具有自適應測量功能的空氣粉塵測量儀設計

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。環境保護部門將空氣動力學當量直徑大于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；空氣動力學當量直徑小于等于10 μm的懸浮顆粒稱為可吸入顆粒物；空氣動力學當量直徑小于等于7.07 μm的顆粒物稱為呼吸性顆粒。

隨著國民經濟的快速發展，粉塵污染越來越嚴重。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，與世界衛生組織所給的空氣質量標準相差甚遠。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境保護領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：基于取樣的方法進行測量(如濾膜稱重法)和基于非取樣的方法進行測量(如光散射法)。近年來國內外均采用光散射原理進行粉塵濃度測量，該測量方法可以實時在線測量，直接獲取測量結果，并可以實現數據存儲、數據輸出、自動測量、通信等功能；體積小、重量輕、操作簡便、穩定性高、可靠性高也是該類儀器的明顯優點。

1光學粉塵測量儀的工作原理與硬件組成

理論和實驗研究表明，在粉塵性質一定的條件下，粉塵的散射光強度與其質量濃度成某種比例關系。粉塵濃度測量儀正是依據這一理論進行設計，它以懸浮顆粒物(粉塵)在光束中產生的光散射現象為原理，直接準確測量空氣中懸浮顆粒物的相對質量濃度。根據光散射原理，當塵埃顆粒的半徑r小于光的波長λ時滿足式(1)：


式中：V=(4／3)πr3；N為單位體積內的粒子數；ε為空氣中的介電常數；ε0為真空中的介電常數；θ為散射角；R為光敏感區到光電轉換器的距離；r為粒子的半徑；I0為人射光強；λ為光源的波長；H為與測量系統幾何尺寸有關的一個常數。

顯然，在某一測量系統中λ，ε，ε0，θ，R，I0可以認為是常數，由于進行質量濃度測量時，塵埃顆粒是數顆一起通過光敏感區，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。

光學粉塵測量儀主要由光學傳感器、信號調理單元、模數轉換單元、微機控制、通信接口、氣路系統、電源系統等組成。其總體硬件結構如圖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傳感器。光學傳感器由照明系統、散射光收集系統組成，這兩個系統的軸線與采樣氣流的軸線相互垂直，交點周圍的一個小區域是測量系統的光敏感區，它是粉塵流過時得到照明并產生散射光的位置。半導體激光器發出的光波穿過具有粉塵的被測區域后，光電二極管將散射光信號轉換成電信號。

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

(3)信號經A／D轉換器轉換后，送微處理器。

(4)微處理器對采集到的數據實時進行計算，并自動生成當前粉塵濃度值，同時將數據進行存儲、顯示，根據需要對測量結果進行打印或將數據傳送至PC機。

2自適應測量功能

粉塵測量儀的光電轉換電路和信號調理電路如圖2所示，其中運算放大器1為前置放大，功能是完成I／V轉換，并將信號放大。運算放大器2完成信號調理和放大。由于粉塵測量儀的測量范圍很寬，一般為0.01～20 mg／m3，在這樣寬范圍內保持測量數據的線性和準確，使用常規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確，必然要將放大器設計成很高的增益，然而當粉塵濃度達到3 mg／m3時，放大器幾乎達到飽和，因此按常規設計方案不能滿足0.01～20 mg／m3的測量范圍。為此，設計了一個硬件和軟件相結合，能完成自適應測量功能的信號調理電路，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，自適應測量功能的實現如下：當儀器進入測量微處理器發出控制命令，使程控放大器處于放大倍率50狀態，讀取數據后判斷程控放大器是否處于最佳的工作狀態，若發現溢出或不在最佳的工作狀態，則改變程控放大器的放大倍率，使其進入最佳的工作狀態，為了使測量數據統一，可以通過軟件進行修正。測量控制軟件的流程如圖4所示。

3實測數據與分析

測試采用了粉塵發霧裝置產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測量功能和常規的放大電路的兩種儀器進行測量，每種儀器各用2臺，分A組和B組。圖5(a)和(b)是A組和B組測試數據的對比曲線。

由于實驗測得的是一些離散的數據點，為了更好地分析數據，找出其內在的規律性，利用這些離散的數據點，運用最小二乘法進行曲線的擬合并繪制出曲線擬合圖，這些用Matlab實現。生成的曲線擬合圖如圖6所示。



4結語

測試結果表明，采用常規放大電路的儀器在粉塵濃度為3 mg／m3時就進入飽和狀態，無法測量粉塵濃度大于3 mg／m3的數據。而采用具有自適應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確性和測試精度，通過對空氣的實際測量，具有自適應測量功能的儀器達到了0.01～20 mg／m3的測量范圍。