透射法粉塵濃度測(cè)量標(biāo)定技術(shù)研究

劉小虎

（西安培華學(xué)院，陜西 西安710125）

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，粉塵的產(chǎn)生和排放問題日益嚴(yán)重。粉塵排放到空氣中，一方面會(huì)直接對(duì)人體的呼吸系統(tǒng)造成傷害，影響健康，另一方面，如果粉塵顆粒具有強(qiáng)氧化性，且在空氣當(dāng)中達(dá)到一定濃度的情況下，就會(huì)有爆炸的危險(xiǎn)，影響到人身和財(cái)產(chǎn)的安全。粉塵爆炸具備的三要素是：一定的粉塵濃度、氧氣的環(huán)境和火源?；鹪矗òΣ粱鸹?、靜電火花等）很難杜絕，另外無氧氣環(huán)境也很難實(shí)現(xiàn)，然而對(duì)粉塵濃度的監(jiān)測(cè)比較容易實(shí)現(xiàn)，因此，監(jiān)測(cè)粉塵濃度對(duì)防止粉塵爆炸具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，也是研究可燃性粉塵爆炸規(guī)律的重要參數(shù)。

目前，粉塵濃度的檢測(cè)方法有很多種［1］，如超聲波法、電容法、光吸收法（光透射法）、光散射法、摩擦電法、β射線法和微波法等。在這幾種測(cè)量方法中，光電探測(cè)法［2］中的光透射法具有實(shí)用、簡(jiǎn)單和不干擾測(cè)量場(chǎng)的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛采用，而且更適用于粉塵濃度較高的測(cè)量場(chǎng)?；诠馔干浞ㄑ兄瞥鰜淼姆蹓m濃度測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)應(yīng)不同的濃度會(huì)得到一系列相應(yīng)的電壓值，如何把這一系列的電壓值精確地轉(zhuǎn)換為粉塵濃度值，也就是所謂的濃度標(biāo)定，是粉塵測(cè)量系統(tǒng)中一個(gè)重要研究部分。

1 標(biāo)準(zhǔn)量具

選取標(biāo)準(zhǔn)量具是粉塵測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定的關(guān)鍵，理想的方法是將粉塵顆粒均勻分布在介質(zhì)中。目前，為了在標(biāo)定的過程中能使粉塵顆粒均勻分布在介質(zhì)中，科研工作者提出了一些方法。一種是直接用空氣作介質(zhì)，做一個(gè)封閉且體積固定的空間，定量地向空間內(nèi)吹送粉塵顆粒，使其能較均勻分布在封閉的空間里，這種方法可操作性差，而且粉塵顆粒僅靠自由擴(kuò)散難以達(dá)到均勻分布，如果放置時(shí)間過長(zhǎng)，粉塵顆粒由于重力影響會(huì)沉降，也會(huì)造成粉塵顆粒分布不均勻，另外，每次投放的粉塵顆粒的質(zhì)量很難精確控制。另一種方法則是選用透光率較好，有一定粘度的樹脂作介質(zhì)，把粉塵顆粒均勻分布于一種選定的樹脂當(dāng)中，樹脂凝固后就可以用于標(biāo)定了，這種方法比較簡(jiǎn)單、可行。但是樹脂的透光度一般介于92%～95%之間，而且固化后會(huì)有一定的體積收縮，一般在2%左右，這樣會(huì)引入較大的測(cè)量誤差。另外，在樹脂里均勻分布粉塵顆粒，需要把粉塵顆粒在樹脂里充分?jǐn)嚢?，?duì)于可燃性粉塵顆粒，攪拌的過程是很危險(xiǎn)的。

為此，選用純凈水做介質(zhì)，把純凈水放置在能方便實(shí)時(shí)觀測(cè)物質(zhì)體積的玻璃器皿中，純凈水和玻璃的透光度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于樹脂。另外，采用和被測(cè)物質(zhì)大小、形狀、體積相同的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)顆粒來代替被測(cè)物質(zhì)，這種標(biāo)準(zhǔn)顆粒物質(zhì)的密度為1．05 g／cm3，和水的密度十分接近，在水中就不會(huì)受到重力因素影響而能夠保證均勻分布，且不與水發(fā)生反應(yīng)。定量投放標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)顆?；蚣铀M(jìn)行稀釋，可得到一系列濃度值的混合物。

2 標(biāo)定原理及方法

2．1 光透射法粉塵測(cè)量系統(tǒng)的原理

由朗伯-比爾定律［3］可知，由于粉塵顆粒對(duì)光束的散射和吸收［4-5］，當(dāng)一束單色光穿過粉塵顆粒區(qū)域時(shí)，出射光強(qiáng)會(huì)有一定的減弱。如圖1所示。

圖1 光束穿過粉塵顆粒介質(zhì)示意

單一粒徑時(shí)，出射光強(qiáng)Ⅰ和入射光強(qiáng)Ⅰ0之間的關(guān)系為：

Nv為塵粒的粒子數(shù)濃度；L為待測(cè)粉塵區(qū)厚度；K為消光系數(shù)，它與光源波長(zhǎng)λ、折射率m和塵粒粒徑d有關(guān)。

推導(dǎo)得：

假設(shè)被測(cè)顆粒形狀為球形，直徑為d，且密度ρ，則質(zhì)量濃度為：

V為單個(gè)球形顆粒的體積。

從式（3）的推導(dǎo)過程可以看出，粉塵顆粒濃度的值取決于幾個(gè)參數(shù)：粉塵顆粒直徑d、入射光強(qiáng)Ⅰ0、出射光強(qiáng)Ⅰ、吸收層厚度L、光源的波長(zhǎng)λ、消光系數(shù)K和折射率m等。在其他參數(shù)固定的情況下，粉塵顆粒濃度與出射光的衰減程度有一定的關(guān)系，通過監(jiān)測(cè)出射光的衰減情況，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)粉塵顆粒濃度的監(jiān)測(cè)。

2．2 標(biāo)定方法

由于粉塵顆粒濃度與出射光的衰減程度有關(guān)系，通過標(biāo)定就可以找到這個(gè)關(guān)系。首先，標(biāo)定時(shí)所使用的粉塵濃度測(cè)量系統(tǒng)和實(shí)際測(cè)量系統(tǒng)需一致。其次，把標(biāo)準(zhǔn)顆粒在純凈水里面定量稀釋［6］，得到一系列顆粒濃度值的混合物。最后，利用粉塵濃度測(cè)量系統(tǒng)對(duì)不同顆粒濃度下的混合物進(jìn)行測(cè)量，得到濃度與透過率T＝Ⅰ／Ⅰ0對(duì)應(yīng)關(guān)系，重復(fù)大量測(cè)量，擬合成關(guān)系曲線。由于粉塵測(cè)量系統(tǒng)所使用的光電探測(cè)器是線性的，所以T＝Ⅰ／Ⅰ0＝V／V0，V 和V0是對(duì)應(yīng)Ⅰ和Ⅰ0測(cè)得的電壓值，這樣就把測(cè)量得到的電壓值和粉塵濃度值一一對(duì)應(yīng)［7］。

2．3 標(biāo)定濃度的修正

通過上述方法，可以得到電壓值和粉塵濃度值的對(duì)應(yīng)關(guān)系，但標(biāo)定所使用的顆粒物質(zhì)和實(shí)際被測(cè)物質(zhì)是不一樣的，所以測(cè)得的這些濃度值需要修正。

根據(jù)式（3）和已知條件可知，實(shí)際的濃度和標(biāo)準(zhǔn)顆粒的濃度之間存在著一定的差異。第一，密度參量是需要修正的，這里用修正系數(shù)K1＝ρ1／ρ來表示，ρ1是實(shí)際顆粒的密度，ρ是標(biāo)準(zhǔn)顆粒的密度；第二，消光系數(shù)影響濃度值，而消光系數(shù)又與光源的波長(zhǎng)λ、折射率m和顆粒直徑d有關(guān)，標(biāo)定波長(zhǎng)和實(shí)際測(cè)量波長(zhǎng)一致，不影響消光系數(shù)，被測(cè)顆粒直徑和實(shí)際被測(cè)顆粒直徑相同，也不影響消光系數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)顆粒的折射率和實(shí)際被測(cè)顆粒的折射率不同，影響消光系數(shù)。

利用計(jì)算機(jī)仿真，給出了不同折射率下，隨著顆粒粒徑參數(shù)的變化，消光系數(shù)的變化曲線［8-9］，如圖2所示。

在已知光源波長(zhǎng)時(shí)，粒徑的增大，會(huì)引起顆粒粒徑參數(shù)α＝πd／λ的增大。由圖2可以看出，不同的折射率m值下，消光系數(shù)最終趨于2附近。實(shí)際測(cè)量中，粒徑是比較大的，就本課題實(shí)際測(cè)量的顆粒直徑為10μm，當(dāng)λ＝0．65μm時(shí)，α≈50，消光系數(shù)K基本趨于常數(shù)。由此可以看出，折射率m的大小已經(jīng)基本不能對(duì)消光系數(shù)有太大的影響。

圖2 消光系數(shù)曲線

綜上可知，實(shí)際的濃度要在標(biāo)定的濃度上進(jìn)行修正，即Mv1＝K1Mv，Mv1為實(shí)際濃度，Mv為標(biāo)定濃度，K1為修正系數(shù)。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)量

往玻璃器皿里定量增加純凈水，逐漸稀釋標(biāo)準(zhǔn)顆粒物質(zhì)的濃度，得到一系列的濃度值，同時(shí)也得到了一系列相對(duì)應(yīng)的電壓值。表1為重復(fù)3次測(cè)量不同濃度下的電壓值，圖3～圖5為對(duì)應(yīng)的曲線。

表1 粉塵濃度測(cè)量電壓值

由圖3～圖5可以看出，測(cè)得的電壓值呈近似線性變化趨勢(shì)。增加測(cè)量次數(shù)和減小質(zhì)量密度間隔，得到大量數(shù)據(jù)后，通過數(shù)據(jù)擬合，得到電壓值和粉塵顆粒濃度的關(guān)系，修正后就可以使用。

圖3 測(cè)量次數(shù)1

圖4 測(cè)量次數(shù)2

圖5 測(cè)量次數(shù)3

4 結(jié)束語

在基于光透射粉塵濃度測(cè)量原理的基礎(chǔ)上，通過分析、比較，提出了一種較為簡(jiǎn)單、實(shí)用和可操作性強(qiáng)的粉塵濃度標(biāo)定方法，經(jīng)過理論推導(dǎo)和利用計(jì)算機(jī)仿真，分析研究了相關(guān)參數(shù)對(duì)粉塵濃度測(cè)量的影響，給出了實(shí)際被測(cè)粉塵顆粒濃度與標(biāo)準(zhǔn)顆粒濃度之間的修正關(guān)系，并通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量，驗(yàn)證了該標(biāo)定方法的可行性，為光透射粉塵濃度測(cè)量系統(tǒng)的整體研制提供了重要支持。

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