粉體滅火劑空間濃度動(dòng)態(tài)測(cè)量方法研究

余舒 黃丹丹 李自強(qiáng) 范越 王國(guó)強(qiáng) 張青松 羅星娜

摘 要：掌握粉體滅火劑在空間內(nèi)的濃度分布及其變化規(guī)律對(duì)于其滅火效能的評(píng)價(jià)具有重要意義。以空間內(nèi)粉體滅火劑濃度動(dòng)態(tài)測(cè)量為目標(biāo)，分析和對(duì)比了多種顆粒物濃度測(cè)量原理，選用消光法建立模型，開(kāi)展測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并對(duì)模型參數(shù)的選取方法進(jìn)行了細(xì)致的分析，提出了一種粉體滅火劑濃度的動(dòng)態(tài)測(cè)試方法。為驗(yàn)證方法可行性，建立了一套簡(jiǎn)易濃度測(cè)試裝置，依照消光法開(kāi)展了滅火劑濃度的實(shí)驗(yàn)測(cè)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，粉體滅火劑濃度變化對(duì)光信號(hào)影響顯著，測(cè)試結(jié)果反映了滅火劑濃度隨時(shí)間的變化規(guī)律，且濃度計(jì)算結(jié)果與實(shí)際值具有可比性。

關(guān)鍵詞：粉體滅火劑 濃度 動(dòng)態(tài)測(cè)量 消光法

中圖分類號(hào)：X932 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(shí)時(shí)快速的測(cè)定空間內(nèi)滅火顆粒物濃度，對(duì)于了解滅火劑運(yùn)動(dòng)規(guī)律和滅火系統(tǒng)有效性的評(píng)估也有重要意義。然而快速準(zhǔn)確地測(cè)定高濃度粉體滅火劑的濃度變化依然存在困難。常見(jiàn)的顆粒物濃度測(cè)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(yè)粉塵檢測(cè)，普遍采用氣泵采樣后進(jìn)行測(cè)試的方法，并非真正的在線測(cè)試，且采樣誤差也會(huì)對(duì)結(jié)果準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響。目前還沒(méi)有專門(mén)用于粉體滅火劑濃度檢測(cè)的設(shè)備。為準(zhǔn)確測(cè)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(jìn)料器定量輸送滅火粉體，但是這種方法與實(shí)際滅火場(chǎng)景的滅火劑輸送過(guò)程差別較大。

本研究結(jié)合粉體滅火劑顆粒特征，選用適合的粉體濃度測(cè)試原理，結(jié)合滅火實(shí)驗(yàn)條件，對(duì)不影響滅火劑正常輸送的條件下進(jìn)行粉體滅火劑濃度在線檢測(cè)的可行性進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)的研究。

1 顆粒物濃度測(cè)量原理分析

常見(jiàn)的顆粒濃度測(cè)試方法有以林格曼黑度法和采樣法為代表的手工監(jiān)測(cè)法、射線法和多種光學(xué)方法[4]。手工監(jiān)測(cè)法原理簡(jiǎn)單，最初用于測(cè)量煙塵排放的濃度，但是精度較差且不能進(jìn)行連續(xù)測(cè)量。射線法基本不受射線穿過(guò)區(qū)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(fù)雜、昂貴的結(jié)構(gòu)設(shè)備用于輻射屏蔽。光學(xué)測(cè)試方法利用光的衰減和散射[5]等原理能夠?qū)夤虄上嗔髦械念w粒物平均濃度進(jìn)行連續(xù)測(cè)量。其中基于光散射原理的消光法因顆粒物濃度計(jì)算直觀，無(wú)需標(biāo)定，在諸多光學(xué)方法中具有應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

消光法以朗伯-比爾定律[6]為基礎(chǔ)，當(dāng)實(shí)驗(yàn)光束穿過(guò)含有顆粒的介質(zhì)（粉體滅火劑）時(shí)，由于受到顆粒的散射和吸收，使得穿過(guò)介質(zhì)后的透射光強(qiáng)受到衰減，其衰減程度與顆粒的大小和數(shù)量（濃度）有關(guān)。

朗伯-比爾定律：

（1）

其中，I0表示入射光強(qiáng)，I表示出射光強(qiáng)；Nv表示被測(cè)粉體顆粒的粒子數(shù)濃度；d表示被測(cè)粉體顆粒的粒徑；為消光系數(shù)；L是待測(cè)粉體顆粒的區(qū)厚度。

當(dāng)被測(cè)顆粒為單一球形顆粒時(shí)，以V表示單個(gè)球形顆粒的體積，ρ表示被測(cè)粉體顆粒的密度，將公式（1）改寫(xiě)成數(shù)量濃度Nv的表達(dá)式，帶入質(zhì)量公式得到質(zhì)量濃度Mv，由公式（2）表示。

2 粉體滅火劑濃度測(cè)量方法

2.1 入射光和出射光光強(qiáng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

使用消光法測(cè)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(shù)。對(duì)于待測(cè)的粉體滅火劑，顆粒粒徑分布已知，光通過(guò)待測(cè)顆粒的區(qū)厚度可通過(guò)調(diào)節(jié)光發(fā)射和接收裝置[7]確定。為求粉體質(zhì)量濃度，只需測(cè)得實(shí)驗(yàn)裝置的入射光和出射光。光強(qiáng)測(cè)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(cè)器去測(cè)量待測(cè)區(qū)域的粉體濃度，光強(qiáng)變化受到光源本身穩(wěn)定性的影響，不能較為科學(xué)直觀地得出結(jié)論。采用普通的對(duì)比分析法，即采用相同的雙光源和雙探測(cè)器進(jìn)行測(cè)試，雖然采用了控制變量法，但不夠經(jīng)濟(jì)。

因此設(shè)計(jì)一種更為經(jīng)濟(jì)和準(zhǔn)確的測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量光強(qiáng)度變化。光強(qiáng)測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。在激光器發(fā)射端增加一個(gè)分光鏡，令其產(chǎn)生一個(gè)參考光I0'，發(fā)射給參考探測(cè)器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，由I通過(guò)待測(cè)粉體區(qū)域之后變成I'然后發(fā)射給檢測(cè)探測(cè)器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，兩個(gè)電信號(hào)輸出之后送給差分放大器進(jìn)行差分運(yùn)算。當(dāng)I發(fā)生變化時(shí)，參考入射光I0'也隨之發(fā)生相同大小的變化變成I0"，I'也相應(yīng)發(fā)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(wěn)定對(duì)測(cè)量系統(tǒng)精度的影響。

2.2 光強(qiáng)測(cè)量系統(tǒng)參數(shù)選取方法

在光強(qiáng)測(cè)量系統(tǒng)中，除入射光強(qiáng)I0和透射光強(qiáng)I外，還涉及其他關(guān)鍵參數(shù)。

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

（2）消光系數(shù)。在工程應(yīng)用中，對(duì)于粒徑在μm級(jí)的顆粒，其消光系數(shù)可取2作為近似值，而μm級(jí)是常見(jiàn)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(jù)朗伯-比爾定律可知當(dāng)L過(guò)大而被測(cè)粉體的顆粒濃度也較大時(shí)，透射光I就會(huì)趨于0。如果吸收層厚度L過(guò)小，則透射光I和入射光I0無(wú)明顯區(qū)別。本研究通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，吸收層厚度選為1m，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)情況認(rèn)為吸收層厚度可在此值上下調(diào)整。

3 基于消光原理的粉體滅火劑濃度測(cè)量實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證以上原理和參數(shù)確定方法的可行性，自制密封實(shí)驗(yàn)箱，選用簡(jiǎn)易激光發(fā)射和接收裝置，開(kāi)展?jié)舛葴y(cè)量實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)箱結(jié)構(gòu)如圖2所示。實(shí)驗(yàn)箱容積1m3，激光光路由實(shí)驗(yàn)箱尺寸確定約1m。左側(cè)為激光發(fā)射端，采用波長(zhǎng)623nm的紅色半導(dǎo)體激光器作為光源，右側(cè)以接收面平整的靈敏激光功率計(jì)作為激光接收端，激光透過(guò)箱壁上預(yù)留的透光孔形成激光光路。以激光功率計(jì)的測(cè)試數(shù)據(jù)作為激光強(qiáng)度的指標(biāo)，根據(jù)光學(xué)原理兩者為正相關(guān)。

實(shí)驗(yàn)使用常用的手提式干粉滅火劑作為待測(cè)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(shí)驗(yàn)按壓滅火劑噴出量近似相等，進(jìn)行三次試驗(yàn)，計(jì)算平均值作為最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

將三次實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均值代入公式（2），得到實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)粉體滅火劑濃度在箱體中部的變化情況。實(shí)驗(yàn)及計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。釋放滅火劑1min后，計(jì)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(jì)值相當(dāng)。

由測(cè)試結(jié)果可見(jiàn)，滅火劑濃度值隨時(shí)間變化和粉體沉降而明顯降低，符合粉體運(yùn)動(dòng)規(guī)律。雖然實(shí)驗(yàn)未采用精確的方法計(jì)量實(shí)驗(yàn)箱中部的粉體濃度，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果清晰的印證了采用光學(xué)方法在一定空間范圍內(nèi)動(dòng)態(tài)測(cè)量大量粉體濃度的可行性，也證實(shí)了實(shí)驗(yàn)原理選擇的合理性。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究通過(guò)理論和實(shí)驗(yàn)分析，選用光散射原理對(duì)空間內(nèi)粉體滅火劑濃度動(dòng)態(tài)測(cè)量方法開(kāi)展研究，選用合適的設(shè)計(jì)模型，對(duì)模型參數(shù)的取得方法進(jìn)行了細(xì)致的分析，最后使用自制實(shí)驗(yàn)裝置依照本文提及的測(cè)試方法進(jìn)行了滅火劑濃度的測(cè)試。

（1）基于消光法進(jìn)行粉體滅火劑空間濃度測(cè)量是最為有效的測(cè)試方法。合理設(shè)計(jì)光強(qiáng)發(fā)射和接收系統(tǒng)得到的光強(qiáng)比值，可以作為濃度計(jì)算的關(guān)鍵參數(shù)。

（2）實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在實(shí)驗(yàn)距離為1 m，粉體滅火劑濃度高，可見(jiàn)度明顯降低的情況下，本研究提出的空間內(nèi)粉體滅火劑濃度動(dòng)態(tài)測(cè)量方法可以有效地反映測(cè)試空間內(nèi)粉體濃度的變化，該測(cè)試方法具有可行性。

雖然本研究提出的方法真實(shí)地反映了空間內(nèi)滅火劑濃度的實(shí)時(shí)變化，但其測(cè)試結(jié)果與真實(shí)濃度之間可能還存在誤差，需要通過(guò)更細(xì)致的理論與實(shí)驗(yàn)分析進(jìn)行修正，以實(shí)時(shí)讀取準(zhǔn)確的濃度數(shù)據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳衛(wèi)，何振江，楊冠玲，羅罡，郭永彩，謝莉莉.超細(xì)粉體粒度測(cè)量技術(shù)現(xiàn)狀和新方法的探索[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)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(cè)量?jī)x的研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2007（6）：1070-1074.

[3] 劉淑文，李達(dá)剛，肖弟倫，等.固體螺旋進(jìn)料器.中國(guó)專利[P].CN2130165Y， 1993.

[4] 劉小虎.粉塵濃度測(cè)量技術(shù)研究[D].西安：西安工業(yè)大學(xué)，2013.

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

[6] 章艷.多相流顆粒濃度測(cè)量中的標(biāo)定技術(shù)研究[D].西安：西安工業(yè)大學(xué)，2013.

[7] 劉愛(ài)華.超細(xì)微粒滅火劑滅火濃度測(cè)量方法研究[D].南京：南京理工大學(xué)，2006.