测量超低浓度烟尘的粒径分布和质量浓度的装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术属于环境监测技术领域，并公开了测量超低浓度烟尘的粒径分布和质量浓度的装置，包括光路单元、多光程样品池、气路单元和电路控制单元，光路单元包括多波长连续白光激光器、激光准直仪、半反半透镜、第一可变光阑、第二可变光阑、第一光信号探头、第二光信号探头和光谱仪；气路单元包括气流干燥器、旋风分离器、进气缓冲腔、长光程样品池和真空泵；电路控制系统包括光电转换模块、数据编程换算模块和实时显示模块。本发明专利技术大幅度的减少了现有平均粒径测量方法中由于用索太尔平均直径代替粒径分布带来的系统误差，同时也减少了平均粒径测量方法中由于消光偏差使确定下来的索太尔平均直径产生不可预测的偏差而造成的结果失真。

Apparatus and method for measuring particle size distribution and mass concentration of ultra low concentration smoke dust

The invention belongs to the technical field of environmental monitoring, a device for measuring ultra low concentration of dust particle size distribution and mass concentration and the public, including the optical unit, multipasses sample pool, gas path unit and a circuit control unit, optical unit includes a multi wavelength continuous white light laser, laser collimator, semi lens, the first variable the second variable diaphragm, diaphragm, the first optical signal, optical signal probe and probe second spectrometer; gas path unit includes air dryer, cyclone separator, air cushion chamber, long path sample and vacuum pump; the circuit control system includes a photoelectric conversion module, data conversion module and display module programming. The invention greatly reduces the system error with the Sauter mean diameter instead of particle size distribution caused due to the current average particle size measurement methods, but also reduce the average particle diameter measurement method in the extinction due to deviation of Sauter mean diameter determined the deviation from the unpredictable results caused distortion.

【技术实现步骤摘要】
测量超低浓度烟尘的粒径分布和质量浓度的装置及方法
本专利技术属于环境监测
，更具体地，涉及测量超低浓度烟尘的粒径分布和质量浓度的装置及方法。
技术介绍
近年来燃煤电厂污染物的排放是环境监测的重点和热点，特别是电厂排放烟尘的质量浓度更是监测的重中之重，所以其测定方法的研究得到了更加充分的重视。基于各种原理的测定的方法很多，按照实时性可以主要分为两种：取样法和非取样法。取样法又称过滤称重法，即利用采样嘴采集烟尘颗粒过滤称重后，根据采样点处的烟气流量计算浓度。取样法主要包括：预测流速法、静压平衡测速法、动压平衡测速法、皮托管平行测速法等。取样法原理简单，技术规范成熟。但取样法的测量结果反映的是污染物瞬时的排放状态，为了实现排放总量的测量必须采用能够实现长期、连续的实时监测的非取样法。非取样法是利用烟尘颗粒物与射线、光等作用后所产生的衰减、散射等现象来间接测量烟尘浓度的方法。非取样法主要有以下几种：(1)林格曼黑度法此方法是利用视觉方法对烟气黑度进行评价，分为几个不同等级，不同等级代表着烟气浓度的高低值，通过将观察所得黑度与林格曼黑度浓度图比较，得出烟尘浓度。这种方法人为误差大、测量精度低导致其无法提供可靠准确的监测数据。尤其是对粒径小、浓度低的颗粒物来说，黑度法的测量误差很大。(2)β射线法射线法利用滤纸对烟尘进行连续采样，β射线穿过滤纸上的烟尘颗粒时，其强度会衰减，通过测量射线前后衰减的强度可以计算出烟尘的质量。但这种方法需要滤纸上有一定颗粒的积累，不能做到实时显示。(3)压电振动法压电振动法是利用压电材料由于附上烟尘颗粒后质量改变引起压电振动频率改变的原理来测量烟尘浓度。该方法测量结果较为可靠。但需要先对烟尘进行过滤，测量结构较为复杂，也不适应现场恶劣的监测环境。(4)全散射法将激光发射器和激光接收器安装在烟道两侧，经严格对中后，激光经过烟尘后由于颗粒对光的散射和吸收，使得透射光强衰减。根据Lambert-Beer定律，透射光强与颗粒大小和浓度相关，从而可以根据透射光衰减程度确定烟尘的质量浓度。消光法原理简单、技术相对成熟，已经广泛用于工业烟囱监测，缺点是针对多分散系粉尘气溶胶，其浓度测量需要预知被测对象的平均粒径或者粒径分布，这对于实际电厂变化的工况，预知其烟尘颗粒粒径分布并不容易；烟尘浓度过低时，消光作用不明显，测量效果较差；(5)角散射法光散射法是根据一定波长的光照射到烟尘中时，烟尘颗粒对光的散射强度与烟尘颗粒浓度成正相关，通过测定某一立体角内的散射光强度，可以计算出烟道内颗粒物浓度。但光散射法的监测结果受被测对象的粒径分布影响较大，且重复性较差。随着电厂污染物排放标准越来越严格，近年来我国提出了超净排放的标准，在此标准下要求电厂排放烟尘的浓度要低于10mg/Nm3，且排放的烟尘粒径几乎都在PM10以下，粒径小于PM2.5的颗粒更是占了绝大部分，故上述方法如黑度法在如此低的浓度下测量误差很大，取样法、β射线法等能满足精度的要求但不能实时监测，压力平衡法和压电法则是适应不了现场的恶劣的监测环境，如何对现场低浓度小粒径的颗粒进行实时精确的监测，是现在环保监测的重点和难点。随着光学技术和仪器的发展，光学方法用于对粉尘浓度进行监测的运用也越来越多，目前利用光学进行浓度监测的方法主要有光角散射法，光全散射法，其中光全散射法因其原理简单，测量方便，对仪器设备的要求较低，测量范围较宽，测量结果重复性好等优点得到了广泛应用。但在当今超净排放的背景下，光全散射法的应用也受到了极大的限制，现有的基于光全散射法测量装置都具有各自不可避免的缺点。主要是因为：一，电厂排放烟尘浓度较低时，根据全散射法的原理必须有足够的消光光程才能保证具有明显的消光值来保证测量的精度，如专利CN103018145A，一种新型的PM2.5质量浓度实时监测装置与监测方法中，当粉尘浓度较低时，由于光程较短消光不足会导致结果精确度不够；二，电厂排放烟尘都是多分散系气溶胶，而要得到颗粒的质量浓度必须预先知道排放烟尘的粒径分布，这对于现场监测是不现实的，如专利CN103728229A，测量大气颗粒物的平均粒径和浓度的测量装置及测量方法中，采用平均粒径代替未知粒径分布的方法对浓度进行计算，但由于消光时必然会存在误差，且此专利只采用三个波长来确定颗粒的平均粒径，只要有一个光信号在监测是出现较大误差势必导致难以正确的确定颗粒的平均粒径，而在颗粒浓度较低时平均颗粒的微小误差即会导致浓度监测失真，出现较大的误差，且仅给出颗粒的平均粒径也不足以描述这些颗粒系的特性，也不能满足实际需要。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了测量超低浓度烟尘的粒径分布和质量浓度的装置及方法，通过采用多光程反射样品池来增大消光光程，同时采用大范围光谱监测采用反演算法得到颗粒实时的粒径分布，大幅度减少了粒径替换时产生的误差，且本专利技术通过大范围连续多波长光信号对颗粒进行监测，也减弱了因个别光信号出现误差而导致整个监测结果出现失真的可能，而后积分得到粉尘的质量浓度，从而大幅度提高了测量精度，使之适用于当前超净排放下的粉尘浓度监测。为实现上述目的，按照本专利技术，提供了测量超低浓度烟尘的粒径分布和质量浓度的装置，其特征在于，包括光路单元、气路单元和电路控制单元，其中，所述光路单元包括多波长连续白光激光器、激光准直仪、半反半透镜、第一可变光阑、第二可变光阑、第一光信号探头、第二光信号探头和光谱仪，所述气路单元包括气流干燥器、旋风分离器、进气缓冲腔、长光程样品池和真空泵，并且，所述多波长连续白光激光器发出的激光经所述激光准直仪准直后射到所述半反半透镜，所述半反半透镜用于反射和透射准直后的激光，其中，反射的激光依次穿过所述第一可变光阑和聚焦透镜后被第一光信号探头接收，透射的激光穿过所述第二可变光阑后从所述长光程样品池的进口进入所述长光程样品池的内部，并在所述长光程样品池的内部经过多次反射后从所述长光程样品池的出口出来，然后再被所述第二光信号探头接收，所述第一光信号探头和第二光信号探头分别与所述光谱仪电连接；所述气流干燥器依次连接所述气流干燥器、旋风分离器、进气缓冲腔、长光程样品池和真空泵，其中，所述气流干燥器用于干燥含尘气流，所述旋风分离器用于在含尘气流中选出设定粒径的粉尘进入所述长光程样品池，以便对各种不同粒径分布的粉尘进行监测；所述进气缓冲腔用于使经过旋风分离器的气流流动稳定，所述真空泵用于保持含尘气流的流动；所述电路控制系统包括光电转换模块、数据编程换算模块和实时显示模块，其中，所述光电转换模块用于将半反半透镜反射的激光信号转换为第一电信号，以作为激光器发出光强的基准值，以及将半反半透镜透射并且通过长光程样品池经过多次消光反射后的激光信号转换为第二电信号；所述数据编程转换模块通过获得的光强信息分别对不同的波长进行差减得到各波长的消光信息，而后通过数据反演得出粉尘的粒径分布，在得到粒径分布后，积分计算得到粉尘的质量浓度；所述实时显示模块用于将粉尘的粒径分布和质量浓度信息通过数表和图像的方式实时显示。优选地，所述进气缓冲腔的入口布置有纱网，以便使含尘气流中的粉尘在气流中的分布更加均匀，从而提高测量的精度。优选地，所述多光程样品池具有主镜和多块辅镜，以用于对激光进行多次本文档来自技高网...

【技术保护点】
测量超低浓度烟尘的粒径分布和质量浓度的装置，其特征在于，包括光路单元、气路单元和电路控制单元，其中，所述光路单元包括多波长连续白光激光器、激光准直仪、半反半透镜、第一可变光阑、第二可变光阑、第一光信号探头、第二光信号探头和光谱仪，所述气路单元包括气流干燥器、旋风分离器、进气缓冲腔、长光程样品池和真空泵，并且，所述多波长连续白光激光器发出的激光经所述激光准直仪准直后射到所述半反半透镜，所述半反半透镜用于反射和透射准直后的激光，其中，反射的激光依次穿过所述第一可变光阑和聚焦透镜后被第一光信号探头接收，透射的激光穿过所述第二可变光阑后从所述长光程样品池的进口进入所述长光程样品池的内部，并在所述长光程样品池的内部经过多次反射后从所述长光程样品池的出口出来，然后再被所述第二光信号探头接收，所述第一光信号探头和第二光信号探头分别与所述光谱仪电连接；所述气流干燥器依次连接所述气流干燥器、旋风分离器、进气缓冲腔、长光程样品池和真空泵，其中，所述气流干燥器用于干燥含尘气流，所述旋风分离器用于在含尘气流中选出设定粒径的粉尘进入所述长光程样品池，以便对各种不同粒径分布的粉尘进行监测；所述进气缓冲腔用于使经过旋风分离器的气流流动稳定，所述真空泵用于保持含尘气流的流动；所述电路控制系统包括光电转换模块、数据编程换算模块和实时显示模块，其中，所述光电转换模块用于将半反半透镜反射的激光信号转换为第一电信号，以作为激光器发出光强的基准值，以及将半反半透镜透射并且通过长光程样品池经过多次消光反射后的激光信号转换为第二电信号；所述数据编程转换模块通过获得的光强信息分别对不同的波长进行差减得到各波长的消光信息，而后通过数据反演得出粉尘的粒径分布，在得到粒径分布后，积分计算得到粉尘的质量浓度；所述实时显示模块用于将粉尘的粒径分布和质量浓度信息通过数表和图像的方式实时显示。...

【技术特征摘要】
1.测量超低浓度烟尘的粒径分布和质量浓度的装置，其特征在于，包括光路单元、气路单元和电路控制单元，其中，所述光路单元包括多波长连续白光激光器、激光准直仪、半反半透镜、第一可变光阑、第二可变光阑、第一光信号探头、第二光信号探头和光谱仪，所述气路单元包括气流干燥器、旋风分离器、进气缓冲腔、长光程样品池和真空泵，并且，所述多波长连续白光激光器发出的激光经所述激光准直仪准直后射到所述半反半透镜，所述半反半透镜用于反射和透射准直后的激光，其中，反射的激光依次穿过所述第一可变光阑和聚焦透镜后被第一光信号探头接收，透射的激光穿过所述第二可变光阑后从所述长光程样品池的进口进入所述长光程样品池的内部，并在所述长光程样品池的内部经过多次反射后从所述长光程样品池的出口出来，然后再被所述第二光信号探头接收，所述第一光信号探头和第二光信号探头分别与所述光谱仪电连接；所述气流干燥器依次连接所述气流干燥器、旋风分离器、进气缓冲腔、长光程样品池和真空泵，其中，所述气流干燥器用于干燥含尘气流，所述旋风分离器用于在含尘气流中选出设定粒径的粉尘进入所述长光程样品池，以便对各种不同粒径分布的粉尘进行监测；所述进气缓冲腔用于使经过旋风分离器的气流流动稳定，所述真空泵用于保持含尘气流的流动；所述电路控制系统包括光电转换模块、数据编程换算模块和实时显示模块，其中，所述光电转换模块用于将半反半透镜反射的激光信号转换为第一电信号，以作为激光器发出光强的基准值，以及将半反半透镜透射并且通过长光程样品池经过多次消光反射后的激光信号转换为第二电信号；所述数据编程转换模块通过获得的光强信息分别对不同的波长进行差减得到各波长的消光信息，而后通过数据反演得出粉尘的粒径分布，在得到粒径分布后，积分计算得到粉尘的质量浓度；所述实时显示模块用于将粉尘的粒径分布和质量浓度信息通过数表和图像的方式实时显示。2.根据权利要求1所述的测量超低浓度烟尘的粒径分布和质量浓度的装置，其特征在于，所述进气缓冲腔的入口布置有纱网，以便使含尘气流中的粉尘在气流中的分布更加均匀，从而提高测量的精度...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘小伟，崔江，陈栋，韩金克，江盟，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42