[发明专利]一种颗粒粒度及浓度光散射测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种颗粒粒度及浓度光散射测量方法，属于颗粒测量技术领域。

背景技术

颗粒测量在能源研究，环境保护，大气科学等领域都有重要的地位，正因为其重要的地位，目前得到发展的颗粒测量技术有很多种，例如机械法、电感电容法、超声波法、光学法等。近几十年来由于激光技术、计算机技术和光纤技术的发展，光学法得到迅速的发展，其中就包括光散射法。光散射测粒的基础是Mie散射理论，其是球形颗粒对电磁波散射的严格物理解。

光学测量颗粒粒度和浓度的方法比较成熟的是光全散射法(又称消光法或浊度法)，由于颗粒对光的散射和吸收作用，经过测量区域的光的强度受到衰减，透射光与入射光的比值是粒径分布与颗粒浓度的函数，根据测得的透射光和入射光的比值，已知光波长，光程和被测颗粒折射率后就可以得到颗粒的尺寸分布函数及浓度。另一种颗粒粒度和浓度测量方法是结合衍射散射法和光度计法的结合，衍射散射法根据散射光强和散射角度的关系建立线性方程组求解颗粒粒度参数，已知粒径分布，利用光度计法中某一空间立体角内光能与浓度的近似线性关系可以求解颗粒浓度。

光学测量颗粒粒度和浓度的方法比较成熟的是光全散射法(又称消光法或浊度法)，但是光全散射法单波长下只能给出粉尘的光学浊度值。对于相同的光学浊度值，不同的平均粒径相对应不同颗粒浓度，想要求得粉尘浓度需要知道颗粒平均粒径。多波长下光全散射法可以反演粒径分布，然后求解颗粒浓度，但求解粒径分布的公式中的消光系数是个十分振荡复杂的函数，其一阶导数不连续，增加了求解难度。衍射散射法在求解粒径分布方面十分广泛，结合光度计法可以求解颗粒浓度。衍射散射法事实上一般需要测量多个角度的散射值(角度个数与所需要获得的粒径分布区间数有关系)，这对实验装置的要求很高。在实际的工程测量中，颗粒粘附在测量区域的光学窗口上，造成大量杂散光影响测量精度。为了消除粘附颗粒对测量结果的影响，多数方法是采用改进光路设计的途径。

发明内容

目的：针对上述现有存在的问题和不足，本发明提供了一种颗粒粒度及浓度光散射测量方法。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

设光电探测器某时刻t，采集到的信号光强为I_tΣ(θ)，在不相关单散射的假设下，有

I_tΣ(θ)＝I_tΣ1(θ)+I_tΣ2(θ)   (1)

其中，I_tΣ1(θ)为t时刻粘附在窗口上的沾污颗粒光强贡献值，I_tΣ2(θ)为t时刻测量区域颗粒的光强贡献值。Δt时间后，信号光强为：

I_t+ΔtΣ(θ)＝I_tΣ(θ)+I_ΔtΣ(θ)＝I_tΣ1(θ)+I_ΔtΣ1(θ)+I_tΣ2(θ)+I_ΔtΣ2(θ)   (2)

其中I_ΔtΣ(θ)为两次光强测量的差值，I_ΔtΣ1(θ)，I_ΔtΣ2(θ)分别为两次测量中窗口沾污颗粒引起的光强变化值和气固流场中颗粒引起的光强变化值。由于Δt时间较短，窗口上沾污颗粒数不发生变化，故可认为I_ΔtΣ1(θ)＝0，则I_ΔtΣ(θ)＝I_ΔtΣ2(θ)，故Δt时间内的信号光强变化就是测量区域颗粒变化的信息，通过两次测量就可以测量变化颗粒的信息。粘附在光学窗口的颗粒对测量结果的影响在两次测量结果的相减中就可去除。而变化颗粒的粒度信息与整个流场的颗粒粒度信息是保持一致的。

(1)粒径分布测量

粒径分布非独立模式解法中，事先假定颗粒的粒径分布符合某个双参数分布函数D是颗粒粒径，k是分布参数，那么光强角分布矩阵的所有元素不再是独立的，而是关于两个分布参数的函数。假设两个散射角分布为θ₁、θ₂，则这两个角度方向的散射光强变化值为