基于高灵敏度后向散射的烟雾浓度测量方法 0 后向散射法测量除尘器浓度的原理 散射是可观察的光与物的相互作用。通常所看到的物体的光是分散的。分散和人们的生活非常接近，因此人们对分散的研究慢慢的变多。随着经济的发展和环境的恶化，辐射法慢慢的受到重视。为了准确识别废水排放的浓度，慢慢的变多的分散法被大范围的应用于测定振动浓度和粒度的测量中。目前，前向散射法被普遍的使用，后向散射法很少报告。本文提出了一种通用于光谱分散法的光度强度测量技术。在理论分析和计算散射光强与噪声浓度之间的关系。在设计的这种易安装、高灵敏度、实时、在线、连续测量等优点上测量噪声浓度，并证明后向散射强度与噪声浓度之间的线 单颗粒散射系数的计算 图1是后向散射测量烟尘浓度原理图.一束强度为I0的入射光通过烟道中的烟尘颗粒后光强减弱,烟尘颗粒将其散射到各个方向,对于与入射光方向夹角在90°~270°范围内的这部分散射光被称为后向散射光.假设散射粒子为球形的,其直径为D,则其尺寸参量为k=πDλk=πDλ,研究证实,颗粒散射光的特性主要根据尺寸参量.当颗粒尺寸与入射光波长可以比拟时,散射光的强度由Mie散射理论来描述.目前,工业排放粉尘的粒径一般都在几百nm到几μm的范围内,基本上与常用的探测光波长处于同一数量级,所以能用Mie散射理论来计算 烟尘后向散射光强以达到对实际工业排放烟尘浓度测量的目的.根据Mie散射理论,当波长为λ,强度为I0的平行光束入射到颗粒粒径为D的球形粒子上时,则在空间与散射粒子距离为r处的散射光强I1为 I1=I0r2σ=I0λ28π2r2[i1(k,m,θ)+i2(k,m,θ)](1)Ι1=Ι0r2σ=Ι0λ28π2r2[i1(k,m,θ)+i2(k,m,θ)](1) 式(1)中σ为单颗粒的散射系数.鉴于目前工业粉尘在排放前,都经过了净化除尘,不仅使得排放出的尘粒粒径比较均匀,也使得排放出的粒子浓度比较低.这样,对于一个散射体来说,虽然散射体中的每一个粒子都是暴露在其他粒子的散射光之下的,它散射被散射过来的光的一部分,某些被一次散射的光在从散射体中射出去之前,可能经过多次散射,但在低烟尘浓度下做测量情况下,这对于从一次散射光中消除的光总量影响不大,因此,多次散射是可忽略的.而由于散射体中粒子随机的空间分布,就使得散射是互相独立和不相干的,因而在某一方向上的散射强度,就是散射体中各个粒子在这一方向上散射强度的相加.这时若单位体积内的颗粒数为N,则单位散射体的散射系数为Nσ.这里用颗粒的平均粒径来表示散射体中颗粒的粒径分布.那么当光入射到一个单位散射体上时,则在距离为r处的散射光强I2为 I2=I0r2Nσ=NI0λ28π2r2[i1(k,m,θ)+i2(k,m,θ)](2)Ι2=Ι0r2Νσ=ΝΙ0λ28π2r2[i1(k,m,θ)+i2(k,m,θ)](2) 在式(1)、(2)中,k为尺寸参量,m为被测颗粒折射率,θ为散射角(90°θ270°),i1(k,m,θ)和i2(k,m,θ)为散射强度函数,分别表示平行于与垂直于散射面的强度分量,可用散射振幅函数S1(k,m,θ),S2(k,m,θ)来分别表示 i1(k,m,θ)=S1(k,m,θ)2,i2(k,m,θ)= S2(k,m,θ)2(3) S1(k,m,θ)=∑n=1∞2n+1n(n+1){anπn(cosθ)+S1(k,m,θ)=∑n=1∞2n+1n(n+1){anπn(cosθ)+ bnτn(cosθ)} (4) S2(k,m,θ)=∑n=1∞2n+1n(n+1){anτn(cosθ)+S2(k,m,θ)=∑n=1∞2n+1n(n+1){anτn(cosθ)+ bnπn(cosθ)} (5) an、bn是与k、m有关的量,其值可由Ricattic-Bessel函数决定,πn、τn仅和散射角θ有关,可由勒让德(Legendre)函数给出.目前中国工业烟尘在排放前都经过了净化除尘,排放出的尘粒粒径比较均匀.这样由式(2)能够准确的看出,在入射波长λ、入射光强I0、探测距离r、被测粒径的尺寸参量k、折射率m以及后向散射角θ已知时,散射光强就与粒子数浓度成正比,这就是用光后向散射法测烟尘浓度的依据. 2 模拟烟道的工作原理 图2为光后向散射法测烟尘浓度的实验装置图.光源为三个波长为600 nm左右的高亮度发光二极管,经过会聚准直扩束系统后输出三束平行光,由幅度可调范围为 2.5~4.5 V的恒压源对其进行供电.由矢量锁相放大器(Stanford Research Systems Model SR830)输出的正弦信号加在恒压源上对发光二极管进行强度调制.三束直径为3 cm的光束在烟道内会聚形成一个长轴约为 18 cm,短轴约为3 cm的椭球状光散射区域,此椭球区域中心距离与其共轴的接收透镜(d=3 cm、f=8.5 cm)40 cm.这部分椭球状区域即为取样区域,图3为其光路图.这样,只有取样区域中的烟尘所散射的垂直于接受透镜的光,才能会聚到位于透镜焦点处的光电探测器上,而其它不垂直于透镜入射的散射光即使被透镜会聚,也不会被探测器探测到.这就基本上消除了其它杂散光对测量造成的影响.光电探测器将探测到的光转变为电信号,输入锁相放大器进行有关解调.计算机和锁相放大器相连,对结果进行记录保存并实时显示.本实验中采用的模拟烟道如图4是一个高为70 cm,直径为127.5 cm的圆柱和一个高为31.5 cm,底部直径为127.5 cm的圆锥焊接而成,圆柱上面配有封盖,封盖下部中心装有直径为50 cm,转速为1500转/分的风扇,当其转动时,烟道中的烟尘可以均匀分布于烟道中,圆柱面上距封盖35 cm处焊有一法兰,后向散射装置就架在这个法兰上. 3 模拟烟道之前的灵敏度测试 实验中发现调制相位以及调制频率都对此装置的灵敏度有影响,为了获得一个最佳的探测灵敏度,就要选择最佳调制相位和调制频率,调制频率的选择由发光二极管的最佳响应频率来决定.通过用Labview来控制锁相放大器和示波器,从示波器上采集获得信号强度随调制相位变化的关系如图5(a)以及随调制频率变化的关系如图5(b),得到在相位位于-20°, 调制频率位于104 Hz时,此装置具有最高的灵敏度.同时取样区域是由三束光会聚形成,光强较强,这就进一步提升了测量的灵敏度.图6为装置安装到模拟烟道之前它的灵敏度的测试图.将相位调于-20°,调制频率调于104 Hz,放出一股 烟雾(普通香烟所发出的烟雾),使其通过取样量区域,由于烟雾对光的后向散射,原本比较平稳的信号就产生了一个比较尖的脉冲,随着烟雾渐渐散去,信号又渐渐趋于平稳.这就验证了其高的灵敏度特性.实验中采用平均粒径约为5 μm左右的煤粉颗粒.由于烟道的容积一定,故可用某一时刻烟尘的累计质量来代表此时的烟尘浓度.实验结果如图7,结果显示后向散射信号强度与烟尘质量浓度具有非常好的线性关系.利用一元线性回归求得电信号强度V关于烟尘质量浓度M的线M.能够准确的看出,强度与浓度的比值系数为7.19*10-4.实验中入射光强约为1.12*104W/m2,尺寸参量k为52.3,散射角θ为3.047,折射率m为1.518,由式(2)计算所得的比值系数为6.56*10-4, 与实验结果的误差为8.83%,实验所得的线性回归方程和理论

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