固定污染源颗粒物的质量浓度和粒度谱的测量装置及方法

摘要

本发明公开了一种基于光散射技术的电厂固定源排放物的质量浓度和粒度谱的在线监测装置及方法，各不同波长的激光束同时通过各自对应的入射孔平行进入测量区域，与待测气体相互作用，主要是散射和吸收作用，不同激光产生的散射光通过反射镜进入到各自对应的石英棒的一端，散射光通过石英棒进入光电探测器中，并被转换成电信号，该电信号通过信号调理电路后输入到微处理器，微处理器通过串口接口将数据送入终端，由终端计算质量浓度和粒度谱，最后将结果进行显示。采用本发明，可以在获取颗粒物质量浓度的同时获取其粒度谱信息。此外，本发明利用校准单元用于校准测量系统，提高装置的可靠性。

说明书

技术领域

本发明属于固定污染源排放物在线监测领域，更具体地，涉及一种基于三波长散射信号的电厂固定污染源排放物中颗粒物的质量浓度和粒度谱的测量装置及方法。

背景技术

研究表明，燃煤电厂经除尘后排放的烟气以PM10和PM2.5为主。根据美国环保署(United States Environmental Protection Agency)的最新标准，固定污染源中的PM2.5是对大气质量危害最严重的污染物，它们是大气雾霾的核心成因。同时，粒径小于2.5um以下的颗粒物，可被吸入人体，被吸入人体后会直接进入支气管，干扰肺部的气体交换，引发包括哮喘、支气管和心血管等方面的疾病。作为主要的大气颗粒物来源，固定污染源检测排放颗粒物中的PM10及PM2.5将成为我国环境保护监控的趋势，测试颗粒物的粒度谱还是很有意义的。

目前电厂排放物中颗粒物检测的主要方法有：光散射法、β射线技术、微量振荡天平法和重量法。其中微量振荡天平法是目前的标准测量方法，但是由于此方法需要较长的测量周期，且需要频繁地清理维护，因此不适用于长期的在线实时测量，一般用于校准。重量法具有测量精度高的特点，但由于其操作过于麻烦，所以成为我国颗粒物手工分析的主要分析方法。β射线技术具有操作简便、耗材少和不受粒子大小及颜色的影响等特点，但是其成本相对较高和测量时间较长。光散射法以其测量范围大、测量速度快和非接触性不破坏被测颗粒物结构和特性等优点，已经成为国际在线监测颗粒物浓度的主要方式。

调查发现，测量固定污染源排放物的烟颗粒粒度谱的产品在国内外均为空白。因此，如何实现固定污染源排放的烟颗粒粒度谱的测量是目前亟需解决的技术问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种固定污染源颗粒物的质量浓度和粒度谱的测量装置，由此解决如何测量固定污染源排放的烟颗粒粒度谱的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种固定污染源颗粒物的质量浓度和粒度谱的测量装置，包括：光路单元、电路控制单元和处理单元；所述光路单元包括光阑、反射镜和石英棒；

所述光阑用于控制各入射激光束的宽度和消除杂散光，以使经所述光阑处理后的各入射激光束进入测试区域与待测颗粒物发生散射作用，其中，所述入射激光束包括若干个波长互不相同的激光束；

所述反射镜用于将各激光束与所述待测颗粒物发生散射作用后得到的各散射光反射到各散射光分别对应的石英棒，由各石英棒将散射光向所述电路控制单元传送；

所述电路控制单元用于将从各石英棒接收到的各散射光信号转换成电信号，并对各电信号进行放大得到各目标电信号；

所述处理单元，用于按照选取的目标电信号对应的散射光功率与质量浓度的关系得到所述待测颗粒物的质量浓度，按照各目标电信号对应的散射光功率与中值粒径和标准差的关系确定中值粒径和标准差，以得到所述待测颗粒物的粒度谱信息。

其中，光阑的位置在测试区域之前，反射镜位于测试区域的后方，反射镜中间设置镂空，无用的激光束通过中间的孔进入滤光片和光阱。滤光片和光阱位于反射镜后方，以吸收激光束，避免激光束反射回去对原测量造成干扰。

优选地，所述装置还包括气路单元，所述气路单元由泵、气管和空气过滤器组成，其通过向所述装置内部通入洁净空气，以防止所述待测颗粒物粘着在所述反射镜和所述石英棒的表面。

优选地，所述光路单元还包括滤光片和光阱；

所述滤光片和所述光阱用于消除无用的激光束，避免激光束返回所述测试区域对测量造成干扰。

优选地，所述测量装置还包括：校准单元；

所述校准单元，用于在检测到所述待测颗粒物的粒度谱统计量发生变化时，启动所述校准单元进行测量，获得所述待测颗粒物的粒度谱，以对实时监测结果进行校准。

按照本发明的另一方面，提供了一种固定污染源颗粒物的质量浓度和粒度谱的测量方法，包括：

波长互不相同的各激光束平行进入各激光束对应的光阑，接着进入测试区域与待测颗粒物发生散射作用；

各激光束产生的散射光经过反射镜的反射作用进入各散射光对应的石英棒，通过石英棒进入电路控制单元，由所述电路控制单元将从各石英棒接收到的各散射光信号转换成电信号，并对各电信号进行放大得到各目标电信号；

按照选取的目标电信号对应的散射光功率与质量浓度的关系得到所述待测颗粒物的质量浓度，按照各目标电信号对应的散射光功率与中值粒径和标准差的关系确定中值粒径和标准差，以得到所述待测颗粒物的粒度谱信息。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明通过若干个波长互不相同的激光束与待测颗粒物的散射作用，获取颗粒物粒度谱统计信息量，增加了电厂固定污染源排放物中颗粒物粒度谱的测量。

2、本发明在检测到颗粒物粒度谱统计量发生变化时，启动校准单元进行测量，获得颗粒物的粒度谱，对实时监测结果进行校准，提高了测量结果的准确度。

附图说明

图1是本发明实施例公开的一种测量电厂固定污染源排放物中颗粒物的质量浓度和粒度谱的测量装置结构的正面示意图；

图2是本发明实施例公开的一种测量电厂固定污染源排放物中颗粒物的质量浓度和粒度谱的测量装置结构的剖面示意图；

图3是本发明实施例公开的一种测量电厂固定污染源排放物中颗粒物的质量浓度和粒度谱的测量装置的气路图；

图4是本发明实施例公开的一种测量电厂固定污染源排放物中颗粒物的质量浓度和粒度谱的测量方法的流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提出一种使用衍射与散射结合的颗粒物粒谱光学测量与微量振荡天平校正结合的方法，使用本发明可以测量固定污染源排放的烟颗粒粒度谱和质量浓度，通过粒度谱又可以得到PM10，PM2.5和PM1等信息，又可以通过不定期校准单元的校正保证光学测量的高精度，还减少了维护微量振荡天平系统的工作量。

如图1所示为本发明实施例公开的一种固定污染源颗粒物的质量浓度和粒度谱的测量装置的结构示意图，包括：光路单元、电路控制单元和处理单元；光路单元包括光阑、反射镜和石英棒；

其中，光阑用于控制各入射激光束的宽度和消除杂散光，以使经光阑处理后的各入射激光束进入测试区域与待测颗粒物发生散射作用，其中，入射激光束包括若干个波长互不相同的激光束；反射镜用于将各激光束与待测颗粒物发生散射作用后得到的各散射光反射到各散射光分别对应的石英棒，由各石英棒将散射光向电路控制单元传送；电路控制单元用于将从各石英棒接收到的各散射光信号转换成电信号，并对各电信号进行放大得到各目标电信号；处理单元，用于按照选取的目标电信号对应的散射光功率与质量浓度的关系得到待测颗粒物的质量浓度，按照各目标电信号对应的散射光功率与中值粒径和标准差的关系确定中值粒径和标准差，以得到待测颗粒物的粒度谱信息。

在一个可选的实施方式中，该装置还包括气路单元，气路单元由泵、气管和空气过滤器组成，其通过向装置内部通入洁净空气，以防止待测颗粒物粘着在反射镜和石英棒的表面。

在一个可选的实施方式中，光路单元还包括滤光片和光阱；

滤光片和光阱用于消除无用的激光束，避免激光束返回测试区域对测量造成干扰。

在一个可选的实施方式中，该测量装置还包括：校准单元，其用于在检测到待测颗粒物的粒度谱统计量发生变化时，启动校准单元进行测量，获得待测颗粒物的粒度谱，以对实时监测结果进行校准。

在本发明实施例中，校准单元可以为微量振荡天平。

在本发明的另一个实施例中，还提供了一种固定污染源颗粒物的质量浓度和粒度谱的测量方法，包括：

波长互不相同的各激光束平行进入各激光束对应的光阑，接着进入测试区域与待测颗粒物发生散射作用；

各激光束产生的散射光经过反射镜的反射作用进入各散射光对应的石英棒，通过石英棒进入电路控制单元，由电路控制单元将从各石英棒接收到的各散射光信号转换成电信号，并对各电信号进行放大得到各目标电信号；

按照选取的目标电信号对应的散射光功率与质量浓度的关系得到待测颗粒物的质量浓度，按照各目标电信号对应的散射光功率与中值粒径和标准差的关系确定中值粒径和标准差，以得到待测颗粒物的粒度谱信息。

以下以入射激光束为三个波长互不相同的激光束对本发明进行详细说明。

激光器组由450nm、950nm和1550nm的三个激光器组成。如图2所示，光路单元由光阑6、反射镜7、石英棒2、滤光片8和光阱9构成。450nm的激光束、940nm的激光束和1550nm的激光束分别通过图1的1号位置的A孔径、B孔径和C孔径平行射入装置内部，接着三激光束通过图2光阑6进入测试区域5与待测颗粒物发生散射作用，三激光束产生的散射光通过反射镜7的反射作用进入各自对应的石英棒。下面为三激光束各自对应的散射光信号的从产生到被光电传感器接收的流程：

450nm激光束的传输方向：图1的1号位置的A孔径->光阑6->测试区域5->反射镜7->图1的2号位置的A’对应的石英棒->450nm光电传感器。

940nm激光束的传输方向：图1的1号位置的B孔径->光阑6->测试区域5->反射镜7->图1的2号位置的B’对应的石英棒->940nm光电传感器。

1550nm激光束的传输方向：图1的1号位置的C孔径->光阑6->测试区域5->反射镜7->图1的2号位置的C’对应的石英棒->1550nm光电传感器。

由于需要的是散射光信号，散射光信号通过反射镜7的镜面反射到石英棒，原先的激光束则通过反射镜7中间镂空部分被后面的滤光片8和光阱9吸收。

图2的12号位置对应的管道用于放置和固定石英棒，在靠近反射镜的一端开了一个小窗口，散射光正是通过这个小窗口射入石英棒。洁净空气通过图2的3号位置进入管道，保证石英棒表面清洁，再通过上述的小窗口进入反射镜区域，保证反射镜表面清洁。

图2的第一挡板10和第二挡板11的作用：一是起固定和支撑作用；二是防止待测颗粒物进入测量区域以外的区域。图2的长外壳4主要作用：一是对仪器整体起支撑作用；二是通过在外壳内部通入洁净空气，保证除测量区域以外的光路不受颗粒物干扰，如图3所示为本发明实施例公开的一种测量电厂固定污染源排放物中颗粒物的质量浓度和粒度谱的测量装置的气路图，在图3中，洁净空气通过3号口进入装置内部，气体有两种流动方向，一部分气体通过管道下面的小孔进入长外壳4内部，然后通过光阑6排出，这样可以防止烟尘中的颗粒物进入长外壳4内部；另一部分气体通过管道进入仪器的后半部分，通过吹扫洁净空气，一是可以保证石英棒接收光信号表面的端面清洁，二是可以保证反射镜表面的清洁。

电路控制单元包括光电探测器、信号调理电路及微控制单元(MicrocontrollerUnit，MCU)。光电探测器总共有3个，分别接收450nm、940nm和1550nm散射光信号，光电探测器的感光面紧紧安置在图1的2号位置的A’、B’和C’端口，光电探测器将接收到的光信号转换成电信号传入信号调理电路，调理电路将电信号放大到合适的电压值传送给MCU的AD接口，最后MCU通过自身的串口电路将数据传送给终端进行后续处理。

终端接收到数据后，对数据进行处理、分析和把计算结果实时显示出来。

如图4所示为本发明实施例提供的一种固定污染源排放物中颗粒物的质量浓度和粒度谱测量方法的流程示意图，按照下述步骤求质量浓度和粒度谱：

(1)采集通过测量区域过后的450nm散射光功率PA、940nm散射光功率PB和1550nm散射光功率PC；

(2)在计算颗粒物质量浓度时，只需要一个散射光功率信息即可。由于待测颗粒物的粒径范围为0.5um～10um，选取450nm散射光功率PA代入单一波长激光的散射光功率与质量浓度的公式计算出颗粒物的质量浓度。这里选取450nm散射光功率信息的主要原因是：用波长小于待测颗粒物粒径范围测颗粒物质量浓度有更好的响应度。

(3)按照下述公式计算940nm和450nm散射光功率比值R1、1550nm和450nm散射光功率比值R2和1550nm和940nm散射光功率比值R3。

其中，P_A是450nm散射光功率，P_B是940nm散射光功率，P_C是1550nm散射光功率，通常以其对应的电信号表示，单位为V。

(4)根据P_A、P_B、P_C和中值粒径dmed，标准差σ的关系确定中值粒径dmed和标准差σ。

借助气溶胶光学米散射公式，气溶胶的散射光功率P_n为：

P_n＝C_n∫f(d)P_λ(d,λ,m,θ)dd>

其中，C_n是气溶胶的质量浓度；f(d)是气溶胶的粒度分布函数；P_λ(d,λ,m,θ)为单个粒子米散射光强。由于f(d)通常都是对数正态分布，可用中值粒径dmed和标准差σ表达。λ为入射光波长，m为粒子折射率，θ为散射角。因此，式(2)中散射光功率P_n正比于粒子质量浓度。

对于实际的系统而言，散射角和激光器的波长均是确定的，且在同样的质量浓度和折射率的气溶胶中，粒子的质量浓度C_n相等，因此波长λ₁对应的散射光功率P₁和波长λ₂对应的散射光功率P₂的比值R₁简化为：

同理可得，波长λ₁对应的散射光功率P₁和波长λ₃对应的散射光功率P₃的比值R₂简化为：

波长λ₂对应的散射光功率P₂和波长λ₃对应的散射光功率P₃的比值R₃简化为：

显然，R₁，R₂和R₃是中值粒径dmed和标准差σ的函数。由于电厂固定污染源排放物中的颗粒物分布近似可看作对数正态分布，标准差σ一般在1.1～1.5，待测颗粒的粒径范围为0.5um～10um。根据这个特点，可以构建一个从(dmed,σ)到(R₁，R₂，R₃)的模型。在仿真时，将实际条件下的散射角θ、粒子折射率m、λ₁450)、λ₂940)和λ₃(1550)代入式中，一组(dmed,σ)就对应一组(R₁，R₂，R₃)，这样就得到了一个从(dmed,σ)到(R₁，R₂，R₃)的模型。在实际测试过程中，得到的是(R₁，R₂，R₃)，通过合适的算法在模型中找到最接近R₁，R₂，R₃的一组数据，并把这组数据对应的(dmed,σ)作为结果输出，就可以求得颗粒物的粒度谱。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。