大量程在线式粉尘浓度监测系统设计

赵欣然 李群 王卫东 徐志强 鲁恒润

摘要：针对高浓度可燃性粉尘存在爆炸的风险，该文基于光透射原理设计一套大量程在线式粉尘浓度监测系统，通过对透射光信号的采集反演出粉尘的浓度信息。系统整体包含6个单元模块，实现对信号的采集、转换、显示和控制，其中单片机选用性能优越的s_lM32，上位机程序采用NI公司的虚拟仪器软件LabvIEW进行设计。采用全反射的方式将测量激光束进行反射，解决传统光透射法由于光程长而导致测量距离长的问题，有效缩短仪器长度，扩大适用范围。与固定容积的标定装置进行比对，结果表明该监测系统能够对10-100g/m³粉尘浓度范围进行有效监测，量程内绝对误差最大为-4.2g/m³。

关键词：粉尘浓度;在线监测;透射法;全反射;sTM32

中图分类号：x831;TP212.9文献标志码：A 文章编号：1674-5124（2019）04-0080-05

0引言

近几年，国内外发生过多起由粉尘引起的爆炸事故，造成了大量人员和财产损失，因此对于粉尘浓度的监测特别是对于浓度范围高于粉尘爆炸下限（30-50g/m3）的高浓度粉尘的监测迫在眉睫。目前，对于粉尘浓度的检测方法主要有滤膜称重法、β射线法、超声波衰减法、电荷感应法、电容法、光散射法和光透射法，但普遍存在不能在线监测或测量浓度低等局限，一般应用于对0.1～1000mg/m³范围内呼吸性粉尘PM10/2.5，的检测。其中，光透射法需结合散射光才能达到对低浓度粉尘较为准确的测量，而单纯的依据透射光信号更适用于检测高浓度粉尘，因此符合对具有爆炸性的高浓度粉尘监测的需要。

本文基于光透射法测量原理，通过引入直角棱镜和双探测器结构，设计了适用于测量高浓度粉尘的监测系统，扩大了透射法测量粉尘浓度的应用范围，为高浓度粉尘监测提供了参考。通过搭建试验平台探究了测量电压值和粉尘浓度之间的关系，并通过拟合曲线对试验结果进行标定。

1光透射法测量粉尘浓度的理论

光透射法又称消光法或浊度法，基于著名的Lambert-Beer定理，基本原理是当一束光穿过含有颗粒的介质时，由于受到颗粒的散射和吸收影响，其穿过介质的透射光强会衰减，衰减程度和颗粒的大小、浓度、光程和消光系数相关，其关系式为

2整体系统设计

根据透射法检测粉尘浓度原理，系统发出激光光束穿过被测粉尘，通过光电探测器检测透射光强，然后对光电探测器转化后的微弱信号进行放大、滤波、A/D转化，再由单片机对转化后的数字信号进行预处理后通过RS485通信传输到PC机，上位机使用LabVIEW软件对接收到的数据进行处理并显示。此外，由于激光器窗口和光电探测器窗口暴露在含尘气流中，会不同程度粘连粉尘颗粒，对测试结果造成影响，因此添加了气吹装置用以清洁窗口，整体系统如图l所示。

2.1激光发生模块

激光具有单色性好、方向性好、亮度高等特点，因此本系统选用激光作为光源。常见的激光器有固体激光器、半导体激光器和气体激光器，其中固体激光器和气体激光器体积较大，工作电压高，而半导体激光器具有体积小、质量轻、运转可靠、效率高等优点，综合考虑仪器的使用环境及空间限制，最终选用YD-D650PS-G10-35波长为650nm的红色5mW半导体激光器。

2.2信号处理模块

光信号通过光电探测器转化为电流信号，电流信号再经过跨阻放大器转化为放大后的电压信号，之后通过低通集成滤波器LTCl563-2将信号中的高频噪声滤除，最后由运算放大器ICL7650将电压信号调节到适用于A/D转化的幅度。其中光电探测器选用日本滨松的$5972硅PIN型光电二极管，具有尺寸小、灵敏度高、速度快等特点。光电二极管工作模式选用光伏模式，在该模式下光电二极管是零偏置的，暗电流最小，可有效降低噪声提高信噪比。A/D转换则直接使用STM32自带的A/D转换功能，其位数为12位，共多达16个外部通道，1us转换时间，转化范围为0-3.6v。考虑到除激光光源外，环境光对光电二极管同样会产生一定影响，为了排除环境光的影响，系统中加入另一光电二极管作为辅探测器用以接收环境光，再与主探测器通过差分电路做差分处理。信号处理流程如图2所示。

2.3主控模块

本系统单片机采用性能优越的STM32F103C8T6，该型号是32位基于ARM核心的中等容量增强型微控制器具有48/卜弓脚、64KB的ROM、USB、CAN、4个定时器、2个ADC、3个USART，完全满足本系统对性能的要求。单片机及外围电路如图3所示。

STM32单片机接收信号处理模块传来的0～3.3v电压，通过自身的A/D转换功能将模拟电压转化为数字电压。ADC时钟设定为12MHz，即分频因子设定为6，工作模式选用独立工作、非扫描、单次转换模式，对齐方式选择右对齐，使用软件控制转换。為了提高精确度，设定通道采样时间为239.5周期，并且进一步通过循环读取10次DR寄存器中的AD值，求取平均数。数据传输选用通用同步异步收发器USART，设定时钟72MHz，波特率9600，1位停止位无校验位。因为A/D转换后的数据是12位，USART每次只能传输一个字节数据，因此将AD值取高8位和低8位分别存放于8位无符号数组中。主函数初始化后通过循环查询寄存器DR中的值，当查询到0xFF时，将存有A/D转换值的数组通过RS485通信传输到上位机中并同时转变连接有LED指示灯的I/O口电位，使LED灯闪烁。I/O留用口和SPI通信口用于方便扩展，增加仪器适用范围。

2.4上位机显示模块

本系统以PC机作为上位机，通过RS232转RS485通信转接头Z-TEK与下位机通信线相连，界面显示和通信使用LabVIEW开发平台进行编写。不同于传统基于c语言进行编写的软件，LabviEW开发平台运用图形化语言进行编写，即G语言，具有开发效率高、操作方便、显示直观、易更改等优点。VISA是一种用来与各种仪器总线进行通信的高级应用编程接口（API），通过VISA可实现LabviEW对串口数据的读写。首先配置VISA串口，将VISA resource name通过VISA打开（VISA Open）连接到VISA资源名称端口，设定波特率为9600，数据比特8位，奇偶校验位无（None）和停止位（1.0）。之后连接VISA清空I/O缓冲区，VISA写人，VISA读取和字符串至字节数组转换，将单片机传输来的字符串数据转化为字节数组，再通过索引数据将数据传输到浓度计算子Ⅵ中进行电压值到浓度值的转换，最终由显示控件波形图表显示。运用while循环结构每隔1s通过VISA写入oxFF，便可获取下位机传输的数据。流程图如图4所示。

2.5光路和气路模块

本监测系统光程为40cm。根据国家标准GB/T 50243-2016《通风与空调工程施工质量验收规范》，除尘系统所用的金属圆形风管规格为直径100-2000mm范围内，为了提高本仪器的适用范围，通过加入直角棱镜运用全反射原理将仪器测量区长度缩短至一半。针对检测粉尘浓度时激光器、光电二极管窗口和直角棱镜表面会不同程度粘连粉尘颗粒的情况，设计中加入气吹横扫结构，利用气泵不间断向窗口吹送清洁空气形成气幕隔绝粉尘颗粒。整体结构如图5所示。

激光器发出激光经直角棱镜反射后照射到光电二极管窗口，同时将连接气泵的导气管连接到仪器气道，便可实现对窗口的吹扫，使用时仪器通过法兰与除尘管道相连。

3试验及数据分析

将试验仪器连接到测试环境中，仪器和PC机通过RS485通信线连接，上位机程序可实时显示当前电压值。测试环境为具有一定容量v的箱体，在其底部连接有扇叶，通过电机带动扇叶旋转，从而使箱体内含尘气流旋转流动，改变放人箱体内的粉尘质量m便可实现改变浓度的目的，则箱体内粉尘浓度为Cv=m/v，测试平台如图6所示。

通过采集不同浓度时的电压值，分析粉尘浓度与电压值的对应关系，表l为记录的试验数据。

从表中可以看出，随着粉尘浓度的上升，电压值从无粉尘时的最大值开始逐渐下降。粉尘浓度为100g/m³时，电压值降到最大值的73%。通过将5组实验数据取平均值，利用Matlab将数据进行拟合，得到1n（Io/I）值与浓度的关系，拟合结果如图7所示。

通过拟合得到的关系函数为

y=318.24x+1.1008（12）线性相关系数r²=0.998，可看出回归模型拟合程度较好，其变化规律与理论公式（4）相一致。为了验证拟合函数的准确性，根据拟合公式重新进行粉尘样品浓度测试，并将测试值与实际值相比较，试验结果如表2所示。

从表中可以看出，测量高浓度粉尘时绝对误差较大，但最大不超过4.2g/ms，此时相对误差仅为4.2%，满足仪器设计要求（相对误差<±10%）。除此之外，对于0-10g/m³浓度范围内的粉尘，本监测系统相对误差较大，测量效果不理想，一方面原因为当粉尘浓度较低时，粉尘颗粒较为稀薄，由颗粒散射和吸收引起的光强衰减量较小，因此光电二极管很难探测出其差异量。另一方面，受本系统测试环境限制，測试时粉尘颗粒会不同程度粘附在测试箱体内表面，造成测量误差，当颗粒浓度较低时由此而造成的影响更为突出。

4结束语

本文运用透射光进行了粉尘浓度测量的研究，论述了光透射法测量粉尘浓度的原理，开发了一套适用于在线监测高浓度粉尘的监测系统，并对系统各关键模块进行了介绍，最后通过试验得到电压值与粉尘浓度的关系函数并验证了其准确性。通过对光透射法测量粉尘浓度的研究，表明可以通过对透射光强的检测来求解粉尘浓度，实现对10-100g/m³浓度范围内高浓度粉尘的在线监测。由于受粉尘测试环境的限制，本试验仍有许多不完善的地方，如本验证试验是通过向固定容量的箱体内加入定量粉尘，从而计算真实浓度，其存在着箱体内粉尘分布不均匀和内表面易粘附粉尘颗粒等现象，一定程度上制约了仪器测量精度的提高，因此还需设计一款稳定且能够均匀产尘的试验装置。