粉體滅火劑空間濃度動態測量方法研究

余舒 黃丹丹 李自強 范越 王國強 張青松 羅星娜

摘 要：掌握粉體滅火劑在空間內的濃度分布及其變化規律對于其滅火效能的評價具有重要意義。以空間內粉體滅火劑濃度動態測量為目標，分析和對比了多種顆粒物濃度測量原理，選用消光法建立模型，開展測量系統設計，并對模型參數的選取方法進行了細致的分析，提出了一種粉體滅火劑濃度的動態測試方法。為驗證方法可行性，建立了一套簡易濃度測試裝置，依照消光法開展了滅火劑濃度的實驗測量。實驗結果表明，粉體滅火劑濃度變化對光信號影響顯著，測試結果反映了滅火劑濃度隨時間的變化規律，且濃度計算結果與實際值具有可比性。

關鍵詞：粉體滅火劑 濃度 動態測量 消光法

中圖分類號：X932 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）06（c）-0030-02

滅火劑濃度是影響滅火效能的重要因素，實時快速的測定空間內滅火顆粒物濃度，對于了解滅火劑運動規律和滅火系統有效性的評估也有重要意義。然而快速準確地測定高濃度粉體滅火劑的濃度變化依然存在困難。常見的顆粒物濃度測試裝置以濾膜采樣稱重[1]或激光消光[2]為主要原理，用于工業粉塵檢測，普遍采用氣泵采樣后進行測試的方法，并非真正的在線測試，且采樣誤差也會對結果準確性產生影響。目前還沒有專門用于粉體滅火劑濃度檢測的設備。為準確測定粉體滅火劑的滅火濃度，劉淑文等[3]使用了一種固體螺旋進料器定量輸送滅火粉體，但是這種方法與實際滅火場景的滅火劑輸送過程差別較大。

本研究結合粉體滅火劑顆粒特征，選用適合的粉體濃度測試原理，結合滅火實驗條件，對不影響滅火劑正常輸送的條件下進行粉體滅火劑濃度在線檢測的可行性進行了理論和實驗的研究。

1 顆粒物濃度測量原理分析

常見的顆粒濃度測試方法有以林格曼黑度法和采樣法為代表的手工監測法、射線法和多種光學方法[4]。手工監測法原理簡單，最初用于測量煙塵排放的濃度，但是精度較差且不能進行連續測量。射線法基本不受射線穿過區的顆粒分布和濕度的影響，但存在輻射泄漏隱患，需要各種復雜、昂貴的結構設備用于輻射屏蔽。光學測試方法利用光的衰減和散射[5]等原理能夠對氣固兩相流中的顆粒物平均濃度進行連續測量。其中基于光散射原理的消光法因顆粒物濃度計算直觀，無需標定，在諸多光學方法中具有應用優勢。

消光法以朗伯-比爾定律[6]為基礎，當實驗光束穿過含有顆粒的介質（粉體滅火劑）時，由于受到顆粒的散射和吸收，使得穿過介質后的透射光強受到衰減，其衰減程度與顆粒的大小和數量（濃度）有關。

朗伯-比爾定律：

（1）

其中，I0表示入射光強，I表示出射光強；Nv表示被測粉體顆粒的粒子數濃度；d表示被測粉體顆粒的粒徑；為消光系數；L是待測粉體顆粒的區厚度。

當被測顆粒為單一球形顆粒時，以V表示單個球形顆粒的體積，ρ表示被測粉體顆粒的密度，將公式（1）改寫成數量濃度Nv的表達式，帶入質量公式得到質量濃度Mv，由公式（2）表示。

2 粉體滅火劑濃度測量方法

2.1 入射光和出射光光強測試系統設計

使用消光法測量粉體滅火劑濃度，首先需要選用合適的方法確定公式（2）中涉及的參數。對于待測的粉體滅火劑，顆粒粒徑分布已知，光通過待測顆粒的區厚度可通過調節光發射和接收裝置[7]確定。為求粉體質量濃度，只需測得實驗裝置的入射光和出射光。光強測試有多種方法。如果只采用單純的透射方式，即使用單光源單探測器去測量待測區域的粉體濃度，光強變化受到光源本身穩定性的影響，不能較為科學直觀地得出結論。采用普通的對比分析法，即采用相同的雙光源和雙探測器進行測試，雖然采用了控制變量法，但不夠經濟。

因此設計一種更為經濟和準確的測試系統測量光強度變化。光強測量系統結構如圖1所示。在激光器發射端增加一個分光鏡，令其產生一個參考光I0'，發射給參考探測器進行光電轉換，由I通過待測粉體區域之后變成I'然后發射給檢測探測器進行光電轉換，兩個電信號輸出之后送給差分放大器進行差分運算。當I發生變化時，參考入射光I0'也隨之發生相同大小的變化變成I0"，I'也相應發生變化變成I"，但ΔI=I0'-I=I0"-I"仍然基本保持不變，這樣就減小了光源的不穩定對測量系統精度的影響。

2.2 光強測量系統參數選取方法

在光強測量系統中，除入射光強I0和透射光強I外，還涉及其他關鍵參數。

（1）被測粉體滅火劑顆粒的成分和粒徑分布也是影響測試結果的重要因素[9]，兩者在測試前已知或可通過粒徑儀等裝置測出。

（2）消光系數。在工程應用中，對于粒徑在μm級的顆粒，其消光系數可取2作為近似值，而μm級是常見的粉體滅火劑顆粒尺寸。

（3）吸收層厚度L也是需要確定的重要因素。根據朗伯-比爾定律可知當L過大而被測粉體的顆粒濃度也較大時，透射光I就會趨于0。如果吸收層厚度L過小，則透射光I和入射光I0無明顯區別。本研究通過實驗測試，吸收層厚度選為1m，并結合實驗情況認為吸收層厚度可在此值上下調整。

3 基于消光原理的粉體滅火劑濃度測量實驗

3.1 實驗設計

為驗證以上原理和參數確定方法的可行性，自制密封實驗箱，選用簡易激光發射和接收裝置，開展濃度測量實驗，實驗箱結構如圖2所示。實驗箱容積1m3，激光光路由實驗箱尺寸確定約1m。左側為激光發射端，采用波長623nm的紅色半導體激光器作為光源，右側以接收面平整的靈敏激光功率計作為激光接收端，激光透過箱壁上預留的透光孔形成激光光路。以激光功率計的測試數據作為激光強度的指標，根據光學原理兩者為正相關。

實驗使用常用的手提式干粉滅火劑作為待測樣品。其主要成分為磷酸二氫銨，平均粒徑50μm，材料密度1.803 g/cm3。保持每次實驗按壓滅火劑噴出量近似相等，進行三次試驗，計算平均值作為最終實驗結果。

3.2 實驗結果及分析

將三次實驗結果的平均值代入公式（2），得到實驗箱內粉體滅火劑濃度在箱體中部的變化情況。實驗及計算結果見表1。釋放滅火劑1min后，計算得粉體濃度值與噴粉前后使用稱重的方法得到的濃度估計值相當。

由測試結果可見，滅火劑濃度值隨時間變化和粉體沉降而明顯降低，符合粉體運動規律。雖然實驗未采用精確的方法計量實驗箱中部的粉體濃度，但實驗結果清晰的印證了采用光學方法在一定空間范圍內動態測量大量粉體濃度的可行性，也證實了實驗原理選擇的合理性。

4 結語

本研究通過理論和實驗分析，選用光散射原理對空間內粉體滅火劑濃度動態測量方法開展研究，選用合適的設計模型，對模型參數的取得方法進行了細致的分析，最后使用自制實驗裝置依照本文提及的測試方法進行了滅火劑濃度的測試。

（1）基于消光法進行粉體滅火劑空間濃度測量是最為有效的測試方法。合理設計光強發射和接收系統得到的光強比值，可以作為濃度計算的關鍵參數。

（2）實驗結果表明，在實驗距離為1 m，粉體滅火劑濃度高，可見度明顯降低的情況下，本研究提出的空間內粉體滅火劑濃度動態測量方法可以有效地反映測試空間內粉體濃度的變化，該測試方法具有可行性。

雖然本研究提出的方法真實地反映了空間內滅火劑濃度的實時變化，但其測試結果與真實濃度之間可能還存在誤差，需要通過更細致的理論與實驗分析進行修正，以實時讀取準確的濃度數據。

參考文獻

[1] 陳衛，何振江，楊冠玲，羅罡，郭永彩，謝莉莉.超細粉體粒度測量技術現狀和新方法的探索[J].重慶大學學報（自然科學版），1997（3）：78-82.

[2] 潘琦，趙延軍，湯光華，許傳龍，王式民.一種新型激光粉塵濃度在線測量儀的研究[J].儀器儀表學報，2007（6）：1070-1074.

[3] 劉淑文，李達剛，肖弟倫，等.固體螺旋進料器.中國專利[P].CN2130165Y， 1993.

[4] 劉小虎.粉塵濃度測量技術研究[D].西安：西安工業大學，2013.

[5] 雷志勇，顧維一，蘇建軍，王澤民.激光在煙塵環境中的傳輸特性分析與仿真[J].西安工業大學學報，2012，（8）：684-688.

[6] 章艷.多相流顆粒濃度測量中的標定技術研究[D].西安：西安工業大學，2013.

[7] 劉愛華.超細微粒滅火劑滅火濃度測量方法研究[D].南京：南京理工大學，2006.