PDF《基于光散射法的烟尘发生及浓度测量系统设计》

1 0 、 P M

2 5等颗粒物 对人体造成极大伤害[

1 ] , 越来越多的与颗粒相关的 技术问题在工业、 农业、 医学和科研领域出现[

2 ] . 大气气溶胶的质量浓度一般为

3 0 0μ g / m

3 ( P M

1 0计量) 以下, 烟尘采样实验的模拟烟道结构简单, 含尘 气体浓度不能随意控制, 精度较低, 且气溶胶单分散 发生 器价格昂贵(上海计量院有一套X78502DUSTT O WE R ) .为了解决这些问题, 我们设计了 定量浓度烟尘发生装置, 为烟尘采样建立了可靠的 平台基础.由PLC控制系统运行, Wi n c c 组态屏幕 反馈系统状态、 构筑实时曲线并记录. 在颗粒物的尺寸、 分布以及浓度研究方面, 有诸 多测量颗粒浓度的方法, 其中光散射法是一种非接 触性测量方法, 有实时测量, 测量范围广, 测量结果 较准确等诸多优点[

3 ] .本文将前向、 后向散射法巧 妙结合, 进行了大量实验, 完成了定量烟尘浓度的发 生调节, 并且利用光散射法[

4 ] 测量了烟尘浓度, 旨 在设计一套定量浓度烟尘发生与测量装置, 使后端 采样装置烟尘取样更加方便、 快速, 对烟尘浓度的测 量更加准确.

2 系统结构与原理

2

1 烟尘发生部分 装置通过微量进料器调节模拟烟道烟尘质量. 烟尘发生装置系统结构如图 1所示.系统由交流

2 2 0V和直流

2 4V供电.装置集成于

1 2

0 0m m*

6 0 0m m*

6 0 0m m的控制柜内以便于操作管理. 图1烟尘发生装置系统结构图 F i g 1S t r u c t u r e o f d u s t g e n e r a t o r s y s t e m 控制中心是由 Wi n c c 组态编写的西门子屏幕上 位机监控系统.用来监控装置中元器件的启停、 变 频器开度、 微量进料器电机转速以及烟道自动清洗 运行情况.对该装置采用手动控制与自动控制两种 控制方式, 有利于根据实际需求选择控制方式.在 控制界面设置有急停按钮, 在紧急情况下, 可立刻切 断电源, 保护 P L C以及整体装置.

2

2 光散射法测量烟尘浓度部分 由Mie散射理论可知, 若入射光为单色平行光, 不相干单散射条件下, 球形均匀颗粒的角散射光强 表达式为: I ( θ )=N π

4 d

8 λ

4 6 ( m

2 -1 m

2 +2 ) ( 1+c o s

2 θ ) I

0 (

1 ) 式中, θ 为散射角;

I s ( θ )为散射光强;

I

0 为入射光 强;

d 为粒子粒径;

m为相对折射率. 光敏区粒子数浓度和质量浓度的关系为: N =

6 W π ρ d

3 (

2 ) 其中, W为质量浓度;

ρ 为粒子密度. 测量时, 粒子粒径 d 、 密度 ρ 、 相对折射率 m、 入射光波长 λ、 入射光强 I 0均为定值, 为计算方便, 可定义一常数 C: C =

3 π

3 d

4 ρ λ

4 3 ( m

2 -1 m

2 +2 ) I

0 (

3 ) 则式(

1 ) 可化简为: I ( θ )=C W( 1+c o s

2 θ ) (

4 ) 散射光强在一定立体角范围内比较集中, C C D 采集的立体角范围 θ 也为定值, 故: I=K C W (

5 ) 即一定立体角范围内的散射光强与质量浓度呈 正相关[

5 ] .

3 系统控制方案

3

1 烟尘发生硬件选型 控制系统 P L CC P U选用可编程逻辑控制器 S I E M E N SS 7-

2 0 0C N系列, 型号为 C P U

2 2

4 X PC N . 其共有

2 4个I/O点, 其中

1 4个输入点,

1 0个输出 点, 可以连接 7个功能扩展模块, 并且具有 6个高速 脉冲计数器和 2个独立的高速脉冲输出点.同时具 有 2个 R S

4 8 5通讯口, 使用 R S

4 8 5可连接计算机, 通过 P CA c c e s s 软件完成与 Wi n c c上位机的通讯, 实现工作人员对整个系统的实时监测.另外还使用 了一批扩展模块扩展输入输出端子, 系统硬件选择 如表 1所示. 表1系统硬件清单 T a b . 1S y s t e mh a r d w a r ei n v e n t o r y 序号 名称 型号 数量