一种煤粉在线识别系统及其方法与流程

本发明涉及煤粉识别技术领域，尤其涉及的是一种煤粉在线识别系统及其方法。

背景技术：

煤气化是煤炭高效、清洁利用的核心技术之一，发展煤气化技术对推进煤炭高效清洁利用、保护生态环境、推进国民经济和社会可持续科学发展具有重要意义。随着能源结构的优化和调整，我国大力发展煤气化生产技术及工业，使得我国煤气化工业迅速跻身国际领先水平。

煤粉颗粒存在于煤气化工业生产的诸多过程，对于企业的生产安全性、生产效率及产品质量具有重要影响。煤气化装置涉及高温、高压、多项磨蚀等苛刻工况，煤粉在高温高压管道中传输，容易对管道、法兰等结构造成磨损，长时间下容易导致泄漏事故发生。据统计，国内几乎所有的煤气化企业每年都要发生类似的安全生产事故。以磨煤仓单元为例，其管道、法兰等是常见的泄漏点。在泄露初期，情况很轻微几乎难以发现，但是管道中的煤粉会随着气体排出到空气中，如果此时能够监测到泄漏点周围空气中的煤粉浓度明显上升，就能够提前进行预警预告，从而防止更大事故的发生，避免巨大的经济损失和安全事故，因此实现煤粉在线识别对于煤气化工业的安全生产具有非常重要的指导意义。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

技术实现要素：

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种煤粉在线识别系统及其方法，能够识别到空气中微量的煤粉，提前进行预警预告。

本发明的技术方案如下：

一种煤粉在线识别系统及其方法，其包括:

激光光源，所述激光光源用于沿x轴方向发出绿色激光；

调制模块，所述调制模块用于将绿色激光调制成45度线偏振的入射光；

柱面透镜，所述柱面透镜用于在z轴方向上对入射光进行一维压缩，待测颗粒物在柱面透镜的焦点处与入射光发生偏振散射；

第一偏振分束器，所述第一偏振分束器用于将散射角度在70度与120度之间的任一角度的散射光分束成45度线偏振和135度线偏振；

光电探测器，所述光电探测器与第一偏振分束器之间连接有光纤，所述45度线偏振和135度线偏振通过光纤被光电探测器捕获，并在线分别测量出45度线偏振分量峰值p1、135度线偏振分量峰值p2；

当的值小于一预设值时，则颗粒物被识别为煤粉颗粒物，反之则不是煤粉颗粒物。

优选地，所述预设值为-0.3。

优选地，还包括：

光陷阱模块，所述光陷阱模块用于吸收未发生偏振散射的入射光。

优选地，所述调制模块包括第二偏振分束器和波片。

优选地，所述光电探测器为sipm阵列探测器，所述绿色激光的波长为532nm。

优选地，当入射光照射到颗粒物上发生散射作用时，颗粒物的散射光偏振态斯托克斯向量[is,qs,us,vs]和入射光偏振态斯托克斯向量[ii,qi,ui,vi]之间存在如下关系式：

其中，

(2)式中，θ为散射角度，an,bn,πn(cosθ),τn(cosθ)的计算式为：

(3)式中，其中α＝2πa/τ，a代表球形粒子半径，m代表球形粒子相对周围介质的折射率，代表缔合勒让德多项式,式中ψn(ρ)，ξn(ρ)，ψ′n(ρ)，ξ′n(ρ)的计算式为：

根据(1)至(4)式分别计算出p1和p2。。

本发明还提供了一种煤粉在线识别方法，所述煤粉在线识别方法通过上述所述的煤粉在线识别系统实现，其特征在于，包括如下步骤：

将煤粉在线识别系统置于待测位置；

将散射角度设置在70度与120度之间，光电探测器捕获并分别在线测量并计算出方向散射光的45度线偏振分量峰值p1和135度线偏振分量峰值p2；

当的值小于一预设值时,则测量到的颗粒物为煤粉颗粒物，反之则不是煤粉颗粒物。

优选地，所述预设值为-0.3。

优选地，还包括如下步骤：

当时，煤粉在线识别系统发出煤粉泄露的报警声。

优选地，当入射光照射到颗粒物上发生散射作用时，颗粒物的散射光偏振态斯托克斯向量[is,qs,us,vs]和入射光偏振态斯托克斯向量[ii,qi,ui,vi]之间存在如下关系式：

其中，

(2)式中，θ为散射角度，an,bn,πn(cosθ),τn(cosθ)的计算式为：

(3)式中，其中α＝2πa/τ，a代表球形粒子半径，m代表球形粒子相对周围介质的折射率，代表缔合勒让德多项式,式中ψn(ρ)，ξn(ρ)，ψ′n(ρ)，ξ′n(ρ)的计算式为：

根据(1)至(4)式分别计算出p1和p2。

与现有技术相比，本申请所提供的煤粉在线识别系统及其方法主要有以下有益效果：

基于偏振光散射测量原理，通过测量单个颗粒物的折射率特征，准确识别被检测颗粒物中的煤粉，从而实现煤粉的超低浓度在线识别和监测。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一个简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明中的煤粉在线识别系统较佳实施例的模块示意图。

图2是pdop关于炭黑、水溶性盐、沙尘的全角度散射谱。

图3是炭黑、水、沙子颗粒物实测115度角pdop偏振指标分布。

具体实施方式

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文中在申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请；本申请的说明书和权利要求书及上述附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。本申请的说明书和权利要求书或上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

空气中的颗粒物最常见以扬尘、水溶性盐为主，其主要成分包括ca、mg、al、fe、si的氧化物、硫酸盐、硝酸盐等水溶性成分，而煤粉的主要成分是炭黑。相较于环境空气中其他颗粒物，煤粉具有非常明显的光学物理特征，它具有非常显著的光吸收特性，其光学折射率具有明显的负虚部。下表列举了几类空气中主要颗粒物成分与煤粉成分炭黑的折射率对比。

目前，颗粒折射率的测量方法大体分为三类：第一类是通过取样直接测量吸收系数，比如滤膜取样法和元素碳浓度法等；第二类是光声方法，测量灵敏度较高，设备技术较复杂；第三类是反演法，比如测量颗粒物的谱分布和消光系数来反演气溶胶的平均折射率。以上方法及相关的设备，目前都难以同时满足煤气化行业对煤粉检测的超低浓度、在线检测要求。

根据mie光散射理论，当入射光照射到颗粒物上发生散射作用时，颗粒物的散射光偏振态斯托克斯向量[is,qs,us,vs]和入射光偏振态斯托克斯向量[ii,qi,ui,vi]之间存在如下关系式：

其中，

(2)式中，θ为散射角度，an,bn,πn(cosθ),τn(cosθ)的计算式为：

(3)式中，其中α＝2πa/τ，a代表球形粒子半径，m代表球形粒子相对周围介质的折射率，代表缔合勒让德多项式,式中ψn(ρ)，ξn(ρ)，ψ′n(ρ)，ξ′n(ρ)的计算式为：

根据(1)至(4)式分别计算出p1和p2。

根据以上理论知识我们知道，当颗粒发生偏振光散射时，散射光的偏振态相比入射光会发生改变，并与颗粒物的折射率(即成分)直接相关。通过测量颗粒散射光偏振态的改变，能够反演得到颗粒物的折射率信息，进一步判断被检测颗粒物是否为煤粉。

如图1所示，本发明较佳实施例提供的一种煤粉在线识别系统，其包括:激光光源1，所述激光光源用于沿x轴方向发出绿色激光；

调制模块，所述调制模块用于将绿色激光调制成45度线偏振的入射光，所述调制模块包括第二偏振分束器2和波片3；

柱面透镜4，所述柱面透镜用于在z轴方向上对入射光进行一维压缩，待测颗粒物5在柱面透镜的焦点处与入射光发生偏振散射；

第一偏振分束器6，所述第一偏振分束器6用于将散射角度在70度与120度之间的任一角度的散射光分束成45度线偏振和135度线偏振；

光电探测器8，所述光电探测器8与第一偏振分束器6之间连接有光纤7，所述45度线偏振和135度线偏振通过光纤被光电探测器捕获，并在线分别测量出45度线偏振分量峰值p1、135度线偏振分量峰值p2；

当的值小于一预设值时，则颗粒物被识别为煤粉颗粒物，反之则不是煤粉颗粒物。

第二偏振分束器2和波片3能够实现入射光偏振态调制，根据波片3的种类和方向角不同，可调制成任意线偏振、圆偏振、椭圆偏振，本发明中入射光偏振态调制为45度线偏振。采用柱面透镜4对入射光进行一维压缩整形，极大提高了光敏区的光功率强度，增强了散射光的强度，提高了测量信噪比。

散射光探测角度介于70度至120度之间，可以选择其中的某个角度或者某几个角度组合进行检测和识别。

通过仿真计算了不同成分颗粒在各个散射角度的散射光偏振态变化，最终选择了45度线偏振入射下，通过测量70至120度散射角度散射光的pdop指标(偏振度)，用来识别煤粉颗粒物。从仿真计算结果中(见下图1)可以看出，炭黑成分的pdop指标小于-0.3，而空气中颗粒物的其他成分pdop指标大于0,所以将预设值设置为-0.3，如图2所述。

具体实施时，该识别系统还包括：光陷阱模块9，所述光陷阱模块9用于吸收未发生偏振散射的入射光。

具体实施时，所述光电探测器为sipm阵列探测器，该探测器能够达到单光子级响应性能、成本低，适合大规模推广应用，满足商业化要求。

具体实施时，所述绿色激光的波长为532nm。

本发明还提供了一种煤粉在线识别方法，所述煤粉在线识别方法通过上述所述的煤粉在线识别系统实现，其特征在于，包括如下步骤：

将煤粉在线识别系统置于待测位置；

将散射角度设置在70度与120度之间，光电探测器捕获并分别在线测量并计算出方向散射光的45度线偏振分量峰值p1和135度线偏振分量峰值p2；

当的值小于一预设值时,则测量到的颗粒物为煤粉颗粒物，反之则不是煤粉颗粒物。

具体实施时，还包括如下步骤：当时，煤粉在线识别系统发出煤粉泄露的报警声。

根据(1)至(4)式分别计算出p1和p2。

如图3所示，本方法实测煤粉(方形)、水(三角形)、沙子(圆形)115度角pdop偏振指标分布，横轴代表不同次的实验，纵轴代表pdop指标值。从图中可以看出，三种颗粒物的pdop偏振指标差异性明显；煤粉的pdop指标都在-0.3以下，而水、沙子的pdop指标都在0以上，与理论计算结果一致，说明本发明可以准确的识别煤粉，并用于煤粉的在线识别和检测。

综上所述，本发明所提供的煤粉在线识别系统及其方法，所述识别系统包括：激光光源，用于沿x轴方向发出绿色激光；调制模块，用于将绿色激光调制成45度线偏振的入射光；柱面透镜，用于在z轴方向上对入射光进行一维压缩，待测颗粒物在柱面透镜的焦点处与入射光发生偏振散射；第一偏振分束器，用于将散射角度在70度与120度之间的任一角度的散射光分束成45度线偏振和135度线偏振；光电探测器，光电探测器与第一偏振分束器之间连接有光纤，45度线偏振和135度线偏振通过光纤被光电探测器捕获，并在线分别测量分量峰值p1、p2；当的值小于一预设值时，则颗粒物被识别为煤粉颗粒物，反之则不是煤粉颗粒物,使得通过测量单个颗粒物的折射率特征，准确识别被检测颗粒物中的煤粉，从而实现煤粉的超低浓度在线识别和监测。

显然，以上所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例，附图中给出了本申请的较佳实施例，但并不限制本申请的专利范围。本申请可以以许多不同的形式来实现，相反地，提供这些实施例的目的是使对本申请的公开内容的理解更加透彻全面。尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来而言，其依然可以对前述各具体实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等效替换。凡是利用本申请说明书及附图内容所做的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本申请专利保护范围之内。