具有自適應(yīng)測量功能的空氣粉塵測量儀設(shè)計(jì)
[導(dǎo)讀]近年來國內(nèi)外均采用光散射原理進(jìn)行粉塵濃度測量，該測量方法可以實(shí)時(shí)在線測量，直接獲取測量結(jié)果，并可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)輸出、自動(dòng)測量、通信等功能；體積小、重量輕、操作簡便、穩(wěn)定性高、可靠性高也是該類儀器的明顯優(yōu)點(diǎn)。
0引言
粉塵即空氣中的懸浮顆粒物，其大小在0.01～20 μm范圍內(nèi)。環(huán)境保護(hù)部門將空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑大于10 μm的懸浮顆粒稱為可見粉塵，它們?cè)陟o止空氣中會(huì)快速沉降；空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑小于等于10 μm的懸浮顆粒稱為可吸入顆粒物；空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑小于等于7.07 μm的顆粒物稱為呼吸性顆粒。
隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，粉塵污染越來越嚴(yán)重。目前我國大氣呈煤煙型污染，許多城市空氣中的總懸浮顆粒物(TSP)長期居高不下，與世界衛(wèi)生組織所給的空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)相差甚遠(yuǎn)。粉塵對(duì)人類危害極大，尤其是小粒徑顆粒物，因?yàn)樾×筋w粒物能長時(shí)間飄浮在大氣中，難以沉降到地面，易進(jìn)入人體呼吸道，且粒徑越小，在人體呼吸道中的沉降位置越深，危害就越大。因此粉塵濃度的測量在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域中具有十分重要的意義，是迫切需要解決的問題。
測量粉塵濃度的方法各式各樣，大致有兩種類型：基于取樣的方法進(jìn)行測量(如濾膜稱重法)和基于非取樣的方法進(jìn)行測量(如光散射法)。近年來國內(nèi)外均采用光散射原理進(jìn)行粉塵濃度測量，該測量方法可以實(shí)時(shí)在線測量，直接獲取測量結(jié)果，并可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)輸出、自動(dòng)測量、通信等功能；體積小、重量輕、操作簡便、穩(wěn)定性高、可靠性高也是該類儀器的明顯優(yōu)點(diǎn)。
1光學(xué)粉塵測量儀的工作原理與硬件組成
理論和實(shí)驗(yàn)研究表明，在粉塵性質(zhì)一定的條件下，粉塵的散射光強(qiáng)度與其質(zhì)量濃度成某種比例關(guān)系。粉塵濃度測量儀正是依據(jù)這一理論進(jìn)行設(shè)計(jì)，它以懸浮顆粒物(粉塵)在光束中產(chǎn)生的光散射現(xiàn)象為原理，直接準(zhǔn)確測量空氣中懸浮顆粒物的相對(duì)質(zhì)量濃度。根據(jù)光散射原理，當(dāng)塵埃顆粒的半徑r小于光的波長λ時(shí)滿足式(1)：
式中：V=(4／3)πr3；N為單位體積內(nèi)的粒子數(shù)；ε為空氣中的介電常數(shù)；ε0為真空中的介電常數(shù)；θ為散射角；R為光敏感區(qū)到光電轉(zhuǎn)換器的距離；r為粒子的半徑；I0為人射光強(qiáng)；λ為光源的波長；H為與測量系統(tǒng)幾何尺寸有關(guān)的一個(gè)常數(shù)。
顯然，在某一測量系統(tǒng)中λ，ε，ε0，θ，R，I0可以認(rèn)為是常數(shù)，由于進(jìn)行質(zhì)量濃度測量時(shí)，塵埃顆粒是數(shù)顆一起通過光敏感區(qū)，因此在入射光強(qiáng)保持不變的情況下，散射光強(qiáng)Iθ與V，N相關(guān)。
光學(xué)粉塵測量儀主要由光學(xué)傳感器、信號(hào)調(diào)理單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、微機(jī)控制、通信接口、氣路系統(tǒng)、電源系統(tǒng)等組成。其總體硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。
粉塵濃度測量的工作過程如下：
(1)測量開始由氣泵將被測空氣抽人光學(xué)傳感器。光學(xué)傳感器由照明系統(tǒng)、散射光收集系統(tǒng)組成，這兩個(gè)系統(tǒng)的軸線與采樣氣流的軸線相互垂直，交點(diǎn)周圍的一個(gè)小區(qū)域是測量系統(tǒng)的光敏感區(qū)，它是粉塵流過時(shí)得到照明并產(chǎn)生散射光的位置。半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光波穿過具有粉塵的被測區(qū)域后，光電二極管將散射光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。
(2)光電轉(zhuǎn)換后的信號(hào)極其微弱，因此需通過信號(hào)調(diào)理電路對(duì)獲得的信號(hào)進(jìn)行處理和放大，以滿足A／D轉(zhuǎn)換接口的需要。
(3)信號(hào)經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后，送微處理器。
(4)微處理器對(duì)采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)進(jìn)行計(jì)算，并自動(dòng)生成當(dāng)前粉塵濃度值，同時(shí)將數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、顯示，根據(jù)需要對(duì)測量結(jié)果進(jìn)行打印或?qū)?shù)據(jù)傳送至PC機(jī)。
2自適應(yīng)測量功能
粉塵測量儀的光電轉(zhuǎn)換電路和信號(hào)調(diào)理電路如圖2所示，其中運(yùn)算放大器1為前置放大，功能是完成I／V轉(zhuǎn)換，并將信號(hào)放大。運(yùn)算放大器2完成信號(hào)調(diào)理和放大。由于粉塵測量儀的測量范圍很寬，一般為0.01～20 mg／m3，在這樣寬范圍內(nèi)保持測量數(shù)據(jù)的線性和準(zhǔn)確，使用常規(guī)的放大電路是較為困難的。這是因?yàn)橐ＷC在極低濃度時(shí)測量準(zhǔn)確，必然要將放大器設(shè)計(jì)成很高的增益，然而當(dāng)粉塵濃度達(dá)到3 mg／m3時(shí)，放大器幾乎達(dá)到飽和，因此按常規(guī)設(shè)計(jì)方案不能滿足0.01～20 mg／m3的測量范圍。為此，設(shè)計(jì)了一個(gè)硬件和軟件相結(jié)合，能完成自適應(yīng)測量功能的信號(hào)調(diào)理電路，如圖3所示。
圖3電路是一個(gè)8選1程控放大器，放大器的放大倍率通過程序控制可分為1，2，4，5，10，20，30，50，自適應(yīng)測量功能的實(shí)現(xiàn)如下：當(dāng)儀器進(jìn)入測量微處理器發(fā)出控制命令，使程控放大器處于放大倍率50狀態(tài)，讀取數(shù)據(jù)后判斷程控放大器是否處于最佳的工作狀態(tài)，若發(fā)現(xiàn)溢出或不在最佳的工作狀態(tài)，則改變程控放大器的放大倍率，使其進(jìn)入最佳的工作狀態(tài)，為了使測量數(shù)據(jù)統(tǒng)一，可以通過軟件進(jìn)行修正。測量控制軟件的流程如圖4所示。
3實(shí)測數(shù)據(jù)與分析
測試采用了粉塵發(fā)霧裝置產(chǎn)生粉塵與空氣的混合氣體，用同一根管道分別送入具有自適應(yīng)測量功能和常規(guī)的放大電路的兩種儀器進(jìn)行測量，每種儀器各用2臺(tái)，分A組和B組。圖5(a)和(b)是A組和B組測試數(shù)據(jù)的對(duì)比曲線。
由于實(shí)驗(yàn)測得的是一些離散的數(shù)據(jù)點(diǎn)，為了更好地分析數(shù)據(jù)，找出其內(nèi)在的規(guī)律性，利用這些離散的數(shù)據(jù)點(diǎn)，運(yùn)用最小二乘法進(jìn)行曲線的擬合并繪制出曲線擬合圖，這些用Matlab實(shí)現(xiàn)。生成的曲線擬合圖如圖6所示。
4結(jié)語
測試結(jié)果表明，采用常規(guī)放大電路的儀器在粉塵濃度為3 mg／m3時(shí)就進(jìn)入飽和狀態(tài)，無法測量粉塵濃度大于3 mg／m3的數(shù)據(jù)。而采用具有自適應(yīng)測量功能的儀器在粉塵濃度為10 mg／m3時(shí)還具有較好的線性，證明該方法有效地?cái)U(kuò)大了測量范圍，特別是在測量高濃度粉塵的情況下，明顯提高了測量的準(zhǔn)確性和測試精度，通過對(duì)空氣的實(shí)際測量，具有自適應(yīng)測量功能的儀器達(dá)到了0.01～20 mg／m3的測量范圍。
粉塵即空氣中的懸浮顆粒物，其大小在0.01～20 μm范圍內(nèi)。環(huán)境保護(hù)部門將空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑大于10 μm的懸浮顆粒稱為可見粉塵，它們?cè)陟o止空氣中會(huì)快速沉降；空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑小于等于10 μm的懸浮顆粒稱為可吸入顆粒物；空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑小于等于7.07 μm的顆粒物稱為呼吸性顆粒。
隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，粉塵污染越來越嚴(yán)重。目前我國大氣呈煤煙型污染，許多城市空氣中的總懸浮顆粒物(TSP)長期居高不下，與世界衛(wèi)生組織所給的空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)相差甚遠(yuǎn)。粉塵對(duì)人類危害極大，尤其是小粒徑顆粒物，因?yàn)樾×筋w粒物能長時(shí)間飄浮在大氣中，難以沉降到地面，易進(jìn)入人體呼吸道，且粒徑越小，在人體呼吸道中的沉降位置越深，危害就越大。因此粉塵濃度的測量在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域中具有十分重要的意義，是迫切需要解決的問題。
測量粉塵濃度的方法各式各樣，大致有兩種類型：基于取樣的方法進(jìn)行測量(如濾膜稱重法)和基于非取樣的方法進(jìn)行測量(如光散射法)。近年來國內(nèi)外均采用光散射原理進(jìn)行粉塵濃度測量，該測量方法可以實(shí)時(shí)在線測量，直接獲取測量結(jié)果，并可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)輸出、自動(dòng)測量、通信等功能；體積小、重量輕、操作簡便、穩(wěn)定性高、可靠性高也是該類儀器的明顯優(yōu)點(diǎn)。
1光學(xué)粉塵測量儀的工作原理與硬件組成
理論和實(shí)驗(yàn)研究表明，在粉塵性質(zhì)一定的條件下，粉塵的散射光強(qiáng)度與其質(zhì)量濃度成某種比例關(guān)系。粉塵濃度測量儀正是依據(jù)這一理論進(jìn)行設(shè)計(jì)，它以懸浮顆粒物(粉塵)在光束中產(chǎn)生的光散射現(xiàn)象為原理，直接準(zhǔn)確測量空氣中懸浮顆粒物的相對(duì)質(zhì)量濃度。根據(jù)光散射原理，當(dāng)塵埃顆粒的半徑r小于光的波長λ時(shí)滿足式(1)：
式中：V=(4／3)πr3；N為單位體積內(nèi)的粒子數(shù)；ε為空氣中的介電常數(shù)；ε0為真空中的介電常數(shù)；θ為散射角；R為光敏感區(qū)到光電轉(zhuǎn)換器的距離；r為粒子的半徑；I0為人射光強(qiáng)；λ為光源的波長；H為與測量系統(tǒng)幾何尺寸有關(guān)的一個(gè)常數(shù)。
顯然，在某一測量系統(tǒng)中λ，ε，ε0，θ，R，I0可以認(rèn)為是常數(shù)，由于進(jìn)行質(zhì)量濃度測量時(shí)，塵埃顆粒是數(shù)顆一起通過光敏感區(qū)，因此在入射光強(qiáng)保持不變的情況下，散射光強(qiáng)Iθ與V，N相關(guān)。
光學(xué)粉塵測量儀主要由光學(xué)傳感器、信號(hào)調(diào)理單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、微機(jī)控制、通信接口、氣路系統(tǒng)、電源系統(tǒng)等組成。其總體硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。
粉塵濃度測量的工作過程如下：
(1)測量開始由氣泵將被測空氣抽人光學(xué)傳感器。光學(xué)傳感器由照明系統(tǒng)、散射光收集系統(tǒng)組成，這兩個(gè)系統(tǒng)的軸線與采樣氣流的軸線相互垂直，交點(diǎn)周圍的一個(gè)小區(qū)域是測量系統(tǒng)的光敏感區(qū)，它是粉塵流過時(shí)得到照明并產(chǎn)生散射光的位置。半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光波穿過具有粉塵的被測區(qū)域后，光電二極管將散射光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。
(2)光電轉(zhuǎn)換后的信號(hào)極其微弱，因此需通過信號(hào)調(diào)理電路對(duì)獲得的信號(hào)進(jìn)行處理和放大，以滿足A／D轉(zhuǎn)換接口的需要。
(3)信號(hào)經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后，送微處理器。
(4)微處理器對(duì)采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)進(jìn)行計(jì)算，并自動(dòng)生成當(dāng)前粉塵濃度值，同時(shí)將數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、顯示，根據(jù)需要對(duì)測量結(jié)果進(jìn)行打印或?qū)?shù)據(jù)傳送至PC機(jī)。
2自適應(yīng)測量功能
粉塵測量儀的光電轉(zhuǎn)換電路和信號(hào)調(diào)理電路如圖2所示，其中運(yùn)算放大器1為前置放大，功能是完成I／V轉(zhuǎn)換，并將信號(hào)放大。運(yùn)算放大器2完成信號(hào)調(diào)理和放大。由于粉塵測量儀的測量范圍很寬，一般為0.01～20 mg／m3，在這樣寬范圍內(nèi)保持測量數(shù)據(jù)的線性和準(zhǔn)確，使用常規(guī)的放大電路是較為困難的。這是因?yàn)橐ＷC在極低濃度時(shí)測量準(zhǔn)確，必然要將放大器設(shè)計(jì)成很高的增益，然而當(dāng)粉塵濃度達(dá)到3 mg／m3時(shí)，放大器幾乎達(dá)到飽和，因此按常規(guī)設(shè)計(jì)方案不能滿足0.01～20 mg／m3的測量范圍。為此，設(shè)計(jì)了一個(gè)硬件和軟件相結(jié)合，能完成自適應(yīng)測量功能的信號(hào)調(diào)理電路，如圖3所示。
圖3電路是一個(gè)8選1程控放大器，放大器的放大倍率通過程序控制可分為1，2，4，5，10，20，30，50，自適應(yīng)測量功能的實(shí)現(xiàn)如下：當(dāng)儀器進(jìn)入測量微處理器發(fā)出控制命令，使程控放大器處于放大倍率50狀態(tài)，讀取數(shù)據(jù)后判斷程控放大器是否處于最佳的工作狀態(tài)，若發(fā)現(xiàn)溢出或不在最佳的工作狀態(tài)，則改變程控放大器的放大倍率，使其進(jìn)入最佳的工作狀態(tài)，為了使測量數(shù)據(jù)統(tǒng)一，可以通過軟件進(jìn)行修正。測量控制軟件的流程如圖4所示。
3實(shí)測數(shù)據(jù)與分析
測試采用了粉塵發(fā)霧裝置產(chǎn)生粉塵與空氣的混合氣體，用同一根管道分別送入具有自適應(yīng)測量功能和常規(guī)的放大電路的兩種儀器進(jìn)行測量，每種儀器各用2臺(tái)，分A組和B組。圖5(a)和(b)是A組和B組測試數(shù)據(jù)的對(duì)比曲線。
由于實(shí)驗(yàn)測得的是一些離散的數(shù)據(jù)點(diǎn)，為了更好地分析數(shù)據(jù)，找出其內(nèi)在的規(guī)律性，利用這些離散的數(shù)據(jù)點(diǎn)，運(yùn)用最小二乘法進(jìn)行曲線的擬合并繪制出曲線擬合圖，這些用Matlab實(shí)現(xiàn)。生成的曲線擬合圖如圖6所示。
4結(jié)語
測試結(jié)果表明，采用常規(guī)放大電路的儀器在粉塵濃度為3 mg／m3時(shí)就進(jìn)入飽和狀態(tài)，無法測量粉塵濃度大于3 mg／m3的數(shù)據(jù)。而采用具有自適應(yīng)測量功能的儀器在粉塵濃度為10 mg／m3時(shí)還具有較好的線性，證明該方法有效地?cái)U(kuò)大了測量范圍，特別是在測量高濃度粉塵的情況下，明顯提高了測量的準(zhǔn)確性和測試精度，通過對(duì)空氣的實(shí)際測量，具有自適應(yīng)測量功能的儀器達(dá)到了0.01～20 mg／m3的測量范圍。
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