基于光散射法粉塵個體監測儀研制*

付士根，亢 永，王 慶

(1.中國安全生產科學研究院，北京 100012；2.北京石油化工學院 安全工程學院，北京 102617)

0 引言

礦山在采掘、運輸等生產過程中均會產生大量的粉塵，嚴重威脅井下作業職工的身體健康，據統計，自2010年以來我國每年因粉塵引發的塵肺病病例均突破2萬[1]。為有效預防塵肺病的發生，控制呼吸性粉塵濃度是預防塵肺病發生的主要手段，準確測定作業工人的吸入粉塵量是實現塵肺預警的必要途徑[2-3]。目前在測塵技術設備的研發方面，國內外使用的測塵儀表主要有粉塵采樣器、測塵儀及粉塵濃度傳感器[4-8]3類。現有粉塵測試方法存在著不能連續監測、頻繁更換濾膜等問題[9-10]，如β射線法需要頻繁更換濾膜，其功耗大且所用紙帶因空氣潮濕而易斷裂等特點，使β射線法不適用于煤礦井下；國內使用的粉塵測試儀不同程度上實現了煤礦全塵采樣或區域性的呼吸性粉塵監測，但不能實現礦山井下作業職工的個體呼塵濃度監測[11-12]；國外的個體呼吸性粉塵監測儀(如基于微量振蕩天平法監測儀PDM300)切割器內置，國內無類似切割器，同時受空氣濕度影響大，需頻繁更換濾膜，不利于呼塵濃度個體監測儀在礦山企業的應用推廣，同時我國在呼塵濃度個體監測儀方面研究較少。因此，有必要研制符合我國礦山井下作業環境且價格便宜的個體呼塵濃度監測儀。

本文基于光散射原理，試制以紅外線發光二極管作為光源的呼吸性粉塵濃度個體監測儀。在0～300 mg/m3測量范圍內，該儀器輸出電壓值和粉塵濃度之間具有較好的線性函數關系，并將研制的粉塵監測儀測試結果與現有儀器測量結果進行對比分析，結果表明研制的粉塵監測儀滿足粉塵檢定規程有關要求。

1 光散射法測塵原理

光散射原理是在光傳播過程中，受粉塵介質影響而改變了光的傳播方向。當光源發出光線后，由于光敏感區粉塵的作用，散射到各個方向的光由球面聚光鏡盡可能的收集后又傳播到光接收器，接收器將接收的光強轉換成電信號；再根據不同粉塵濃度轉變為不同的光或電信號[13-14]。

本文采用MIE光散射方法，試制以紅外線發光二極管作為光源的呼吸性粉塵濃度個體監測儀。由于散射光強與粉塵質量濃度具有一定的比例關系，因此可通過試驗確定散射光強與粉塵質量濃度的關系，并通過校準后利用光強大小計算得到粉塵質量濃度。假設在原點O處有單個近似球形的粉塵顆粒，其直徑為d，μm；受到波長為λ(單位nm)、強度為I0(單位cd)的單色入射光照射后，將在空間任意方向發出散射光，MIE光散射原理如圖1所示。其中，P為接收點，散射點與接收點P之間的距離為r，mm；r和z軸組成的平面為散射面，并與光軸成散射角θ，(°)。

圖1 MIE光散射原理

在強度為I0的光照射下，P點的散射光強度由式(1)計算：

I(θ)=I0F(θ,Φ)/(k2r2)

(1)

式中：F為幅值函數；Φ為方位角，(°)。

當粉塵濃度為c、體積為V的粉塵散射系統受到光源的照射時，根據單個散射粒子的疊加性機理，粉塵顆粒群的散射光強度計算如式(2)所示：

(2)

式中：c為粉塵濃度，μg/m3；V為體積，μm3。

由式(2)可以得到粉塵濃度計算，如式(3)所示：

(3)

因此，通過比較照射粉塵前后的光強值，由式(3)可以獲得粉塵質量濃度值。

由式(1)～(3)可知，在顆粒性質一定的條件下，可利用散射光強與粉塵質量濃度具有的比例關系，并通過試驗確定散射光強與粉塵質量濃度的關系。

2 個體呼塵監測儀試驗研制

2.1 個體呼塵監測儀試驗裝置

依據光散射基礎理論，采用中國安全生產科學研究院自制的用于采集散射光強度大小的試驗裝置[15]分析呼吸性粉塵濃度個體監測儀的實用性，進行試驗。粉塵監測儀結構如圖2所示。由圖2可知，其由氣路部分、光路部分以及電路部分組成。氣路部分由分離器、光學腔、流量檢測傳感器(控制小流量粉塵不大于2 L/min)及氣泵組成；光路部分主要在光學腔內實現，由發光二極管、透鏡、光敏二極管等元件組成；電路部分主要實現氣路、光路控制、信號采集，主要包括電機驅動、信號放大、單片機模數轉換器(ADC)和數模轉換器(DAC)等部分。

圖2 粉塵監測儀結構

2.2 光路控制

基于MIE光散射原理，根據圖2所示的粉塵監測儀結構簡圖可知，當光學腔內流經粉塵氣流流速一定時，只要測得在一定的照射光強下散射光強度與氣體粉塵濃度的對應關系，便可根據散射光強度推算出氣體粉塵濃度。

由于紅外光發光二極管具有發光效率高、便于調制的特點，實驗選用型號為SE5470的紅外光線二極管作為光源，其發射的光波波長為880 nm，輻射照度為3.5 mW/cm2。同時利用硅光電二極管ODD-1W檢測入射光強的穩定性。試驗時采用單片機控制發光二極管正向導通電流，控制二極管導通電流的電壓控制電流電路如圖3所示。其中，Ui為電壓，V；R1,R2為電阻，Ω；C1為電容，F。圖3中R1兩邊的電壓與Ui相等，R2起限流作用，避免上電瞬間流過Q1的電流太大。

圖3 發光二極管控制電路

發光二極管發出的光照射在流經光學腔中的粉塵氣流后，產生的散射光經過光電轉換電信號，經模數轉換器和數模轉換器處理后，顯示出測量值。

2.3 氣路控制

為使通過光學腔的含塵氣流流速穩定，設計使用流量計實時采集氣流流速并反饋控制氣泵供電電壓，確保散射光強和粉塵濃度具有固定的對應關系。

設計選用壓差式流量計作為氣體流速檢測裝置，此裝置設計小巧，特別適用于便攜式設計。壓力差傳感器選用Honeywell的SDX IND微型壓力差傳感器，測量范圍達到10 mm水柱。進氣泵選用德國FUERGUT DC06 21FK旋轉葉片式泵，此泵壽命長達10 000 h。

3 個體呼塵監測儀可行性試驗

3.1 簡易試驗裝置

為驗證個體粉塵監測儀的合理性和可行性，以及電路選擇的可靠性和適用性，將個體監測儀和比對儀器TSI8534共同放置在自制的簡易粉塵試驗裝置中，如圖4所示。

1-研制儀器；2-粉塵質量濃度測量室；3-粉塵濾芯；4-對比粉塵監測儀；5-循環風機；6-粉塵發生室；7-粉塵濾網；8-粉塵導入風機

試驗裝置主要由以下3部分構成：

1)簡易塵室。其搭建材料為有機玻璃，塵室容積為0.25 m3，密封性良好。塵室內部裝有2臺小型鼓風機，主要用于將塵室內的粉塵吹揚在整個空間內。塵室中另有溫濕度監測儀，實時測量箱體內的溫度。

2)空氣凈化裝置。其在塵室兩端設有可通風圓孔，通過管道連接可調速鼓風機，在塵室兩端風口處裝有過濾網，用于試驗前過濾空氣，以制造潔凈空氣環境。在塵室正式試驗時，可將圓孔封閉從而實現環境的密封，也可以在試驗過程中啟動凈化裝置調節塵室粉塵濃度。

3)粉塵發生室。其可發生一定量粉塵，通過篩網篩選特定粒徑粉塵，經粉塵導入風機將一定濃度粉塵吹入塵室。

3.2 粉塵監測儀試驗結果分析

采用草香、煙餅等物品點燃發煙試驗，產生的粉塵或煤塵經濾網過濾后得到粒徑不大于5 μm的粉塵顆粒，經由氣泵吸入粉塵試驗裝置內。經過試驗，草香燃燒后可以得到300 mg/m3的高粉塵濃度，且其顆粒物粒徑較低，產生的粉塵氣流化學成分單一，可保證試驗數據的可靠性和良好效果。

利用實時記錄的測量數據，得到如圖5所示的粉塵監測儀采集電壓與粉塵濃度關系。由圖5可知，采集電壓與粉塵濃度在高濃度下具有較好的線性關系。

圖5 輸出電壓和粉塵質量濃度關系

由于樣機采集電壓和粉塵濃度之間是線性關系，因此，按照一定的濃度差，選擇10個樣本點對樣機進行線性校準。校準后的計算測量誤差見表1。

表1 粉塵濃度測量儀表-樣機誤差

由表1可知，最大測量絕對誤差為-238.3 μg/m3，是濃度為266 871.9 μg/m3時的誤差；相對測量誤差最大為1.59%，滿足粉塵檢定文獻[16]要求。

3.3 試驗結果誤差分析

從光散射的測塵原理可知，通過檢測照射前后的光強比值，經過換算可以得到粉塵濃度。

文獻[8，17]分析了粉塵濃度光散射測量的影響因素包括散射角、粉塵粒徑、環境溫度、濕度和風速等。其中散射角是影響散射光強的主要因素之一；單個粉塵粒子的散射光強與顆粒粒徑成正比關系，粉塵顆粒流中的粒徑越大，靈敏度越小，測量的粉塵濃度值越低；若濕度大于 60%，光散射監測儀測量結果也會出現明顯的影響，溫度和風速的影響較小。

根據誤差原因分析，本文試驗數據誤差可能來源于水霧、粉塵的粒徑等因素的影響。新型呼吸性測塵儀器的研制有利于提高粉塵的監測效率，對粉塵危害控制與治理具有重要意義，由于目前新型個體監測儀還處于在實驗室測試階段，還需要在礦山井下環境進行實際測量應用，以便進一步優化設計，提高產品性能，減小儀器本身重量(目前重量約1.5 kg)。

4 結論

1)研制用于監測礦山井下作業環境的個體呼塵監測儀試驗樣機，其由氣路部分、光路部分以及電路部分組成。

2)在0～300 mg/m3測量范圍內，試制監測儀輸出電壓值和粉塵濃度之間具有線性函數關系，說明呼塵濃度個體監測儀合理可行。

3)試驗表明，研制的個體呼塵監測儀與對比儀器二者之間存在一定的誤差，但測量相對誤差最大為1.59%，滿足規程要求，并分析了試驗結果誤差原因。

4)新型呼吸性測塵儀器的研制，有利于提高粉塵的監測效率，對粉塵危害的控制與治理具有重要意義。