具有背景光补偿功能的激光后向散射粉尘仪及其使用方法与流程

1.本发明涉及激光测尘技术领域，尤其涉及一种具有背景光补偿功能的激光后向散射粉尘仪及其使用方法。


背景技术：

2.在固定污染源颗粒物检测应用中，如果烟囱的温度特别高(超过200℃)，采用安装方便、适应性强的激光后向散射粉尘仪进行粉尘浓度检测将非常具有优势。现有的激光后向散射粉尘仪如图1所示，激光源3发出的激光束6射入烟囱1，激光束6与烟囱1中的颗粒物2相互作用产生散射，当颗粒物2浓度升高时，颗粒物2的总散射截面积增大，后向散射光7增强，即粉尘浓度c和信号光能量ps成线性比例关系。光电探测器4检测到经接收镜头5会聚后的后向散射光7的光信号后，可以通过线性拟合公式c＝k*ps b获得粉尘浓度c。然而烟囱1的内壁带来的背景光会随着工作年限、气候甚至工况的变化而变化，导致光电探测器4产生严重的零点漂移。
3.为获得准确的背景光修正系数，现有的解决方案有：1)设置一个零点漂移补偿装置，通常为电位器或者数字寄存器，用来手动补偿该漂移，其存在的问题是具有环保造假风险；2)采用双检测器通过实时差分法来补偿零点漂移，其存在的问题是光路复杂，光路调节和双检测器平衡校准非常困难，并且抗震性较差。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种具有背景光补偿功能的激光后向散射粉尘仪，以解决上述问题。
5.本发明提供了一种具有背景光补偿功能的激光后向散射粉尘仪，包括设置在烟囱外的激光源和光电探测器，还包括：分光棱镜，设置在所述激光源发出的激光束的光路上，其将所述激光束分为两束，一束为校准光，另一束为测量光；所述校准光射入所述烟囱中并在所述烟囱的内壁上产生光斑，所述测量光射入所述烟囱中与颗粒物相作用形成后向散射光；所述光电探测器用于接收所述光斑或后向散射光的光信号；遮挡机构，设置在所述烟囱和分光棱镜之间，用于遮挡所述校准光或测量光，同一时刻，仅有一束光能够通过所述遮挡机构射入所述烟囱中。
6.优选地，还包括光阑和接收镜头，所述光阑和接收镜头设置在所述烟囱和光电探测器之间，所述光斑正对所述光阑且能够在所述光电探测器中成像。
7.优选地，所述分光棱镜角度可调节地设置在安装座中。
8.优选地，所述遮挡机构包括直线驱动装置以及由所述直线驱动装置驱动的挡板。
9.优选地，所述挡板由黑色吸光塑料制成。
10.本发明还提供了一种前述具有背景光补偿功能的激光后向散射粉尘仪的使用方法，包括：
11.s1、在烟囱外布置好激光后向散射粉尘仪；
12.s2、当烟囱处于停炉状态时，遮挡机构先挡住校准光，仅由测量光射入烟囱中，此时光电探测器测得初始测量背景光能量pbm0；接着遮挡机构挡住测量光，仅由校准光射入烟囱中，此时光电探测器测得初始校准背景光能量pbc0；
13.s3、烟囱正常工作一定时间后，遮挡机构先挡住校准光，仅由测量光射入烟囱中，此时光电探测器测得的能量记为pxi，信号光能量psi＝px
i-pbm0*kbi，其中，i≥1，kbi为背景光修正系数，kb1为预设初始值；接着遮挡机构挡住测量光，仅由校准光射入烟囱中，此时光电探测器测得的能量记为pyi，校准背景光能量pbci＝py
i-psi，kb
i 1
＝pbci/pbc0，其中，i≥1。
14.本发明的有益之处在于，通过在现有激光后向散射粉尘仪的基础上增加分光棱镜和遮挡机构，配合其使用方法可以在线获得实时自动更新的背景光修正系数，免去操作人员将设备拿回实验室进行计算分析的时间成本，避免人为干涉带来的环保造假风险，确保获得准确的测量结果。
附图说明
15.图1为现有激光后向散射粉尘仪的工作状态示意图；
16.图2为本发明的激光后向散射粉尘仪的工作状态示意图；
17.图3为分光棱镜的结构示意图。
18.元件标号说明：
[0019]1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
烟囱
[0020]2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
颗粒物
[0021]3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
激光源
[0022]4ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
光电探测器
[0023]5ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
接收镜头
[0024]6ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
激光束
[0025]
61
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
校准光
[0026]
62
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
测量光
[0027]7ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
后向散射光
[0028]8ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
分光棱镜
[0029]9ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
遮挡机构
[0030]
10
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
光阑
具体实施方式
[0031]
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。这些实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制。
[0032]
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0033]
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相
连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0034]
如图2所示，本发明提供了一种具有背景光补偿功能的激光后向散射粉尘仪，包括设置在烟囱1外的激光源3、分光棱镜8、遮挡机构9、光阑10、接收镜头5和光电探测器4，激光源3、分光棱镜8和遮挡机构9均位于光阑10、接收镜头5和光电探测器4的上方，这样设置有助于光电探测器4接收后向散射光7。本领域技术人员也可以根据需要，对零部件之间的安装位置进行调整。
[0035]
在具体实施中，激光源3为650nm红光激光器，其通过准直透镜将出射光整理成平行光。
[0036]
分光棱镜8设置在激光源3发出的激光束6的光路上，其将激光束6分为两束，一束为校准光61，另一束为测量光62。其中，校准光61射入烟囱1中并在烟囱1的内壁上产生光斑，测量光62射入烟囱1中与颗粒物2相作用形成后向散射光7。光阑10、接收镜头5和光电探测器4依次同轴设置，且与烟囱1之间的距离逐渐变大。光阑10起到视场切割作用，即只允许特定区域的光通过接收镜头5进入光电探测器4。将校准光61在烟囱1的内壁上产生的光斑位置设置为正对光阑10，这样该光斑的光信号可以被光电探测器4接收并在光电探测器4中成像，便于光源标定以及获得烟囱1内壁的相关参数信息。虽然测量光62同样会在烟囱1的内壁上形成一个光斑，但由于光阑10的限制作用，此光斑的光信号并不能被光电探测器4接收，只有部分后向散射光7可以进入光电探测器4中。由于测量光62和校准光61的光路相同且仅由一个光电探测器4接收光信号，因此在工作中无需考虑两个光路之间的平衡补偿问题。本领域技术人员也可以根据需要，通过增设分光棱镜的方式从校准光61中再分出一束光，实现对激光源3的稳定性以及位于光路中的各镜片的污染状况的实时监测。
[0037]
在本发明的一个具体实施例中，为了便于适应不同直径的烟囱1，分光棱镜8角度可调节地设置在安装座(未示出)中，并通过安装座进行位置固定。分光棱镜8具体地为如图3所示的分光比例1:1的半透半反棱镜。
[0038]
如图2所示，遮挡机构9设置在烟囱1和分光棱镜8之间，其用于遮挡校准光61或测量光62。同一时刻，仅有一束光能够通过遮挡机构9射入烟囱1中。具体地，遮挡机构9包括直线驱动装置以及由直线驱动装置驱动的挡板。直线驱动装置的形式并不局限，其可以为电磁铁、直线电机或气缸等装置；挡板的形状可为圆形、方形、三角形等多种形状，优选地由黑色吸光塑料制成，其在初始状态下保持对校准光61的遮挡。
[0039]
如图2所示，本发明还提供了一种前述具有背景光补偿功能的激光后向散射粉尘仪的使用方法，该方法包括以下步骤：
[0040]
s1、在烟囱1外布置好激光后向散射粉尘仪；
[0041]
s2、当烟囱1处于停炉状态时，遮挡机构9先挡住校准光61，仅由测量光62射入烟囱1中，此时光电探测器4测得初始测量背景光能量pbm0；接着遮挡机构9挡住测量光62，仅由校准光61射入烟囱1中，此时光电探测器4测得初始校准背景光能量pbc0；
[0042]
s3、烟囱1正常工作一定时间后，遮挡机构9先挡住校准光61，仅由测量光62射入烟囱1中，此时光电探测器4测得的能量记为pxi，信号光能量psi＝px
i-pbm0*kbi，其中，i≥1，
kbi为背景光修正系数，kb1为预设初始值。若在s2停炉状态下的烟囱1内的粉尘浓度为0或低到可以忽略不计时，kb1＝1。接着遮挡机构9挡住测量光62，仅由校准光61射入烟囱1中，此时光电探测器4测得的能量记为pyi，校准背景光能量pbci＝py
i-psi，kb
i 1
＝pbci/pbc0，其中，i≥1。
[0043]
随着烟囱1工作时间的增加，控制系统可控制激光后向散射粉尘仪每隔一段时间就重复上述步骤s3，然后由控制系统根据算法计算自动完成背景光补偿，在此过程中，操作人员无需将设备拿回实验室进行计算分析，节约了大量时间成本，此外，相较于人为手动补偿，该方法能够实现系统自动补偿，降低运维负担，同时避免人为干涉带来的环保造假风险。操作人员可以通过上述方法在线获得实时自动更新的背景光修正系数，确保激光后向散射粉尘仪的测量结果准确。
[0044]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。