一种排放烟尘浓度和粒度的在线测量装置及其测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于监测排放烟尘浓度和粒度的在线测量装置及其测量方法，特 别涉及用于超低排放烟尘的在线监测的一种基于烟尘颗粒前向和后向光散射，用图像法测 量的在线测量装置及其测量方法。
【背景技术】
[0002] 燃煤电厂燃烧煤炭产生大量烟尘烟气，直接排放到大气将会产生极大的环境污 染。为此，燃煤电厂都安装了脱硫脱氮和除尘装置，以减少排放的烟尘和烟气。为进一步减 少燃煤电厂的烟尘排放，越来越多的电厂采用超低排放减排措施，大幅度减低了电厂的烟 尘排放浓度。但这致使现有的用于电厂烟尘排放浓度监测的仪器因最低测量下限高于或接 近于电厂采取超低排放减排措施后的实际排放浓度而无法应用。同时，现有的烟尘排放测 量装置大都是采用抽取取样方式，受烟气中饱和水蒸气的影响，取样必须加热，以防止水蒸 气凝结对测量结果产生影响。
[0003] 目前采用的烟尘浓度测量装置有根据β射线原理和振荡天平原理的测量装置，以 及测量烟尘散射光强度等的测量装置。
[0004] β射线测量的基本原理是当含烟尘的烟气流过一滤膜时，烟尘被过滤在滤膜上，经 过一定时间后，用β射线入射到该滤膜过滤出的烟尘上，透射的β射线的衰减程度与烟尘质 量有关，根据它们之间的关系和流过的烟气流量，以及过滤时间，可以得到烟尘浓度。但该 方法必须采用抽吸取样系统将含有烟尘的烟气抽到测量装置中，不能在线测量，且测量时 间长，获得测量结果需要较长时间，无法实现实时测量。
[0005] 振荡天平的基本原理是仪器传感器的振荡频率受到收集到的烟尘质量的影响而 发射变化，其频率变化多少与烟尘质量有关。因此根据测得的频率变化就可以得到烟尘的 质量浓度。但该方法同样不能用于直接在线测量，要用抽吸取样方式，且获得测量结果时间 很长，无法实现实时监测。
[0006] 光散射原理的烟尘测量仪器是一束激光照射到流过的烟气，烟气中的烟尘颗粒在 激光照射下会产生散射，透过的光强就会衰减。通过测量透射光的衰减和在特定角度上的 散射光强，并对此进行标定，就可以得到烟尘浓度。该方法可以实现实时在线测量，但因为 散射光远弱于透射光，在超低排放时，散射光强很难准确测量，也就难以得到准确的结果。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的是为了克服现有技术的缺点，提供一种用图像法测量的排放烟尘浓 度和粒度的在线测量装置。它可以测量极低烟尘浓度。
[0008] 当烟尘颗粒在激光入射下，会发生散射，即部分光会改变传播方向，向各个方向传 播。其各个方向散射的光强与散射颗粒的大小，散射的角度，颗粒的折射率有关，可以用米 氏光散射理论描述，散射光强还与激光照射的颗粒的数量(浓度)有关。
[0009] 图1是不同大小颗粒散射光强的空间分布规律图。从图1可以看出，对于同样大小 的颗粒，其前后向散射光强是不同的，如果测量其前后向散射光强，就可以根据米氏光散射 理论反演计算得到颗粒的大小，进一步得到颗粒的浓度。
[0010] 本发明的基本原理是将图像法测量和前后向激光散射方法相结合，用面阵图像传 感器测量被测烟尘在激光入射到烟气时烟尘的前向和后向散射光，然后根据光散射理论对 得到的散射光信号进行处理，获得烟尘的浓度。
[0011] 式（1)给出了根据测得的入射光强I和经颗粒散射后的前向0度角透射光强1〇得到 颗粒数量浓度N的关系式：
[0012]
⑴.
[0013]式⑴中L是光程长度，N是颗粒的数量浓度，D是颗粒的粒径，E是消光系数，是测量 光波长λ，被测颗粒的折射率m和被测颗粒的粒度D的函数，由米氏光散射理论求得。
[0014]如果在非前向0度角测量颗粒的散射光强，则根据光散射米氏理论可以由式(2)计 算得到散射光的空间光强分布，在确定的散射角Θ测得散射光强Isc；a，同样可以求得烟尘颗 粒的粒度D和数量浓度N。
[0015] (2)
[0016] ：PW; w疋糊?#」儿Hi 1不OT15&·丨n」ltd 1?，i 1和i2分别是散射光强函数，是散射 角Θ、无因次颗粒尺寸参数α和颗粒折射率的函数，由米氏光散射理论求得，无因次颗粒尺寸 参数& =邱八。0 = 〇度是前向，θ = 180称为后向，当Θ大于〇,小于90度时，称为前侧向，Θ大于 90度，小于180度，称为后侧向，Θ = 90度称为侧向。
[0017] 但在超低排放中，不仅烟尘的浓度很低，而且烟尘的颗粒粒度很小，致使散射光强 很弱，不易准确测量。这就导致目前基于光散射原理的烟尘排放测量仪器的测量下限较大， 不能满足超低排放烟尘监测的要求。为解决低散射光强测量的问题，本发明的技术方案是 采用面阵图像传感器作为散射光强的测量器件。由于传感原理不同，对于极弱的散射光，面 阵图像传感器可以用增加曝光(积分)时间来进行测量，获得高信噪比的散射光信号。面阵 图像传感器作为测量元件，一束激光从被测烟尘的一端射入，烟尘就会散射入射激光，在激 光束的前向，或者前侧向，或者后侧向，或后向布置面阵图像传感器测量烟尘颗粒的散射光 强。在烟尘颗粒浓度很低，散射光强较弱时，增加面阵图像传感器的曝光时间，在烟尘颗粒 浓度较高，散射光强较强时，缩短曝光时间。当入射激光束的光强已知，并且烟气中烟尘颗 粒浓度已知时，在确定的曝光时间下，面阵图像传感器可以得到确定的烟尘散射光束的光 强。在保持其它参数不变的情况下，仅改变烟尘浓度，图像传感器可以测得不同的烟尘散射 光强，由此可以得到烟尘散射光强与烟尘浓度间的关系曲线。在实际烟尘监测时，根据测得 的烟尘散射光强，就可以由该散射光强与烟尘浓度的关系曲线得到排放烟尘的浓度C。
[0018] C = aF (3)
[0019]式(3)中C是烟尘浓度，a是根据实验室标定，在确定的入射激光功率、侧向测量散 射角Θ、图像传感器曝光时间τ确定的系数，F是由图像传感器得到的烟尘散射光强的灰度 值。
[0020] 基于上述测量原理，本发明的技术方案是：
[0021] -种排放烟尘浓度和粒度的在线测量装置，其特点是，该装置包括激光器、面阵图 像传感器和计算机，激光器发出的激光束入射到被测烟尘后，部分光被烟尘颗粒散射，这部 分散射光相对于面阵图像传感器属后侧向散射光，所述的后侧向散射光被置于激光束入射 方向后侧的面阵图像传感器接收，图像传感器将测得的后侧向散射光信号送入计算机进行 数据处理，得到烟尘的浓度。
[0022] 上述的用图像法测量的排放烟尘浓度和粒度的在线测量装置，在激光器发出的激 光束入射方向，被测烟尘的前端置有反射镜，激光器发出的激光束入射到被测烟尘后，部分 光被烟尘颗粒散射，这部分散射光相对于面阵图像传感器属后侧向散射光，其透射激光光 束被反射镜反射，再次入射到烟尘，部分光再次被烟尘颗粒散射，这部分散射光相对于面阵 图像传感器属前侧向散射光，所述后侧向散射光和前侧向散射光同时被面阵图像传感器接 收后，送入计算机进行数据处理，得到烟尘颗粒的粒度和浓度。
[0023] 以上所述的排放烟尘浓度和粒度的在线测量装置，在所述激光器前置有半透半反 镜，激光束经半透半反镜后，部分光被反射到90度方向，被90度方向置有的第一光电探测器 件监测，得到激光器的发射光强，透射光束则入射到烟尘，部分被散射，部分透射，透射光被 反射镜反射后，再次入射到烟尘，部分被烟尘再次散射，其透射光部分入射到半透半反镜 后，部分光被反射到270度方向，被270度方向置有的第二光电探测器件监测，得到被烟尘散 射吸收后的衰减光强;第一光电探测器和第二光电探测器测得的光强信号与面阵图像传感 器得到的烟尘散射光信号都送入计算机进行数据处理，可以得到光强补偿后的准确的烟尘 浓度和粒度处理结果。
[0024] 在以上所述的用图像法测量的排放烟尘浓度和粒度的在线测量装置中所用的反 射镜为角锥、平面反射镜、凹面反射镜或转向棱镜。
[0025] 在以上所述的在线测量装置中置有两个激光器，所述两个激光器置于被测烟尘烟 道两侧，相对布置，第一激光器发出的第一激光束入射到烟尘，部分光被烟尘散射，第二激 光器发出的第二激光束入射到烟尘，部分光同样被烟尘散射，第一激光束和第二激光束的 烟尘散射光相对于面阵图像传感器而言分别是后侧向散射光和前侧向散射光，后侧向散射 光和前侧向散射光同时被面阵图像传感器接收后，送入计算机进行数据处理，得到烟尘颗 粒的粒度和浓度。
[0026] 所述的第一激光器1和第二激光器为连续发光的激光器或脉冲发光的激光器。
[0027] 以上所述的用图像法测量的排放烟尘浓度和粒度的在线测量装置中所用的面阵 图像传感器为C⑶或CMOS器件，或由C⑶或CMOS器件构成的数码相机。
[0028] -种利用上述装置测量排放烟尘浓度和粒度的在线测量方法，其特点是，该方法 步骤为：
[0029] (1)激光光源发出的激光束从测量区的一端入射到测量区，测量区有被测量的含 有烟尘的烟气通过；
[0030] (2)安装在激光侧向的图像传感器拍摄烟尘颗粒对激光的散射光图像；
[0031] (3)图像传感器将测得的散射光信号送入计算机进行数据处理：
[0032] a.将拍摄到的烟尘散射光图像进行分析，得到散射光图像的光强值；
[0033] b