一种颗粒物在线监测装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术涉及一种用于颗粒物在线监测装置，包括光源，包括多个光电探测器的光电检测阵列、信号调理电路和计算机，采用相干激光器作为光源，入射到含有粉尘的烟气或者排放气体中；所述的相关激光器为窄线宽激光器；通过放置于光源对侧的光电检测阵列接收被粉尘散射后得到的前向散射光；光电检测阵列的各个光电探测器分别前置有收集透镜，并分布在不同的散射方向上；前向散射光经过粉尘颗粒物散射后，不同散射方向的光电检测阵列面上产生干涉，形成随时间及空间变化的相干光信号；光电检测器检测到随时间变化的相干光信号，经过信号调理电路后被送入计算机。本实用新型专利技术可实现低浓度颗粒物连续在线监测。

An on-line monitoring device for particulate matter

【技术实现步骤摘要】
一种颗粒物在线监测装置
本技术属于环境监测仪器与在线监测仪器领域，主要涉及一种低浓度颗粒物在线监测装置。
技术介绍
大气中细颗粒物是我国城市空气污染主要成分，特别是粒径范围在2.5-10um之间的细颗粒物在大气中的停留时间长、传播距离远，对于人民健康及国民经济危害较大。京津地区持续的大面积连续的雾霾天气，也引发了各方对于细颗粒物监测以及治理方法的关注。工业污染源排放的颗粒物是大气灰霾的主要来源之一，工业生产中粉尘监测与治理也日益受到关注。颗粒物在线监测是控制工业污染源排放并进行治理的依据，对作业场所的粉尘浓度及时有效地检测，能更好地掌握粉尘浓度状况，为有效地除尘和降尘提供重要的依据。目前常用的粉尘测量方法主要由电容法、压电晶体感应法、β射线法、振荡天平法等，这些方法往往需要进行采样预处理，包括过滤及吹扫装置，很难实现在线连续测量。光散射法是一种可同时实现颗粒物浓度及粒径分布测量，并且具有实时，在线连续的优点。其原理是利用了介质中细颗粒物对光的散射，光源发出的光被微粒散射，射向各个方向，散射光强的大小与微粒大小及光波长密切相关，此时进行光度测量，就可以得到颗粒物浓度测量。采用光学原理，响应速度快，方便快捷，可实现现场便携监测、连续在线监测，满足颗粒物无组织控制的需要，从而提高环境管理的效率和有效性。目前在颗粒物浓度在线监测中，常采用后向散射原理，光源发出的激光信号，照射到含有颗粒物的气体后，产生后向散射光，根据散射理论可知，后向散射信号的强度与烟尘浓度成正变化。但是由于颗粒物后向散射相对较弱，采用此原理仪器，受到后向散射信号强度限制，灵敏度低，对于一些低浓度烟尘的排放无法检测，其次，颗粒物流速不均匀等因素也会对测量造成一定影响。此外，目前大多数方法往往只能测量到的后向散射强度计算颗粒物浓度，无法准确获取颗粒物粒径，流速等参数的在线检测，因此无法实现颗粒物排放的全面监测。
技术实现思路
本技术针对工业生产及其他场合中颗粒物浓度在线监测需要，特别是低浓度与排放不连续的粉尘在线监测需要，提供一种基颗粒物在线监测装置。技术方案如下：一种用于颗粒物在线监测装置，包括光源，包括多个光电探测器的光电检测阵列、信号调理电路和计算机，其特征在于，采用相干激光器作为光源，入射到含有粉尘的烟气或者排放气体中；所述的相关激光器为窄线宽激光器，利用激光器电流驱动及温控电路实现激光器输出功率计波长稳定，激光器出射光经过扩束及面入射整形后，在入射面上均匀分布，实现较大的检测面积；通过放置于光源对侧的光电检测阵列接收被粉尘散射后得到的前向散射光；光电检测阵列的各个光电探测器分别前置有收集透镜，并分布在不同的散射方向上；前向散射光经过粉尘颗粒物散射后，不同散射方向的光电检测阵列面上产生干涉，形成随时间及空间变化的相干光信号；光电检测器检测到随时间变化的相干光信号，转换成电压信号，经过信号调理电路后被送入计算机。本技术由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1，本技术采用前向散射相干检测原理，对于颗粒物散射造成的相干信号扰动具有较高的灵敏度，并且可以减少环境中气流变化等因素对于光强的影响。此外，前向散射检测方式可以减少管壁反射对于散射光信号的影响，2，本技术中采用的激光器为窄线宽激光器，具有较好的相干特性，利用激光器电流驱动及温控电路可以实现激光器输出功率计波长稳定。激光器出射光经过扩束及面入射整形后，在入射面上均匀分布，从而实现较大的检测面积，保证信号稳定，并不受颗粒物流速扰动影响。3，前向散射相干光检测装置设置于激光入射对侧，其中含有信号滤波与调理单滤除信号中其他频率噪声成分，提高信噪比，A/D采集装置，将模拟信号转换为数字信号，并送入计算机进行进一步处理。附图说明图1为本技术实施例中基于前向散射相干的颗粒物检测测量系统示意图图2为本技术实施例中测量前向散射信号角度分布计算颗粒物粒径的是示意图图3为本技术实施例中在含颗粒物气体流动方向上不同位置上设置检测单元测量颗粒物流速的示意图图4为功率谱估计及颗粒物浓度计算流程图图5为根据前向散射光角度分布进行颗粒物粒径计算的流程图图6为根据含颗粒物气体流动方向上不同位置检测到相干时变信号计算颗粒物流速的算法流程图具体实施方式本技术主要内容包括：本技术提供了一种基于激光前向散射信号的颗粒物在线监测装置，包括光源，包括多个光电探测器的光电检测阵列、信号调理电路和计算机，其特征在于，采用相干激光器作为光源，入射到含有粉尘的烟气或者排放气体中；所述的相关激光器为窄线宽激光器，利用激光器电流驱动及温控电路实现激光器输出功率计波长稳定，激光器出射光经过扩束及面入射整形后，在入射面上均匀分布，实现较大的检测面积；通过放置于光源对侧的光电检测阵列接收被粉尘散射后得到的前向散射光；光电检测阵列的各个光电探测器分别前置有收集透镜，并分布在不同的散射方向上；前向散射光经过粉尘颗粒物散射后，不同散射方向的光电检测阵列面上产生干涉，形成随时间及空间变化的相干光信号；光电检测器检测到随时间变化的相干光信号，转换成电压信号，并经过信号调理电路后被送入计算机。测量过程与方法包括：1.前向散射光角度分布测量与颗粒物粒径计算方法。光电检测阵列的各个光电探测器分别前置有收集透镜，并分布在不同的散射方向上，可以测量得到得到不同角度光强分布表示为函数I(α)。为了能够根据I(α)计算颗粒物粒径分布C(r)，计算流程如图5所示，首先通过模拟仿真的方法计算得到C(r)对应的I(α)，，采用Mie散射理论与MonteCarlo方法相结合的算法，首先利用Mie散射模型计算不同粒径分布C(r)对应的散射系数及各项异性因子，进一步可利用MonteCarlo模拟方法得到不同角度前向散射光分布表示为I’(α)，不同粒径分布对应的分布阵列可以表示为：[I1’(α),I2’(α),…In-1’(α),In’(α)]，然后将测量结果I(α)与矩阵中的数值进行比较，利用查表插值法，选择最接近值，从而得到对应的粒径分布C(r)。2.颗粒物浓度测量及算法，根据图2设置在前向散射不同角度的检测单元测量随时间变化的前向散射相干信号I(t)。为了能够根据I(t)计算颗粒物浓度，首先计算不同颗粒物浓度C对应的前向散射光程分布，表示为L(c)，然后根据L(c)计算得到相干信号频率及幅度分布，计算公式如下：然后利用自相关函数功率谱估计发，求I’(t)对应的功率谱，表示为P’(w)，在不同颗粒物浓度C假设下，得到的模拟相干信号的功率谱函数P’(w)的频率及幅度不同，可以表示为矩阵形式：[P1’(w),P2’(w),…Pn-1’(w),Pn’(w)]，然后将测量结果I(t)计算得到的功率谱函数P(w)与矩阵中的数值进行比较，利用查表插值法，选择最接近值，从而得到对应的颗粒物浓度。3.含有颗粒物气流流速测量与计算方法，在含有颗粒物气流动方向不同位置设置检测单元，检测到散射粒子依次通过两个位置所产生的随时间变化的相干信号，分别表示为I1(t)与I2(t)。对两个时变相干信号进行互相关函数计算，可以得到两个信号之间相对延迟时间，也就是含有颗粒物气流通过两个位置的时间，然后根据检测器设置的相对位置，可以计算得到颗粒物流动速率。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种颗粒物在线监测装置，包括光源，包括多个光电探测器的光电检测阵列、信号调理电路和计算机，其特征在于，采用相干激光器作为光源，入射到含有粉尘的烟气或者排放气体中；所述的相干激光器为窄线宽激光器，利用激光器电流驱动及温控电路实现激光器输出功率计波长稳定，激光器出射光经过扩束及面入射整形后，在入射面上均匀分布，实现较大的检测面积；通过放置于光源对侧的光电检测阵列接收被粉尘散射后得到的前向散射光；光电检测阵列的各个光电探测器分别前置有收集透镜，并分布在不同的散射方向上；前向散射光经过粉尘颗粒物散射后，不同散射方向的光电检测阵列面上产生干涉，形成随时间及空间变化的相干光信号；光电检测器检测到随时间变化的相干光信号，转换成电压信号，经过信号调理电路后被送入计算机。

【技术特征摘要】
1.一种颗粒物在线监测装置，包括光源，包括多个光电探测器的光电检测阵列、信号调理电路和计算机，其特征在于，采用相干激光器作为光源，入射到含有粉尘的烟气或者排放气体中；所述的相干激光器为窄线宽激光器，利用激光器电流驱动及温控电路实现激光器输出功率计波长稳定，激光器出射光经过扩束及面入射整形后，在入射面上均匀分布，实现较大的检测面积；...

【专利技术属性】
技术研发人员：李晨曦，庞峰，
申请(专利权)人：苏州同阳科技发展有限公司，
类型：新型
国别省市：江苏,32