雷志偉

(中國大唐集團科學技術(shù)研究院有限公司華東電力試驗研究院，安徽 合肥 230031)

0 引言

當前環(huán)境問題，尤其是大氣污染問題，日益成為我國亟待解決的難題。如何準確監(jiān)測和嚴格控制煙塵排放量，是當前研究的熱點。世界各國高度重視煙塵排放的監(jiān)測，煙塵濃度檢測技術(shù)的研究在眾多的工業(yè)部門中隨之變得更加重要。燃煤電廠對煙塵排放濃度的標準十分嚴格，通過監(jiān)測設(shè)備掌握煙塵指標，有利于進一步采取措施嚴格控制煙塵濃度，減少煙塵的危害。世界各國對煙塵濃度的測量技術(shù)都做了大量研究，目前主要采用電容法、β射線法、光散射法、光透射法、摩擦電法、超聲波法、微波法等[1]。由于光學法具有重復(fù)性好、無擾測量、響應(yīng)快、可在線測量等一系列優(yōu)點[2]，固體煙塵的濃度測量常常采用光透射法和光散射法[3]。其中，光散射法[4-6]能在低濃度測量范圍，比較準確地測量出各種煙塵濃度值，可對目標對象實施遠距離、實時、在線的測量，還可直接獲得煙氣中以質(zhì)量濃度表示的煙塵排放濃度，而且靈敏度高。

本文基于光散射法[7-8]，設(shè)計煙塵濃度在線測量系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)進行實驗測試，探究影響測量精度的因素。

1 基本測量理論

基于光散射法煙塵濃度在線測量系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)建立在Mie散射理論[9]上。Mie理論是一種研究電磁波傳播過程的理論，Mie理論給出了平面電磁波入射到一個均勻介電質(zhì)圓球時Maxwell方程的解析解。Mie散射理論基本公式推導(dǎo)，引入無因次粒徑參量α=πd/λ。其中：λ為入射光在真空中的波長；d為球形顆粒的直徑；m為顆粒周圍分散介質(zhì)的折射率。當顆粒分散在空氣中時m=1，故無因次粒徑參量為α=πd/λ；若入射光為完全偏振光的情形，散射圖如圖1所示。

圖1 入射光為完全偏振光的散射圖形Fig.1 Scattering diagram as completely polarized light being incident light

圖1中P為觀測點，觀測點與軸(入射光傳播方向)組成的平面稱為散射面。由于是完全偏振光，電場振動于某一個確定的平面上。假設(shè)電場振動沿著x軸方向，則散射面電場振動方向的夾角為被稱為方位角，假設(shè)散射光觀測點P與散射顆粒的距離為r，散射角為θ，則垂直散射面的散射光強和平行于散射面的散射光強以及總散射光強可分別表示為

(1)

式中：Ir為垂直散射面的散射光強；Il為平行散射面的散射光強；i1(θ)為垂直散射面的散射光強函數(shù)；i2(θ)為平行散射面的散射光強函數(shù)；I0為總散射光強；φ為方位角。

但是嚴格的解法受到許多限制，對于一些復(fù)雜問題，很難給出精確的結(jié)果。本文針對顆粒濃度不太高、大顆粒粒徑范圍的情況進行系統(tǒng)研究。顆粒體積濃度總體表達式為

(2)

式中：a為顆粒粒徑大??；f(a)為顆粒粒徑分布；s為光學長度；AL為激光截面面積。

結(jié)合弗朗禾費衍射積分反演算法，推出的顆粒濃度大小與散射光強度沿散射角方向上的積分成正比。

(3)

式中k=2π/λ,為波數(shù)。

2 測量系統(tǒng)設(shè)計

2.1 光學機械結(jié)構(gòu)

在顆粒群單次、不相關(guān)散射的基礎(chǔ)上，以及煙塵粒徑在大粒徑范圍(>20 μm)內(nèi)，光強主要集中在前向小角度范圍(0°～20°)。

圖2為光學機械結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)主要包括發(fā)射端、接收端。發(fā)射端由激光器、分束鏡、空間濾波器組成，是產(chǎn)生均勻穩(wěn)定的激光束的主要器件；接收端由光纖、電荷耦合器件(charge coupled device，CCD)相機組成，負責收集散射光數(shù)據(jù)。

1.激光器；2.衰減片；3.空間濾波器；4.分束鏡；5.墻體法蘭；6.角錐棱鏡；7.光纖；8.反吹空氣進口；9.CCD相機；10.計算機；11.筒體。圖2 光學機械結(jié)構(gòu)Fig.2 Optical mechanical structure

2.1.1 系統(tǒng)工作原理

激光器發(fā)射出一束均勻穩(wěn)定激光束，到達待測煙塵顆粒上，煙塵發(fā)生散射現(xiàn)象，經(jīng)過光纖收集煙塵散射光數(shù)據(jù)，再由CCD相機捕捉散射光圖像數(shù)據(jù)。采集到的散射光圖像數(shù)據(jù)，由USB端口傳送至計算機，通過編譯好的圖像處理軟件計算煙塵濃度。

2.1.2 圖像采集結(jié)構(gòu)

入射光的強度明顯高于散射光，為使CCD相機拍攝到微弱的散射光信息，本系統(tǒng)在光路中設(shè)計了濾除透射光(指入射光穿過待測樣品后的光束)結(jié)構(gòu)，如圖3所示。為將透射光與散射光分隔開來，在光路所在平面上設(shè)置一面與光路成45°角的平面鏡，透射光被平面鏡反射到與光路平面成90°角的方向上，而散射光則進入到CCD相機鏡頭中。

圖3 阻隔透射光結(jié)構(gòu)Fig.3 Blocking transmission light structure

機械結(jié)構(gòu)長期在尾部煙道高溫、高濕環(huán)境下工作，容易因材料變形而導(dǎo)致光路偏移，致使測量結(jié)果失效，所以采用不銹鋼作為光學機械系統(tǒng)材料。由于光學窗口長期放置于煙氣中，容易積灰，需用干凈的壓縮空氣進行吹掃保護。用壓縮空氣吹掃保護光學元件的同時，盡量避免對測量區(qū)域流場特性的干擾，否則將嚴重影響系統(tǒng)測量結(jié)果的準確性。壓縮空氣吹掃分成兩個部分：接收端和反射端。需要注意：兩部分吹掃流量要均衡分配，有足夠的壓力即可。若在測量區(qū)域由于壓縮空氣和煙氣的相互沖刷形成渦流等，則會引入測量區(qū)域的光程差，引起測量的誤差；同時，渦流容易使光學元件受到污染。

2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計

軟件系統(tǒng)是將CCD相機捕捉到的散射光圖像轉(zhuǎn)化為煙塵濃度信號[10]的圖像計算軟件。軟件系統(tǒng)通過與CCD建立通訊，設(shè)置相機初始參數(shù)，濾除雜散光及透射光，以及圖像二值化等計算過程，實現(xiàn)煙塵濃度在線測量功能，并且能完成數(shù)據(jù)離線保存。軟件界面如圖4所示，左上角顯示的是實時監(jiān)測畫面，右上角為濃度動態(tài)曲線圖，其他是運行操作控件和參數(shù)設(shè)置控件。

圖4 軟件界面Fig.4 Software interface

2.2.1 軟件設(shè)計

利用Visual Studio 2010軟件開發(fā)平臺，基于MFC架構(gòu)，通過Windows中大量API函數(shù)和CCD相機提供的SDK函數(shù)工具包，實現(xiàn)軟件和硬件的通訊連接，并設(shè)計煙塵濃度在線測量軟件。

首先，在計算機上安裝相應(yīng)的CCD驅(qū)動安裝程序，以獲得相關(guān)的SDK工具包，實現(xiàn)CCD與計算機間的通訊。API函數(shù)為應(yīng)用程序開發(fā)提供便利，軟件調(diào)用相應(yīng)的API函數(shù)后獲得訪問設(shè)備驅(qū)動程序的相關(guān)句柄。在線測量軟件API函數(shù)傳遞規(guī)則，獲取CCD相機的相關(guān)信息(若有多個相機，要用編號區(qū)分)。句柄就像CCD相機的密碼，獲取句柄后才能調(diào)用相機所有的功能函數(shù)，包括：如何啟動或關(guān)閉相機，如何修改相機編號，設(shè)置曝光時間、拍攝模式、圖片格式，讀取圖像數(shù)據(jù)等函數(shù)。

2.2.2 圖像處理

圖5為圖像處理流程圖。圖像處理流程分為4個步驟：CCD相機初始參數(shù)設(shè)置；去除雜散光；在線計算；數(shù)據(jù)離線保存。CCD相機初始參數(shù)設(shè)置：設(shè)置相機的曝光時間、幀率及像素時鐘，以便能捕捉到較強散射光的同時，中心透射光束不過度曝光。

圖5 圖像處理流程圖Fig.5 Flow diagram of image processing

1) 濾除雜散光。

由于系統(tǒng)在散射光采集過程中，少數(shù)的透射光和環(huán)境光線會對CCD成像產(chǎn)生影響[11]，導(dǎo)致散射光圖像的品質(zhì)低，最終影響煙塵濃度在線計算結(jié)果。本系統(tǒng)從機械結(jié)構(gòu)上已分離出大部分透射光，但是由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)安裝等因素，難以完全分離的效果。因此，在圖像處理過程中，由CCD事先收集雜散光和其余透射光，最終在算法中添加濾除這部分光強的處理。

2)在線計算。

由軟件系統(tǒng)控制CCD相機，發(fā)出連續(xù)拍攝散射光圖像的命令，利用C++將位圖圖像轉(zhuǎn)化為光強矩陣，設(shè)置定時函數(shù)、計算周期，將實時獲取的散射光圖像處理后，運用散射積分法進行計算，得出煙塵濃度值。

3)數(shù)據(jù)離線保存。

實現(xiàn)歷史濃度值數(shù)據(jù)保存為TXT文件，方便日后查詢。

3 系統(tǒng)實驗研究

3.1 固液顆粒濃度

實驗采用的是含固體顆粒的微粒標準物質(zhì)[12](煙塵粒徑75 μm)，通過高純水(去離子蒸餾水)或生理鹽水稀釋配制不同煙塵濃度的樣品，搖勻后放置測量區(qū)域，最后啟動軟件系統(tǒng)進行實驗，測量溶液顆粒的濃度值。

1) CCD相機的曝光時間需要設(shè)置一個合適的值。如果采用較小的曝光時間，散射光強度微弱，不利于系統(tǒng)的測量；如果采用較大的曝光時間，以此來增大散射光強度，但是往往入射光發(fā)生過曝，導(dǎo)致光強數(shù)值計算錯誤。實驗采用的曝光時間均為t=50 ms。

2) 為盡可能提高測量的準確度，要扣除雜散光以及透射光強數(shù)值，進而得到純凈的散射光強數(shù)據(jù)，這樣處理可以減小外部環(huán)境對測量結(jié)果的影響。雜散光指環(huán)境光線落到CCD相機上，被相機所采集到的光線；透射光指入射光經(jīng)過生理鹽水、高純水或當樣品煙塵完全沉淀后的上層清液后，CCD相機所探測到的光強值。本系統(tǒng)在濾除透射光方面做了兩個措施：①如系統(tǒng)結(jié)構(gòu)所示，設(shè)置一面平面鏡反射透射光;②在線計算前通過采集雜散光以及透射光來濾除。

3) 通過計算軟件處理散射光圖像，結(jié)合散射光與顆粒濃度之間的函數(shù)關(guān)系式，得出樣品的濃度。

圖6 入射光強Fig.6 Intensity of incident light

圖7 計入雜散光的濃度Fig.7 Calculating intensity of flare light

圖6為激光器的入射光強，由圖可見：激光的光強值大小隨時間的變化，呈周期性地波動。這種波動是由于激光器輸出功率不穩(wěn)定導(dǎo)致的，激光器波動的周期為20 s。圖7為測量系統(tǒng)采集到的雜散光和透射光總和換算成濃度的曲線，其中曲線的波動性主要來自于激光光強的影響，波動周期為20 s，濃度均值9.6 mg/m3。盡管測量系統(tǒng)在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上設(shè)置了濾除透射光的裝置，但是實際測量時依然有少數(shù)透射光和雜散光進入CCD探測器，影響散射光測量的精度。

圖8 353 mg/m3標準溶液濃度變化曲線Fig.8 Curve of 353 mg/m3 standard solution concentration

圖8為353 mg/m3樣品在測量系統(tǒng)連續(xù)600 s時間段測量下的濃度變化曲線，曲線數(shù)值穩(wěn)定在353 mg/m3左右。實驗前需要將待測樣品搖勻后測量，由于溶液初始階段存在較多小氣泡，小氣泡發(fā)生散射，導(dǎo)致數(shù)值整體高于平均值，隨著時間的拖延，小氣泡減少，測量結(jié)果接近于真實值；但是因為固體顆粒在溶液中的沉降作用，隨時間的繼續(xù)增大，曲線最終整體向下變化，最終值穩(wěn)定在只剩下雜散光和透射光時的情況。

圖9為200 mg/m3樣品在測量系統(tǒng)連續(xù)600 s時間段測量下的濃度變化曲線，曲線數(shù)值穩(wěn)定在200 mg/m3左右。實驗前需要將待測樣品搖勻后測量，由于溶液初始階段存在較多小氣泡的原因，小氣泡發(fā)生散射，導(dǎo)致數(shù)值整體高于平均值，隨著時間的拖延，小氣泡減少，測量結(jié)果接近于真實值；但是因為固體顆粒在溶液中的沉降作用，隨時間的繼續(xù)增大，曲線最終整體向下變化，最終值穩(wěn)定在只剩下雜散光和透射光時的濃度值。

圖9 200 mg/m3標準溶液濃度變化曲線Fig.9 Curve of 200 mg/m3 standard solution concentration

如圖9所示，在時間中段位置，曲線出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)，測量值總體出現(xiàn)變大的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象的產(chǎn)生一方面來自于激光器的波動；另一方面可能來自于散射光中心偏移的結(jié)果，即當測量捕捉的散射光圖像的光斑中心與軟件運行初始階段的中心不對中時，所引發(fā)的測量偏差。

綜上所述，由于該系統(tǒng)激光器的不穩(wěn)定導(dǎo)致濃度測量表現(xiàn)得不穩(wěn)定，但這種小范圍的波動對于系統(tǒng)來說可以接受。顆粒溶液中小氣泡的存在，很大程度上引起測量的偏差；而雜散光與透射光過強，會導(dǎo)致煙塵最終沉降后，濃度值無法趨近于實際值0。所以，從光學結(jié)構(gòu)和算法上削弱雜散光以及透射光的影響，顯得尤為重要。

3.2 煙塵濃度測量試驗

圖10 煙塵散射光強曲線圖Fig.10 Curve of dust scattering illumination

為削弱小氣泡的影響，實驗采用了未知濃度的煙塵作為光散射濃度測量的對象，觀察其散射光的強度以及測量系統(tǒng)的靈敏性。圖10為煙塵濃度曲線，曲線數(shù)值圍繞在125左右波動，測量的波動主要來自于激光器輸出功率的不穩(wěn)定。忽略此因素，系統(tǒng)測量結(jié)果十分穩(wěn)定、精確，散射光強度遠遠強于雜散光以及透射光強度。因此，實驗結(jié)果滿足系統(tǒng)測量要求，系統(tǒng)對煙塵濃度變化的靈敏很高，達到測量標準的要求。由此可知，煙塵實驗測量結(jié)果比固液實驗測量結(jié)果更加精確，靈敏度更高。

4 結(jié)論

本文根據(jù)Mie散射原理，設(shè)計了基于光散射法煙塵濃度的在線測量系統(tǒng)，旨在用于工業(yè)現(xiàn)場煙塵排放濃度的監(jiān)測。同時，還介紹了該系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)，測試了系統(tǒng)實驗性能，證明了光散射法的可行性。

影響散射光法測量結(jié)果的因素很多，例如：中心光斑的偏移、雜散光以及透射光的存在、激光器功率不穩(wěn)定、光學窗口污染以及機械振動等。這些因素的存在或多或少地影響著測量結(jié)果的準確度。有些因素可避免，但有些因素只能盡量地減小其影響。該系統(tǒng)的不足之處在于：

1) 該算法由于其對于煙塵平均粒徑的不依賴性，從而給測量帶來了便利，但同時給測量精度和測量范圍帶來一定的影響；

2) 標定是系統(tǒng)測量中最重要的一個環(huán)節(jié)，標定的有無、準確與否直接影響測量系統(tǒng)的測量精確性，本文沒有系統(tǒng)地進行標定，僅是探究性的實驗；

3) 軟件系統(tǒng)的設(shè)計還需要進一步改進；

4) 固液濃度測量實驗結(jié)果顯示，濃度測量的影響因素很多，如何逐一減輕或避免影響，有待進一步研究；

5) 氣固兩相濃度測量實驗，還需要更多的實驗數(shù)據(jù)來論證。