本申請為申請日為2014年12月16日提交的申請?zhí)枮?014107794971，其發(fā)明創(chuàng)造名稱為《一種顆粒粒度及濃度光散射測量方法》的分案申請。

本發(fā)明涉及一種顆粒粒度及濃度光散射測量方法，屬于顆粒測量技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

顆粒測量在能源研究，環(huán)境保護，大氣科學(xué)等領(lǐng)域都有重要的地位，正因為其重要的地位，目前得到發(fā)展的顆粒測量技術(shù)有很多種，例如機械法、電感電容法、超聲波法、光學(xué)法等。近幾十年來由于激光技術(shù)、計算機技術(shù)和光纖技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)法得到迅速的發(fā)展，其中就包括光散射法。光散射測粒的基礎(chǔ)是mie散射理論，其是球形顆粒對電磁波散射的嚴(yán)格物理解。

光學(xué)測量顆粒粒度和濃度的方法比較成熟的是光全散射法(又稱消光法或濁度法)，由于顆粒對光的散射和吸收作用，經(jīng)過測量區(qū)域的光的強度受到衰減，透射光與入射光的比值是粒徑分布與顆粒濃度的函數(shù)，根據(jù)測得的透射光和入射光的比值，已知光波長，光程和被測顆粒折射率后就可以得到顆粒的尺寸分布函數(shù)及濃度。另一種顆粒粒度和濃度測量方法是結(jié)合衍射散射法和光度計法的結(jié)合，衍射散射法根據(jù)散射光強和散射角度的關(guān)系建立線性方程組求解顆粒粒度參數(shù)，已知粒徑分布，利用光度計法中某一空間立體角內(nèi)光能與濃度的近似線性關(guān)系可以求解顆粒濃度。

光學(xué)測量顆粒粒度和濃度的方法比較成熟的是光全散射法(又稱消光法或濁度法)，但是光全散射法單波長下只能給出粉塵的光學(xué)濁度值。對于相同的光學(xué)濁度值，不同的平均粒徑相對應(yīng)不同顆粒濃度，想要求得粉塵濃度需要知道顆粒平均粒徑。多波長下光全散射法可以反演粒徑分布，然后求解顆粒濃度，但求解粒徑分布的公式中的消光系數(shù)是個十分振蕩復(fù)雜的函數(shù)，其一階導(dǎo)數(shù)不連續(xù)，增加了求解難度。衍射散射法在求解粒徑分布方面十分廣泛，結(jié)合光度計法可以求解顆粒濃度。衍射散射法事實上一般需要測量多個角度的散射值(角度個數(shù)與所需要獲得的粒徑分布區(qū)間數(shù)有關(guān)系)，這對實驗裝置的要求很高。在實際的工程測量中，顆粒粘附在測量區(qū)域的光學(xué)窗口上，造成大量雜散光影響測量精度。為了消除粘附顆粒對測量結(jié)果的影響，多數(shù)方法是采用改進光路設(shè)計的途徑。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

目的：針對上述現(xiàn)有存在的問題和不足，本發(fā)明提供了一種顆粒粒度及濃度光散射測量方法。

技術(shù)方案：為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

設(shè)光電探測器某時刻t，采集到的信號光強為it∑(θ)，在不相關(guān)單散射的假設(shè)下，有

it∑(θ)＝it∑1(θ)+it∑2(θ)(1)

其中，it∑1(θ)為t時刻粘附在窗口上的沾污顆粒光強貢獻值，it∑2(θ)為t時刻測量區(qū)域顆粒的光強貢獻值。δt時間后，信號光強為：

it+δt∑(θ)＝it∑(θ)+iδt∑(θ)＝it∑1(θ)+iδt∑1(θ)+it∑2(θ)+iδt∑2(θ)(2)

其中iδt∑(θ)為兩次光強測量的差值，iδt∑1(θ)，iδt∑2(θ)分別為兩次測量中窗口沾污顆粒引起的光強變化值和氣固流場中顆粒引起的光強變化值。由于δt時間較短，窗口上沾污顆粒數(shù)不發(fā)生變化，故可認為iδt∑1(θ)＝0，則iδt∑(θ)＝iδt∑2(θ)，故δt時間內(nèi)的信號光強變化就是測量區(qū)域顆粒變化的信息，通過兩次測量就可以測量變化顆粒的信息。粘附在光學(xué)窗口的顆粒對測量結(jié)果的影響在兩次測量結(jié)果的相減中就可去除。而變化顆粒的粒度信息與整個流場的顆粒粒度信息是保持一致的。

(1)粒徑分布測量

粒徑分布非獨立模式解法中，事先假定顆粒的粒徑分布符合某個雙參數(shù)分布函數(shù)d是顆粒粒徑，k是分布參數(shù)，那么光強角分布矩陣的所有元素不再是獨立的，而是關(guān)于兩個分布參數(shù)的函數(shù)。假設(shè)兩個散射角分布為θ1、θ2，則這兩個角度方向的散射光強變化值為

式中，i(θ1，dj)為θ1角度下dj粒徑的顆粒的散射理論光強值，αj＝πdj/λ為粒徑無因次參量，λ為激光波長，f為收集透鏡的焦距，j1為第一類一階貝塞爾函數(shù)。因而，對一組測量的光強值，根據(jù)以上公式我們可以尋找出一組最優(yōu)的尺寸分布，使得誤差最小。

(2)顆粒的平均粒徑測量

多分散顆粒群在某一角度下的散射光強iδt∑(θ)可以用一顆粒總數(shù)為k，體積平均粒徑為d30的顆粒群的散射光總和來表示：

iδt∑(θ)＝k·i(θ，d30)(5)

其中，n(d)為粒徑分布函數(shù)，k為顆?？倲?shù)。對于前向小角范圍內(nèi)的兩個特定角度θ1，θ2，粒子群總散射光強變化值的比值為：

從式(6)可以看出：散射角固定時，對于特定波長的入射光，散射光強之比僅僅是顆粒群平均直徑d30的函數(shù)。

(3)粉塵濃度測量

根據(jù)bouguer定律，在一束平行光通過渾濁兩相混合物，透射光和入射光的關(guān)系有

其中，d32為索太爾平均粒徑，i是透射光強，i0是入射光強，cv是粒子群的體積密度，是平均消光系數(shù)，l是測量區(qū)域光學(xué)長度。根據(jù)公式(5)，將某一次的光強測量值it∑(θ)替換iδt∑(θ)可以得到

代入公式(7)，有

注意到k是指的流場中顆粒和沾污顆粒的總數(shù)，但不利于測量。

由已知顆粒濃度一般表達式如下：

所示將(10)代入(9)，并用s表示激光束的截面積，簡化去掉k，得到下式：

顯然，在和l以及d30，d32等參數(shù)都確定的情況下，通過測量it∑(θ)和i就可以由上式計算出粒子群的體積濃度。

作為優(yōu)選方案，實際測量中公式(11)中的指數(shù)部分

則濃度算法公式可以簡化為：

有益效果：本發(fā)明提供的一種顆粒粒度及濃度光散射測量方法，本發(fā)明是在研究前向小角光散射測粒系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提高了測量裝置可靠性和準(zhǔn)確性，算法簡單，精度可靠；提出了一種利用兩個散射角度求解顆粒粒度和濃度的方法，測量過程簡單，易于標(biāo)定，無需預(yù)知其中任一參數(shù)；并提出了兩次測量法，避免粒度分布求解中的窗口污染對測量結(jié)果的影響。

附圖說明

圖1為本發(fā)明測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進一步的說明。

如圖1所示，激光器與空間濾波器1發(fā)射的濾除了激光光束中非平行雜散光的激光，擴散光束經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡2后形成一束平行光。平行光束穿過含粉塵的氣固兩相混合流體3，平行光束穿過流體中固體顆粒物產(chǎn)生散射光和透射光，經(jīng)過收集透鏡4后散射光和透射光聚焦在收集透鏡4焦平面，焦平面上放置多元光纖分布板5。光纖分布板5收集到的光信號經(jīng)光纖傳輸?shù)焦怆娹D(zhuǎn)換系統(tǒng)6，轉(zhuǎn)變成電流信號，電流信號經(jīng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)7放大，數(shù)模轉(zhuǎn)換，最后送入計算機進行處理、并顯示出測量結(jié)果。

不同角度的散射光經(jīng)過收集透鏡4時，收集透鏡4可以將同一角度的散射光匯聚到焦平面的同一半徑的圓上。焦平面上不同半徑大小的同心圓上的平均光強代表不同散射角度的散射光強iσ(θ)，散射光強iσ(θ)分布經(jīng)光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)6和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)7采集兩個散射角度下的光強iσ(θ)。

在較短的時間內(nèi)，進行兩次連續(xù)測量itσ(θ)和it+δtσ(θ)，兩次測量結(jié)果相減iδtσ(θ)＝it+δtσ(θ)-itσ(θ)，由于在較短時間內(nèi)光學(xué)窗口上的顆粒總數(shù)近似沒有變化，故iδtσ(θ)包含流場中顆粒物的粒度信息和濃度變化信息。

設(shè)光電探測器某時刻t，采集到的信號光強為itσ(θ)，在不相關(guān)單散射的假設(shè)下，有

itσ(θ)＝itσ1(θ)+itσ2(θ)

其中，itσ1(θ)為t時刻粘附在窗口上的沾污顆粒光強貢獻值，itσ2(θ)為t時刻測量區(qū)域顆粒的光強貢獻值。δt時間后，信號光強為：

it+δtσ(θ)＝itσ(θ)+iδtσ(θ)＝itσ1(θ)+iδtσ1(θ)+itσ2(θ)+iδtσ2(θ)

其中iδtσ(θ)為兩次光強測量的差值，iδtσ1(θ)，iδtσ2(θ)分別為兩次測量中窗口沾污顆粒引起的光強變化值和氣固流場中顆粒引起的光強變化值。由于δt時間較短，窗口上沾污顆粒數(shù)不發(fā)生變化，故可認為iδtσ1(θ)＝0，則iδtσ(θ)＝iδtσ2(θ)，故δt時間內(nèi)的信號光強變化就是測量區(qū)域顆粒變化的信息，通過兩次測量就可以測量變化顆粒的信息。粘附在光學(xué)窗口的顆粒對測量結(jié)果的影響在兩次測量結(jié)果的相減中就可去除。而變化顆粒的粒度信息與整個流場的顆粒粒度信息是保持一致的。

1.粒徑分布的測量：

將兩個散射角的光強變化值iδtσ(θ1)和iδtσ(θ2)代入以上公式即可尋求最優(yōu)的顆粒粒徑尺寸分布函數(shù)

2.平均粒徑的測量：將兩個散射角的光強變化值iδσ(θ1)和iδσ(θ2)代入下式就可以求解體積平均粒徑d30，

3.體積濃度的測量：將中心透射光的測量值i和θ角度下的一次測量光強值itσ(θ)代入下公式，顆粒體積濃度變化值cv即可求得：

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。