（检测技术与自动化装置专业论文）烟道粉尘浓度在线监测.pdf

东北大学硕士学位论文摘要 烟道粉尘浓度在线监测 摘要 随着现代工业和科学技术的迅速发展，在众多的工业部门中都会遇到 各式各样的粉尘浓度、粒度的测量问题，这不仅关系到环境问题，而且直 接危害人们身体的健康。因此粉尘浓度、粒度的测量越来越重要。 烟道粉尘浓度在线监测仪是基于消光法原理，依据朗伯一比耳定律和 米散射理论，测量激光透过烟道后的衰减，通过计算转换为粉尘的浓度。 但是在此测量过程需要预知粉尘颗粒的直径，先前的烟尘 粉尘)在线监 测仪采用的是标定的方法进行测量结果的校正，在本课题中通过测定两个 小角散射光强比，得到粒子群的某一个平均直径，然后通过激光的衰减程 度计算出粉尘的浓度，实现粉尘浓度的在线监测。监测仪的光学系统设计 为四光路，一路透过烟尘照射在光探测器，另一路为参比光束，用来测量 激光的强度，另两路为经过粉尘散射后两个小散射角的光强，用来测定粉 尘的粒度。 监测仪使用 c 8 0 5 1 f 0 0 5 单片机采集四光电探测器 o p t 3 0 1 的信 号，单片机计算出消光度和粉尘平均粒度，计算得到粉尘浓度。 论文主要就以下 内容进行了论述: ( 1 )烟道粉尘浓度在线监测综述; ( 2 )分别对光透射法和光散射法测量粉尘浓度时，测量散射角、入 射光波长和粒度对粉尘浓度的影响进行分析，以及散射角的选取对粒度测 量影响的分析; ( 3 )将光源由可见激光改为红外激光的分析; ( 4 )烟道粉尘浓度在线监测的硬件电路设计，调试和制作; ( 5 )烟道粉尘浓度在线监测软件编程，实验室调试; ( 6 )误差分析。 关键词:粉尘浓度粉尘粒度透射法散射法在线测量 东北大学硕士学位论文ab s t r a c t d e v e l p o m e n t o f t h e o n - l i n e mo n i t o r i n g f l u e d u s t co n c e n t r a t i o n abs t a c t wi t h t h e d e v e l o p m e n t o f mo d e r n i n d u s t r y a n d t e c h n o l o g y , m o r e a c c u r a c y me a n s a r e n e e d e d b y a l l k i n d s o f m e a s u r e me n t s o f d u s t c o n c e n t r a t i o n a n d g r a n u l a r i t y . wh e t h e r o r n o t t o m e e t t h e s e c h a l l e n g e s i s n o t o n l y a q u e s t i o n a b o u t e n v i r o n m e n t , b u t a l s o a q u e s t i o n w h i c h c o n c e r n s h e a l t h y o f p e o p l e . t h e t e c h n o l o g y o n t h i s f i e l d i s d r a w i n g m u c h mo r e a t t e n t i o n s . t h e o n l i n e flu e mo n i t o r i s a k i n d o f i n s t r u me n t t h a t i s b u i l t o n t h e l a mb e r t l a w a n d t h e mi e s c a t t e r i n g t h e o r y . i n o r d e r t o w o r k o u t t h e c o n c e n t r a t i o n o f d u s t fl u e b a s e d o n t h e t h e o r i e s , w e n e e d 2 k i n d s o f d a t a s t r e a m, o n e i s t h e a t t e n u a t i o n o f l a s e r b e a m, t h e o t h e r i s t h e d i a me t e r o f d u s t , a l s o b e c a l l e d g r a n u l a r i t y . t h e f o r me r t y p e o f t h e i n s t r u me n t c a n n o t p r o c e s s r e a l - t i me d i a me t e r d a t a , a n d i t w o r k s b a s e d o n a f i x e d d i a me t e r d a t u m i n p a r t i c u l a r s i t u a t i o n i n w h i c h t h e d i a m e t e r o f d u s t i s p r e v i o u s l y a d o p t e d t o c o r r e c t t h e r e s u l t b y s t a n d a r d me t h o d s . i n t h i s p a p e r , i n o r d e r t o w o r k o u t t h e a v e r a g e d i a m e t e r o f d u s t , w e n e e d 2 s t r e a m o f l a s e r t o w o r k o u t t h e r a t i o o f s c a t t e r i n g l i g h t o f t h e l a s e r , a n d t h e n t h e a v e r a g e d i a me t e r o f d u s t . i n o r d e r t o c a l c u l a t e o u t c o n c e n t r a t i o n , we n e e d a n o t h e r 2 s t r e a ms o f l a s e r t o w o r k o u t t h e a t t e n u a t i o n o f t r a n s - l a s e r , a n d t h e n c a l c u l a t e o u t t h e c o n c e n t r a t i o n . a l l t o g e t h e r , 4 w a y s o f l a s e r a r e a p p l i e d i n t h e s y s t e m. t h e f i r s t p a i r o f b e a ms o f l a s e r a c t a s t r a n s - l a s e r a n d c o m p a r i s o n l a s e r t o c o l l e c t t h e c o m p a r i s o n o f t r a n s - l a s e r , t h e o t h e r 2 b e a m s a c t t o g e t h e r t o c o l l e c t t h e r a t i o o f s c a t t e r i n g l i g h t , w h i c h i s n e e d e d t o w o r k o u t t h e g r a n u l a r i t y o f d u s t . t h e n e w mo n i t o r g a t h e r s d a t a f r o m 2 p a i r s o f p h o t o e l e c t r i c d e t e c t o r s ( o p t 3 0 1 ) b y u s i n g c 8 0 5 1 f 0 0 5 . b o t h t h e a t t e n u a t i o n o f l a s e r a n d a v e r a g e d i a me t e r o f d u s t a r e c a l c u l a t e d b y c 8 0 5 1 f 0 0 5 . t h e p a p e r h a s d e s c r i b e t h e f o l l o w i n g c o n t e n t m a i n l y : ( 1 ) s u mma r y o f o n l i n e me a s u r e me n t o f fl u e d u s t ; ( 2 ) wh i l e m e a s u r i n g t h e d e n s i t y o f d u s t u s i n g p e n e t r a t i n g l a w a n d me r e s c a t t e r i n g l a w , a n a l y s i s o f w h a t i n fl u e n c e t h a t t h e s c a t t e r i n g a n g l e , l i g h t w a v e a n d t h e g r a i n s i z e h a v e o n t h e c o n c e n t r a t i o n o f d u s t ， a n d t h e r e s u l t t h a t t h e c h o o s e d s c a t t e r i n g a n g l e i m p a c t o n t h e m e a s u r e me n t o f t h e g r a i n s i z e ; m 东北大学硕士学位论文 ab s t r a c t ( 3 ) a n a l y s i s o f t h e d i f f e r e n c e s b e t w e e n t h e l i g h t s o u r c e l a s e r a n d i n f r a r e d s o u r c e l a s e r ; ( 4 ) d e s i g n , d e b u g a n d b u i l d o f h a r d w a r e ; ( 5 ) o n l i n e p r o g r a m m i n g a n d l a b d e b u g o f s o f t w a r e ; ( 6 ) e r r o r a n a l y s i s . k e y w o r d : d u s t c o n c e n t r a t i o n , d u s t g r a n u l a r i t y , s c a t t e r i n g t h e o r y , p e n e t r a t i n g t h e o r y , o n - l i n e m e a s u r e me n t i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示 谢意 。 学 位 论 文 作 者 签 名 : 乖 , 日 期 :1牌 3 q 问 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定:即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索 ( 如作者和导师同意网上交流， 、交流。 请在下方签名:否则视为不同意。 ) 学 位 论 文 作 者 签 名 : + a tq p 签字日期:)沙 今 . 名2 . 导 师 签 名 : * -k 签 字 日 m : ), o n 许; a ) -i- 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 八十年代以来，随着现代工业和科学技术的迅速发展，在众多的工业 部门中都会遇到各式各样的粉尘浓度测量问题，粉尘浓度的测量已经显得 越来越重要，比如煤矿作业中就需要测量生产环境中的粉尘浓度，用以防 止粉尘的各种危害。而且空气中粉尘浓度的测量，在环境保护、消防安全 以及工业生产和科学实验领域都有重要的意义。 我国粉尘排放监测手段主要采用取样法和非取样法中的黑度法，现在 其它监测仪器也有一些发展，如:一些光电检测的方法，其中光散射理论 已经越来越多的应用于分析颗粒的浓度。先前由东北大学自动化仪表所完 成的烟尘浓度在线检测仪就是利用光学的透光原理进行烟尘浓度实时在 线测量。这种方法是一种非接触测量的方法。在粉尘粒径变化较大时，即 仪器偏离原来的标定条件时，将会引起附加测量误差。因此需要在此仪器 基础上进行改进，实现烟道粉尘平均粒度的在线测量，用这一测量结果来 修正粉尘浓度测量值。本论文将详细分析用光透射法测量粉尘的粒度进而 实现粉尘浓度的在线监测与修正。 1 . 1粉尘浓度测量 1 . 1 . 1粉尘浓度测量的意义 随着工农业的发展， 特别是工业的发展， 粉尘的危害也越来越严重了。 工业生产过程不仅源源不断地提供人们需要的产品，而且也不断地产生各 种各样的工业粉尘。工业生产，交通运输和农业活动，已经产生了大量的 粉尘。据统计，农业粉尘约占粉尘总量的 1 0 %左右，大量的粉尘来源于工 业生产和交通运输。电厂的输煤系统、煤矿、隧道施工现场，尤其建材工 业、化学工业、工业与民用锅炉产生的粉尘最为严重。 我国是产煤大国，在总的能源构成中，煤炭约占7 5 %左右，这一状况 在今后相当长的时间内不会有根本性的改变。煤矿井下各作业点在生产过 程中会产生大量粉尘。煤矿粉尘的危害性很大，可导致煤尘燃烧和爆炸， 同时也能诱发职业病，粉尘肺病。粉尘对人体健康危害极大，尤其以小粒 径颗粒物为甚。 因为小粒径颗粒物长时间漂浮于大气中， 难以沉降到地面， 易进入人体呼吸道，且粒径越小，在人体呼吸道中的沉降部位越深，危害 就越大。采取有效措施防止粉尘，是煤矿安全生产的一项重要工作。检测 井下各作业点的粉尘浓度，是正确评估粉尘防治措施的必不可少的手段。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 八十年代以来，随着现代工业和科学技术的迅速发展，在众多的工业 部门中都会遇到各式各样的粉尘浓度测量问题，粉尘浓度的测量已经显得 越来越重要，比如煤矿作业中就需要测量生产环境中的粉尘浓度，用以防 止粉尘的各种危害。而且空气中粉尘浓度的测量，在环境保护、消防安全 以及工业生产和科学实验领域都有重要的意义。 我国粉尘排放监测手段主要采用取样法和非取样法中的黑度法，现在 其它监测仪器也有一些发展，如:一些光电检测的方法，其中光散射理论 已经越来越多的应用于分析颗粒的浓度。先前由东北大学自动化仪表所完 成的烟尘浓度在线检测仪就是利用光学的透光原理进行烟尘浓度实时在 线测量。这种方法是一种非接触测量的方法。在粉尘粒径变化较大时，即 仪器偏离原来的标定条件时，将会引起附加测量误差。因此需要在此仪器 基础上进行改进，实现烟道粉尘平均粒度的在线测量，用这一测量结果来 修正粉尘浓度测量值。本论文将详细分析用光透射法测量粉尘的粒度进而 实现粉尘浓度的在线监测与修正。 1 . 1粉尘浓度测量 1 . 1 . 1粉尘浓度测量的意义 随着工农业的发展， 特别是工业的发展， 粉尘的危害也越来越严重了。 工业生产过程不仅源源不断地提供人们需要的产品，而且也不断地产生各 种各样的工业粉尘。工业生产，交通运输和农业活动，已经产生了大量的 粉尘。据统计，农业粉尘约占粉尘总量的 1 0 %左右，大量的粉尘来源于工 业生产和交通运输。电厂的输煤系统、煤矿、隧道施工现场，尤其建材工 业、化学工业、工业与民用锅炉产生的粉尘最为严重。 我国是产煤大国，在总的能源构成中，煤炭约占7 5 %左右，这一状况 在今后相当长的时间内不会有根本性的改变。煤矿井下各作业点在生产过 程中会产生大量粉尘。煤矿粉尘的危害性很大，可导致煤尘燃烧和爆炸， 同时也能诱发职业病，粉尘肺病。粉尘对人体健康危害极大，尤其以小粒 径颗粒物为甚。 因为小粒径颗粒物长时间漂浮于大气中， 难以沉降到地面， 易进入人体呼吸道，且粒径越小，在人体呼吸道中的沉降部位越深，危害 就越大。采取有效措施防止粉尘，是煤矿安全生产的一项重要工作。检测 井下各作业点的粉尘浓度，是正确评估粉尘防治措施的必不可少的手段。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 另外大量煤炭直接燃烧后不可避免地要产生大量粉尘，决定了我国大 气呈煤烟型污染，许多城市中的总颗粒悬浮物长期居高不下，燃煤电站和 各种燃煤工业锅炉的排烟是大气污染的主要来源之一。为了有效地控制、 治理燃煤锅炉的粉尘污染，首先必须准确地测量粉尘的排放浓度。 粉尘危害日益严重，大气中过大呼吸粒子对人体的健康会造成不良的 影响，除了呼吸性粉尘对人体的危害外，一些可燃粉尘还具有爆炸性，对 粉尘浓度进行监控是防止粉尘爆炸的一项重要措施，也是研究粉尘爆炸规 律时必须测定的参量。对粉尘浓度的测量十分重要。 锅炉燃烧过程中，喷燃器出口煤粉浓度不均将会导致炉膛火焰中心偏 斜，从而引起炉膛气流冲刷后墙及右墙，高温过热器、高温再热器出现局 部超温、结焦的现象。因此准确测量各风管中的煤粉浓度并指导调节对锅 炉的安全、经济运行非常重要。为此，必须寻找一种简单、高效、实用而 且适合工程应用的煤粉浓度测量的方法。 综上所述可以知道，粉尘浓度的测量在微粒测试技术中占有十分重要 的作用。近数十年来，随着科学技术的不断发展，此类测量技术得到了较 大的发展，这己经发展成为了一个专门的研究领域。目前，已经相继开发 和生产了许多各种基于不同工作原理的粉尘浓度测量仪器。 1 . 1 . 2目前国内粉尘浓度的测量方法 经过多年来的研究开发，目前国内外开发生产的测尘仪器及采用的测 量方法各种各样，粉尘浓度的表示方法也不一定相同，但是它们大致可以 分为两大类:其原理分别基于取样法和非取样法1 1 1 图 1 . 1 列出了这些方法。 图 1 . 1 粉尘浓度测量方法的分类 f i g . 1 . 1 t h e c l a s s o f t h e m e t h o d s o f t h e d u s t d e n s i t y m e a s u r e m e n t 东北大学硕士学位论文第一章绪论 另外大量煤炭直接燃烧后不可避免地要产生大量粉尘，决定了我国大 气呈煤烟型污染，许多城市中的总颗粒悬浮物长期居高不下，燃煤电站和 各种燃煤工业锅炉的排烟是大气污染的主要来源之一。为了有效地控制、 治理燃煤锅炉的粉尘污染，首先必须准确地测量粉尘的排放浓度。 粉尘危害日益严重，大气中过大呼吸粒子对人体的健康会造成不良的 影响，除了呼吸性粉尘对人体的危害外，一些可燃粉尘还具有爆炸性，对 粉尘浓度进行监控是防止粉尘爆炸的一项重要措施，也是研究粉尘爆炸规 律时必须测定的参量。对粉尘浓度的测量十分重要。 锅炉燃烧过程中，喷燃器出口煤粉浓度不均将会导致炉膛火焰中心偏 斜，从而引起炉膛气流冲刷后墙及右墙，高温过热器、高温再热器出现局 部超温、结焦的现象。因此准确测量各风管中的煤粉浓度并指导调节对锅 炉的安全、经济运行非常重要。为此，必须寻找一种简单、高效、实用而 且适合工程应用的煤粉浓度测量的方法。 综上所述可以知道，粉尘浓度的测量在微粒测试技术中占有十分重要 的作用。近数十年来，随着科学技术的不断发展，此类测量技术得到了较 大的发展，这己经发展成为了一个专门的研究领域。目前，已经相继开发 和生产了许多各种基于不同工作原理的粉尘浓度测量仪器。 1 . 1 . 2目前国内粉尘浓度的测量方法 经过多年来的研究开发，目前国内外开发生产的测尘仪器及采用的测 量方法各种各样，粉尘浓度的表示方法也不一定相同，但是它们大致可以 分为两大类:其原理分别基于取样法和非取样法1 1 1 图 1 . 1 列出了这些方法。 图 1 . 1 粉尘浓度测量方法的分类 f i g . 1 . 1 t h e c l a s s o f t h e m e t h o d s o f t h e d u s t d e n s i t y m e a s u r e m e n t 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 . 1 . 1 . 1 取样法 取样法，即从待测区域中抽出部分具有代表性的含尘气样并送入随后 的分析测量系统来测量粉尘的浓度一粒径的方法。其基本工作原理是，从 含尘区域采集一定体积的含尘试样，过滤或分离其中所含尘粒，根据集尘 质量和体积等计算出气体的含尘浓度。同时过滤下来的尘样利用各种粒度 测量及其它分析测试一起进行测量分析，便可进一步获得尘粒的平均粒 径、粒径分布及其物理特性、化学组成等。 取样法从原理上讲无疑是最基本和最简单的，这种方法的关键在于所 取尘样是否具有代表性。 在使用良好的情况下， 可以得到比较可靠的结果， 因此在一些国家它至今仍被作为标准方法。但是它的缺点是需要手工进行 操作，影响测量精度的因素较多且操作程序繁杂、占用空间和设备较多、 采样时间较长、仪器维修量大、花费成本较高等等。自动化程度低，因而 只能定期进行监测，很难用于在线监测。为了弥补这个缺点，国外发展了 自动等速取样装置，并已有商品化仪器面世。 目前国内生产的粉尘采样器的采样头一般为撞击式、旋风式、向心式 三种分离方式的采样头2 1 。撞击式采样器工作时，粉尘颗粒随气流通过采 样头，其中较大颗粒动能较大，直接撞击在吸尘板上分离出来，呼吸性粉 尘则随气流经滤膜时被吸附，当粉尘浓度高或采样时间长，收集的粉尘量 超过采样头的容量时，吸附在吸尘板上的大颗粒粉尘可能掉落，被吸附面 朝上的滤膜吸附，造成正偏差。而向心式采样器由于采样头中的撞击机收 集器为一锥形管嘴，避免非呼吸性粉尘的掉落，结果更为可靠。采样的泵 体也不外乎为三种，即薄膜泵、刮板泵、扇叶泵，在采样过程中如何来监 控采样流量使其保持在一定水平是一个很实际的问题。薄膜单体泵耗电 少、体积小、重量轻，但产生脉动使流量不稳定 3 ;而刮板泵与扇叶泵能 弥补这种不足，但又使采样器的体积增大重量增加、又产生噪声等。诸如 此类的实际问题是在采样工作中难以克服和避免的现实。 传统的取样测量法 传统的取样测量法，又称过滤称重法。粉尘取样后，传统的做法是对 所取尘样进行过滤 ( 分离)后再称重，并用现有的各类粒度分析仪器对所 过滤 或分离)的尘样进行粒度分析，以获得尘粒的粒径大小与分布。 称重法在我国被广泛认可。国家规定使用万分之一克天平称尘样。但 是由于现场环境的温度、气流、衡器倾斜和基础振动等因素的影响，在粉 尘检测中，不能将天平装在采样器上，也不能将天平拿到现场使用，否则 误差将超出允许范围。 东 北大学 硕士学 位论文 第一章绪论 目前国内外有很多厂家生产粉尘采样器，如:武汉分析仪器厂 f c - 2 b 型个体粉尘采样器、江苏省丹徒无线电厂生产的 d f - 3型双头粉尘采样器 以及美国矿山安全设备公司生产的s 型便携式采样器都是采用这种测量方 式。 为了降低劳动强度 ，减少测量时间，提高测量过程的 自动化程度，近 年来国外研究人员开发了多种利用各种不同原理的非称重的方法，使之能 实现显示测量结果，这些方法中目 前应用的较多的有p 射线法、压电振动 法和超声衰减法等，下面给予简单介绍。 p 射线法 这种方法采用r 射线做信号发射源，它的测量原理是，当p 射线穿过 尘粒介质时，由于介质的阻碍会使p 射线发生衰减，因此通过测量p 射线 透过尘粒介质后的衰减程度即可测量粉尘质量浓度。 一种由德国学者研制成的p 射线测量装置仪器的原理为:当含尘烟气 通过过滤带时，尘粒被过滤在过滤带上，经过一段时间后，转动轴带动过 滤带移动并使被滤尘样进入测量室， 测量室上部发出的p 射线透过尘粒介 质后衰减并被接收，根据p 射线的衰减程度即可确定被滤尘样的质量， 进 而求得被测粉尘的质量浓度，同时利用各类粒度仪对所取尘样进行测量尚 可得到尘样的粒径大小及其它物理、化学特性。 压电振动法 这种方法是利用压电材料由于附上尘样介质后质量改变引起压电振 动 频 率改 变的 原 理 来 测 量 粉 尘 浓 度， 即 用 石 英晶 体 作 传 感 器 来 测量。 德国柏林工业大学发明的利用这种方法测量粉尘浓度的测量装置的 测量结构与r 射线法有些相似，当被测烟气通过过滤带时，尘粒被过滤在 带子上， 使整条带子的质量发生变化， 从而引起压电晶体振动频率的改变。 那么只要测量出压电晶体的频率即可确定被滤尘样的质量，进而求得被测 粉尘的质量浓度， 与p 射线法一样， 压电振动法也需经过取样过程， 因此， 也可以对所取尘样进行粒度分析。 综上可知，取样法的特点是: ( d采样法的最大优点是测量原理简单， 在使用良好的情况下可以取得 比较可靠的结果，因此，在许多国家还被广泛使用，并被作为标准方法。 ( 2 )采样法除能测量粉尘的绝对浓度和粒径大小外， 由于取得了尘粒的 样品，还能进一步分析粉尘的物理特性和化学成分，这点对于环境保护， 保障人民身体健康是十份重要的。 采样法的缺点是: ( 1 )对采样操作要求高， 如果不能做到等速采样就会给测量结果带来误 东北大学硕士学位论文第一章绪论 差，即使满足了等速采样的条件，含尘气体在输送过程中也可能会发生损 失，使测量结果不准确。 ( 2 ) 测量费时费力，自动化程度低，很难用于在线监测。 ( 3 )由于采样法为点测量， 每次只能采集某一点处的气样，因此为了获 得整个含尘区域的平均浓度值，就需要采用在多点处进行测量并加以平均 的 做法， 这样无疑会大大增加测量 工作量4 7 5 1 1 . 1 . 1 . 2 非取样法 非取样法就是测量时不用取样，而是利用粉尘的物理、光学等特性直 接测量粉尘排放浓度及粒径大小的方法网，主要有: 黑度法 此方法是十九世纪末林格曼提出来的，因此又叫林格曼黑度法。它是 视觉观察煤烟，并将其黑度与林格曼黑度表相比较来确定烟气浓度。该表 一般在纵 1 4 c m，横 2 0 c m 的白纸上描成宽度分别为 1 . 0 , 2 . 3 , 3 . 7 , 5 . 5 , 1 0 . 0 m m 的方格黑度表，就是使粉尘浓度划分成六个等级，矩形的白纸内 黑色部分所占的面积大致为 0 , 2 0 , 4 0 , 6 0 , 8 0 , 1 0 0 %，自上而下称为0 , 1 , 2 , 3 , 4 , 5 度。这种方法使用简单、方便，操作人员很容易掌握使用。 但显然它的测量结果受诸如测量人员视力、判断力等人为因素及天气、周 围环境等客观条件的影响较大，因此它的准确性有争议，而且很难用于自 动在线监测。 目前，国内已有人研制出烟度自动监测仪，为这种方法在工业上的推 广应用提供了新的可能性。但总的来说，这种方法还是比较粗糙，精度比 较低，它无法得知粉尘的绝对浓度与粒径大小。 散射法 它是通过测量颗粒受光照射后所发出的散射光信号大小来测量被测 颗粒的质量浓度，日本 s i b a t a公司生产的 p s型便携式数字粉尘仪是利 用了这种测量原理。这种仪器的优点是使用方便，操作简单。但国内仪器 还没有采用。 光透射法 ( 又称消光法) 它是利用光线通过粉尘介质时由于微粒对光线的散射和吸收，使光强 发生衰减的原理来测量粉尘浓度。 目前国内也有个别厂家生产利用光透射法原理的光电透射式测尘仪。 它由光电探测器、稳压电源、控制器和显示仪表四部分组成。作为仪器的 一次信号发生器的光电探测器部分，是由发射光源、保护镜头、调零装置 及光电转换元件等构成。光电转换元件采用硅光电池，置于一可调恒温炉 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 内，以克服环境温度的影响。稳压电源为光源提供稳定的直流电源，以保 证光源输出的稳定性。控制器包括恒温炉温度控制和电信号调节部分，显 示仪表为电位差计。 me s a法 近年来 ，德 国 k a r l s t u h e该研究 中心研制成 的 me s a ( ma s s c o n c e n t r a t i o n e x t i n c l i o n s i z e a n a l y z e r ) 测量系统可在线测量粉尘浓度及平 均粒径， 在这方面取得了 突破 7 1 me s a测量系统结合了透射法和压电振动法两种方法( 如图1 . 2 所示) 。 其中测量粉尘浓度方面它借用了上述德国柏林工业大学的专利技术，利用 压电振动法测量粉尘的质量浓度后，然后根据消光理论，求得粉尘的浓度 与平均粒度。 me s a的不足之处在于采用了两套测量装置，因而结构复杂，使用不 够方便，而且精度也不高 测量误差可能达到 3 0 %)。 图 1 . 2 me s a钡 1 量系统框图 f i g 1 . 2 t h e f r a m e w o r k o f me s a s y s t e m 综上可知，非取样法的主要优点是: 能在线测量粉尘排放浓度，其中一些可以 自动、连续监测粉尘排放 ， 另一些并能同时给出粉尘的浓度与粒径。近年来，国外在非取样法方面已 作了大量的工作，并研制出相应的商品化测量仪器。光电测量的方法具有 不改变浮游粉尘的物理化学性质，能够实现自动连续监测空气中的含尘浓 度等优点，其中光散射法有待进一步研究。但总的来说，他们各自都尚存 在着一些不足之处:黑度法虽然使用简单，但它的测量结果可信度不高， 受各种主客观因素影响较大;me s a测量装置由于结合了浊度法与压电振 动法，故能同时测量粉尘的绝对浓度和平均粒径，但测量装置的结构复杂 ( 基本上由两套测量装置组合而成)。另外，由于测量原理上的局限，其 测量误差最大可能达到 3 0 %. 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 . 2粉尘粒度测量 2 . 1粒径的定义与粒度分布的概念 所谓粒径，就是颗粒的直径、大小和尺寸。现实的粉体颗粒，如烟道中的粉 、滑石粉、碳酸钙、水泥等颗粒，其形状是不规则的，那么粒径该如何描述? l尘 实际上，迄今为止的任何一种粒度测量仪，都是用现实颗粒同圆球颗粒相比较的 方法测量颗粒大小的， 即“ 如果颗粒是圆球， 那么它应该是 ( 等效于) 那么大” 。 粒 径的科学定义如下:当被测颗粒的某种物理特性或物理行为与某一直径的同质球 体( 或其组合) 最相近时， 就把该球体的直径( 或其组合) 作为被测颗粒的等效粒径( 或 粒度分布) 。 1 .2 . 2粉尘粒度的测量方法 颗粒粒度测定的方法有很多，现已研制并生产了2 0 0多种基于不同工作原理 的 测量 装置， 并且 不断 有新的 颗粒粒度测量方法和测量仪 器研究成功8 1 。 传统的 颗 粒测量方法有筛分法、显微镜法、沉降法、电感应法等，近年来发展的方法有激 光衍射法、在显微镜法基础上发展的计算机图像分析技术、基于布朗运动的粒度 测量法及质谱法等。 筛分法 颗粒粒度的测定方法中历史最长、 最通行的是筛分法9 1 ，它是借助人工或不 同的机械振动装置， 将颗粒样品通过一系列具有不同筛孔直径的标准筛( 即筛系) ， 分离成若干个粒级，再分别称重，然后求得以质量分数表示的颗粒粒度分布。筛 分法的优点在于其设备简单、操作简便、易于施行。但是筛分法有一个很大的缺 点，就是在筛分操作过程中，颗粒有可能破损或断裂，因此筛分特别不适合测定 长形针状或片状颗粒的粒度。同时必须注意到，非球形的颗粒通过筛子在一定程 度上取决于颗粒的方向，造成测量误差。此外，含有结合水的颗粒粒度的测量不 适宜采用筛分法。 显微镜法 显微镜法是另一种测定颗粒粒度的常用方法。根据晶体粒度的不同，既可采 用一般的光学显微镜，也可以 采用电 子显微镜。 光学显微镜测定范围为 8 -1 5 0 g m， 大于1 5 即m 者 可用简单放大镜观察， 小 于8 g m必须用电 子显微镜 观察， 透射 电 子显微镜常用于直接观察大小在0 .0 0 1 -s l m范围内的 颗粒。 传统的显微镜法测 定颗粒粒度分布时，通常采用显微拍照法将大量颗粒试样照相，然后，根据所得 的显微照片，采用人工的方法进行颗粒粒度的分析统计。由于测量结果受主观因 素影响较大， 测量精度不高， 而且操作繁重费时，容易出 错1 0 1 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 . 2粉尘粒度测量 2 . 1粒径的定义与粒度分布的概念 所谓粒径，就是颗粒的直径、大小和尺寸。现实的粉体颗粒，如烟道中的粉 、滑石粉、碳酸钙、水泥等颗粒，其形状是不规则的，那么粒径该如何描述? l尘 实际上，迄今为止的任何一种粒度测量仪，都是用现实颗粒同圆球颗粒相比较的 方法测量颗粒大小的， 即“ 如果颗粒是圆球， 那么它应该是 ( 等效于) 那么大” 。 粒 径的科学定义如下:当被测颗粒的某种物理特性或物理行为与某一直径的同质球 体( 或其组合) 最相近时， 就把该球体的直径( 或其组合) 作为被测颗粒的等效粒径( 或 粒度分布) 。 1 .2 . 2粉尘粒度的测量方法 颗粒粒度测定的方法有很多，现已研制并生产了2 0 0多种基于不同工作原理 的 测量 装置， 并且 不断 有新的 颗粒粒度测量方法和测量仪 器研究成功8 1 。 传统的 颗 粒测量方法有筛分法、显微镜法、沉降法、电感应法等，近年来发展的方法有激 光衍射法、在显微镜法基础上发展的计算机图像分析技术、基于布朗运动的粒度 测量法及质谱法等。 筛分法 颗粒粒度的测定方法中历史最长、 最通行的是筛分法9 1 ，它是借助人工或不 同的机械振动装置， 将颗粒样品通过一系列具有不同筛孔直径的标准筛( 即筛系) ， 分离成若干个粒级，再分别称重，然后求得以质量分数表示的颗粒粒度分布。筛 分法的优点在于其设备简单、操作简便、易于施行。但是筛分法有一个很大的缺 点，就是在筛分操作过程中，颗粒有可能破损或断裂，因此筛分特别不适合测定 长形针状或片状颗粒的粒度。同时必须注意到，非球形的颗粒通过筛子在一定程 度上取决于颗粒的方向，造成测量误差。此外，含有结合水的颗粒粒度的测量不 适宜采用筛分法。 显微镜法 显微镜法是另一种测定颗粒粒度的常用方法。根据晶体粒度的不同，既可采 用一般的光学显微镜，也可以 采用电 子显微镜。 光学显微镜测定范围为 8 -1 5 0 g m， 大于1 5 即m 者 可用简单放大镜观察， 小 于8 g m必须用电 子显微镜 观察， 透射 电 子显微镜常用于直接观察大小在0 .0 0 1 -s l m范围内的 颗粒。 传统的显微镜法测 定颗粒粒度分布时，通常采用显微拍照法将大量颗粒试样照相，然后，根据所得 的显微照片，采用人工的方法进行颗粒粒度的分析统计。由于测量结果受主观因 素影响较大， 测量精度不高， 而且操作繁重费时，容易出 错1 0 1 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 沉降法 沉降法的原理是基于颗粒处于悬浮体系时， 颗粒本身重力( 或所受离心力) 、 所 受浮力和豁滞阻力三者平衡，并且赫滞力服从斯托克斯定律来实施测定的， 此时 颗粒在悬浮体系中以恒定速度沉降，而且沉降速度与粒度大小的平方成正比。值 得注意的是，只有满足下述条件才能采用沉降法测定颗粒粒度:颗粒应当接近于 球形，并且完全被液体润湿;颗粒在悬浮体系的沉降速度是缓慢而恒定的，而且 达到恒定速度所需时间很短; 颗粒在悬浮体系中的布朗运动不会干扰其沉降速度; 颗粒间的相互作用不影响沉降过程。测定颗粒粒度的沉降法分为重力沉降法和离 心 沉降 法两 种， 重力 沉降 法适于粒 度为2 -1 0 0 u m的 颗粒， 而 离心沉降 法适于粒度 为0 .0 1 - 2 0 f m 的 颗 粒 1 1l 电感应法 采用电感应法测定颗粒粒度和数目时，使悬浮于电解质溶液中的被测颗粒通 过一小孔，在小孔的横截面上施加电压，当颗粒通过小孔时，小孔两边的电容发 生变化， 产生脉冲电压，且脉冲电压振幅与颗粒的体积成正比 1 2 1 。 这些脉冲经放 大、甄别和计算后，从数据处理结果可以获得悬浮于电解质溶液中颗粒的粒度分 布。电 感应法的 测量下限一般在 0 .5 g m左右，美国库尔特公司 ( c o u l t e r ) 生产的 m u l t i i z e s 1 1 电 感应法粒度分析仪上限已 达1 2 0 0 u m。 根据电 感应法测量颗粒粒 度的原理，电压脉冲主要与颗粒体积有关， 颗粒的形状、粗糙度和材料的性质对 测量结果的影响应该很小。然而，大量的证据表明，电感应法所测得的粒度参数 是颗粒的包围层尺寸。对于球形颗粒来说，电感应法与其他方法相比 较有较好的 一致性; 对于非球形颗粒来说则其结果不一致， 尤其对多孔性材料( 如尼龙) ，电 感 应法所测得的体积可能是骨架体积的几倍，因此对多孔性材料，由于不知道其有 效密度，不宜采用本法。 光 散 射 法 【13 1 光散 射现象的 研究分为静 态和动 态两种， 静态散 射( 即时间 平 均散射 ) 测量散 射 光的空间分布规律，动态光散射则研究散射光在某固定空间位置的强度随时间变 化的规律。 成熟的 光散射理论主要有:夫朗 和费( f r a u n h o f e r ) 衍射理论、菲涅耳 ( f r e s n e l ) 衍射理论、 米尔( m i e ) 散射理论和瑞利( r o y l e i g h ) 散射理论等。 a静态光散射法 在静态光散射粒度分析法中，当颗粒粒度大于光波波长时，可用夫朗和费衍 射测量前向小角区域的散射光强度分布来确定颗粒粒度。当粒子尺寸与光波波长 相近时，要用米尔散射理论进行修正，并利用角谱分析法。基于这两种理论原理 的激光粒度分析仪已经应用于生产实际中。以菲涅耳衍射理论为指导实现颗粒粒 度测量的 原 理是 在近场 ( 相对于夫朗 和费 衍射) 探测衍 射光的 相关 参数， 并计算出 粒 度分布，该方法具有理论上的可行性，对于实现激光粒度分析仪的小型化是一个 东北大学 硕士学位论文 第一章绪论 很好的方案。 较为成熟的激光衍射粒度分析技术是根据夫朗和费衍射理论而开发的 1 4 1 9 7 6年，s w i t h e n b a n k等人首次提出了基于夫朗和费衍射理论的激光颗粒测量方 法，其原理是激光通过被测颗粒将出现夫朗和费衍射，不同粒径的颗粒产生的衍 射光随角度的分布不同，根据激光通过颗粒后的衍射能量分布及其相应的衍射角 可以计算出颗粒样品的粒径分布。随后，一些国家相继研制了基于这种原理的激 光测粒仪，如中国天津大学精密仪器系研制的 l s p 1 1 激光粒度仪、英国马尔文 ( m a l v e m ) 公司生产的s e r i e s 2 6 0 0 c型激光粒度仪、日 本s k i, 7 0 0 0 激光粒度分析 仪、 美国库尔特公司生产的l s 1 0 0 型和l s 2 0 0 型全自 动激光粒度分析仪等。 通常， 根据夫朗 和费 衍射理论设计的 激光粒 度仪的 测量范围 为3 -1 0 0 即me 激光衍射颗粒粒度分析仪主要由 激光器、扩束镜、聚焦透镜、光电探测器和 计算机组成。激光器中的一束窄光束经扩束系统扩束后，平行地照射在颗粒槽中 的被测颗粒群上，由颗粒群产生的衍射光经聚焦透镜会聚后在其焦平面上形成衍 射图，利用位于焦平面上的一种特制的环形光电探测器进行信号的光电变换，然 后将来自 光电检测器中的信号放大、a / d变换、数据采集送入到计算机中，采用 预先编制的优化程序对计算值与实测值相比较，即可快速地反推出颗粒群的尺寸 分布。 夫朗和费激光衍射法在测量颗粒粒度方面具有测量速度快、测量范围广、测 量精度高、重复性好、适用对象广、不受被测颗粒折射率的影响、适于在线测量 等优点。值得注意的是，只有被测颗粒粒径大于激光光波波长才能处理成夫朗和 费衍射。虽然现在有夫朗和费衍射粒度仪能测定亚微米级颗粒粒度，但是由于存 在多重衍射等问题导致测量结果误差较大。 b动态光散射法 1 5 当颗粒粒度小于光波波长时，由瑞利散射理论，散射光相对强度的角分布与 粒子大小无关， 不能 够通过对散射光强度的空间分布( 即上述的静态光散射法) 来确 定颗粒粒度，动态光散射正好弥补了在这一粒度范围其它光散射测量手段的不足， 原理是当光束通过产生布朗运动的 颗粒时， 会散射出一定频移的散射光，散射光 在空间某点形成千涉，该点光强的时间相关函数的衰减与颗粒粒度大小有一一对 应的关系。通过检测散射光的光强随时间变化，并进行相关运算可以得出颗粒粒 度大小。尽管如此，动态光散射获得的是颗粒的平均粒径，难以得出粒径分布参 数。动态光散射法适于测定亚微米级颗粒，英国马尔文公司出 产的s e r i e s 4 7 0 0 c 激光动 态光散 射粒度分析 仪的 测量范围 为0 .0 0 1 - 5 m o 一 般来说， 颗粒粒度既 取决于直接 测量( 或间 接测量 ) 的 数 值尺寸， 也取决于测 量方法。综上所述，由于各种颗粒粒度测量方法的物理基础不同，同一样品用不 同的测量方法得到的粒径的物理意义甚至粒径大小也不同，如筛分法得到的是筛 东 r 大学 硕士学 位论文第一章绪论 分径;显微镜法、光散射法得到的是统计径;沉降法、电感应法和质谱法得到的 是等效径。此外，不同的颗粒粒度测量方法的适用范围也不同。根据被测对象、 测量准确度和测量精度等选择合适的测量方法是十分重