趙欣然 李群 王衛(wèi)東 徐志強(qiáng) 魯恒潤

摘要：針對(duì)高濃度可燃性粉塵存在爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，該文基于光透射原理設(shè)計(jì)一套大量程在線式粉塵濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過對(duì)透射光信號(hào)的采集反演出粉塵的濃度信息。系統(tǒng)整體包含6個(gè)單元模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的采集、轉(zhuǎn)換、顯示和控制，其中單片機(jī)選用性能優(yōu)越的s_lM32，上位機(jī)程序采用NI公司的虛擬儀器軟件LabvIEW進(jìn)行設(shè)計(jì)。采用全反射的方式將測(cè)量激光束進(jìn)行反射，解決傳統(tǒng)光透射法由于光程長(zhǎng)而導(dǎo)致測(cè)量距離長(zhǎng)的問題，有效縮短儀器長(zhǎng)度，擴(kuò)大適用范圍。與固定容積的標(biāo)定裝置進(jìn)行比對(duì)，結(jié)果表明該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)?0-100g/m³粉塵濃度范圍進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，量程內(nèi)絕對(duì)誤差最大為-4.2g/m³。

關(guān)鍵詞：粉塵濃度;在線監(jiān)測(cè);透射法;全反射;sTM32

中圖分類號(hào)：x831;TP212.9文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-5124（2019）04-0080-05

0引言

近幾年，國內(nèi)外發(fā)生過多起由粉塵引起的爆炸事故，造成了大量人員和財(cái)產(chǎn)損失，因此對(duì)于粉塵濃度的監(jiān)測(cè)特別是對(duì)于濃度范圍高于粉塵爆炸下限（30-50g/m3）的高濃度粉塵的監(jiān)測(cè)迫在眉睫。目前，對(duì)于粉塵濃度的檢測(cè)方法主要有濾膜稱重法、β射線法、超聲波衰減法、電荷感應(yīng)法、電容法、光散射法和光透射法，但普遍存在不能在線監(jiān)測(cè)或測(cè)量濃度低等局限，一般應(yīng)用于對(duì)0.1～1000mg/m³范圍內(nèi)呼吸性粉塵PM10/2.5，的檢測(cè)。其中，光透射法需結(jié)合散射光才能達(dá)到對(duì)低濃度粉塵較為準(zhǔn)確的測(cè)量，而單純的依據(jù)透射光信號(hào)更適用于檢測(cè)高濃度粉塵，因此符合對(duì)具有爆炸性的高濃度粉塵監(jiān)測(cè)的需要。

本文基于光透射法測(cè)量原理，通過引入直角棱鏡和雙探測(cè)器結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了適用于測(cè)量高濃度粉塵的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，擴(kuò)大了透射法測(cè)量粉塵濃度的應(yīng)用范圍，為高濃度粉塵監(jiān)測(cè)提供了參考。通過搭建試驗(yàn)平臺(tái)探究了測(cè)量電壓值和粉塵濃度之間的關(guān)系，并通過擬合曲線對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行標(biāo)定。

1光透射法測(cè)量粉塵濃度的理論

光透射法又稱消光法或濁度法，基于著名的Lambert-Beer定理，基本原理是當(dāng)一束光穿過含有顆粒的介質(zhì)時(shí)，由于受到顆粒的散射和吸收影響，其穿過介質(zhì)的透射光強(qiáng)會(huì)衰減，衰減程度和顆粒的大小、濃度、光程和消光系數(shù)相關(guān)，其關(guān)系式為

2整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)透射法檢測(cè)粉塵濃度原理，系統(tǒng)發(fā)出激光光束穿過被測(cè)粉塵，通過光電探測(cè)器檢測(cè)透射光強(qiáng)，然后對(duì)光電探測(cè)器轉(zhuǎn)化后的微弱信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)化，再由單片機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)化后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理后通過RS485通信傳輸?shù)絇C機(jī)，上位機(jī)使用LabVIEW軟件對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并顯示。此外，由于激光器窗口和光電探測(cè)器窗口暴露在含塵氣流中，會(huì)不同程度粘連粉塵顆粒，對(duì)測(cè)試結(jié)果造成影響，因此添加了氣吹裝置用以清潔窗口，整體系統(tǒng)如圖l所示。

2.1激光發(fā)生模塊

激光具有單色性好、方向性好、亮度高等特點(diǎn)，因此本系統(tǒng)選用激光作為光源。常見的激光器有固體激光器、半導(dǎo)體激光器和氣體激光器，其中固體激光器和氣體激光器體積較大，工作電壓高，而半導(dǎo)體激光器具有體積小、質(zhì)量輕、運(yùn)轉(zhuǎn)可靠、效率高等優(yōu)點(diǎn)，綜合考慮儀器的使用環(huán)境及空間限制，最終選用YD-D650PS-G10-35波長(zhǎng)為650nm的紅色5mW半導(dǎo)體激光器。

2.2信號(hào)處理模塊

光信號(hào)通過光電探測(cè)器轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)，電流信號(hào)再經(jīng)過跨阻放大器轉(zhuǎn)化為放大后的電壓信號(hào)，之后通過低通集成濾波器LTCl563-2將信號(hào)中的高頻噪聲濾除，最后由運(yùn)算放大器ICL7650將電壓信號(hào)調(diào)節(jié)到適用于A/D轉(zhuǎn)化的幅度。其中光電探測(cè)器選用日本濱松的$5972硅PIN型光電二極管，具有尺寸小、靈敏度高、速度快等特點(diǎn)。光電二極管工作模式選用光伏模式，在該模式下光電二極管是零偏置的，暗電流最小，可有效降低噪聲提高信噪比。A/D轉(zhuǎn)換則直接使用STM32自帶的A/D轉(zhuǎn)換功能，其位數(shù)為12位，共多達(dá)16個(gè)外部通道，1us轉(zhuǎn)換時(shí)間，轉(zhuǎn)化范圍為0-3.6v。考慮到除激光光源外，環(huán)境光對(duì)光電二極管同樣會(huì)產(chǎn)生一定影響，為了排除環(huán)境光的影響，系統(tǒng)中加入另一光電二極管作為輔探測(cè)器用以接收環(huán)境光，再與主探測(cè)器通過差分電路做差分處理。信號(hào)處理流程如圖2所示。

2.3主控模塊

本系統(tǒng)單片機(jī)采用性能優(yōu)越的STM32F103C8T6，該型號(hào)是32位基于ARM核心的中等容量增強(qiáng)型微控制器具有48/卜弓腳、64KB的ROM、USB、CAN、4個(gè)定時(shí)器、2個(gè)ADC、3個(gè)USART，完全滿足本系統(tǒng)對(duì)性能的要求。單片機(jī)及外圍電路如圖3所示。

STM32單片機(jī)接收信號(hào)處理模塊傳來的0～3.3v電壓，通過自身的A/D轉(zhuǎn)換功能將模擬電壓轉(zhuǎn)化為數(shù)字電壓。ADC時(shí)鐘設(shè)定為12MHz，即分頻因子設(shè)定為6，工作模式選用獨(dú)立工作、非掃描、單次轉(zhuǎn)換模式，對(duì)齊方式選擇右對(duì)齊，使用軟件控制轉(zhuǎn)換。為了提高精確度，設(shè)定通道采樣時(shí)間為239.5周期，并且進(jìn)一步通過循環(huán)讀取10次DR寄存器中的AD值，求取平均數(shù)。數(shù)據(jù)傳輸選用通用同步異步收發(fā)器USART，設(shè)定時(shí)鐘72MHz，波特率9600，1位停止位無校驗(yàn)位。因?yàn)锳/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)是12位，USART每次只能傳輸一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，因此將AD值取高8位和低8位分別存放于8位無符號(hào)數(shù)組中。主函數(shù)初始化后通過循環(huán)查詢寄存器DR中的值，當(dāng)查詢到0xFF時(shí)，將存有A/D轉(zhuǎn)換值的數(shù)組通過RS485通信傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中并同時(shí)轉(zhuǎn)變連接有LED指示燈的I/O口電位，使LED燈閃爍。I/O留用口和SPI通信口用于方便擴(kuò)展，增加儀器適用范圍。

2.4上位機(jī)顯示模塊

本系統(tǒng)以PC機(jī)作為上位機(jī)，通過RS232轉(zhuǎn)RS485通信轉(zhuǎn)接頭Z-TEK與下位機(jī)通信線相連，界面顯示和通信使用LabVIEW開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行編寫。不同于傳統(tǒng)基于c語言進(jìn)行編寫的軟件，LabviEW開發(fā)平臺(tái)運(yùn)用圖形化語言進(jìn)行編寫，即G語言，具有開發(fā)效率高、操作方便、顯示直觀、易更改等優(yōu)點(diǎn)。VISA是一種用來與各種儀器總線進(jìn)行通信的高級(jí)應(yīng)用編程接口（API），通過VISA可實(shí)現(xiàn)LabviEW對(duì)串口數(shù)據(jù)的讀寫。首先配置VISA串口，將VISA resource name通過VISA打開（VISA Open）連接到VISA資源名稱端口，設(shè)定波特率為9600，數(shù)據(jù)比特8位，奇偶校驗(yàn)位無（None）和停止位（1.0）。之后連接VISA清空I/O緩沖區(qū)，VISA寫人，VISA讀取和字符串至字節(jié)數(shù)組轉(zhuǎn)換，將單片機(jī)傳輸來的字符串?dāng)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為字節(jié)數(shù)組，再通過索引數(shù)據(jù)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綕舛扔?jì)算子Ⅵ中進(jìn)行電壓值到濃度值的轉(zhuǎn)換，最終由顯示控件波形圖表顯示。運(yùn)用while循環(huán)結(jié)構(gòu)每隔1s通過VISA寫入oxFF，便可獲取下位機(jī)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。流程圖如圖4所示。

2.5光路和氣路模塊

本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)光程為40cm。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50243-2016《通風(fēng)與空調(diào)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》，除塵系統(tǒng)所用的金屬圓形風(fēng)管規(guī)格為直徑100-2000mm范圍內(nèi)，為了提高本儀器的適用范圍，通過加入直角棱鏡運(yùn)用全反射原理將儀器測(cè)量區(qū)長(zhǎng)度縮短至一半。針對(duì)檢測(cè)粉塵濃度時(shí)激光器、光電二極管窗口和直角棱鏡表面會(huì)不同程度粘連粉塵顆粒的情況，設(shè)計(jì)中加入氣吹橫掃結(jié)構(gòu)，利用氣泵不間斷向窗口吹送清潔空氣形成氣幕隔絕粉塵顆粒。整體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

激光器發(fā)出激光經(jīng)直角棱鏡反射后照射到光電二極管窗口，同時(shí)將連接氣泵的導(dǎo)氣管連接到儀器氣道，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)窗口的吹掃，使用時(shí)儀器通過法蘭與除塵管道相連。

3試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

將試驗(yàn)儀器連接到測(cè)試環(huán)境中，儀器和PC機(jī)通過RS485通信線連接，上位機(jī)程序可實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前電壓值。測(cè)試環(huán)境為具有一定容量v的箱體，在其底部連接有扇葉，通過電機(jī)帶動(dòng)扇葉旋轉(zhuǎn)，從而使箱體內(nèi)含塵氣流旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，改變放人箱體內(nèi)的粉塵質(zhì)量m便可實(shí)現(xiàn)改變濃度的目的，則箱體內(nèi)粉塵濃度為Cv=m/v，測(cè)試平臺(tái)如圖6所示。

通過采集不同濃度時(shí)的電壓值，分析粉塵濃度與電壓值的對(duì)應(yīng)關(guān)系，表l為記錄的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

從表中可以看出，隨著粉塵濃度的上升，電壓值從無粉塵時(shí)的最大值開始逐漸下降。粉塵濃度為100g/m³時(shí)，電壓值降到最大值的73%。通過將5組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取平均值，利用Matlab將數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到1n（Io/I）值與濃度的關(guān)系，擬合結(jié)果如圖7所示。

通過擬合得到的關(guān)系函數(shù)為

y=318.24x+1.1008（12）線性相關(guān)系數(shù)r²=0.998，可看出回歸模型擬合程度較好，其變化規(guī)律與理論公式（4）相一致。為了驗(yàn)證擬合函數(shù)的準(zhǔn)確性，根據(jù)擬合公式重新進(jìn)行粉塵樣品濃度測(cè)試，并將測(cè)試值與實(shí)際值相比較，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

從表中可以看出，測(cè)量高濃度粉塵時(shí)絕對(duì)誤差較大，但最大不超過4.2g/ms，此時(shí)相對(duì)誤差僅為4.2%，滿足儀器設(shè)計(jì)要求（相對(duì)誤差<±10%）。除此之外，對(duì)于0-10g/m³濃度范圍內(nèi)的粉塵，本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相對(duì)誤差較大，測(cè)量效果不理想，一方面原因?yàn)楫?dāng)粉塵濃度較低時(shí)，粉塵顆粒較為稀薄，由顆粒散射和吸收引起的光強(qiáng)衰減量較小，因此光電二極管很難探測(cè)出其差異量。另一方面，受本系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境限制，測(cè)試時(shí)粉塵顆粒會(huì)不同程度粘附在測(cè)試箱體內(nèi)表面，造成測(cè)量誤差，當(dāng)顆粒濃度較低時(shí)由此而造成的影響更為突出。

4結(jié)束語

本文運(yùn)用透射光進(jìn)行了粉塵濃度測(cè)量的研究，論述了光透射法測(cè)量粉塵濃度的原理，開發(fā)了一套適用于在線監(jiān)測(cè)高濃度粉塵的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)各關(guān)鍵模塊進(jìn)行了介紹，最后通過試驗(yàn)得到電壓值與粉塵濃度的關(guān)系函數(shù)并驗(yàn)證了其準(zhǔn)確性。通過對(duì)光透射法測(cè)量粉塵濃度的研究，表明可以通過對(duì)透射光強(qiáng)的檢測(cè)來求解粉塵濃度，實(shí)現(xiàn)對(duì)10-100g/m³濃度范圍內(nèi)高濃度粉塵的在線監(jiān)測(cè)。由于受粉塵測(cè)試環(huán)境的限制，本試驗(yàn)仍有許多不完善的地方，如本驗(yàn)證試驗(yàn)是通過向固定容量的箱體內(nèi)加入定量粉塵，從而計(jì)算真實(shí)濃度，其存在著箱體內(nèi)粉塵分布不均勻和內(nèi)表面易粘附粉塵顆粒等現(xiàn)象，一定程度上制約了儀器測(cè)量精度的提高，因此還需設(shè)計(jì)一款穩(wěn)定且能夠均勻產(chǎn)塵的試驗(yàn)裝置。