光散射法粉塵濃度檢測的探討

曾世清，范鋒鋒，龔本龍（蘇州工業園區鴻基潔凈科技有限公司，江蘇蘇州215022）

光散射法粉塵濃度檢測的探討

曾世清，范鋒鋒，龔本龍（蘇州工業園區鴻基潔凈科技有限公司，江蘇蘇州215022）

本文簡單介紹了光散射粉塵檢測的原理，提出了光散射法在不同粉塵濃度環境下的檢測方法。

粉塵濃度檢測；光散射；散射光能量；入射光能量；顆粒數濃度；體積濃度；質量濃度

1 概述

粉塵顆粒的范圍很廣泛，顆粒大小從納米級到數千微米范圍，它們對環境污染、能源消耗、人類健康、產品質量、生物生長、疾病防控、氣候變化等都有很重大影響。對粉塵顆粒大小、數量或濃度的測量在國民活動中具有非常重要的意義，也是需要得到廣泛推廣、運用和優化的技術。

2 光散射法粉塵顆粒檢測原理

粉塵顆粒檢測方法有多種：稱重法，光閃射法，β射線法，微量振蕩天平法，等等。這幾種方法中，光散射法具有檢測速度快速、重復性好、數據處理及時等優勢，在粉塵濃度檢測中得到廣泛運用。

光散射是指光線通過不均勻的介質而偏離其原來的傳播方向并散開到所有方向的現象。

粉塵顆粒通過光照射時會產生散射光，顆粒大時散射光信號強，散射光光強與顆粒粒徑成正比。當光波在懸浮有顆粒的空氣中穿過時，會有折射和吸收等特性而出現能量耗散，光強而達到衰減。可用BLBL定律描述：

這里：τ稱為介質的濁度，l是光波通過介質的距離。T=τ·l稱為光波傳播方向的光學厚度。

光散射的規律比較復雜，當光學厚度T<0.1時，顆粒之間的距離足夠大，以至于一個顆粒的散射不會因為其他顆粒的存在而受到影響，單散射占絕對優勢；當光學厚度T>0.3時，復散射起絕對作用；當0.3>T>0.1時，可按單散射處理，但需適當修正。為了更準確的檢測空氣中懸浮顆粒的濃度，光學厚度T盡量縮小。

一個顆粒單位時間內散射的全部光能量Esca等于入射光單位時間內投射到該顆粒散射截面上的能量。

這里：Csca散射截面，Esca散射光能量，I0入射光強，Sp光傳播方向的投影面積。

一個顆粒單位時間內散射的全部光能量與投射到該顆粒全部光能量之比為散射系數：

一個顆粒單位時間內從原始的入射光中消除的總能量為：

消光系數為：

單位體積內的總顆粒數：

顆粒濁度：

3 不同環境狀態下的粉塵濃度檢測方法

根據以上光散射粉塵濃度檢測原理，不同的粉塵濃度的光學特性不同，所以檢測方法不一樣。

3.1 低濃度粉塵顆粒檢測

在潔凈空氣中，懸浮的顆粒濃度較低，當光線照射到采樣的流動空氣時，懸浮的顆粒會魚貫穿過設計為較窄小的光線，光電傳感器檢測到每個顆粒的光能量Esca并將光能轉化為電信號，根據式（2），電信號的強度與顆粒大小Csca散射截面成正比，電信號的數量即是顆粒數量，按式（6）可計算出顆粒數濃度。

在潔凈的空氣環境中，因單個顆粒的Eext非常小，消光系數Kext非常小，所以，顆粒濁度τ非常小，在潔凈環境中不宜采用顆粒濁度τ來評價環境。只能以顆粒大小和數量來衡量環境狀態。這種檢測儀器一般采用塵埃粒子計數器來檢測空氣環境中懸浮顆粒的大小和數量。

3.2 高濃度多分散粉塵顆粒檢測

在較高粉塵濃度的空氣中，因懸浮的顆粒間距很小，有的甚至為重疊，光學厚度T>0.1，在光照射下顆粒會出現復散射，這種環境檢測顆粒直徑和顆粒數誤差很大，只能檢測環境顆粒的濁度τ。

當光線照射到采樣的流動空氣時，懸浮的顆粒會一批一批的穿過設計為較窄小的光線，光電傳感器檢測到的是顆粒群的光能量Esca并將光能轉化為電信號，根據式（4），電信號的強度與顆粒群的消光能力Cext消光截面成正比，電信號的量即是顆粒的總濁度τ，按式（7）可計算出顆粒濁度。

在濃度檢測時，盡量合理設計光通過介質的距離，盡量減小光學厚度T，通過校準可很準確檢測出體積濃度。這種環境一般采用粉塵檢測儀來檢測環境的單位體積內粉塵的體積（ml/m3）或單位體積內粉塵的質量（mg/m3）。

如果在空氣環境顆粒較高濃度的情況下必須檢測顆粒大小和顆粒數時，可采用潔凈空氣稀釋辦法，將顆粒濃度高的空氣按流量比例稀釋為含塵濃度較低的空氣，采用塵埃粒子計數器檢測顆粒大小和數量，將檢測結果再乘以稀釋比，就可還原為較高環境的顆粒粒徑和數量。這種檢測方法因被檢測的空氣經過的環節較多，誤差會較大。

4 結論

（1）對于潔凈環境，粉塵濃度較低，一般采用塵埃粒子計數器來檢測環境的懸浮顆粒大小和數量。

（2）對于較高濃度粉塵環境，一般采用粉塵檢測儀來檢測空氣環境的粉塵體積濃度或質量濃度。也可采用稀釋器的辦法將被測空氣稀釋后檢測顆粒大小和數量。

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[2]胡 澄，鄒麗新，季晶晶，黃惠杰.基于光散射的粉塵濃度測量的研究.潔凈與空調技術，2003.

[3]蔡小舒，蘇明旭，沈建琪.顆粒粒度測量技術及應用.化學工業出版社，2010，8.

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2095-2066（2016）32-0003-01

2016-11-1