用光学计数方法检测排烟粉尘尺寸分布及浓度

　　一、引言

　　粒度测量一直是工业测量中一个十分令人感兴趣的领域。例如在微电子工业制造的污染物控制,石油业的注水水质检测,医药行业的药品纯度控制等等。在热工领域,这项技术得到广泛应用:锅炉排烟浓度的监控,汽轮机中高压蒸汽水颗粒的大小,静电除尘器的运行效率等等。在测量中,人们感兴趣的是粒子群的尺度分布及浓度的大小。旧有的测量设备最多的是采样称重法[1]。但是此法劳动强度大、效率低、不能在线反应浓度大小。而非接触测量是一种很好的测量方法,例如光学浊度计[2]就已经得到广泛应用。它是利用消光原理,通过测量入射光和投射光的大小来计算烟尘浓度,甚至可以反算粒径分布。但是消光法从理论上说只对10微米以下的粒子成立,对较大颗粒并不准确,需要作出大量修正和假定,结果不能让人满意。另一种广泛应用的光学测量方法是粒子群的散射测量[3]。这种方法是测量粒子云的散射光的总和,然后进行分析计算,反演出粒径及浓度。但是这种方法的反演算法是十分复杂的,不仅耗时而且不准确。

　　随着科学技术的进步使人们对污染物的控制提出了更高的要求,所以对测量仪器要求也更为苛刻。本文介绍的光学粒子计数测量方法就是一种较为先进的测量手段。该方法是利用测量气固两相流流场之中粒子运动时通过激光光束聚焦点时的散射光强来计数粒子的尺寸和个数。从而得出粒子群的分布及浓度。这种测量方法在国外已有报道[4],但国内此方面的工作尚未开憎爱分明。通过本文的分析介绍,可以看出这种粒子计数器具有明显优点:测量方法简单可靠,计算量小,测径范围可达1~100微米,数密度上限,相当于燃煤粉尘质量浓度。这足以满足绝大部分情况下测量排烟粉尘径和浓度的需要。

　　二、数学模型

　　测量原理如图1所示,激光器发出一准直光束,经过空间滤波、准直聚集透镜,在测量区中形成一极细小的焦点。几何上光学中的焦点没有大小,但实际上是具有一定直径的一段光柱。当粒子穿过焦点光柱时,会发生散射现象。假设现在的测量对象是均质球形颗粒,焦点光速可近似视为平面光波。那么粒子产生的散射光在空间的分布可以写成[5]:

　　其中i1,i2分别是强度函数,和粒径、折射率、折射角度等有关,由Mie公式给出[5];Ω是收集透镜所对的空间角的大小。

　　三　测量可行性分析

　　应该指出,每一个微尘的光学特性并非一致。例如不同的粒子有不同的折射率和吸收率。那么其散射光强分布也互不相同。根据公式(2),如果对大量的不同折射率和吸收率的粒子进行计算,会发现粒径d和散射光能E之间存在十分近似的关系,如图2所示。经过曲线拟和可以发现E近似和粒径成正比关系,即。