具有自适应测量功能的空气粉尘测量仪设计

2011-08-09 09:26:50来源: 互联网

0引言

粉尘即空气中的悬浮颗粒物,其大小在0.01~20 μm范围内。环境保护部门将空气动力学当量直径大于10 μm的悬浮颗粒称为可见粉尘,它们在静止空气中会快速沉降;空气动力学当量直径小于等于10 μm的悬浮颗粒称为可吸入颗粒物;空气动力学当量直径小于等于7.07 μm的颗粒物称为呼吸性颗粒。

随着国民经济的快速发展,粉尘污染越来越严重。目前我国大气呈煤烟型污染,许多城市空气中的总悬浮颗粒物(TSP)长期居高不下,与世界卫生组织所给的空气质量标准相差甚远。粉尘对人类危害极大,尤其是小粒径颗粒物,因为小粒径颗粒物能长时间飘浮在大气中,难以沉降到地面,易进入人体呼吸道,且粒径越小,在人体呼吸道中的沉降位置越深,危害就越大。因此粉尘浓度的测量在环境保护领域中具有十分重要的意义,是迫切需要解决的问题。

测量粉尘浓度的方法各式各样,大致有两种类型:基于取样的方法进行测量(如滤膜称重法)和基于非取样的方法进行测量(如光散射法)。近年来国内外均采用光散射原理进行粉尘浓度测量,该测量方法可以实时在线测量,直接获取测量结果,并可以实现数据存储、数据输出、自动测量、通信等功能;体积小、重量轻、操作简便、稳定性高、可靠性高也是该类仪器的明显优点。

1光学粉尘测量仪的工作原理与硬件组成

理论和实验研究表明,在粉尘性质一定的条件下,粉尘的散射光强度与其质量浓度成某种比例关系。粉尘浓度测量仪正是依据这一理论进行设计,它以悬浮颗粒物(粉尘)在光束中产生的光散射现象为原理,直接准确测量空气中悬浮颗粒物的相对质量浓度。根据光散射原理,当尘埃颗粒的半径r小于光的波长λ时满足式(1):


式中:V=(4/3)πr3;N为单位体积内的粒子数;ε为空气中的介电常数;ε0为真空中的介电常数;θ为散射角;R为光敏感区到光电转换器的距离;r为粒子的半径;I0为人射光强;λ为光源的波长;H为与测量系统几何尺寸有关的一个常数。

显然,在某一测量系统中λ,ε,ε0,θ,R,I0可以认为是常数,由于进行质量浓度测量时,尘埃颗粒是数颗一起通过光敏感区,因此在入射光强保持不变的情况下,散射光强Iθ与V,N相关。

光学粉尘测量仪主要由光学传感器、信号调理单元、模数转换单元、微机控制、通信接口、气路系统、电源系统等组成。其总体硬件结构如图1所示。


粉尘浓度测量的工作过程如下:

(1)测量开始由气泵将被测空气抽人光学传感器。光学传感器由照明系统、散射光收集系统组成,这两个系统的轴线与采样气流的轴线相互垂直,交点周围的一个小区域是测量系统的光敏感区,它是粉尘流过时得到照明并产生散射光的位置。半导体激光器发出的光波穿过具有粉尘的被测区域后,光电二极管将散射光信号转换成电信号。

(2)光电转换后的信号极其微弱,因此需通过信号调理电路对获得的信号进行处理和放大,以满足A/D转换接口的需要。

(3)信号经A/D转换器转换后,送微处理器。

(4)微处理器对采集到的数据实时进行计算,并自动生成当前粉尘浓度值,同时将数据进行存储、显示,根据需要对测量结果进行打印或将数据传送至PC机。

2自适应测量功能

粉尘测量仪的光电转换电路和信号调理电路如图2所示,其中运算放大器1为前置放大,功能是完成I/V转换,并将信号放大。运算放大器2完成信号调理和放大。由于粉尘测量仪的测量范围很宽,一般为0.01~20 mg/m3,在这样宽范围内保持测量数据的线性和准确,使用常规的放大电路是较为困难的。这是因为要保证在极低浓度时测量准确,必然要将放大器设计成很高的增益,然而当粉尘浓度达到3 mg/m3时,放大器几乎达到饱和,因此按常规设计方案不能满足0.01~20 mg/m3的测量范围。为此,设计了一个硬件和软件相结合,能完成自适应测量功能的信号调理电路,如图3所示。

图3电路是一个8选1程控放大器,放大器的放大倍率通过程序控制可分为1,2,4,5,10,20,30,50,自适应测量功能的实现如下:当仪器进入测量微处理器发出控制命令,使程控放大器处于放大倍率50状态,读取数据后判断程控放大器是否处于最佳的工作状态,若发现溢出或不在最佳的工作状态,则改变程控放大器的放大倍率,使其进入最佳的工作状态,为了使测量数据统一,可以通过软件进行修正。测量控制软件的流程如图4所示。

[1] [2]

关键字:测量功能  空气粉尘测量仪

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2011/0809/article_3179.html
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