無動力粉塵濃度檢測技術

吳付祥

（中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶400037）

粉塵危害是眾所周知的，不僅傷害人體呼吸系統，嚴重者成為塵肺病；而且在高粉塵濃度時有粉體爆炸的危險。因此，對作業場所的粉塵濃度進行檢測是非常重要的[1-2]。粉塵濃度檢測主要方法有濾膜稱重法、β 射線法、振蕩天平法、靜電電荷感應法和光散射法等，但這些方法應用在粉塵檢測中均存在一定的缺陷[3-6]。為了解決這些問題并實現粉塵濃度的快速、便捷、準確的檢測，提出一種無動力粉塵濃度檢測技術：首先研究基于Mie 散射原理的無動力核心檢測單元，消除暗室污染，減小儀器體積，實現工作面粉塵濃度無動力等速采樣，提高粉塵濃度檢測的精度，減小儀器功耗、體積和質量；然后對無動力的檢測單元進行各種影響因素的研究。通過研究掌握光散射法粉塵濃度無動力等速采樣測試和在線檢測的核心技術，搶占國內煤礦井下粉塵監測的高地，打造具備國際領先水平的粉塵檢測儀器，促進粉塵等職業危害治理的發展。

1 光散射法檢測粉塵濃度基本原理及技術路線

目前，應用于粉塵濃度檢測的光學方法主要是Mie 散射法[7-8]，光散射法檢測粉塵濃度基本原理如圖1[9-10]。光散射檢測裝置由光發射單元激光器、透鏡、球面聚光鏡、光陷阱和光接收器等組成[11]。當光敏感區無粉塵時，激光器發射的激光經透鏡后全部被光陷阱吸收，光接收器上沒有光被接收[12]；而當光敏感區有粉塵時，激光器發射的光會被粉塵散射到各個方向，球面聚光鏡盡可能的收集散射光并傳遞給光接收器，接收器將接收的光強轉換成電信號[13]；然后再根據不同粉塵濃度大小，獲得不同的光或電信號[14]。基于此，完成光散射法檢測粉塵濃度。

圖1 光散射法檢測粉塵濃度基本原理圖Fig.1 Basic principle diagram of dust concentration detection by light scattering method

無動力的粉塵濃度檢測技術是基于Mie 散射原理。首先根據無動力機構的通孔直徑和長度在不同現場風速下對粉塵濃度檢測的影響進行研究，優化無動力機構的尺寸、消除暗室污染、減小儀器體積、實現粉塵等速采樣；然后對影響無動力檢測儀檢測誤差的各種影響因素進行研究，比如風速、顏色等。

2 無動力機構

提出一種無動力機構，解決傳統儀器的檢測問題，實現在不同礦山不同工作面的粉塵等速采樣和濃度檢測，進一步減小粉塵濃度檢測的誤差。無動力機構如圖2[15-16]。

圖2 無動力機構Fig.2 No power mechanism

由圖2 可知，對粉塵等速采樣和濃度檢測的關鍵位置是無動力氣路，而無動力氣路的通孔直徑和通孔長度均會在現場不同風速下對其表現出不同的影響。因此，需要對無動力氣路的通孔直徑和長度在不同風速下對粉塵檢測影響進行研究，最終確定通孔直徑和長度的尺寸。

2.1 無動力通孔直徑對粉塵檢測的影響

2.1.1 實驗準備

實驗選用的粉塵樣品是煤粉，制作過程如下：從煤礦現場采回較大的煤塊；放入破碎機進行初步粉碎；再使用研磨機進行精細研磨，使最終煤粉的中位徑均小于＜75 μm；最終將煤粉放置到溫度為（25±5）℃烘箱中進行烘干24 h。標準儀器選用粉塵濃度測量的國際通用儀器：手工采樣器[17-18]。

實驗系統由定量發塵器（0～1 000 mg/m3）、靜電除塵器、壓氣泵、除塵管道（風硐）、風速測定儀（0～30 m/s）、電腦控制臺及變頻風機組成粉塵發塵系統組成。發塵系統內風速穩定，在變頻風機的作用下，風速均勻性偏差≤5%；定量發塵器將粉塵噴入管道，風硐管道截面粉塵濃度均勻性相對標準偏差≤5%。實驗室使用恒溫空調使環境相對濕度小于60%RH，溫度為（25±5）℃，且穩定。

2.1.2 無動力通孔直徑尺寸

加工通孔直徑為15、25、35、45、55、65 mm 的無動力機構。激光器、光接收器硅光電池和光陷阱等裝配好后，將不同通孔直徑的無動力檢測單元分別放入到實驗裝置中，根據礦山工作面現場實際情況將風硐風速分別設置為0.5、1、1.5、2、3、4 m/s；發塵器進行發塵，使用手工采樣器稱重得到發塵濃度值。然后，使用電腦連接無動力單元MCU 的輸出，得到不同風速下和不同粉塵濃度下的不同通孔直徑的無動力檢測的AD 值（16 位）。不同風速和粉塵濃度下的不同通孔直徑無動力單元AD 值如圖3。

實驗發現：在風速≤1.5 m/s 時，風阻對不同通孔直徑的無動力機構有影響，而此時激光功率起主要作用。圖3（a）～圖3（c）中最大粉塵濃度對應的AD 最大值分別是40 152、47 253、50 123，且最大AD值的通孔直徑分別為15、25、35 mm；隨著風速增大，小直徑通孔風阻逐步增大，AD 值降低，而大直徑通孔的風阻小、粉塵濃度檢測分辨率升高；當風速＞1.5 m/s 且＜4 m/s 時，風阻影響不同通孔直徑的無動力機構檢測AD 值作用增強，但激光功率仍有影響。圖3（c）～圖3（e）中最大粉塵濃度對應的AD 值最大分別是50 123、51 324、52 365，且最大AD 值的通孔直徑為35、35、45 mm，粉塵濃度檢測的分辨率在逐步上升；而當風速是4 m/s 時，風阻成為影響不同通孔直徑的無動力機構檢測AD 值的主要因素。圖3（f）中最大粉塵濃度對應的AD 值最大值是61 132，分辨率最大，最大AD 值的通孔直徑為55 mm。

實驗分析發現：通孔直徑的風阻和激光器的光功率會影響粉塵的等速采樣和檢測AD 值；無論光功率還是風阻，對等速采樣和檢測的影響均表現在無動力機構檢測輸出的AD 值，AD 值輸出越大，其粉塵濃度檢測的分辨率越高，其檢測誤差就更小。

圖3 不同風速和粉塵濃度下的不同通孔直徑無動力單元AD 值Fig.3 AD values of non-powered units with different through-hole diameters under different wind speeds and dust concentrations

由圖3 可知：通孔直徑為35 mm 時，無動力機構受風阻影響較小能滿足等速采樣的要求，同時檢測輸出AD 值較大，其分辨率較好。如果選擇的通孔直徑為55 mm，此時的粉塵濃度檢測分辨率與通孔直徑35 mm 時相比較高，但是通孔加大會增加整個儀器的體積和質量，降低儀器的實用性是不可行的；再若選擇的通孔直徑為15 mm，此時雖然體積小，但是風阻大，實現等速采樣較困難亦不可取。因此，為了實現等速采樣和粉塵濃度檢測高分辨率，無動力機構的通孔直徑選擇為35 mm。

2.2 無動力通孔長度對粉塵檢測的影響

采用通孔長度為32、122 mm 的無動力單元。將2 種無動力單元完成光學器件安裝后分別置于實驗裝置中，發塵器進行發塵，使用手工采樣器稱重得到發塵的濃度值。然后，使用電腦連接無動力機構單元MCU 的輸出，得到不同粉塵濃度下的無動力檢測的AD 值(16 位)。不同無動力通孔長度在不同粉塵濃度下的AD 值如圖4。

圖4 不同無動力通孔長度在不同粉塵濃度下的AD 值Fig.4 AD values of different unpowered through hole lengths under different dust concentrations

經實驗發現：在不同的粉塵濃度下，無動力單元輸出的AD 值差異不大，其標定的線性度和分辨率均一致。但是，在實際的測試時，當粉塵濃度發生變化時，通孔長度為122 mm 的無動力單元輸出AD值較32 mm 無動力機構滯后，時效性較差。因此，綜合考慮檢測儀的體積及便攜性，選用無動力機構的通孔長度為32 mm。

3 無動力粉塵濃度檢測影響因素

3.1 環境風速對粉塵檢測的影響

由于無動力粉塵檢測單元完全暴露于環境空氣中，因此對粉塵濃度檢測影響最大的因素是風速。

將無動力粉塵檢測單元置于實驗裝置中，發塵器進行發塵，使用圖手工采樣器得到發塵的濃度值。然后，使用電腦連接檢測單元MCU 的輸出，得到不同粉塵濃度下的無動力檢測電壓輸出值。5 種不同粉塵濃度下的不同風速的輸出電壓值如圖5。

圖5 5 種不同粉塵濃度下的不同風速的輸出電壓值Fig.5 Output voltage values of different wind speeds under 5 different dust concentrations

由圖5 可知，在5 種不同的發塵濃度下，隨著風速的增加無動力檢測單元輸出的電壓值逐步的增加，風速會影響無動力單元檢測的粉塵濃度值。因此在檢測單元中需要安裝風速傳感器，實時監測風速；再經過大量的實驗室和現場試驗，將風速測量值補償到粉塵濃度值測量中。補償之后，使得粉塵濃度值的測量更精確，可靠性更高，分辨率更高。

3.2 粉塵顏色對粉塵濃度檢測的影響

各種作業場所均可能產生不同種類的粉塵，比如：煤礦開采產生的煤炭粉塵、面粉生產廠的面粉、水泥廠的水泥粉塵和拋光打磨車間的鎂鋁合金粉塵等，這些粉塵的顏色不盡相同，分別有黑色、白色、灰色、銀色等。

而采用Mie 散射法，主要部件為激光器和硅光電池，粉塵顏色會影響散射光的強度，進而影響粉塵濃度檢測的分辨率、量程和誤差等。因此，需對粉塵顏色影響粉塵濃度檢測進行研究和標定，使其適用于不同種類的粉塵濃度檢測。

選用黑色的煤粉、銀色的鎂鋁合金粉和白色的面粉3 種粉塵進行實驗，將無動力粉塵檢測單元置于實驗裝置中，同樣的方式發塵和獲取粉塵濃度值，使用電腦連接檢測單元MCU 的輸出，得到不同粉塵濃度下的無動力檢測單元輸出的AD 值（16位）。不同顏色粉塵的不同濃度的檢測單元輸出AD值如圖6。

圖6 不同顏色粉塵的不同濃度的檢測單元輸出AD 值Fig.6 The detection unit output AD values of different concentrations of different colors of dust

由圖6 可知：檢測單元輸出的AD 值隨著粉塵濃度的升高逐步增大，其與粉塵顏色不相關；在同一種粉塵濃度下，3 種不同顏色的粉塵，隨著顏色由淺入深，AD 輸出值相反由大減小，即白色粉塵在同種濃度下檢測單元輸出的AD 值最大，黑色粉塵時AD 值最小；淺色粉塵標定檢測單元時，其粉塵濃度檢測的分辨率最大、檢測精度最高；而由于AD 位數的限制，淺色粉塵標定檢測單元的粉塵濃度檢測量程是最小的。

根據實驗，探索了不同顏色對粉塵濃度檢測的影響規律。依據此規律，得到不同顏色對粉塵濃度檢測影響的影響因子k，且在人機交互界面內設置菜單選擇顏色種類以達到選擇不同的顏色影響因子k 的目的。然后，檢測單元將根據不同顏色的影響因子進行計算，得出更加準確的粉塵濃度值。

完成無動力機構尺寸設計優化和無動力檢測單元影響因素研究后，基于Mie 散射法研制成無動力粉塵濃度檢測儀樣機，使用第2.1.1 節實驗準備，以煤粉為測量介質，通過手工采樣稱重方式為標準對無動力檢測儀的誤差進行實驗。經過50 次實驗之后，從中抽取實驗數據，樣機與稱重方式粉塵濃度實驗數據見表1，樣機相對誤差小于±10%。

4 結 論

1）提出一種能夠實現等速采樣的無動力粉塵檢測機構，并對其關鍵位置的通孔直徑和長度進行實驗研究；基于最優化原則，根據無動力單元AD 值標定分辨率完成了無動力機構的尺寸設計和優化。

2）對影響無動力單元檢測粉塵濃度的影響因素：風速和粉塵顏色進行了對比實驗分析，并做出算法補償，使無動力單元實用性增強，檢測誤差減小，標定分辨率更高。

表1 樣機與稱重方式粉塵濃度實驗數據表Table 1 Dust concentration test data table of prototype and weighing method

3）完成了一種無動力粉塵濃度檢測樣機，經過實驗證明：樣機檢測誤差小于10%。