（测试计量技术及仪器专业论文）在线排烟粉尘浓度检测系统的研究和开发.pdf

摘要 摘要 保护环境是我国的基本国策，而对环境保护而言，烟尘颗粒排放物的浓度是 具有重要影响的参数。目前有许多基于不同原理的烟尘测量方法和测量系统，为 烟尘排放测试提供了强有力的手段。但目前广泛使用的测量方法普遍存在测量结 果可信性不高、测量周期长、不能实现实时连续测量等缺点。随着对两相流动研 究的深入以及准确测量和工业控制要求日益增长，进行烟尘颗粒浓度的在线测量 已经势在必行。此外，非扰动测量也是越来越多工业场合所要求的。随着激光、 光纤和计算机技术的发展，光散射法作为类非常重要的实时非扰动测量方法， 以快速、分辨率高、信息量大等优点日益受到重视。 本文从f r a u n h o f e r 衍射理论的积分变换反演算法和基于颗粒粒径分布函数 的平均值原理出发，提出了一种新的基于粒径平均值理论的激光烟尘颗粒浓度的 测量方法。这种方法与目前常用的消光法( 浊度法) 比较，不需要预先获取颗粒 的平均粒径就可以获得颗粒的体积浓度。 根据此理论作者研究并开发了一一套激光烟尘颗粒浓度自动监测系统。对透过 烟道激光信号的实时测量，使用单片机和上位机对采样数据进行实时处理，实现 对烟道烟尘浓度数据的实时在线监测，并投入实际的现场进亏亍使用。 标定是测量中最重要的一个环节，标定的有无、准确与否直接影响测量系统 的测量精确性。本文所开发的监测系统可以进行实时在线的标定操作。 综上所述，本文的具体内容如下： 1 i 我国烟尘测试技术的现状： 目前国内普遍采用的烟尘测量方法大致可以分为两种：离线监测和实时监 测。离线监测反映污染物瞬时或短时间的排放状态，主要应用于环境监测 部门对排放源的监督性监测和对连续测试系统的测量准确度进行评估、调 校，包括林格曼法、预测流速法等；实时监测用于对固定源排放污染物做 长期的、连续的监测，可以实时的反映污染物在某一时间的排放状况，主 要有摩擦电法、消光法、射线法等。 2 基于平均值理论的颗粒浓度在线测量方法的理论研究： 根据消光法的基础原理，实际测量时透射光强和入射光强的比值称为透过 率或浊度，我们必须知道颗粒的平均消光系数和平均粒径，才能从颗粒群 的浊度求取颗粒的浓度。平均消光系数大多数场合可近似取为2 ，从平均 值理论出发，根据颗粒的f r a u n h o f e r 衍射散射特性，可以得到一种不需 要预先知道颗粒平均粒径的浓度测量方法。 3 激光烟尘颗粒浓度自动监测系统的架构和组成： 根据基于粒径平均值理论的激光烟尘颗粒浓度的测量方法，作者设计了激 光烟尘颗粒浓度自动监测系统，包括光路原理机械实现子系统、单片机预 处理子系统( 8 0 3 1 、a d 、d a 等) 和上位机数据处理、控制子系统( d e l p h i 和a c c e s s 2 0 0 0 ) 。整个监测系统可以实时在线对烟道内烟尘颗粒浓度进行 监测，并对监测到的浓度数据保存、查询、绘制浓度曲线、报表打印等功 能。此外，可以进行在线标定操作，保证监测浓度数据的测量精确性a 关键词：环境保护烟尘测量浓度测量在线监测监测系统 光散射 f r a u n h o f e r 衍射理论激光d e l p h i 单片机标定两相流 一! 堕! ：! ! ! a b s t r a c t c i r c u m s t a n c ep r o t e c t i o ni st h eb a s i cn a t i o n a l p o l i c yo fo u rc o u n t r y , a n dt h es o o tp a r t i c l e s c o n c e n t r a t i o ni st h en l o s ti m p o r , a n ti n f l u e n c i n gp a r a m e t e rt oc i r c u m s t a n c ep r o t e c t i o n n o wt h e r e a r e m a n ys o o tp a r t i c l e s c o n c e n t r a t i o nm e a s u r e m e n t sa n dm e t r i c a l s y s t e mb a s e do nd i f f e r e n t p r i n c i p l e s ，w h i c hh a v eo f f e r e di m p e l l i n gm e a n st ot h et e s t so fs o o tm e a s u r e m e n t s b u tt h e m e a s u r e m e n t sw i d e l yu s e da tp r e s e n th a v em a n yd i s a d v a n t a g e ss u c ha st h el o wc r e d i t a b i l i t yo f m e t r i c a l r e s u l t s ，l o n g m e t r i c a l p e r i o d s ，b e i n gi n c a p a b l e o f f u l f i l l i n go n - l i n e ，c o n t i n u o u s m e a s u r e m e n t s a l o n gw i t ht h ed e e p l yr e s e a r c ho fg a s - s o l i df l o wa n dt h ei n c r e a s i n gd e m a n d sf o r a c c u r a t em e a s u r e m e n t sa n di n d u s t r i a lc o n t r o l ，i ti si m p e r a t i v eu n d e rt h es i t u a t i o nt od e v e l o pt h e c o n t i n n o u sm e a s u r e m e n t so fs o o tp a r t i c l e sc o n c e n t r a t i o n b e s i d e st h e s e ，m o r ea n dm o r ei n d u s t r i a l s i t u a t i o n sr e q u i r et h en o n - d i s t u r b i n gm e a s u r e m e n t s w i t ht h et e c h n i c a ld e v e l o p m e n to fl a s e rl i g h t 1 i g h t f i n ea n dc o m p u t e r s ，l i g h td i s p e r s i o n ，a so n ek i n d o fi m p o r t a n t o n - l i n e ，n o n - d i s t u r b i n g m e a s u r e m e n t s ，h a sb e e ni n c r e a s i n g l yr e g a r d e dd u et oi t ss p e e d i n e s s ，h i g hd i s t i n g u i s hr a t ea n d g r e a ti n f o an o v e lo n - l i n em e t h o do fm e a s u r i n gt h es o o tp a r t i c l e sc o n c e n t r a t i o n ，w h i c hi s a p p l i e dt h e i n t e g r a lt r a n s f o r mi n v e r s ea r i t h m e t i cb a s e do nf m u n h o f e r l sd i f f r a c t i o nt h e o r ya n dt h em e a i lt h e o r y , i s d e v e l o p e d i nt h i sp a p e r c o m p a r e dw i t ht h ee x t i n c t i o nt e c h n i q u e s ，n e wt e c h n i q u ei sn o t p r e - r e q u i r e dk n o w l e d g e o f s i z eo f p a r t i c l e si nt h ef l o w a u t h o rr e s e a r c h e sa n dd e v e l o p san o v e ll a s e rl i g h to n - l i n es u p e r v i s o r ys y s t e mo fm e a s u r i n g t h es o o tp a r t i c l e sc o n c e n t r a t i o n b ym e a s u r i n gt h el a s e rl i g h ts i g n a lo ff l u ei nr e a lt i m e ，a n du s i n g t h es i n g l e c h i pa n dc o m p u t e rt o d e a lw i t ht h es a m p l ed a t at of u l f i l lt h eo n - l i n es o o tp a r t i c l e s c o n c e n t r a t i o nm e a s u r e m e n t d e m a r c a t i o ni st h em o s ti m p o r t a n tp a r to fm e a s u r e m e m ，t h em e t r i c a ls y s t e m sa c c u r a c yi s g r e a t l yr e l a t e dt ot h ed e m a r c a t i o n t h es u p e r v i s o r ys y s t e mi nt h i sp a p e rh a so n l i n ed e m a r c a t i o n o p e r a t i o n t h em a i nc o n t e n t so f t h ep a p e ra r ea sf o l l o w s ： 1 a c t u a l i t yo ft h es o o tp a r t i c l e sc o n c e n t r a t i o nm e a s u r e m e n t s i no u rc o u n t r y ： t h em e a s m e m e n t sw i d e l yu s e dc a nb ed i v i d e di n t ot w op a r t s ：o f f - l i n em e a s u r e m e n t s a n do n l i n em e a s u r e m e n t s o 昏i i n em e a s u r e m e n t s ，s u c ha sr i n g e l m a r m ，f o r e c a s t v e l o c i t y o ff l o w , r e f l e c tt h ei n s t a n t a n e o u so rs h o r tt i m ee m i s s i o ns t a t u so f c o n t a m i n a t i o n ，a r eu s e d t o s u p e r v i s e t h ee m i s s i o ns o u r c ea n dt o a p p r a i s e t h e a c c u r a c y o ft h ec o n t i n u o u sm e t r i c a l s y s t e m o n l i n em e a s u r e m e n t s ，s u c h a s t r i b o e l e c t r i c i t y , e x t i n c t i o n ，r a d i a l ，a r eu s e d f o rl o n g - t e r m ，c o n t i n u o u ss u p e r v i s a l ， w h i c hc a r tr e f l e c tt h er e a l - t i m ee m i s s i o ns t a t u so f c o n t a m i n a t i o n 2 t h er e s e a r c ho fo n - l i n em e t h o do fm e a s u r i n gt h es o o tp a r t i c l e sc o n c e n t r a t i o n b a s e do nt h em e a nt h e o r y ： b a s eo nt h eb a s i c p r i n c i p l e o fe x t i n c t i o n ，w h e nm e a s u r i n gt h er a t i o o ft h e t r a n s m i s s i o nl i g h ti n t e n s i t ya n di n c i d e n c el i g h ti n t e n s i t yi sc a l l e dp e r m e a t i o nr a t i o w em u s tk n o wt h ep a r t i c l e s a v e r a g ee x t i n c t i o nc o e f f i c i e n ta n dt h ea v e r a g ep a r t i c l e d i a m e t e rt o g e t t h e p a r t i c l e s c o n c e n t r a t i o n i nm a n yo c c a s i o n s t h ea v e r a g e e x t i n c t i o nc o e f f i c i e n ti s e q u a l t o2 ，w h i l eb a s e do nt h em e a nt h e o r ya n dt h e f r a m a h o f e rd i f f r a c t i o n , w ec a na c h i e v ean e wm e t h o dt h a i i sn o t p r e - r e q u i r e d k n o w l e d g e o f s i z e o f p a r t i c l e s i n t h e f l o w a b s t r a c t 3 t h ec o n s t r u f i o no f l a s e rl i g h to n - l i n es u p e r v i s o r ys y s t e mo f m e a s u r i n gt h es o o t p a r t i c l e sc o n c e n t r a t i o n ： a u t h o rd e s i g n st h es o o tp a r t i c l e sc o n c e n t r a t i o ns u p e r v i s o r ys y s t e m ，w h i c hi n c l u d e s o p t i cs u b - s y s t e m s i n g l e c h i pp r e d e a ls u b s y s t e m ( i n c l u d e s8 0 3 1up u ，a d ，d a a n ds o0 n ) a n dd a t ap r o c e s s i n gc o n t r o ls u b - s y s t e m ( d e v e l o p e db yd e l p h i a n d a c c e s s 2 0 0 0 ) t h e w h o r e s u p e r v i s o r ys y s t e m c a n s u p e r v i s e t h es o o t p a r t i c l e s c o n c e n t r a t i o ni n f l u eo n 1 i n e ，a n d p r o v i d e t h ef u n a t i o n ss u c ha sd a t a - s a v i n g , d a t a - q u e r y i n g ，c u r v e - p r o t r a c t i n g ，r e p o r t s - p r i n t i n g w h a t sm o r e ，s y s t e m c a na l s o d r o c e s so n 1 i n ed e m a r c a t i o n ，w h i c hw i l l e n s u r et h e a c c u r a c y o fs o o t p a r t i c l e s c o n c e n t r a t i o n k e y w o r d s ：c i r c u m s t a n c ep r o t e c t i o n ，s o o tp a r t i c l e sm e a s u r e m e n t ，c o n c e n t r a t i o nm e a s u r e m e n t ， o n l i n em e a s u r e m e n t ，s u p e r v i s o r ys y s t e m ，l i g h ts c a t t e r , f r a u n h o f e rd i f f r a c t i o n ， l a s e rl i g h t ，d e l p h i ，s i n g l ec h i p ，d e m a r c a t i o n ，m u l t i p h a g ef l o w i i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文不包括其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括为获得东南大学或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所作的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除了保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、 英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电子信息的形式刊登) 授权东南大学 研究生院办理。 研究生签名： 导师签名： 二尘g = 日期：一一辨 第章绪论 第一章绪论 保护环境是我国的一项基本国策。今后五到十年，是我国经济和社会发展的重 要时期，是进行经济结构战略性调整和改革开放的重要时期，也是减轻环境污染和 遏制生态恶化趋势的重要时期。紧紧抓住新世纪的历史机遇，下大力气解决全国突 出的环境问题，促进经济、社会与环境协调发展和实施可持续发展战略，是“十五” 乃至到2 0 1 0 年环境保护工作重要而又艰巨的任务“1 。 经过多年坚持不懈的努力，全国环境状况正在由环境质量总体恶化、局部好转， 向环境污染加剧趋势得到基本控制、部分城市和地区环境质量有所改善转变。但是， 环境形势仍然相当严峻。全国污染物排放总量还很大，污染程度仍处在相当高的水 平，一些地区的环境质量仍在恶化。生态恶化加剧的趋势尚未得到有效遏制，部分 地区生态破坏的程度还在加剧。环境污染和生态破坏在一些地区己成为危害人民健 康、制约经济发展和社会稳定的一个重要因素。 国家环保“十五”计划中对粉尘控制的目标是到2 0 0 5 年，尘( 包括烟尘及工 业粉尘) 等主要污染物排放量比2 0 0 0 年减少l o ；尘( 烟尘和工业粉尘) 的排放 总量控制指标控制在2 0 0 0 万吨；对于工业污染防治指标：烟尘排放量控制在8 5 0 万吨、粉尘排放量控制在9 0 0 万吨。 为了实施这一规划，对颗粒排放物的流量、浓度进行实时在线的测量就显得日 益重要。 l 。1 我国烟尘测试技术的进展 对环境保护而言，烟尘颗粒排放物的浓度是具有重要影响的参数。颗粒的浓度 的测量是一个古老而又极具挑战性的课题，在不同的历史时期都受到研究人员的重 视，并且不断地赋予它新的生命力。到目前为止，人们已经发展了许多基于各种不 同原理的测量方法和测量系统，为烟尘排放测试提供了强有力的手段。这些测量方 法大致可以分为两种：离线监测和实时监测。3 。短期监测只有有限的价值，反映污 染物瞬时或短时间的排放状态，主要应用于环境监测部门对排放源的监督性监测和 对连续测试系统的测量准确度进行评估、调校。连续测试技术用于对固定源排放污 染物做长期的、连续的监测，可阱实时的反映污染物在某一时间的排放状况。 1 1 1 烟尘排放浓度的测量方法 l 短期监测( 离线监测) 一、林格曼法 早在1 0 0 多年前，面临世界工业革命时间到来所引起的严重大气污染，法匡工 程师林格曼( r i n g e l m a n n ) 限于当时的技术发展水平首先提出了烟尘浓度的目测法， 称为林格曼黑度法“。它是以操作人员的视觉观察某排放源，并将所观察到的烟 尘黑度与林格曼黑度表相比较后确定烟尘的浓度值。黑度法简单，但测量结果很大 程度上要受到诸如操作人员的视力、判断力等主观因素以及气象和周围环境等客观 因素的综合影响，其测量结果的准确性是有疑问的。黑度法至今仍被一些i 虱家所使 用，这钽说明了开发更竞善的烟尘排放浓度测量方法的必要性和迫切性。 东南大学硕士学位论文 二、采样法 目前，世界各国，包括欧美等先进工业国在内大都采用采样法( s a m p l i n g ) 。3 测定粉尘的排放浓度，其原理是从被测烟道中抽取有代表性的烟气，并用过滤器或 冲击器等把粉尘颗粒分离出，一段时间后称重得到粉尘浓度。取样法从原理上讲很 简单，但其关键首先在于能否从烟道中抽出具有代表性的烟尘气流，以保证测量结 果的可靠性。伸入烟道中的取样头会对测量环境和测量对象产生干扰，为最大限度 的减小这一影响，除对取样头的形状和尺寸有严格要求外，还必须在等速条件下取 样。 为了满足等速的要求，研发了许多采样器： 1 预测流速法。“” 此方法应用前提条件是烟道截面颗粒物的分布比较均匀，烟气气流比较稳定。 但实际工况下气流的流速是波动的。颗粒物的分布也是随时间变化的。因此规定只 要采样前、后烟道截面烟气流速波动不超过2 0 ，测定结果就是可以接受的。由 于该方法在采样前预先测出各采样点的烟气温度、压力、水分含量和气体流速等参 数，结合所选用的采样嘴直径，计算出等速条件下各采样点的采样流量，然后按该 流量在各点采样。显然，测量和计算过程十分繁琐，方法的同步性差，取样滞后于 测速，当方法用于大截面烟道中的烟尘测量时，滞后的时问达几十分钟，因而测试 结果的可靠性差。 2 静压平衡测速法啪 测试仪利用在采样管入口配置的专门采样嘴，在嘴的内外壁上分别开有测量静 压的条缝，调节采样流量使采样嘴内、外条缝处静压相等，实现等速采样。由于是 随着烟气压力的变化而调节采样流量使压力偏差指示计指示为零，达到等速采样的 目的，克服了预测流速法先测、后算、再采样的不足，明显地提高了测量的同步性 和一致性，减少了滞后时问。由于不需事先测出烟气参数，因此使测量更为方便、 快捷。随着仪器的使用，发现在烟道测量截面气流波动较大的场合下，仪器压力偏 差指示计调零比较困难；在烟尘浓度大的情况下，采样嘴的静压条缝易被堵塞。因 此使用场合受到一定的限制，等速跟踪仍局限在比较稳定的气流下，但较预测流速 法有了很大的提高。 3 动压平衡测速法 仪器将有孔板的采样管、s 型皮托管组成一体，采样时将组合式采样管插入烟 道测点处，借助于双联斜管微压计，手动调节采样流量，使采样抽气时孔板产生的 压差与采样管平行放置的皮托管测出的气体动压相等，实现等速采样。这种方法同 样不需要事先测量测点的温度、压力、流速及烟气的含湿量便可进行采样。较静压 平衡测速法而言，适应烟尘浓度范围宽，只要记录各测点的动压即可计算出烟道烟 气流速。随后的发展和改进，采样管上装配了热电偶温度计、温度显示、采样气累 计流量显示数字化，使用高精度微差压表代替斜管微压计。尽管如此，该仪器存在 最大弱点，即一种直径的采样嘴对应一个孔板或文丘里管，需要配备多支采样管才 能适应不同烟尘的测试。 4 皮托管平行测速法”“” 皮托管平行测速法烟尘测试仪是将普通型采样管、s 型皮托管、温度计组装成 一体，采样时将组合式采样管插入烟道测点处，根据事先测出的烟气静压、水分含 量和当时铡得的测点动压、温度等参数，结合选用的采样嘴直径，由编有程序的计 算器及时算出颗粒物等速采样流量，手动调节采样流量至所要求转子流量计读数进 行采样，取样与测定烟气流速的同步性显著提高，取样的滞后时间大大下降，精确 2 第一章绪论 度也明显改善，测定结果的准确性更好。 尽管如此，严格意义上的等速往往难以实现，此外取样到的含尘气流在传送到 后继分离设备的过程中，也会有损失，这些都导致了测量结果的偏差。所以，取样 法虽然原理简单，但为了保证得到等速取样以及多点测量，起操作过程烦琐，测量 周期长，劳动强度大，测量结果也不够可靠。它的另一个不足之处是不能进行连续 的测量，这一点对实现排放总量的控制是十分重要的”1 。 2 长期监测( 实时在线监测) 一、摩擦电法 摩擦电法”1 是近十年来在国际上受到重视的一种侵入式颗粒浓度在线测量方 法。原理为：运动的颗粒与插入流场的金属电极之间由于摩擦会产生等量的符号相 反的静电荷，通过测量金属电极对地的静电流就可以得到颗粒的浓度值一，。摩擦电 产生的机理为： 1 感应( 带电颗粒产生一个变化的电磁场，探针产生电流) ； 2 静电传递( 带电颗粒与探针碰撞时产生电荷传送) ； 3 摩擦生电( 来自所有与探针碰撞的颗粒) 。 一般来说，颗粒浓度与静电流之间的关系并非是线性关系，往往还受到环境和 颗粒流动特性影响。目前的研究主要：是从电动力学的角度出发，寻找描述颗粒 浓度与静电流之间关系的更加精确的理论计算模型“；二是研究不同材料情况下颗 粒摩擦生电的机理和特征“”。二、 静电法“” 任何粉体状的物质在气体的输送过程中，都会产生碰撞和磨擦，因此粉体粒子 都会失去电子而形成带静电荷的粒子和颗粒，随浓度的变化及粉体流速的变化，其 电荷量也按一定规律变化。测量流动粉体所带电荷量的大小即可知粉体浓度的大 小。电荷量在粉体的流动中同时形成一个可变的静电场。利用静电感应原理测得静 电场的大小及变化，通过信号处理，即可显示一定粉体浓度的数值量。 三、光学法 由于光的透视性，易于实现光电之间的转换和与计算机的连接等，使得基于光 学原理的测量方法能够对污染源进行远距离的连续测量“。 国外在7 0 年代推出了用以测量烟尘浓度的不透明度测尘仪( 浊度计) ”“。 不透明度测尘仪是基于郎伯一比耳定理“”而设计的测定烟气中颗粒物浓度的仪器。 当一束光通过含有颗粒物的烟气时，其光强因烟气中颗粒物对光的吸收和散射作用 而减弱。郎伯一比耳定理表明光通过含有颗粒物的烟气的透过率与以三呈指数下降， 即： 3 东南大学硕士学位论文 式中： t = ；：e 一一 10 r 光通过烟气的透过率 ，。入射光强： ，出射光强； 口分子吸收率( 与颗粒物直径、波长、吸光度有关) ； c 污染物浓度； l 光通过烟气的距离。 对于稳定的介质和固定的波长，a 为常数，对于固定的烟道，l 为常数，因此 c 只与l 有关。 ，o 不透明度测尘仪，分单光程和双光程测尘仪。双光程测尘仪已经广泛的应用于 烟气中颗粒物浓度的测定。从仪器使用的光源看，有钨灯、石英卤素灯光源测尘仪 和激光光源测尘仪。激光光源有氦氖气体激光光源和半导体激光光源。 单光程测尘仪是由光源发射的一束光通过烟气，又安装在烟道或管道对面的检 测器测量光信号并转变为电信号输出。 双光程测尘仅又发射接受装置和反射装置两部分组成，由光源发射的一束光 通过烟气，由安装在烟道或管道对面的反射镜发射再经过烟气回到接受装置，被检 测器测量的光信号经转变为电信号输出。 不透明度测试仪测定波长为4 0 0 、7 0 0 纳米可见光范围。所设计的仪器测量在 4 0 0 7 0 0 纳米颗粒物吸收和散射引起光的衰减，测的结果可与由观察人员所观测的 数据相比，核实数据的一致性。以便于检查不透明度监测方法。也就是说观测烟囱 出口排尘不透明度大时，不透明度测尘仪测得的浓度也高，反则反之。否则要检查 仪器是否有故障。若在近红外光谱范围内，由于水蒸气和c 0 。的分子吸收，导致不 透明度读数大于在可见光范围内的读数，仪器常用的钨灯光源，发射红外范围的光， 因为将适合的光学过滤器与检测器相结合，消除对较高波长光的检测而克服水蒸气 和c o ：吸收光能的影响；颗粒物对光的散射在很大程度上取决于颗粒物半径与照射 到颗粒物上的光的波长的比值，由于采用袋式和静电除尘器，有效的捕获了大多数 大颗粒物，排放到大气中颗粒物的大小范围，常相当于可见波长( 4 0 0 1 7 0 0 纳米) ， 烟道出口烟气不透明度主要是由未被捕获的小颗粒对可见光的散射所造成，因此不 透明度测尘仪测光范围确定为4 0 0 “7 0 0 纳米可见光。 可见光主要应用于不透明度测尘仪中，光谱响应最大值要求在5 0 0 6 0 0 纳米之 间，已经采用的光源有钨灯光源其波长范围宽，光强随使用时间的增加而减弱，预 期使用寿命大于3 0 0 0 小时。石英卤素灯源预期寿命4 0 0 0 0 小时。由于激光为高聚 集光束，一般直径为几毫米；高稳定性和使用寿命长，与普通光源相比，很少受使 用时间延长而老化的影响：高强度，比普通灯源更能穿透烟气，因而近几年得到广 泛使用。 影响测定结果的因素有： 1 颗粒物浓度太低； 4 第一章绪论 2 颗粒物浓度太高，而光程太长： 3 由于光程太长，园振动使光路的准直发生偏移； 4 颗粒物粒径组成发生大的变化； 5 烟气中的水以水珠或水雾态存在时； 6 其他光线( 太阳光、灯光) 影响检钡0 器； 7 。仪器镜面聚集有尘和水。 第1 、2 项与仪器的量程和特征有关，选择合适的颗粒物浓度测定范围，及适 合的光程长度测尘仪。第3 项的影响是由于光束超过了光接受器的检测范围通过使 用宽检测范围的接受器消除影响。第4 项通常与颗粒物净化装置的运行状况有关。 因此维护净化装置始终处于良好的运行状态，保持烟气中颗粒物粒径大小组成均 衡，有利于排除颗粒物粒径对测定结果的影响。第5 项烟气中水分以水珠或水雾态 存在时，对激光会产生拆射和吸收，因此对于湿式除尘器场合，用激光测尘仪器要 慎重。第6 项太船光或其他人工光源会叠加在仪嚣发出的光线上面使接受器测量的 光信号产生偏差，通过调制光源使测量时不受环境光线影响。第7 项对不透明度测 尘仪有很大的影响，仪器通过空气清扫系统提供对烟道内保持正压的清洁空气，在 仪器发射接受和反射镜面形成空气幕防止尘和水气弄脏镜面。 仪器的校准包括零点校准、量程校准、用滤光器进行光学棱准、浓度校准。按 照生产厂家提供的校准方法和滤光器进行零点、量程和光学校准。浓度校准是建立 不透明度与烟气中颗粒物质量浓度的关系曲线，利用关系曲线确定排放颗粒物的浓 度。关系曲线在实际运用中，假定颗粒物的特性与获得校准曲线时颗粒物的特性相 同。如果颗粒物的粒径分布发生变化，对光的散射行为会发生变化，使由校准曲线 获得的颗粒物浓度与实际浓度存在一定差距“。由于校准曲线的置信区间和允许区 间比较宽，只要存在的差距在允许区间范围内，就可以认为校准曲线得到的结果是 可靠的。浓度校准必须一个一个设备的单独进行，校准数据的分散程度主要取决于： 1 校准时采用的手工采样方法，比如预测流速法、静压平衡法、动压平衡法、 皮托管平行测速法或由微电脑控制的自动跟踪等速采样法；布点等。 2 手工采样人员测试排放源的能力和熟练程度。 3 除尘设备运彳亍状态。 因此进行浓度校准时，尽可能选用先进的、自动化程度高的的烟尘采样器，严 格按照有关规定布点采样，选用胜任采样工作的人员，监控除尘设旋的运行状况， 才能得到一条符合要求的校准曲线，实现校准的目的。 四、光散射法 光散射法保留了以上讨论的光学法的优点，可以实现对排放源的远距离、实时、 在线和连续测量，它的另一个重要的优点是可以直接给出烟气中以f 1 1 9 m 3 表示的烟 尘排放浓度，无需标定。这是光学方法所不能的“1 。光散射法以激光为光源，综合 利用角散射和全散射原理“”“。 如向后散射光测尘仪。“1 ，由测尘仪光学系统中的固态光源( 发光二极管) 发 射经脉冲调制器调制的近红外或激光平行校正光束，被光束照射的烟气中的颗粒物 对光在所有方向散射，向后散射的光被聚焦经检测器检测，由放大器放大输出电压 或电流信号，在一定范围内信号与颗粒物浓度成比例。 向后散射光测尘仪的特点是： 东南大学硕士学位论文 ( 1 ) 测尘仪属点测量，离仪器探头般不超过3 0 厘米范围内颗粒物向后 散射光被仪器检测，最大响应通常为1 0 厘米处。由于激光光源发出 强度更高的光束，在更大范围内颗粒物向后散射光被仪器检测。 ( 2 ) 测尘仪只安装在烟道或管道壁的一颧1 j ，由于不用反射装置，因此不 需要在烟道或管道壁两侧对光。 ( 3 ) 测尘仪灵敏度高，近红外光源，最小测量范围o - i 0 0m g m 3 ，最大 f 小 孳 o 一2 0g m 3 ；激光光源最小测量范围o 一2 0m g m 3 ，最大o 一2 0g m 3 。 ( 4 ) 光源使用寿命长，可达几万小时，激光发光二极管预期寿命4 0 0 0 0 小时。 ( 5 ) 与不透明测尘仪一样，受烟气中颗粒物粒径大小、分布、颜色等的 影响。 ( 6 ) 测尘仪光学探头分插入烟道内和位于烟道外两种形式。 与其他原理的测尘仪一样，由生产厂家提供的校准设备对仪器自身进行校准。 仪器在出厂前，一定的输出信号对应定的颗粒物浓度，它们成线性关系，当仪器 用于实际测定时，输出同样大小的信号时仪器指示的颗粒物浓度并不等于烟气中颗 粒物的实际浓度，因此必须对照手工采样法校准。 五、射线法 射线法在两相流测量中应用也很广泛，如g 射线。 b 射线是放射线的一种，是一种电子流。所以在通过物质时，和物质内的电子 发生散射、冲突而被吸收。当b 射线的能量恒定时，这一吸收量就与物质的重量成 正比，不受颗粒物的粒径、分布、颜色等的影响。 测尘仪将烟气中颗粒物按等速采样方法采集到滤纸上，利用1 3 射线吸收方式， 根据滤纸在采样前后吸收b 射线的差求出滤纸捕集颗粒物的重量，用质量浓度 ( m g m 3 ) 表示出颗粒物的浓度。”“1 。 吸收量又下式表示： i = i 3 e x p ” ( 1 2 ) ，通过捕集颗粒物滤纸的b 射线的量( 计数) ；，。通过未捕集颗粒物 滤纸的b 射线的量( 计数) ：1 质量吸收系数( c m 2 m g ) ：聊单位面积的 颗粒物的重量( m g c m 2 ) 。 根据上式，设颗粒物捕集面积为s ( c m 2 ) ，采气流量为q ( m 3 ) ，则由下式计 算平均质量浓度。 6 第章绪论 r 1 s t o q h i ( 1 3 ) 其中，c 颗粒物平均质量浓度( m g m 3 ) ；一般只是b 射线能量的 函数，与透射物质的种类无关，b 射线吸收量与颗粒物重量成正比。 b 射线测尘仪特点为： ( 1 ) 克服了光学方法测尘，受颗粒物粒径大小及其分布、颜色影响的不 足，直接求出探头所在烟道或管道截面采样点颗粒物的质量浓度， 不需要浓度换算。 ( 2 ) 方法灵敏度高，测量范围宽，可达4 0 0 0 m g m 3 。 ( 3 ) b 射线源使用寿命长，当用c 1 4 时，其半衰期在5 0 0 0 年以上。 b 射线测尘仪属点测量，仍需要与手工采样测尘法同步进行比对，建立b 射线 测尘仪探头所在烟道截面上测点的颗粒物质量浓度与烟道截面颗粒物的平均质量 浓度的关系曲线，定量测定烟气中颗粒物含量。 射线法的优点在于测量的动态范围宽，空间分辨率高。但是由于存在放射性辐 射源，容易产生辐射泄漏，因此用于现场测量对操作人员的素质要求较高。同时， 系统需要增加各种屏蔽措施，结构设备复杂且昂贵。射线法般适合于对测量有特 殊要求的场合。 六、超声波法”1 在对高浓度的颗粒两相流的测量中，由于光的穿透能力有限，通常测量工作是 对待测的悬浊液或乳剂采样、稀释后再进行，这一方面会消耗一些时间，不适合于 在线监测，而且对于某些稀释过程中会产生凝聚现象的颗粒物质来说，要进行测量 就更加困难了，因此，光散射方法较难广泛用于高浓度两相流测试中。超声衰减法 测粒是声波在含有颗粒的连续相体系中传播，利用体系中的声衰减、颗粒对声的散 射等效应测量颗粒物浓度。由于声波具有穿透性好的特点，可用于高浓度光线难以 透过的场合的在线检测，使其在高浓度颗粒两相流测量方面具备无可比拟的优越 性。现在正引起各国人员的广泛关注。 1 1 2 结语 就我国目前对固定污染源实施监测的现状而言，在短期测试中使用的仪器主要 有：预测流速法烟尘采样器、静压平德测速法烟尘采样器、动压平衡测速法烟尘采 样器、皮托管平行测速法烟尘采样器、自动跟踪排气流速烟尘采样器、烟尘浓度直 读测试仪。在长期测试中使用的仪器主要有：不透明法测定烟尘浓度连续监测系统、 b 射线吸收法测定烟尘浓度连续监测系统、向后散射光法测定烟尘浓度连续监测系 统。测试烟气流量的仪器主要有压差传感法烟气流速、流量测试仪，热传感法烟气 流速、流量测试仪，超声波法烟气流速、流量测试仪。 从总体上讲，我国在烟尘测试仪器领域中，与世界发达国家技术相比，无论在 短期或长期测试技术方面还存在较大的差距。但是研制生产的自动跟踪排气流速烟 尘采样器的性能达到国外同类产品的水平，便携式烟尘浓度直读测试仪具有独创 性、新颖性，烟尘连续监测系统的生产有了长足的进步。 上面介绍的测量方法各有自己的优缺点，有自己的适用范围，都在烟尘排放浓 度的监测中发挥着重要的作用。但是随着对两相流动研究的深入以及准确测量和控 7 东南大学硕士学位论文 制工业过程的要求日益增长，进行颗粒粒径分布和浓度的在线测量已经势在必行。 在线测量对测量方法的要求更加严格，具体地说，主要是： ( 1 ) 、采样速度要足够快，能够满足生产过程对数据量的要求； ( 2 ) 、数据处理必须实时，测量结果能及时、准确地反映出浓度的变化情况； ( 3 ) 、抗噪声能力强，能够可靠地从噪信比较高的信号中提取出颗粒浓度信息： ( 4 ) 、系统结构可靠、简单和安全，能够在恶烈环境下长时间运行，便于维护； ( 5 ) 、测量系统还应具有较好的经济性，价格合理。 另外，非扰动测量也是越来越多工业场合所要求的。因此，上面介绍的各种测 量方法应用于浓度的在线测量还有大量的理论和实验工作需要进行。 近几十年来，随着激光、光纤和计算机技术的发展，光散射法作为一类非常重 要的非扰动测量方法，以快速、分辨率高、信息量大等优点受到了科学家和工程师 们的青睐，并广泛用于两相流颗粒特征参数测量。基于光散射法在线测量颗粒浓 度的仪器国外已经有投入商业化运行的，国内己经开始这方面的工作，显示出了良 好的前景。诚然，这类测量法应用于在线测量也还有相当多的理论和实验工作需要 作。本系统的研究和开发将以此为目的，以期能够为光散射测量方法应用于工业现 场在线测量提供一些新的思路。 1 2 本文的主要研究内容 本文针对目前在线测量排放源污染物浓度时存在的困难，利用前人对光散射的 研究基于平均值理论的颗粒浓度在线测量方法，研究并开发了一套激光烟尘颗 粒浓度自动监测系统。整个文章的组织结构如下： 第二章简单介绍基于平均值理论的颗粒浓度在线测量方法； 第三章介绍整个激光烟尘颗粒浓度自动监测系统( 以下简称监测系统) 的架构和 组成； 第四章是监测系统的光路部分； 第五章是监测系统的下位机部分( 以8 0 3 1 为up u 的单片机数据预处理系统) ： 第六章是监测系统的上位机部分( 用d e l p h i 6 + a c c e s s 2 0 0 0 开发的数据接收、存储、 控制系统) ； 第七章介绍监测系统的标定( 标定是整个监测系统的重要部分) 。 8 塑二章垄于平均值理论的颗粒浓度在线测量方法 第二章基于平均值理论的颗粒浓度在线测量方法 2 1 消光法及特点 目前应用最广泛同时也得到国家认可的测量方法是静压平衡等速移动采样法 和透射法( 浊度法) 。等速采样法的测量原理简单，但它的缺点是测量结果可信性 不高、测量周期长、不能实现实时连续测量。消光法是利用l a m b e r t b e e r 定律。 它的基本原理是当一束平行光穿过一含有颗粒的均匀介质时，其透射光和入射光之 间有嘲 r ，r 万。、 ( 五) = l ( 丑) e x p f 一二二上兰笙f( 2 - 1 ) 一。一l 8 g 3