颗粒物（PM）排放浓度检测仪的原理、结构和算法。

　　颗粒物浓度检测仪，在环保领域通常称为不透光度仪或浊度计，在连续排放监测系统（CEMS）中用于实时监测烟囱或管道中粉尘的排放浓度。

　　一、原理(Principle)

　　PM检测仪的核心原理是光散射和光透射。目前主流技术有以下几种：

　　对穿法（透射法/不透光度法）

　　原理：这是最经典和应用最广泛的方法。基于朗伯-比尔定律（Lambert-Beer Law）。发射端发出一定强度的平行光，穿过含有颗粒物的烟气，到达对面的接收端。颗粒物会对光进行吸收和散射，导致光强衰减。衰减程度与颗粒物的浓度成正比。

　　公式： I = I₀* e^(-KLc)

　　I₀：发射端发出的原始光强

　　I：接收端检测到的光强

　　K：颗粒物的消光系数（与颗粒物种类、粒径分布、颜色等有关）

　　L：光穿过烟道的有效光程（测量路径长度）

　　c：颗粒物的质量浓度（待求值）

　　特点：技术成熟，结构相对简单，可直接测量烟气整体不透光度，与质量浓度有较好的相关性。但测量结果受颗粒物特性（K值）影响，需定期校准。

　　光散射法（后向/前向散射法）

　　原理：发射端将激光或红外光照射到烟气中的颗粒物上，颗粒物会使光发生散射。在特定角度（如90°、前向或后向）放置一个探测器，检测散射光的强度。散射光强度与照射范围内的颗粒物总表面积浓度成正比。在颗粒物粒径分布相对稳定的情况下，可以与质量浓度建立关系。

　　特点：采用单侧安装，无需对穿，安装维护更方便。尤其适用于小型烟道。但对粒径分布变化敏感，稳定性通常不如对穿法。

　　摩擦电法

　　原理：将一根探杆插入烟道，颗粒物与探杆摩擦会产生静电电荷。测量这些电荷产生的电流，电流大小与颗粒物的浓度和流动速度相关。

　　特点：结构简单、成本低。但测量结果受颗粒物材质（导电性）、流速、湿度等多种因素影响极大，精度和稳定性较差，通常用于工艺控制而非法定排放监测。

　　总结对比：

　　方法原理安装方式优点缺点主要应用对穿法光透射衰减对穿安装成熟、可靠、公认光路准直要求高，受镜面污染影响大烟气排放监测主流光散射法颗粒物散射光单侧安装安装简便，成本较低对粒径分布敏感，需频繁校准小烟道、工艺控制摩擦电法颗粒摩擦起电单侧安装非常便宜、简单精度低、受干扰大、可靠性差粗略监控、工业流程二、结构(Structure)

　　以最主流、最标准的对穿法仪器为例，其结构主要分为发射单元、接收单元和控制单元。

　　1.发射单元(Transmitter Unit)

　　光源：通常采用高稳定度的红外发光二极管（IR-LED）或激光二极管。波长常在近红外区，以减少水蒸气和其他气体的干扰。

　　光学系统：包括透镜和光阑，用于将光源发出的光准直成一道平行光束，确保它能稳定地穿过烟道。

　　校准器：关键部件。通常是一个电机驱动的“校准轮”，上面有已知透光率的孔（如0%， 100%孔）。定期自动旋转到光路中，进行零点和量程校准。

　　空气净化系统：核心保护系统。持续向保护窗片吹扫洁净的压缩空气（“气幕”或“气帘”），防止烟气中的颗粒物污染光学窗口，确保光路畅通。

　　2.接收单元(Receiver Unit)

　　光学系统：接收透镜，用于收集穿过烟道后的光束并将其聚焦。

　　探测器：通常为光电二极管或光电倍增管，将接收到的光信号转换成与之成正比的电信号（电流或电压）。

　　信号放大器：将探测器产生的微弱电信号进行放大。

　　空气净化系统：与发射端相同，吹扫保护接收端的窗口。

　　3.控制单元(Control Unit)

　　中央处理器：仪器的“大脑”，执行所有控制指令和算法计算。

　　信号处理电路：处理来自接收单元的模拟信号，并将其转换为数字信号。

　　输入/输出接口：提供标准信号输出（如4-20mA， Modbus数字信号）连接至DCS或数据采集系统。

　　人机界面：本地显示屏和按键，用于显示实时浓度、设置参数和诊断。

　　安装结构：

　　发射和接收单元分别安装在烟道或管道的两侧，严格对准，保证光路畅通。整个系统需要配备清洁的仪表空气源以供吹扫。

　　三、算法(Algorithm)

　　PM检测仪的算法核心是将测得的光强信号转换为准确的质量浓度值（mg/m³），并克服各种干扰。

　　信号采集与预处理：

　　接收器持续测量光强度I。

　　进行模拟/数字转换（ADC）。

　　进行数字滤波（如移动平均滤波），以平滑数据，减少随机噪声。

　　核心浓度计算算法：

　　根据朗伯-比尔定律，仪器的核心是计算不透光度（Opacity）或光密度（Optical Density）。

　　不透光度（O）： O = 1 -(I / I₀)

　　I₀：100%校准时的光强（洁净烟道光强）

　　I：实时测量光强

　　光密度（OD）： OD =-log₁₀(I / I₀)= log₁₀(1 /(1 - O))

　　质量浓度（c）计算： c =(1 / K*L)* OD

　　K是消光系数，这是一个关键且多变的参数。它并非常数，取决于颗粒物的化学成分、颜色、粒径分布和密度。因此，仪器直接测得的其实是“相对浓度”。

　　自动校准算法：

　　自动零点校准：控制单元定期（如每24小时）驱动电机将校准轮的0%孔（黑斑）旋入光路。此时接收端应无光信号（I=0）。算法据此修正电子电路的暗电流和零点漂移。

　　O = 1 -(0 / I₀)= 100%

　　自动量程校准：控制单元定期将校准轮的100%孔（通孔）旋入光路。此时光应无衰减通过，接收端信号应最大。算法将此值记录为新的I₀（100%基准），修正因窗口污染、光源老化等造成的漂移。

　　O = 1 -(I₀/ I₀)= 0%

　　有效值计算与输出：

　　仪器通常不会输出瞬时值，而是计算一段时间的平均值（如30秒、60秒或180秒的滑动平均值），以平滑烟气流动波动造成的浓度跳动，符合环保法规的数据处理要求。

　　“K因子”校准与认证：

　　仪器出厂或现场安装后，必须通过手工参比方法（如等速采样称重法）进行校准。

　　将仪器读数与手工采样的真实质量浓度进行比对，计算出一个校准系数（K因子），并输入到仪器中。

　　最终的输出浓度=计算浓度× K因子。

　　只有经过这个步骤，光学法测得的相对值才能被转化为准确的质量浓度值（mg/m³）。并且需要定期（如每年）重新进行比对校准。

　　总结

　　PM排放浓度检测仪是一个精密的光机电一体化系统：

　　原理：基于光通过含尘烟气时的衰减（对穿法主流）。

　　结构：核心是发射端、接收端和吹扫系统，保证稳定的光路。

　　算法：核心是朗伯-比尔定律，通过定期自动校准克服漂移，最终依赖与手工称重法的“K因子”来确保输出结果的准确性和合法性。