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關(guān)于基于Mie散射低濃度煙塵檢測系統(tǒng)的設(shè)計

電子設(shè)計 ? 來源:網(wǎng)絡(luò)整理 ? 作者:工程師吳畏 ? 2018-06-15 16:45 ? 次閱讀

0 引言

燃煤電廠發(fā)電過程中會產(chǎn)生大量的煙塵顆粒物,經(jīng)過濾除塵后煙塵顆粒物的濃度低、粒徑小,在空氣中漂浮的時間長[1],通過呼吸進入人體內(nèi),會對人的健康造成很大傷害,也會對無塵度要求較高的工業(yè)生產(chǎn)造成不良影響[2]。因此,設(shè)計一款性能穩(wěn)定、能夠?qū)崟r監(jiān)測低濃度煙塵的系統(tǒng)具有重要意義。

系統(tǒng)以Mie散射為理論基礎(chǔ),它表述了光在微小顆粒物表面發(fā)生散射的規(guī)律[3]。相比較其他原理的測量方法,基于光散射法的檢測設(shè)備具有自動化程度高、儀器體積小、可以直接獲得測量結(jié)果等優(yōu)點[4],本文結(jié)合激光調(diào)制、微弱信號處理以及嵌入式等技術(shù),設(shè)計了一款能夠在線測量的低濃度煙塵檢測系統(tǒng)。

1 Mie散射檢測原理

經(jīng)過濾除塵后,煙塵粒徑多數(shù)集中在0.2~10 μm之間,形狀多為球體[5]。此時粒子粒徑遠遠小于粒子間的距離,這樣就可以忽略粒子間的散射,把待測區(qū)的散射光強看成一個整體[6],符合Rosin-Rammler分布,其分布函數(shù)為:

關(guān)于基于Mie散射低濃度煙塵檢測系統(tǒng)的設(shè)計

式中x和N是描述煙塵粒子分布的特征參數(shù),x表示為粒徑大于x的粒子數(shù)占粒子體積的36.8%,N大小反映了粒子粒徑的分布程度;N越大表示粒子粒徑越集中[7];d為粒子直徑,T是分布函數(shù),其導(dǎo)數(shù)的意義表示粒徑為d的煙塵顆粒在整個煙塵顆粒群中的比例,公式為:

關(guān)于基于Mie散射低濃度煙塵檢測系統(tǒng)的設(shè)計

若待測區(qū)的體積為V,煙塵質(zhì)量濃度為A mg/m3,密度為ρ,煙塵顆粒總體積為V煙塵,則關(guān)系式如下:

關(guān)于基于Mie散射低濃度煙塵檢測系統(tǒng)的設(shè)計

對于確定的煙塵排放源,σ中的各參數(shù)為已知量,則可由式(6)得出總散射光強I總與煙塵濃度A為一次線性關(guān)系,這也是本檢測系統(tǒng)的理論依據(jù)。

2 系統(tǒng)設(shè)計方案

本系統(tǒng)主要由四部分組成:激光發(fā)射單元、信號接收單元、STM32數(shù)據(jù)處理單元以及上位機軟件。激光器在調(diào)制信號驅(qū)動下發(fā)出調(diào)制激光,通過擴束鏡照射到待測煙塵區(qū)發(fā)生散射,散射光通過聚光鏡匯集到光電探測器轉(zhuǎn)換為電信號,電信號經(jīng)過放大濾波、A/D轉(zhuǎn)換進入STM32處理單元進行數(shù)據(jù)處理,最后通過串口送入上位機進行實時顯示并存儲。系統(tǒng)設(shè)計方案如圖1所示。

關(guān)于基于Mie散射低濃度煙塵檢測系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 激光發(fā)射單元

激光發(fā)射單元主要包括:LD激光器、基準(zhǔn)電壓源電路、信號調(diào)制電路、激光器電流驅(qū)動電路

系統(tǒng)選用波長為650 nm的LD激光器作為激光光源,此時激光波長和煙塵粒徑大小為同一數(shù)量級,滿足Mie散射的理論要求[8]。基準(zhǔn)源選用LM399高精度基準(zhǔn)電壓源[9],基準(zhǔn)電壓為6.95 V,通過電位器分壓和低通濾波器消噪,獲得3 V直流偏置電壓。信號調(diào)制選用高頻精密函數(shù)信號發(fā)生器MAX038,產(chǎn)生200 Hz頻率的正弦信號[10],經(jīng)濾波后輸出2 V調(diào)制電壓。電路中的AR1和AR2為LM393電壓跟隨器,用于提高電路的輸入阻抗以及防止前后級的互相影響。直流偏置電壓Vb和信號調(diào)制電壓Vm通過低噪聲、零漂移的OPA188運放芯片疊加,產(chǎn)生5 V激光調(diào)制電壓信號。恒流源電路是由運放AR4和AR5組成的負(fù)反饋電路,電路中利用NPN型三極管的電流放大特性進行擴流輸出,最終獲得40 mA激光驅(qū)動電流。驅(qū)動電路如圖2所示。

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2.2 信號接收單元

信號接收單元主要包括:光電探測器、I-V轉(zhuǎn)換放大電路、濾波電路。

系統(tǒng)選用型號為S1787-12高速響應(yīng)硅光電二極管PIN)作為探測器,在波長為650 nm時感光靈敏度可達最高值0.4 A/W。經(jīng)過光電探測器轉(zhuǎn)換的電信號十分微弱,對此信號的處理不能只是簡單地放大,而是在放大有用信號的同時能夠具備抑制噪聲的能力。前置I-V轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計是為了方便對檢測信號進行處理,但轉(zhuǎn)換中會產(chǎn)生一定的噪聲和偏置電流,可能導(dǎo)致后續(xù)放大電路產(chǎn)生誤差,為了消除這種影響,電路采用T型反饋網(wǎng)絡(luò),轉(zhuǎn)換芯片選用高精度OPA277運算放大器。微弱信號放大部分,設(shè)計二級放大電路,放大倍數(shù)可達100×10倍。但實際上放大器本身也存在一定的噪聲,所以放大電路可通過可調(diào)電阻R21根據(jù)實際測量靈敏度來確定最合適的放大倍數(shù)。偏置調(diào)節(jié)的作用是通過減法器給交流信號疊加直流偏移。電路如圖3所示。

關(guān)于基于Mie散射低濃度煙塵檢測系統(tǒng)的設(shè)計

濾波電路對提高整個信號檢測單元的信噪比起著決定性的作用,設(shè)計二級二階無限增益多路負(fù)反饋帶通濾波電路,第一級電路中心頻率為202 Hz,第二級電路通過R29調(diào)整為200 Hz,運算放大器選用噪聲低、穩(wěn)定性好的AD8039芯片,采用反相接法,反相輸入端的開環(huán)增益無限大,可視為虛地,輸出端由電阻和電容構(gòu)成兩條反饋支路,理論上該電路的品質(zhì)因數(shù)Q可以達到理想值。電路如圖4所示。

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2.3 STM32數(shù)據(jù)處理單元

STM32數(shù)據(jù)處理單元主要包括:STM32F103、供電電路、JTAG程序接口、A/D轉(zhuǎn)換輸入接口、串口模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊。

處理器選用的是STM32F103ZET6芯片,此芯片具有高速嵌入式存儲器以及先進的通信接口[11]。供電電源選用AX1117-3.3 V芯片;JTAG程序下載接口用于系統(tǒng)硬件仿真及在線調(diào)制功能;串口模塊選用RS232芯片實現(xiàn)單片機與上位機的通信;數(shù)據(jù)存儲模塊選用的是電可擦除存儲芯片F(xiàn)M24C02,可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲和壓縮,以便后續(xù)分析及處理。結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

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2.4 上位機軟件設(shè)計

本系統(tǒng)上位機利用LabVIEW軟件開發(fā),上位機界面中設(shè)計了數(shù)據(jù)波形與數(shù)值顯示窗口、串口調(diào)試窗口以及數(shù)據(jù)存儲控鍵。顯示界面如圖6所示。

關(guān)于基于Mie散射低濃度煙塵檢測系統(tǒng)的設(shè)計

圖中曲線表示未加入煙塵的檢測結(jié)果,為了便于觀察輸入電壓量的變化,縱坐標(biāo)的量程大小設(shè)置為可調(diào),量程范圍0~3.3 V。

3 實驗結(jié)果

為了驗證低濃度煙塵檢測裝置的靈敏度與準(zhǔn)確性,本文進行了靈敏度及曲線標(biāo)定實驗。實驗選用鍋爐燃燒產(chǎn)生的粉煤灰顆粒,實驗環(huán)境為自制的圓柱形模擬煙道,煙道的體積為0.785 m3,可以通過加入不同質(zhì)量的粉煤灰顆粒物求出煙道內(nèi)的粉煤灰濃度,作為標(biāo)準(zhǔn)濃度,利用標(biāo)準(zhǔn)濃度和實際測量值進行比較計算誤差。

3.1 靈敏度實驗

安裝實驗裝置,通過煙道頂端小口向內(nèi)散落少量粉煤灰顆粒物,經(jīng)過激光光束時會產(chǎn)生散射,實驗結(jié)果如圖7所示。

關(guān)于基于Mie散射低濃度煙塵檢測系統(tǒng)的設(shè)計

從圖中可以看到,當(dāng)粉煤灰經(jīng)過激光光束時,探測器接收電信號會有明顯的變大,隨著粉煤灰的下落,電信號又逐漸恢復(fù)到初始值,說明系統(tǒng)對低濃度粉煤灰顆粒物的后向散射信號敏感性較好,可以用于低濃度煙塵測量。

3.2 曲線標(biāo)定實驗

為了檢驗系統(tǒng)的準(zhǔn)確性以及驗證光散射產(chǎn)生的模擬電壓量與粉煤灰濃度成一次線性關(guān)系,設(shè)計兩組不同遞增量的測量實驗。粉煤灰質(zhì)量在0~250 mg范圍內(nèi)遞增量設(shè)定為25 mg,在250~750 mg范圍內(nèi)遞增量設(shè)定為50 mg,每組質(zhì)量測量時間為200 s,每秒記錄一個數(shù)據(jù),計算200個數(shù)據(jù)的平均值,每次實驗后要對模擬煙道進行清理再進行下次實驗。實驗結(jié)果如表1所示。

關(guān)于基于Mie散射低濃度煙塵檢測系統(tǒng)的設(shè)計

對表1中粉煤灰濃度與輸出電壓平均值進行線性擬合,擬合標(biāo)定曲線如圖8所示。從圖中可以看出,粉煤灰濃度與電壓平均值有著明顯的一次線性關(guān)系,設(shè)線性方程為y=kx+b,通過線性最小二乘法計算可得曲線標(biāo)定方程為:

關(guān)于基于Mie散射低濃度煙塵檢測系統(tǒng)的設(shè)計

式中,y表示煙塵濃度值(mg/m3),x表示輸出電壓值(mV)。

關(guān)于基于Mie散射低濃度煙塵檢測系統(tǒng)的設(shè)計

首先對表中每組200個測量值計算平均誤差,可得誤差范圍為0.31%~1.26%,變化范圍較小,則系統(tǒng)重復(fù)性良好;再通過標(biāo)定曲線計算測量濃度與標(biāo)準(zhǔn)濃度之間的誤差為4.42%。產(chǎn)生誤差的主要原因有:(1)人為因素造成,每次測量結(jié)束后清洗過程不仔細(xì)造成顆粒物殘留;(2)每次加入的粉煤灰質(zhì)量一定,但顆粒物粒徑大小是在一定范圍內(nèi)變化的,這樣也會影響輸出的電壓值。

4 結(jié)論

本文以Mie散射理論為基礎(chǔ),設(shè)計一款可以用于低濃度煙塵檢測的系統(tǒng)。通過實驗驗證了此系統(tǒng)在低濃度情況下有良好的靈敏度和重復(fù)性,利用虛擬儀器技術(shù)設(shè)計了上位機顯示界面,能夠?qū)崟r監(jiān)測煙塵濃度變化。實驗結(jié)果表明:煙塵濃度與輸出電壓量呈明顯的線性關(guān)系,測量濃度與標(biāo)準(zhǔn)濃度的偏差為4.42%,在國際標(biāo)準(zhǔn)誤差規(guī)定的范圍內(nèi),可以應(yīng)用于燃煤電廠低濃度煙塵排放的測量。

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