基于后向散射烟尘浓度在线监测仪的研究
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摘 要 采用一套新型利用激光后向散射方法，通过粉尘对光散射强度快速准确有效反映出粉尘浓度大小，以当代最新光学技术为前导，结合机械自动化并集成微处理器，研制出具有对小信号采集处理和信息交换能力的智能仪器。实验结果证明在当前实际工况下指标完全符合国标要求。
关键词 后散射；烟尘浓度；在线监测
中图分类号：O439 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）12-0016-02
目前国内外采用光学法测量粉尘浓度的传感器主要有光透射法和散射法两种，光透射法有一定局限性首先是安装要求比较高安装在工业烟囱上的时候发射端和接收端开孔必须足够同轴，否则接收端接收到的光强会受到影响，烟囱震动等外界干扰严重影响测量精度，其次是只适合与高浓度的粉尘环境检测，低浓度时检测精度低，不能满足当前形势发展和要求，逐渐被散热法所替代。传统散射法粉尘浓度传感器体积较大，光路设计复杂，生产过程复杂，成本比较高，可维护性比较差。由于粉尘浓度传感器工作环境复杂，传统传感器难以有效克服作业现场镜片污染问题。
1-光接收器； 9-仪器壳体
2-激光器驱动电路板； 10-滤光片
3-激光器
4-聚焦镜片；
5-大密封平面镜；
6-小密封平面镜； L1-仪器内部测量区域；
7-干净隔离气源入口； L-测量环境种的测量区域；
D-所测量环境区域直径； T-测量环境安装法兰长度。
监测仪主要由激光器3发出光源沿着一定角度θ射入测量区域L，在这个区域内由粉尘颗粒散射回的光信号进入，θ角度可根据现场工况来调节激光器驱动电路板驱动板2来适应各种复杂工况。气体保护单元13是为了防止粉尘颗粒污染光学镜片，具体实施方式是从干净隔离气源入口7通入压缩空气会在气体保护单元13形成干净的气体隔离膜来阻挡粉尘的污染。
2 后散射烟尘浓度监测仪电路
监测仪采用半导体二极管激光器作为光源，激光器波长为650 nm，通过微处理器采用PID算法将光源恒光强输出，为了防止杂光干扰并将光信号调制，经过光学聚焦并平行后转成平行光提高了能量，将光以一定倾斜角θ射入被测烟道区，经烟尘散射回的光经过聚焦镜片4聚焦到接收器转换成电信号再加一窄带滤光片10可以有效防止其他杂光干扰，再由微处理器将信号解调放大滤波处理后转换成电压信号，通过得到的电压信号、预存的电压信号与粉尘浓度的比例关系，计算出粉尘浓度，计算公式推导如下。
激光源输出功率为Po，经挡尘窗口镜片衰减K1后照射烟尘，如果烟尘的等效散射系数为K2（与烟尘的组织结构、浓度相关），烟尘反射的功率为Po×K1×K2×D，穿过窗口镜片G后的功率为Po×K1×K2×D×K1，经4-凸透镜透镜聚焦后的功率Pr为Po×K1×K2×D×K1×K3。
Po：探测激光源输出功率，与激励电压Vt成正比（系数k）；
C：烟道烟尘浓度；
K1：挡尘片衰减，受积尘影响；
K2：烟尘反射系数，与烟尘组成的结构颗粒有关；
K3：透镜会聚增益，是常数；
接收到的信号电压：Pr= Po×K1×K2×D×K1×K3。
若Po、K1、K3恒定，Pr与K2×D成正比，监测仪安装后，通过标定可以得到Pr与D的对应关系，即可计算出烟尘浓度值C：
C=A/K2×Pr。（假定A=1/（Po×K1×K1×K3）
3 后散射烟尘在线烟尘仪数据比对
图4和图5是在热电厂实际工况比对结果，电厂粉尘排放限值120 mg/m3，采用静电除尘器，通过调节电除尘器电场电压改变电场强度，可以调节烟尘排放工况，烟囱直径2 m，参照国标采用手工采样方法进行比对数据结果如下。
4 结论
激光粉尘浓度智能传感器采用激光后向散射方法，通过粉尘对光散射强度快速准确有效反映出粉尘浓度大小。即利用激光发射单元按照一定角度射入被测区域，由于粉尘散射并经过聚焦镜片4聚焦，通过激光接收单元接收光信号再由处理器转换成激光粉尘浓度值，监测仪设计了气体保护单元有效防止粉尘及各种污染气体污染镜片减少了仪器故障率提高了仪器稳定可靠性。结构设计简单紧凑，体积小方便安装维护，解决了安装现场各种复杂条件限制的问题。
基金项目
国家863支撑项目（2012BAB19B04）
参考文献
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