具有自適應(yīng)測量功能的空氣粉塵測量儀設(shè)計

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，它們在靜止空氣中會快速沉降；空氣動力學(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)。粉塵對人類危害極大，尤其是小粒徑顆粒物，因為小粒徑顆粒物能長時間飄浮在大氣中，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，該測量方法可以實時在線測量，直接獲取測量結(jié)果，并可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)輸出、自動測量、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。

1光學(xué)粉塵測量儀的工作原理與硬件組成

理論和實驗研究表明，在粉塵性質(zhì)一定的條件下，粉塵的散射光強度與其質(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，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；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，塵埃顆粒是數(shù)顆一起通過光敏感區(qū)，因此在入射光強保持不變的情況下，散射光強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，這兩個系統(tǒng)的軸線與采樣氣流的軸線相互垂直，交點周圍的一個小區(qū)域是測量系統(tǒng)的光敏感區(qū)，它是粉塵流過時得到照明并產(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轉(zhuǎn)換成電信號。

(2)光電轉(zhuǎn)換后的信號極其微弱，因此需通過信號調(diào)理電路對獲得的信號進(jìn)行處理和放大，以滿足A／D轉(zhuǎn)換接口的需要。

(3)信號經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后，送微處理器。

(4)微處理器對采集到的數(shù)據(jù)實時進(jìn)行計算，并自動生成當(dāng)前粉塵濃度值，同時將數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、顯示，根據(jù)需要對測量結(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)換電路和信號調(diào)理電路如圖2所示，其中運算放大器1為前置放大，功能是完成I／V轉(zhuǎn)換，并將信號放大。運算放大器2完成信號調(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。這是因為要保證在極低濃度時測量準(zhǔn)確，必然要將放大器設(shè)計成很高的增益，然而當(dāng)粉塵濃度達(dá)到3 mg／m3時，放大器幾乎達(dá)到飽和，因此按常規(guī)設(shè)計方案不能滿足0.01～20 mg／m3的測量范圍。為此，設(shè)計了一個硬件和軟件相結(jié)合，能完成自適應(yīng)測量功能的信號調(diào)理電路，如圖3所示。

圖3電路是一個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，分A組和B組。圖5(a)和(b)是A組和B組測試數(shù)據(jù)的對比曲線。

由于實驗測得的是一些離散的數(shù)據(jù)點，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，運用最小二乘法進(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時還具有較好的線性，證明該方法有效地擴(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，通過對空氣的實際測量，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。