煙塵濃度測量方法綜述

李 昆，鐘 磊，張洪泉

(1.哈爾濱工程大學，黑龍江哈爾濱150001;2.中國電子科技集團公司第四十九研究所，黑龍江哈爾濱150001)

0 引言

進入21世紀，人類生產生活的各個方面都會產生煙塵，鋼鐵和有色金屬冶煉、火力發電、水泥和石油化工企業的生產過程，煤礦、采石場等礦山生產中產生的煙塵，車輛和飛機排放的廢氣，以及垃圾焚燒處理、家庭爐灶、供暖鍋爐排出的煙氣等，都是煙塵污染的主要來源，其中，以燃料燃燒排出的數量最大，主要成分是未燃燒的碳粒(C)，還含有少量 SiO2，Al2O3，Fe2O3，CaO 等。煙塵污染大氣，對人們身體健康有很大的危害，會引起心臟病患者死亡率的增加。另一方面，隨著低碳環保行動的深入，降低生活環境中C的含量成為環境保護的重中之重。因此，對排放源煙塵濃度的測量就成為環境監測的一個重要方面［1］。

1 測量方法

目前，根據測量機理的不同分為兩類分析方法:取樣法和非取樣法［2］。

1.1 取樣法

取樣法是從待測區域中取部分具有代表性的含煙塵氣樣，并將顆粒從樣品中分離出來，再送入隨后的分析測量系統來測量煙塵質量濃度的方法［3］。

1)濾膜稱重法

濾膜稱重法的基本原理是以規定的流量采樣，將空氣中的煙塵顆粒沉集于高性能濾膜上，稱濾膜采樣前、后的質量，由質量差求得沉集的煙塵顆粒質量，再根據采樣空氣體積，計算出煙塵顆粒的質量濃度。

由于受濾膜性能影響，大多測量采用PM10和PM2.5 2個標準的煙塵顆粒物。如，武漢分析儀器廠FC—2B型粉塵采樣器，采用濾膜稱重原理，采集作業場所空氣的煙塵，適用于冶金、礦山、陶瓷等有粉塵危害的作業場所定點采樣，流量達到25L/min，精度為2.5級［4］，時間精度小于2s。

該方法原理簡單，測定數據可靠，測量不受顆粒物物理性質的影響。但操作煩瑣費時(一般3～24 h)、噪聲大。

2)β射線吸收法

β射線吸收法測量裝置由β射線源、濾膜支架及探測器等組成。當含塵樣氣通過濾膜時，顆粒被過濾在濾膜上，經過一段時間后，轉動軸帶動濾膜移動并使被濾顆粒進入測量區域，測量區域上部發出的β射線透過顆粒介質后衰減并被接收，根據β射線的衰減程度即可確定被濾塵樣的質量，進而求得被測粉塵的質量濃度。

β射線吸收法是在稱重法基礎上發展而來的，該方法主要用于煤礦粉塵與工業燃燒煙塵(主要含C和S)的測量，以及用于氣溶膠質量濃度的監測。2009年，懷化鐵路疾病預防控制中心的向純海對β射線吸收法測量作業場空氣粉塵(炭黑粉塵)濃度做研究［5］，結果表明:β射線吸收法反演出的粉塵質量與濾膜增重Δm基本一致，濾膜增重與β射線吸收度呈正相關，且隨采樣時間t和濾膜增重Δm的增加，β射線吸收度的變異系數和炭黑粉塵濃度的變異系數總體趨勢是減小，當采樣時間 t≥7 min，濾膜增重 Δm≥0.3 mg時，2種變異系數均在10%以下。檢測下限為增重Δm為0.0002 mg。典型代表儀器武漢天虹儀器集團的TH—25型大氣顆粒物濃度監測儀，其利用低能β射線的輻射吸收原理，對空氣總懸浮顆粒物(TSP)、飄塵(PM10)、呼吸性顆粒物(PM5和PM2.5)進行濃度監測分析，采樣流量為16.7 L/min，準確度3%，測量濃度為0～5.0 mg/m3，重復性為2%。

該方法測量的動態范圍寬，準確度及靈敏度高，且測量結果只與粒子的質量有關。但該方法存在安全隱患，同時，系統要求增加各種屏蔽措施，結構設備復雜且昂貴。

3)壓電晶體差頻法

壓電晶體法采用石英諧振器作為敏感元件。其工作原理是使空氣以恒定流量通過切割器，進入由高壓放電針和微量石英諧振器組成的靜電采樣器，在高壓電暈放電的作用下，氣流中的顆粒物全部沉降于測量諧振器的電極表面上，因電極上增加了顆粒物的質量，其振蕩頻率發生變化，根據頻率變化可測定煙塵顆粒物的質量濃度。

與其他測煙塵濃度的方法相比，壓電晶體差頻法具有靈敏度很高，石英壓電晶體電極的質量靈敏度理論上為180 Hz/μg。假定所測空氣煙塵濃度為 150 μg/m3，以1 L/min采樣流速采樣2 min，所采煙塵量為0.3 mg，儀器的理論響應值為54 Hz，就可準確測定。其采樣流量低、采樣時間短是其他測塵法無法比擬的;檢測范圍寬，由于輸出的低頻信號達10～105Hz，能滿足大氣煙塵不同濃度的測定，如果輸出104Hz，被測煙塵濃度理論上等于28 mg/m3，這樣高的煙塵濃度一般已超出環境煙塵濃度的范圍。

典型儀器是日本加野麥克斯的3511粉塵計，該儀器的核心是壓電晶體。將浮游粉塵收集到壓電晶體上，通過石英頻率的變化測試粉塵質量，測量濃度范圍為0.02～10 mg/m3，靈敏度為 0.005 μg/Hz。

但由于壓電晶體每做完一次測試后需要重新清潔后才能進行下次測試，所以，這種測試方法不能進行長時間在線檢測。

4)微量天平振蕩法

測量原理是基于錐形元件振蕩微量天平原理，核心部件為錐形元件振蕩器。錐形元件振蕩器在其自然頻率下振蕩，振蕩頻率由振蕩器件的物理特性、參加振蕩的濾膜質量和沉積在濾膜上的顆粒物質量決定。儀器通過采樣泵和流量計，使環境空氣以一恒定的流量通過采樣濾膜，顆粒物則沉積在濾膜上。測量出一定間隔時間前、后的2個振蕩頻率，就能計算出在這一段時間里收集在濾膜上顆粒物的質量，再除以流過濾膜的空氣的總體積，得到這段時間內空氣中顆粒物的平均濃度。

以本方法為測量機理的代表儀器是美國RP公司的TEOM系列RP—1400 a監測儀，該儀器直接和實時測量室內(外)環境中小于10μm的煙塵質量濃度。其技術特點是高精度，小時平均質量濃度為±1.5μg/m3，24 h平均質量濃度為 ±0.5μg/m3，高分辨率為 0.01μg/m3。

微量天平振蕩法適用范圍很廣［6］，現代主要用于空間環境表面污染(分子污染和顆粒物污染)的監測，又因其高靈敏度、高分辨率及實時在線監測、輸出數字化等優點在電化學和生物領域備受關注。

1.2 非取樣法

非取樣法是利用煙塵顆粒物與射線、光等作用后所產生的衰減、散射等現象來間接測量煙塵濃度的方法。非取樣法主要有:黑度法、濁度法、光散射法。

1)黑度法［7］

此方法又叫林格曼黑度法。它是基于監測人員用有不同黑色面積的玻璃片對排放煙塵的黑度進行目測，然后與林格曼黑度(共分六級)對比后，確定被測煙塵的黑度，再按林格曼黑度級與煙塵濃度對照表得到煙塵排放濃度。這種方法使用簡單、方便，操作人員很容易掌握使用，但顯然這種方法不夠科學，也不夠可靠，無法獲得煙塵的絕對濃度。

以黑度法為測量機理的儀器，如青島高通分析儀器有限公司的LGM—A1型林格曼煙塵黑度計，其測量精度為0.5%。

黑度法只是粗略了解煙塵的黑度等級而不需要獲得其絕對濃度，主要用于煙塵黑度監測，應用于鍋爐、工業爐窯、火電廠及煉焦爐等場所［8］。

2)濁度法

該方法將光源與探測器分別安裝在煙道兩側，光遇到煙塵顆粒后由于吸收、散射等作用使光強衰減，探測器接收的是顆粒的透射光。根據郎伯—比爾定律，透射光強與顆粒的大小和濃度相關，這就為煙塵顆粒物濃度測量提供了尺度，通過計算介質的濁度，得到煙塵的質量濃度。

該方法原理簡單、技術成熟，廣泛用于工業煙囪、煤礦瓦斯監測，但用于濃度測量時必須預先知道被測對象的粒徑分布或者平均粒徑，具有一定的局限性，即在濃度極低時，光強變化不大，濃度極高時，光強衰減過大，從而信噪比大大降低，因此，在這種特殊情況下，效果較差;當煙塵組分發生變化時，測量結果也會出現偏差;由于光源、探測器及反射鏡等需要分立安裝，因此，需要嚴格對準;反射鏡等光學鏡片附著煙塵后，也會影響測量結果。

3)光散射法［9］

光散射法基于光散射原理，當光束入射到顆粒(不管是固體顆粒、液滴或者氣泡)上時，將向空間四周散射，光的各個散射參數與煙塵顆粒的濃度密切相關。將探測器安裝在某一散射角處，獲得散射光強數據后，基于散射理論對煙塵濃度進行反演。

代表儀器有LD—3F防爆袖珍型電腦激光粉塵儀，可以直接讀取質量濃度，適用于室內外環境中可吸入顆粒物(PM10)濃度的檢測，測定范圍為0.01～100 mg/m3或者0.001～10 mg/m3;靈敏度為0.01或者0.001mg/m3;測量精度為±10%。

光散射法之所以獲得廣泛應用是因為相比其他測量方法具有如下顯著優點:適用性廣，除了測量固體顆粒(粉末)外，還可以測量液體顆粒(液滴)、氣體顆粒(氣泡)，而不用知道顆粒的化學組成;粒徑測量范圍寬，從幾個納米(10-3μm)到約103μm，甚至更大;測量準確、精度高、重復性能好，對單分散系高分子聚合物標準粒子的測量誤差和重復性偏差可以限制在1%～2%之內。

2 發展概況

2.1 國外研究情況

1957年，Van de Hulst H C的專著“Light Scattering by Small Particles”出版［10］，成為粒子散射理論的經典著作。

20世紀70年代起，激光雷達發展迅速，激光雷達遙感理論日趨成熟。1983年，Fitzgerald基于Mie散射理論分析了低對流層氣溶膠粒子的相對濕度對0.694，10.6μm兩個波段后向散射系數的影響［11］。1994年，美國國家航空航天局利用“發現號”航天飛機利用激光雷達進行了大氣探測實驗并獲得成功，使激光雷達的探測范圍大大拓寬［12］。

進入21世紀，煙塵濃度在線監測和大氣污染防治成為焦點，光后向散射法研究的內容主要集中在粒子后向散射特性的理論計算和實時測量的實現2個方面。2001年，Boss Emmanuel等人在實驗測量的基礎上利用體散射函數對雨滴的后向散射系數進行了反演，為理論計算提供了有力的支持。2002年，Tishkovets V P對薄層粒子系的后向散射理論進行了詳細的推導和計算，為粒子系的后向散射理論的發展奠定了基礎。2004年，Griaznov V等人基于Mie散射模型，對水滴球形粒子含偏心包含物的后向散射特性進行了分析，為雷達亮暗帶現象出現的原因提供了理論依據［13］。2006年，Michael Mishchenko I對這一階段有關后向散射增強等一系列粒子散射問題進行了梳理和總結，并指出了未來的研究方向［14］。2008年，Budak Vladimir P發展了一種新的邊界處理方法，對高濃度各向異性的三維粒子系的散射特性進行了計算，進一步拓展了散射理論［15］。2009年，Chaikovskaya Ludmila I利用CCD雷達獲得的實驗數據反演多級散射粒子系的后向散射特性，直接獲得了粒子散射系的極化圖和 Mueller矩陣圖，信息更加豐富［16］。2010年，Sommersten Endre R利用離散坐標法和Monte Carlo法對兩平行層不同粒子系的散射場進行了計算，結果表明:該方法計算結果更加精確，計算時間也大大縮短［17］。

2.2 國內研究情況

國內起步較晚，最早是1979年，上海市激光技術研究所的孫渝生運用后向散射激光多普勒測速原理，對管內微粒懸浮液自由下落的速度進行了測量［18］。1997年，復旦大學的黃興忠和金亞秋，計算了群聚球形粒子和群聚非球形粒子的極化散射場，得出粒子之間的相干使后向散射明顯增強的結果。同年，國家海洋局的夏達英等利用后向散射熒光計對試驗海區內人工投放的粉煤灰懸浮顆粒的濃度進行了測量，結果表明:后向散射法優于前向法和衰減法［19］。

近年來，我國在顆粒物后向散射理論研究與實驗方面已經取得顯著的成果。2001年，上海理工大學蔡小舒等人對高濃度顆粒系的后向散射特性進行了計算，指出當顆粒濃度增大到一定程度后，決定后向散射強度的是顆粒的粒徑，而與濃度基本無關［20］。同年，濟南大學的王玉茹等人設計并搭建了光散射法測定煙塵濃度的實驗裝置，并對典型煙塵樣品進行了測量，結果表明:相對于光吸收法而言，光散射法具有更高的靈敏度［21］。2003年，北京理工大學的李麗等人采用輻射傳輸理論建立了水下距離選通脈沖激光成像系統的后向散射光模型，根據典型系統參數計算并繪制了系統的重疊系數和后向散射光變化曲線［22］。同年，天津大學精密測試技術及儀器國家重點實驗室的蘇翼雄等人通過研究線偏振光照射在生物組織表面時其散射光的偏振態特性，提出了一種非接觸方法進行生物組織后向散射光信號拾取的方法，為提高組織成分光譜檢測的信噪比提供了實驗基礎。2004年，南京理工大學的谷亞林等人推導并計算了有限長導體圓柱的后向散射極化矩陣，分析了目標的特征極化參數和入射角之間的關系［23］。2006年，華中科技大學的鄧勇等人基于Mie散射理論，建立了雙層散射介質的單次后向散射光譜的理論模型，結果表明:利用后向散射光對粒徑大小、分布和復折射率的高靈敏度，可對實現癌細胞的早期識別［24］。2009年，西安電子科技大學的吳振森等人利用Monte-Carlo方法對電磁波在煙塵中的傳輸特性進行數值計算，給出煙塵中反射率和透射率隨入射角和煙塵厚度變化的數值結果［25］。2010年，中科院上海光機所的王向偉等人基于單個氣泡的米氏散射理論，利用多層介質蒙特卡—羅模擬方法，對I，IA，IB類海水下的尾流氣泡激光后向散射特性進行了模擬，證明了可利用尾流氣泡群的激光后向散射作為魚雷的引信［26］。

3 主要發展方向

1)計算煙塵粒子散射特性的光學常數:目前光學常數的測量主要采用KBr樣片透射法，該方法操作復雜、被測粒徑受限，且只能通過紅外波段的結果外推至可見光波段。

2)計算復雜形貌煙塵粒子的后向散射特性:目前構建的煙塵粒子模型僅為特殊的非球模型，如橢球、圓柱等。而實際煙塵粒子形貌各異、表面十分復雜，因此，按傳統方法難以準確獲得實際煙塵粒子的后向散射特性。

3)計算煙塵粒子系的后向散射特性:目前的計算是基于Mie散射理論進行疊加或復散射計算，這僅適用于球形顆粒系，而難以滿足煙塵粒子排放現狀。

4 結束語

煙塵濃度的在線測量方法應滿足以下要求:

1)采樣速度要足夠快，能進行長期、實時地監測，能夠滿足生產過程中對數據量的要求。

2)數據處理必須實時準確，及時反映出煙塵顆粒物特性的變化。

3)測量系統結構簡單、可靠，能夠在惡劣條件下長期運行，便于維護。

4)測量系統還應具有較好的經濟性，價格合理。

［1］王 瑋，劉紅杰.TSP—PM10—PM2.5—2型中流量大氣顆粒物采集系統的開發和應用［J］.中國環境監測.2003，19(1):35-37.

［2］王乃寧.顆粒粒徑的光學測量技術及應用［M］.北京:原子能出版社，2000:25-30.

［3］GB 3095—1995，空氣環境質量標準［S］.

［4］GB/T5817—2009，粉塵作業場所危害程度分級［S］.

［5］向純海.β射線吸收法測量鐵路作業場所空氣常見粉塵濃度［J］.鐵道勞動安全衛生與環保，2009，36(6):316-319.

［6］李 萍.15MHz溫控石英晶體微量天平的設計［D］.蘭州:蘭州大學，2009:6-13.

［7］包信宗，葛廣英，張衛華，等.基于BP的煙氣林格曼黑度級測量研究［J］.聊城大學學報:自然科學版，2009，22(2):22-25.

［8］楊大惠，尹常慶，楊傳俊.煙氣黑度監測中應注意的問題［J］.環境監測管理與技術，2005，17(3):38-39.

［9］張 敏.光散射法測量超細顆粒粒度的研究［D］.天津:天津大學.2005:1-12.

［10］Van de Hulst H C.Light scattering by small particles［M］.John Wiley and Sons Inc，1957:1-10.

［11］Fitzgerald.Effect of relative humidity on the aerosol backscattering coefficient at 0.694 and 10.6μm wavelengths［J］.Applied Optics，1984，23(3):411-417.

［12］Kandlikar M，Ramachandran G.Inverse methods for analyzing aerosol spectrometer measurements:A critical review［J］.Journal of Aerosol Science，1999，30(4):413-437.

［13］Griaznov V.Numerical simulation of light backscattering by spheres with off-center inclusion:Application to the lidar case［J］.Applied Optics，2004，43(29):5512-5522.

［14］Michael Mishchenko I.Maxwell’s equations，radiative transfer，and coherent backscattering:A general perspective［J］.Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer，2006，101(3):540-555.

［15］Budak Vladimir P.On the solution of a vectorial radiative transfer equation in a arbitrary three-dimensional turbid medium with anisotropic scattering［J］.Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer，2008，109(2):220-234.

［16］Chaikovskaya Ludmila I.New technique to simulate angular patterns of polarized signals frommultiply scattering media in MFOV and CCD lidars［J］.Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer，2009，110(8):506-525.

［17］Sommersten Endre R.Discrete ordinate and Monte-Carlo simulations for polarized radiative transfer in a coupled system consisting of two media with different refractive indices［J］.Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer，2010，111(4):616-633.

［18］孫渝生.后向散射激光多普勒測速裝置［J］.激光，1979(5):34-38.

［19］黃興忠，金亞秋.群聚球形粒子極化散射的 T矩陣數值模擬［J］.計算物理，1997，14(1):376-381.

［20］俞大勇，蔡小舒.高濃度超細顆粒系后向散射研究［J］.中國粉體技術，2001，7(4):1-3.

［21］王玉茹，馮德振，張智杰.光散射法煙塵濃度的實驗研究［J］.濟南大學學報:自然科學版，2001，15(9):253-255.

［22］李 麗.水下距離選通成像系統后向散射光的計算［J］.北京理工大學學報，2003，23(4):488-491.

［23］谷亞林.有限長導體圓柱的后向散射極化分析［J］.電波科學學報，2004，19(3):269-273.

［24］鄧 勇.雙層散射介質的單次后向散射光譜分析［J］.光學學報，2006，26(4):595-599.

［25］吳振森.煙塵中電磁波傳輸特性的Monte-Carlo模擬［J］.物理學報，2009，58(4):2397-2404.

［26］王向偉.艦船尾流激光后向散射特性研究［J］.光學學報，2010，30(1):14-18.