透射法粉塵濃度測量標定技術研究

劉小虎

（西安培華學院，陜西 西安710125）

0 引言

隨著現代工業的快速發展，粉塵的產生和排放問題日益嚴重。粉塵排放到空氣中，一方面會直接對人體的呼吸系統造成傷害，影響健康，另一方面，如果粉塵顆粒具有強氧化性，且在空氣當中達到一定濃度的情況下，就會有爆炸的危險，影響到人身和財產的安全。粉塵爆炸具備的三要素是：一定的粉塵濃度、氧氣的環境和火源。火源（包括摩擦火花、靜電火花等）很難杜絕，另外無氧氣環境也很難實現，然而對粉塵濃度的監測比較容易實現，因此，監測粉塵濃度對防止粉塵爆炸具有重要的現實意義，也是研究可燃性粉塵爆炸規律的重要參數。

目前，粉塵濃度的檢測方法有很多種［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。在這幾種測量方法中，光電探測法［2］中的光透射法具有實用、簡單和不干擾測量場的優點，被廣泛采用，而且更適用于粉塵濃度較高的測量場。基于光透射法研制出來的粉塵濃度測量系統，對應不同的濃度會得到一系列相應的電壓值，如何把這一系列的電壓值精確地轉換為粉塵濃度值，也就是所謂的濃度標定，是粉塵測量系統中一個重要研究部分。

1 標準量具

選取標準量具是粉塵測量系統標定的關鍵，理想的方法是將粉塵顆粒均勻分布在介質中。目前，為了在標定的過程中能使粉塵顆粒均勻分布在介質中，科研工作者提出了一些方法。一種是直接用空氣作介質，做一個封閉且體積固定的空間，定量地向空間內吹送粉塵顆粒，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散難以達到均勻分布，如果放置時間過長，粉塵顆粒由于重力影響會沉降，也會造成粉塵顆粒分布不均勻，另外，每次投放的粉塵顆粒的質量很難精確控制。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，把粉塵顆粒均勻分布于一種選定的樹脂當中，樹脂凝固后就可以用于標定了，這種方法比較簡單、可行。但是樹脂的透光度一般介于92%～95%之間，而且固化后會有一定的體積收縮，一般在2%左右，這樣會引入較大的測量誤差。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攪拌，對于可燃性粉塵顆粒，攪拌的過程是很危險的。

為此，選用純凈水做介質，把純凈水放置在能方便實時觀測物質體積的玻璃器皿中，純凈水和玻璃的透光度遠遠大于樹脂。另外，采用和被測物質大小、形狀、體積相同的標準物質顆粒來代替被測物質，這種標準顆粒物質的密度為1．05 g／cm3，和水的密度十分接近，在水中就不會受到重力因素影響而能夠保證均勻分布，且不與水發生反應。定量投放標準物質顆粒或加水進行稀釋，可得到一系列濃度值的混合物。

2 標定原理及方法

2．1 光透射法粉塵測量系統的原理

由朗伯-比爾定律［3］可知，由于粉塵顆粒對光束的散射和吸收［4-5］，當一束單色光穿過粉塵顆粒區域時，出射光強會有一定的減弱。如圖1所示。

圖1 光束穿過粉塵顆粒介質示意

單一粒徑時，出射光強Ⅰ和入射光強Ⅰ0之間的關系為：

Nv為塵粒的粒子數濃度；L為待測粉塵區厚度；K為消光系數，它與光源波長λ、折射率m和塵粒粒徑d有關。

推導得：

假設被測顆粒形狀為球形，直徑為d，且密度ρ，則質量濃度為：

V為單個球形顆粒的體積。

從式（3）的推導過程可以看出，粉塵顆粒濃度的值取決于幾個參數：粉塵顆粒直徑d、入射光強Ⅰ0、出射光強Ⅰ、吸收層厚度L、光源的波長λ、消光系數K和折射率m等。在其他參數固定的情況下，粉塵顆粒濃度與出射光的衰減程度有一定的關系，通過監測出射光的衰減情況，就可以實現對粉塵顆粒濃度的監測。

2．2 標定方法

由于粉塵顆粒濃度與出射光的衰減程度有關系，通過標定就可以找到這個關系。首先，標定時所使用的粉塵濃度測量系統和實際測量系統需一致。其次，把標準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，利用粉塵濃度測量系統對不同顆粒濃度下的混合物進行測量，得到濃度與透過率T＝Ⅰ／Ⅰ0對應關系，重復大量測量，擬合成關系曲線。由于粉塵測量系統所使用的光電探測器是線性的，所以T＝Ⅰ／Ⅰ0＝V／V0，V 和V0是對應Ⅰ和Ⅰ0測得的電壓值，這樣就把測量得到的電壓值和粉塵濃度值一一對應［7］。

2．3 標定濃度的修正

通過上述方法，可以得到電壓值和粉塵濃度值的對應關系，但標定所使用的顆粒物質和實際被測物質是不一樣的，所以測得的這些濃度值需要修正。

根據式（3）和已知條件可知，實際的濃度和標準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K1＝ρ1／ρ來表示，ρ1是實際顆粒的密度，ρ是標準顆粒的密度；第二，消光系數影響濃度值，而消光系數又與光源的波長λ、折射率m和顆粒直徑d有關，標定波長和實際測量波長一致，不影響消光系數，被測顆粒直徑和實際被測顆粒直徑相同，也不影響消光系數，標準顆粒的折射率和實際被測顆粒的折射率不同，影響消光系數。

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

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

圖2 消光系數曲線

綜上可知，實際的濃度要在標定的濃度上進行修正，即Mv1＝K1Mv，Mv1為實際濃度，Mv為標定濃度，K1為修正系數。

3 實驗測量

往玻璃器皿里定量增加純凈水，逐漸稀釋標準顆粒物質的濃度，得到一系列的濃度值，同時也得到了一系列相對應的電壓值。表1為重復3次測量不同濃度下的電壓值，圖3～圖5為對應的曲線。

表1 粉塵濃度測量電壓值

由圖3～圖5可以看出，測得的電壓值呈近似線性變化趨勢。增加測量次數和減小質量密度間隔，得到大量數據后，通過數據擬合，得到電壓值和粉塵顆粒濃度的關系，修正后就可以使用。

圖3 測量次數1

圖4 測量次數2

圖5 測量次數3

4 結束語

在基于光透射粉塵濃度測量原理的基礎上，通過分析、比較，提出了一種較為簡單、實用和可操作性強的粉塵濃度標定方法，經過理論推導和利用計算機仿真，分析研究了相關參數對粉塵濃度測量的影響，給出了實際被測粉塵顆粒濃度與標準顆粒濃度之間的修正關系，并通過實驗測量，驗證了該標定方法的可行性，為光透射粉塵濃度測量系統的整體研制提供了重要支持。

［1］ 江曉軍．光電傳感與檢測技術［M］．北京：機械工業出版社，2011．

［2］ 潘 琦，趙延軍，湯光華，等．一種新型激光粉塵濃度在線測量儀的研究［J］．儀器儀表學報，2007，28（6）：1070-1074．

［3］ 陳萬金．光學教程［M］．長春：吉林大學出版社，2009．

［4］ 王 麗．散射式水下濁度測量方法的研究［J］．國外電子測量技術，2012，31（9）：27-29．

［5］ 周 真，黃很金，秦 勇，等．乳粉蛋白質檢測模塊的研究［J］．電子測量技術，2010，33（1）：92-95．

［6］ 王乃寧．一種簡單實用的顆粒物濃度測量檢驗方法［J］．計量學報，2003，24（1）：78-80．

［7］ 蔡周全，夏自柱，李桂云．超高濃度粉塵測量儀表標定方法的研究［J］．煤炭工程師，1998（5）：1-5．

［8］ 姬 豐，鄭 剛，屠其軍，等．基于Matlab的光散射物理量的數值計算方法［J］．光學儀器，2003，25（1）：29-32．

［9］ 張艷春，劉纏牢，趙 丁．基于米氏散射理論的粒度測試算法研究［J］．國外電子測量技術，2009，28（11）：24-26．