姜勇

(重慶川儀軟件有限公司,重慶 401121)

隨著中國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,環(huán)境問題越來越受到人們的普遍關(guān)注。中國是產(chǎn)煤大國,粉塵污染較嚴(yán)重。而粉塵污染會(huì)引起持續(xù)的霧霾天氣,對(duì)人體有很大的危害,甚至誘發(fā)哮喘、肺癌、心腦血管等疾病。國家環(huán)保局在2014年7月1日就頒布實(shí)施了GB 13223—2011《火電廠大氣污染排放標(biāo)準(zhǔn)》[1-2],要求重點(diǎn)地區(qū)燃煤電廠粉塵排放限值低于20 mg/m3;2014年國家發(fā)展改革委、國家環(huán)境保護(hù)部、國家能源局聯(lián)合發(fā)布了《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃(2014—2020年)》,要求分別在不同時(shí)段不同地區(qū)燃煤發(fā)電機(jī)組大氣污染排放質(zhì)量濃度應(yīng)小于10 mg/m3,江浙地區(qū)及京津冀地區(qū)部分火電廠粉塵排放質(zhì)量濃度小于5 mg/m3。

為了響應(yīng)國家環(huán)保政策,滿足最新環(huán)保指標(biāo)的要求,工礦企業(yè)特別是煤炭企業(yè)[3]必須測(cè)量粉塵質(zhì)量濃度,才能夠找到粉塵污染的根源,從而采取相應(yīng)措施,使粉塵等污染物達(dá)到超低排放標(biāo)準(zhǔn)。煤礦產(chǎn)生的粉塵,一方面嚴(yán)重危害工人的身體健康,導(dǎo)致工人患?jí)m肺病;另一方面粉塵質(zhì)量濃度超過一定極限,會(huì)有爆炸的危險(xiǎn)。因此,粉塵濃度測(cè)量儀的研發(fā),對(duì)于有效治理粉塵,防止事故的發(fā)生是當(dāng)前亟待研究與解決的重要課題,具有非常重要的意義[4]。

粉塵是在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生并能較長時(shí)間懸浮在空氣中的固體顆粒,具有懸浮、固體、球形顆粒的特性。根據(jù)粉塵的特性,試制了一種基于前向散射激光粉塵測(cè)量儀。

1 粉塵顆粒光散射理論

散射是指入射光通過某種介質(zhì)時(shí),由于該介質(zhì)的折射率具有非均勻性,引起入射光波陣面的擾動(dòng),造成入射光中的一部分偏離原傳播方向而以一定規(guī)律向其他方向發(fā)射的過程[5]。通俗地講,光散射是指入射光的一部分被阻擋,使這些光改變方向并以顆粒為核心按一定規(guī)律向四周發(fā)射出去,以致原來入射方向的光強(qiáng)減弱。散射可分為瑞利散射、米氏散射和拉曼散射。對(duì)不同的散射需采取不同的處理方法。

其中,米氏散射是指當(dāng)粉塵顆粒半徑的大小接近或者大于入射光線的波長λ時(shí),大部分的入射光線會(huì)沿著前進(jìn)的方向散射,這種現(xiàn)象被稱為米氏散射[6]。米氏散射的散射強(qiáng)度與頻率的二次方成正比,并且散射的光線向前方向比向后方向更強(qiáng),方向性比較明顯。

戴昊對(duì)光散射理論做了大量推理和計(jì)算[5],粉塵顆粒米氏散射如圖1所示。從圖1可以看出,影響球形顆粒散射光強(qiáng)度的因素包括: 球形顆粒折射率、球形顆粒大小、散射角度、方位角及入射光特性等。z為入射光正向入射,r為觀察點(diǎn)P與球形顆粒的距離,θ為散射角,P點(diǎn)與z軸形成的平面為散射面,φ為入射光與散射面之間的夾角。通過計(jì)算,建立了球形顆粒的散射光強(qiáng)與顆粒直徑D,折射率n以及θ之間的數(shù)值關(guān)系。

圖1 粉塵顆粒米氏散射示意

激光粉塵測(cè)量儀測(cè)量的粉塵顆粒的大小一般為0.1～10 μm,入射光波長為650 nm單色激光,所以,適用米氏散射理論。

2 測(cè)量儀的組成和關(guān)鍵部件

2.1 組 成

激光粉塵濃度測(cè)量儀結(jié)構(gòu)如圖2所示,主要由光源、光學(xué)元件、光電轉(zhuǎn)換與信號(hào)處理單元、電源單元等組成。電源為光源提供穩(wěn)定的功率,經(jīng)過光學(xué)元件,再經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換并進(jìn)行信號(hào)處理[7-8]。

圖2 激光粉塵濃度測(cè)量儀結(jié)構(gòu)示意

2.2 關(guān)鍵部件

2.2.1激光光源

該測(cè)量儀的激光光源,采用一款激光二極管,通過特定驅(qū)動(dòng),發(fā)射出一束調(diào)制激光。該激光二極管波長為650 nm,功率為7 mW,閾值電流為20 mA,弧矢方向上峰值半寬發(fā)散角為9°,子矢方向上峰值半寬發(fā)散角為28°。該激光二極管具有良好的溫度特性,操作溫度范圍為-10～70 ℃,環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng),能夠滿足大多數(shù)環(huán)境的溫度要求。

該激光光源采用非球面平凸透鏡,當(dāng)激光二極管被驅(qū)動(dòng)后,光線通過非球面平凸透鏡進(jìn)行準(zhǔn)直,產(chǎn)生一束直徑約2～3 mm的激光光束。該透鏡主要用于激光光形準(zhǔn)直,它的直徑為6.35 mm,焦距為10 mm,材質(zhì)為L-BAL42,設(shè)計(jì)波長為786.5 nm,數(shù)值孔徑為0.27,凈孔徑為5.45 mm,中心厚度為3 mm,工作距離為8.26 mm。該透鏡具有良好的準(zhǔn)直效果,能夠解決球面透鏡的球差帶來光學(xué)上的缺陷,修正球面透鏡在準(zhǔn)直和聚焦系統(tǒng)中所帶來的球差。通過調(diào)整透鏡曲面常數(shù)和非球面系數(shù)[7],讓遠(yuǎn)軸光線和近軸光線所形成的焦點(diǎn)位置盡量重合,從而最大限度地消除球差,獲得良好的準(zhǔn)直光線。

2.2.2光電轉(zhuǎn)換

該激光光源發(fā)出的高穩(wěn)定性激光經(jīng)過準(zhǔn)直后射入測(cè)量段[7],激光束與粉塵顆粒物相遇后產(chǎn)生前向散射。激光光源發(fā)射的激光光路如圖3所示,當(dāng)激光束入射到粉塵顆粒上時(shí),將向空間各個(gè)方向散射,光的各個(gè)散射與粉塵濃度密切相關(guān)。將光電二極管安裝在某一個(gè)散射角處,散射光由透鏡接收,經(jīng)過超高靈敏度光電信號(hào)轉(zhuǎn)換和信號(hào)放大電路后,送到一微處理器進(jìn)行數(shù)字信號(hào)運(yùn)算等處理。散射光信號(hào)轉(zhuǎn)變成與顆粒物濃度成正比的電信號(hào),經(jīng)過特定的算法,輸出顆粒物的濃度值。通過檢測(cè)散射光強(qiáng)度的連續(xù)變化,經(jīng)過濾波算法實(shí)時(shí)計(jì)算,就可以連續(xù)輸出粉塵濃度的測(cè)量信號(hào)。該測(cè)量儀具有靈敏度高,適用測(cè)量超低濃度粉塵的環(huán)境。

圖3 激光光源發(fā)射的激光光路示意

3 主要技術(shù)參數(shù)及特點(diǎn)

該測(cè)量儀基于前向散射激光抽取式測(cè)量原理,其中跨度漂移和零點(diǎn)漂移是以7 d為檢測(cè)周期,主要技術(shù)參數(shù)見表1所列。

表1 激光粉塵濃度測(cè)量儀主要技術(shù)參數(shù)

該測(cè)量儀具有以下特點(diǎn):

1)在測(cè)量過程中,因?yàn)橛布旧淼男阅芗巴饨绛h(huán)境的影響,可能會(huì)引入干擾有用信號(hào)的噪音信號(hào),在軟件設(shè)計(jì)過程中,通過使用相關(guān)噪音濾波算法,排除噪音信號(hào)對(duì)有用信號(hào)的干擾,保證有用信號(hào)的穩(wěn)定與準(zhǔn)確。

2)該測(cè)量儀采用前向散射原理測(cè)量粉塵質(zhì)量濃度。光電二極管接收器在收集粉塵散射光后,通過快速傅里葉變換的方法,獲得對(duì)應(yīng)光源頻率的散射光強(qiáng),排除其他干擾信號(hào)帶來的影響,保證有效的散射光強(qiáng)被成功檢測(cè)。

3)為了該測(cè)量儀操作的便捷性,軟件設(shè)計(jì)中添加了一鍵校準(zhǔn)的功能。通過點(diǎn)擊校準(zhǔn)按鍵,軟件將自動(dòng)運(yùn)行零點(diǎn)校準(zhǔn)和滿量程校準(zhǔn)功能,保證測(cè)量精度,省去大量的手動(dòng)校準(zhǔn)步驟。

4)粉塵質(zhì)量濃度檢測(cè)的難點(diǎn)在于對(duì)高濕度、低溫度的粉塵檢測(cè)存在較大誤差。因此,該測(cè)量儀在軟件設(shè)計(jì)上,將測(cè)量儀工作的環(huán)境溫度及激光光源的溫度加入控制算法中,同時(shí)通過壓力檢測(cè),使用氣泵保證測(cè)量管道微正壓,確保顆粒物測(cè)量數(shù)據(jù)的正確和可靠。

4 主要參數(shù)的測(cè)試

將編號(hào)為3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)的3臺(tái)測(cè)量儀放入一粉塵濃度檢定裝置中,接入電源,將測(cè)量儀與外部計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信。啟動(dòng)粉塵濃度檢定裝置,設(shè)定粉塵采樣模式為定體積采樣方式,通過采集一定體積的粉塵量,計(jì)算出粉塵質(zhì)量濃度。

用精度為0.01 mg的分析天平對(duì)濾紙吸附粉塵前后進(jìn)行稱重,對(duì)比前后質(zhì)量的差值,就能夠計(jì)算出濾紙上粉塵的凈質(zhì)量,再以粉塵凈質(zhì)量除以采樣體積,即可以得到該稱重粉塵的濃度。每組粉塵質(zhì)量濃度用2張濾紙分別測(cè)2次,可求出平均粉塵質(zhì)量濃度,平均粉塵質(zhì)量濃度測(cè)量見表2所列。

表2 平均粉塵質(zhì)量濃度測(cè)量

測(cè)量儀示值誤差是儀器中一個(gè)非常重要的指標(biāo),它表示測(cè)量儀的濃度顯示值與實(shí)際稱重法計(jì)算出的質(zhì)量濃度值之間的偏差情況。通過稱重法測(cè)量的粉塵質(zhì)量濃度,與測(cè)量儀的顯示值進(jìn)行比較,可以計(jì)算出該測(cè)量儀的示值誤差, 測(cè)量示值誤差見表3所列。由表3可知,該儀器的示值誤差滿足技術(shù)參數(shù)要求。

表3 3臺(tái)測(cè)量儀粉塵濃度檢定測(cè)量示值誤差

5 結(jié)束語

隨著時(shí)代的發(fā)展、社會(huì)的進(jìn)步,對(duì)環(huán)境污染提出了更高的要求,要求粉塵達(dá)到近零排放,要求的檢出限值也越來越低。該測(cè)量儀可以連續(xù)測(cè)量粉塵質(zhì)量濃度,達(dá)到了主要技術(shù)參數(shù)的要求,實(shí)現(xiàn)了快速、方便和準(zhǔn)確的粉塵質(zhì)量濃度測(cè)量。該超低濃度粉塵測(cè)量儀的研發(fā)具有廣闊的前景。