[发明专利]测量超低浓度烟尘的粒径分布和质量浓度的装置及方法

权利要求书

1.测量超低浓度烟尘的粒径分布和质量浓度的装置，其特征在于，包括光路单元、气路单元和电路控制单元，其中，

所述光路单元包括多波长连续白光激光器、激光准直仪、半反半透镜、第一可变光阑、第二可变光阑、第一光信号探头、第二光信号探头和光谱仪，所述气路单元包括气流干燥器、旋风分离器、进气缓冲腔、长光程样品池和真空泵，并且，

所述多波长连续白光激光器发出的激光经所述激光准直仪准直后射到所述半反半透镜，所述半反半透镜用于反射和透射准直后的激光，其中，反射的激光依次穿过所述第一可变光阑和聚焦透镜后被第一光信号探头接收，透射的激光穿过所述第二可变光阑后从所述长光程样品池的进口进入所述长光程样品池的内部，并在所述长光程样品池的内部经过多次反射后从所述长光程样品池的出口出来，然后再被所述第二光信号探头接收，所述第一光信号探头和第二光信号探头分别与所述光谱仪电连接；

所述气流干燥器依次连接所述气流干燥器、旋风分离器、进气缓冲腔、长光程样品池和真空泵，其中，所述气流干燥器用于干燥含尘气流，所述旋风分离器用于在含尘气流中选出设定粒径的粉尘进入所述长光程样品池，以便对各种不同粒径分布的粉尘进行监测；所述进气缓冲腔用于使经过旋风分离器的气流流动稳定，所述真空泵用于保持含尘气流的流动；

所述电路控制系统包括光电转换模块、数据编程换算模块和实时显示模块，其中，

所述光电转换模块用于将半反半透镜反射的激光信号转换为第一电信号，以作为激光器发出光强的基准值，以及将半反半透镜透射并且通过长光程样品池经过多次消光反射后的激光信号转换为第二电信号；

所述数据编程转换模块通过获得的光强信息分别对不同的波长进行差减得到各波长的消光信息，而后通过数据反演得出粉尘的粒径分布，在得到粒径分布后，积分计算得到粉尘的质量浓度；

所述实时显示模块用于将粉尘的粒径分布和质量浓度信息通过数表和图像的方式实时显示。

2.根据权利要求1所述的测量超低浓度烟尘的粒径分布和质量浓度的装置，其特征在于，所述进气缓冲腔的入口布置有纱网，以便使含尘气流中的粉尘在气流中的分布更加均匀，从而提高测量的精度。

3.根据权利要求1所述的测量超低浓度烟尘的粒径分布和质量浓度的装置，其特征在于，所述多光程样品池具有主镜和多块辅镜，以用于对激光进行多次反射，所述多光程样品池在对应于主镜和辅镜的位置布置有多个气幕，以用于向所述主镜和辅镜吹气。

4.采用权利要求1～3中任一权利要求所述装置测量超低浓度烟尘的粒径分布和质量浓度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在长光程样品池内，单位体积内直径为D_i的颗粒数有N_i个并且这些颗粒作为一类颗粒，则入射光强I₀与出射光强I的关系为：

$ln{(I_0/I)}_j=\frac{3L}{2\mathrm{\ρ}}\underset{i=1}{\overset{k}{\Σ}}\frac{W_i}{D_i}{k}_{ext}({\mathrm{\λ}}_j,m,D_i)---\left(1\right)$

I₀为入射光强度，I为出射光强度，L为颗粒介质的厚度，ρ为单位体积内直径为D_i的颗粒物的密度，k_ext为消光系数，W_i为颗粒物的重量频率，λ_j表示入射光波长，m为折射率，k表示按照颗粒按直径分类后的分类数；

2)将式(1)写成矩阵形式：

E＝TW (2)

其中W＝(W₁,W₂,...W_k)^T，n对应不同波长入射光的数目，矩阵E中各元素均可通过测量获得，E_j为矩阵E的元素，为得到W矩阵的值，采用最优化方法，即建立如下的目标函数：

$F=\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}{({E_j}^c-E_j)}^2---\left(3\right)$

其中E_j^c是计算出的理论消光值，而E_j是实测值，用偏差F来衡量矩阵W的合理性，则目标函数F的最小值对应的一组W即为所求粉尘颗粒的粒径分布；

3)通过矩阵W拟合得到粉尘颗粒系的粒径分布N(D)后，由MIE散射理论模拟出各波长下的消光值E_j^c和K_ext，则可得到颗粒系的颗粒数目浓度：

$N=\frac{4ln(I_0/I)}{\mathrm{\π}L\underset{a}{\overset{b}{\∫}}N\left(D\right)D^2{K}_{ext}dD}---\left(4\right)$

以及体积浓度

$C_v=\frac{2ln(I_0/I)}{3L\underset{a}{\overset{b}{\∫}}{K}_{ext}N\left(D\right)/DdD}---\left(5\right)$

其中，a和b分别表示颗粒粒径的上下界；

得到体积浓度后，则通过颗粒系密度ρ可得到被测粉尘颗粒系的质量浓度M_v＝ρC_v。