文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.172221
中文引用格式: 孫靈芳,,張召鵬. 基于Mie散射低濃度煙塵檢測系統(tǒng)設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2018,,44(1):72-75.
英文引用格式: Sun Lingfang,,Zhang Zhaopeng. The design of low-concentration dust detection system based on Mie scattering theory[J]. Application of Electronic Technique,2018,,44(1):72-75.
0 引言
燃煤電廠發(fā)電過程中會產(chǎn)生大量的煙塵顆粒物,,經(jīng)過濾除塵后煙塵顆粒物的濃度低,、粒徑小,在空氣中漂浮的時間長[1],,通過呼吸進(jìn)入人體內(nèi),,會對人的健康造成很大傷害,也會對無塵度要求較高的工業(yè)生產(chǎn)造成不良影響[2],。因此,,設(shè)計一款性能穩(wěn)定、能夠?qū)崟r監(jiān)測低濃度煙塵的系統(tǒng)具有重要意義,。
系統(tǒng)以Mie散射為理論基礎(chǔ),,它表述了光在微小顆粒物表面發(fā)生散射的規(guī)律[3]。相比較其他原理的測量方法,,基于光散射法的檢測設(shè)備具有自動化程度高,、儀器體積小、可以直接獲得測量結(jié)果等優(yōu)點[4],,本文結(jié)合激光調(diào)制,、微弱信號處理以及嵌入式等技術(shù),設(shè)計了一款能夠在線測量的低濃度煙塵檢測系統(tǒng),。
1 Mie散射檢測原理
經(jīng)過濾除塵后,,煙塵粒徑多數(shù)集中在0.2~10 μm之間,形狀多為球體[5],。此時粒子粒徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于粒子間的距離,,這樣就可以忽略粒子間的散射,把待測區(qū)的散射光強(qiáng)看成一個整體[6],,符合Rosin-Rammler分布,,其分布函數(shù)為:
式中x和N是描述煙塵粒子分布的特征參數(shù),x表示為粒徑大于x的粒子數(shù)占粒子體積的36.8%,,N大小反映了粒子粒徑的分布程度,;N越大表示粒子粒徑越集中[7];d為粒子直徑,,T是分布函數(shù),,其導(dǎo)數(shù)的意義表示粒徑為d的煙塵顆粒在整個煙塵顆粒群中的比例,公式為:
若待測區(qū)的體積為V,,煙塵質(zhì)量濃度為A mg/m3,,密度為ρ,煙塵顆??傮w積為V煙塵,,則關(guān)系式如下:
對于確定的煙塵排放源,σ中的各參數(shù)為已知量,,則可由式(6)得出總散射光強(qiáng)I總與煙塵濃度A為一次線性關(guān)系,,這也是本檢測系統(tǒng)的理論依據(jù),。
2 系統(tǒng)設(shè)計方案
本系統(tǒng)主要由四部分組成:激光發(fā)射單元、信號接收單元,、STM32數(shù)據(jù)處理單元以及上位機(jī)軟件,。激光器在調(diào)制信號驅(qū)動下發(fā)出調(diào)制激光,通過擴(kuò)束鏡照射到待測煙塵區(qū)發(fā)生散射,,散射光通過聚光鏡匯集到光電探測器轉(zhuǎn)換為電信號,,電信號經(jīng)過放大濾波、A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)入STM32處理單元進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,,最后通過串口送入上位機(jī)進(jìn)行實時顯示并存儲,。系統(tǒng)設(shè)計方案如圖1所示。
2.1 激光發(fā)射單元
激光發(fā)射單元主要包括:LD激光器,、基準(zhǔn)電壓源電路,、信號調(diào)制電路、激光器電流驅(qū)動電路,。
系統(tǒng)選用波長為650 nm的LD激光器作為激光光源,此時激光波長和煙塵粒徑大小為同一數(shù)量級,,滿足Mie散射的理論要求[8],。基準(zhǔn)源選用LM399高精度基準(zhǔn)電壓源[9],,基準(zhǔn)電壓為6.95 V,,通過電位器分壓和低通濾波器消噪,獲得3 V直流偏置電壓,。信號調(diào)制選用高頻精密函數(shù)信號發(fā)生器MAX038,,產(chǎn)生200 Hz頻率的正弦信號[10],經(jīng)濾波后輸出2 V調(diào)制電壓,。電路中的AR1和AR2為LM393電壓跟隨器,,用于提高電路的輸入阻抗以及防止前后級的互相影響。直流偏置電壓Vb和信號調(diào)制電壓Vm通過低噪聲,、零漂移的OPA188運(yùn)放芯片疊加,,產(chǎn)生5 V激光調(diào)制電壓信號。恒流源電路是由運(yùn)放AR4和AR5組成的負(fù)反饋電路,,電路中利用NPN型三極管的電流放大特性進(jìn)行擴(kuò)流輸出,,最終獲得40 mA激光驅(qū)動電流。驅(qū)動電路如圖2所示,。
2.2 信號接收單元
信號接收單元主要包括:光電探測器,、I-V轉(zhuǎn)換放大電路、濾波電路,。
系統(tǒng)選用型號為S1787-12高速響應(yīng)硅光電二極管(PIN)作為探測器,,在波長為650 nm時感光靈敏度可達(dá)最高值0.4 A/W,。經(jīng)過光電探測器轉(zhuǎn)換的電信號十分微弱,對此信號的處理不能只是簡單地放大,,而是在放大有用信號的同時能夠具備抑制噪聲的能力,。前置I-V轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計是為了方便對檢測信號進(jìn)行處理,但轉(zhuǎn)換中會產(chǎn)生一定的噪聲和偏置電流,,可能導(dǎo)致后續(xù)放大電路產(chǎn)生誤差,,為了消除這種影響,電路采用T型反饋網(wǎng)絡(luò),,轉(zhuǎn)換芯片選用高精度OPA277運(yùn)算放大器,。微弱信號放大部分,設(shè)計二級放大電路,,放大倍數(shù)可達(dá)100×10倍,。但實際上放大器本身也存在一定的噪聲,所以放大電路可通過可調(diào)電阻R21根據(jù)實際測量靈敏度來確定最合適的放大倍數(shù),。偏置調(diào)節(jié)的作用是通過減法器給交流信號疊加直流偏移,。電路如圖3所示。
濾波電路對提高整個信號檢測單元的信噪比起著決定性的作用,,設(shè)計二級二階無限增益多路負(fù)反饋帶通濾波電路,,第一級電路中心頻率為202 Hz,第二級電路通過R29調(diào)整為200 Hz,,運(yùn)算放大器選用噪聲低,、穩(wěn)定性好的AD8039芯片,采用反相接法,,反相輸入端的開環(huán)增益無限大,,可視為虛地,輸出端由電阻和電容構(gòu)成兩條反饋支路,,理論上該電路的品質(zhì)因數(shù)Q可以達(dá)到理想值,。電路如圖4所示。
2.3 STM32數(shù)據(jù)處理單元
STM32數(shù)據(jù)處理單元主要包括:STM32F103,、供電電路,、JTAG程序接口、A/D轉(zhuǎn)換輸入接口,、串口模塊,、數(shù)據(jù)存儲模塊。
處理器選用的是STM32F103ZET6芯片,,此芯片具有高速嵌入式存儲器以及先進(jìn)的通信接口[11],。供電電源選用AX1117-3.3 V芯片;JTAG程序下載接口用于系統(tǒng)硬件仿真及在線調(diào)制功能,;串口模塊選用RS232芯片實現(xiàn)單片機(jī)與上位機(jī)的通信,;數(shù)據(jù)存儲模塊選用的是電可擦除存儲芯片F(xiàn)M24C02,,可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲和壓縮,以便后續(xù)分析及處理,。結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示,。
2.4 上位機(jī)軟件設(shè)計
本系統(tǒng)上位機(jī)利用LabVIEW軟件開發(fā),上位機(jī)界面中設(shè)計了數(shù)據(jù)波形與數(shù)值顯示窗口,、串口調(diào)試窗口以及數(shù)據(jù)存儲控鍵,。顯示界面如圖6所示。
圖中曲線表示未加入煙塵的檢測結(jié)果,,為了便于觀察輸入電壓量的變化,,縱坐標(biāo)的量程大小設(shè)置為可調(diào),量程范圍0~3.3 V,。
3 實驗結(jié)果
為了驗證低濃度煙塵檢測裝置的靈敏度與準(zhǔn)確性,,本文進(jìn)行了靈敏度及曲線標(biāo)定實驗。實驗選用鍋爐燃燒產(chǎn)生的粉煤灰顆粒,,實驗環(huán)境為自制的圓柱形模擬煙道,,煙道的體積為0.785 m3,可以通過加入不同質(zhì)量的粉煤灰顆粒物求出煙道內(nèi)的粉煤灰濃度,,作為標(biāo)準(zhǔn)濃度,,利用標(biāo)準(zhǔn)濃度和實際測量值進(jìn)行比較計算誤差。
3.1 靈敏度實驗
安裝實驗裝置,,通過煙道頂端小口向內(nèi)散落少量粉煤灰顆粒物,經(jīng)過激光光束時會產(chǎn)生散射,,實驗結(jié)果如圖7所示,。
從圖中可以看到,當(dāng)粉煤灰經(jīng)過激光光束時,,探測器接收電信號會有明顯的變大,,隨著粉煤灰的下落,電信號又逐漸恢復(fù)到初始值,,說明系統(tǒng)對低濃度粉煤灰顆粒物的后向散射信號敏感性較好,,可以用于低濃度煙塵測量。
3.2 曲線標(biāo)定實驗
為了檢驗系統(tǒng)的準(zhǔn)確性以及驗證光散射產(chǎn)生的模擬電壓量與粉煤灰濃度成一次線性關(guān)系,,設(shè)計兩組不同遞增量的測量實驗,。粉煤灰質(zhì)量在0~250 mg范圍內(nèi)遞增量設(shè)定為25 mg,在250~750 mg范圍內(nèi)遞增量設(shè)定為50 mg,,每組質(zhì)量測量時間為200 s,,每秒記錄一個數(shù)據(jù),計算200個數(shù)據(jù)的平均值,,每次實驗后要對模擬煙道進(jìn)行清理再進(jìn)行下次實驗,。實驗結(jié)果如表1所示,。
對表1中粉煤灰濃度與輸出電壓平均值進(jìn)行線性擬合,擬合標(biāo)定曲線如圖8所示,。從圖中可以看出,,粉煤灰濃度與電壓平均值有著明顯的一次線性關(guān)系,設(shè)線性方程為y=kx+b,,通過線性最小二乘法計算可得曲線標(biāo)定方程為:
式中,,y表示煙塵濃度值(mg/m3),x表示輸出電壓值(mV),。
首先對表中每組200個測量值計算平均誤差,,可得誤差范圍為0.31%~1.26%,變化范圍較小,,則系統(tǒng)重復(fù)性良好,;再通過標(biāo)定曲線計算測量濃度與標(biāo)準(zhǔn)濃度之間的誤差為4.42%。產(chǎn)生誤差的主要原因有:(1)人為因素造成,,每次測量結(jié)束后清洗過程不仔細(xì)造成顆粒物殘留,;(2)每次加入的粉煤灰質(zhì)量一定,但顆粒物粒徑大小是在一定范圍內(nèi)變化的,,這樣也會影響輸出的電壓值,。
4 結(jié)論
本文以Mie散射理論為基礎(chǔ),設(shè)計一款可以用于低濃度煙塵檢測的系統(tǒng),。通過實驗驗證了此系統(tǒng)在低濃度情況下有良好的靈敏度和重復(fù)性,,利用虛擬儀器技術(shù)設(shè)計了上位機(jī)顯示界面,能夠?qū)崟r監(jiān)測煙塵濃度變化,。實驗結(jié)果表明:煙塵濃度與輸出電壓量呈明顯的線性關(guān)系,,測量濃度與標(biāo)準(zhǔn)濃度的偏差為4.42%,在國際標(biāo)準(zhǔn)誤差規(guī)定的范圍內(nèi),,可以應(yīng)用于燃煤電廠低濃度煙塵排放的測量,。
參考文獻(xiàn)
[1] 賀晉瑜,燕麗,,雷宇,,等.我國燃煤電廠顆粒物排放特征[J].環(huán)境科學(xué)研究,2015,,28(2):862-868.
[2] 梁秀進(jìn),,陳劍,孟瑩,,等.4個典型煤種的可吸入顆粒物排放研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報,,2013,33(30):117-121.
[3] 張偉,路遠(yuǎn),,杜石明,,等.球形粒子Mie散射特性分析[J].光學(xué)技術(shù),2010,,36(6):936-939.
[4] 葉超,,孟睿,葛寶臻.基于光散射的粒子測量方法綜述[J].激光與紅外,,2015,,45(4):344-347.
[5] 張軍,鄭成航,,張涌新,,等.某1000MV燃煤機(jī)組超低排放電廠煙氣污染物排放測試及其特性分析[J].中國電機(jī)工程學(xué)報,2016,,36(5):1310-1314.
[6] 吳玉渠.基于光散射的煙塵濃度檢測裝置及實驗研究[D].哈爾濱:哈爾濱理工大學(xué),,2013.
[7] GONZALEZ-TELLO P,CAMACHO F,,VICARIA J M,,et al.A modified Nukiyama–Tanasawa distribution function and a Rosin-Rammler model for the particle-size-distribution analysis[J].Power Technology,2008,,186(3):278-281.
[8] 楊穎,,黃竹青,曹小玲.偏振狀態(tài)下微粒的Mie散射特性研究[J].激光與紅外,,2013,,43(12):1376-1379.
[9] 陳太洪.基于LM399的高精密度穩(wěn)壓電源[J].工礦自動化,2006,,42(3):42-44.
[10] 黃慶彩,,祖靜,裴東興.基于MAX038的函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計[J].儀器儀表學(xué)報,,2004,25(4):321-322.
[11] 王晨輝,,吳悅,,楊凱.基于STM32的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2016,,42(1):51-53.