ为尺寸参数，D为粉尘颗粒的直径，i₁(α,m,θ)和i₂(α,m,θ)是关于尺寸参数α、折射率m和散射角θ的散射光强函数。

具体地，散射光强函数为：

$i_1(\mathrm{\α},m,\mathrm{\θ})=|S_1\left(\mathrm{\θ}\right){|}^2=\underset{n=1}{\overset{\mathrm{\∞}}{\Σ}}\frac{2n+1}{n(n+1)}\[a_n{\mathrm{\π}}_n\left(cos\mathrm{\θ}\right)+b_n{\mathrm{\τ}}_n\left(cos\mathrm{\θ}\right)\];$

$i_2(\mathrm{\α},m,\mathrm{\θ})=|S_2\left(\mathrm{\θ}\right){|}^2=\underset{n=1}{\overset{\mathrm{\∞}}{\Σ}}\frac{2n+1}{n(n+1)}\[a_n{\mathrm{\τ}}_n\left(cos\mathrm{\θ}\right)+b_n{\mathrm{\π}}_n\left(cos\mathrm{\θ}\right)\].$

其中，S₁(θ)和S₂(θ)分别表示垂直和平行的的散射振幅函数。

由于散射模块的散射角已经固定，所以散射角函数π_n(cosθ)和τ_n(cosθ)是两个常量，且以及

其中，P_n是勒让德(Legendre)函数，表示一阶勒让德函数。

进一步地，根据计算出的所述第一光电二极管32和所述第二光电二极管42接收的散射光强进行对比，对比公式为：其中，阶次n是从1～∞变化，θ₁和θ₂分别是出射光于所述第一光电二极管32和所述第二光电二极管42的散射角，散射角函数π_n(cosθ)和τ_n(cosθ)是两个常量，且

${\mathrm{\π}}_{n+1}\left(cos\mathrm{\θ}\right)=cos\mathrm{\θ}\frac{2n+1}{n}{\mathrm{\π}}_n\left(cos\mathrm{\θ}\right)-\frac{n+1}{n}{\mathrm{\π}}_{n-1}\left(cos\mathrm{\θ}\right),$

τ_n(cosθ)＝n cosθ.π_n(cosθ)-(n+1)π_n-1(cosθ)；

通过递归计算出n的最大值，并根据n_max＝α+4α^1/3+2计算尺寸参数α，利用D＝α·λ/π计算出粉尘颗粒的直径，其中，λ为光波长。

上述散射角函数可以有低阶往高阶递推，其递推公式如下：

${\mathrm{\π}}_{n+1}\left(cos\mathrm{\θ}\right)=cos\mathrm{\θ}\frac{2n+1}{n}{\mathrm{\π}}_n\left(cos\mathrm{\θ}\right)-\frac{n+1}{n}{\mathrm{\π}}_{n-1}\left(cos\mathrm{\θ}\right)$

τ_n(cosθ)＝nS-π_n-1(cosθ)

S＝cosθ·π_n(cosθ)-π_n-1(cosθ)

将初始值π₀＝0，π₁＝1带入，就可以求出各阶次的散射角函数。其中，a_n和b_n是有关m和α的函数，根据计算公式，最后可以约掉，在这里不加讨论。

阶次n是从1～∞变化，但是根据Bohren和Huffman提出的经验公公式，有：

n_max＝α+4α^1/3+2

根据上述第一光电二极管32和所述第二光电二极管42接收的散射光强比对结果可以计算出尺寸参数α。

在所述第一光电二极管32和所述第二光电二极管42接收的散射光强比对公司中，该粉尘浓度测量方法能够实时得到两个不同的光强信号，在初始值π₀＝0，π₁＝1已知的条件下，上式右侧是一个关于n的函数，因此，可以通过递归，计算出n的最大值，由n_max＝α+4α^1/3+2可以计算尺寸参数_α的值，计算出粉尘颗粒的直径D＝α·λ/π。

本发明实施例提供的粉尘浓度测量方法通过在所述粉尘通路10中通入不同浓度的粉尘，可以得到不同粉尘浓度条件下的光强值，在第一耦合光路30和所述第二耦合光源20与所述准直光路22之间的夹角分别为90°和120°上得到的两个光强，可以分别得到两个不同的关于散射光强与粉尘浓度的标定曲线，并根据散射光强反推出粉尘浓度。

在实际的浓度测量时，反演得到的两个浓度值进行对比，得到的两个浓度值较接近时，认为测量结果准确；得到的浓度值相差较大，需对所述粉尘浓度测量装置进行反吹，以清除遗留在粉尘通路10、所述第一耦合光路30和所述第二耦合光路40中的粉尘。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种粉尘浓度测量装置，其特征在于，设有供空气进出的粉尘通路，所述光散射法粉尘浓度测量装置包括光源、与所述粉尘通路垂直相通以使所述光源的出射光通过的准直光路、与所述粉尘通路和所述准直光路均垂直相通的第一耦合光路、设置于所述第一耦合光路末端的第一光电二极管、与所述准直光路和所述第一耦合光路相交于所述粉尘通路的第二耦合光路以及设置于所述第二耦合光路末端的第二光电二极管；所述光源发出的所述出射光经所述准直光路以平行光射入所述粉尘通路或者经准直光路聚焦于所述粉尘通路的轴线上，并经所述第一耦合光路入射至所述第一光电二极管以及经所述第二耦合光路入射至所述第二光电二极管，对所述第一光电二极管和所述第二光电二极管上的信号进行处理和比对并计算所述光源的散射光强。

2.如权利要求1所述的粉尘浓度测量装置，其特征在于，所述第二耦合光路与所述准直光路之间的夹角范围为110°～160°。

3.如权利要求2所述的粉尘浓度测量装置，其特征在于，所述第二耦合光路与所述准直光路之间的夹角为120°。

4.如权利要求1所述的粉尘浓度测量装置，其特征在于，还包括与所述第一光电二极管电性连接且固定安装的第一电路板以及与所述第二光电二极管电性连接且固定安装的第二电路板。

5.如权利要求4所述的粉尘浓度测量装置，其特征在于，还包括固定安装所述第一电路板的第一支架以及固定安装所述第二电路板的第二支架。

6.如权利要求1所述的粉尘浓度测量装置，其特征在于，还包括设置于所述准直光路中并位于所述粉尘通路和所述光源之间的准直透镜组件、设置于所述第一耦合光路中并位于所述粉尘通路和所述第一光电二极管之间的第一平凸镜组以及设置于所述第二耦合光路中并位于所述粉尘通路和所述第二光电二极管之间的第二平凸镜组。

7.一种粉尘浓度测量方法，其特征在于，采用如权利要求1至6任意一项所述的粉尘浓度测量装置对粉尘浓度进行测量，并包括以下步骤：

设置供空气进出的粉尘通路；

将光源照射至与所述粉尘通路垂直相同的准直光路中，并经所述准直光路的准直处理以使所述光源的出射光平行入射至所述粉尘通路或者聚焦于所述粉尘通路的轴线上；

进入所述粉尘通路的出射光在粉尘颗粒散射作用下经与所述粉尘通路相交相通的第一耦合光路和第二耦合光路入射至对应的第一光电二极管和第二光电二极管上；

对所述第一光电二极管和所述第二光电二极管上接收的光强信号进行处理和比对，并计算所述光源的散射光强；

根据计算得到的散射光强计算出粉尘浓度。

8.如权利要求7所述的粉尘浓度测量方法，其特征在于，根据单个粉尘颗粒的Mie散射光强公式：

计算所述第一光电二极管和所述第二光电二极管分别接收到的散射光强；

上述公式中，I₀为出射光强，λ为光波长，r为第一光电二极管或者所述第二光电二极管与粉尘颗粒之间的距离，m为折射率，θ散射角，α＝πD/λ为尺寸参数，D为粉尘颗粒的直径，i₁(α,m,θ)和i₂(α,m,θ)是关于尺寸参数α、折射率m和散射角θ的散射光强函数。

9.如权利要求7所述的粉尘浓度测量方法，其特征在于，根据计算出的所述第一光电二极管和所述第二光电二极管接收的散射光强进行对比，对比公式为：其中，阶次n是从1～∞变化，θ₁和θ₂分别是出射光于所述第一光电二极管和所述第二光电二极管的散射角，散射角函数π_n(cosθ)和τ_n(cosθ)是两个常量，且τ_n(cosθ)＝ncosθ.π_n(cosθ)-(n+1)π_n-1(cosθ)；

通过递归计算出n的最大值，并根据n_max＝α+4α^1/3+2计算尺寸参数α，利用D＝α·λ/π计算出粉尘颗粒的直径，其中，λ为光波长。