個體呼吸性粉塵質量濃度監測儀的設計研究

張 強

中煤科工集團重慶研究院有限公司 重慶 400037

粉塵是作業場所的主要災害之一，長期吸入粉塵可引發嚴重的塵肺病，給作業人員身體健康帶來嚴重的影響。目前主要通過安裝粉塵質量濃度傳感器對作業場所進行定點監測，對作業人員呼入呼吸性粉塵的質量濃度主要通過個體采樣方式實現，無法對作業人員直接吸入的呼吸性粉塵質量濃度進行實時監測[1-3]。因此筆者研究了針對作業人員個體呼吸性粉塵質量濃度實時監測技術，實現了作業人員接觸呼吸性粉塵質量濃度的實時監測，為粉塵職業危害研究提供了有力的數據支撐。

1 工作原理

個體呼吸性粉塵質量濃度監測技術原理如圖1 所示。含塵氣流通過抽氣泵的作用，經過呼吸性粉塵分離器分離后，再送入光學檢測單元，采用 MIE 氏散射原理進行呼吸性粉塵質量濃度的檢測。為了保證抽氣流量的穩定，通過對抽氣管路抽氣流量的實時監測和抽氣泵的控制來實現抽氣流量的閉環控制。

圖1 個體呼吸性粉塵質量濃度監測技術原理Fig.1 Principle of individual respirable dust mass concentration monitoring technology

2 質量濃度監測儀設計研究

2.1 呼吸塵連續分離器

呼吸塵連續分離器采用旋風分離原理，需要滿足 BMRC 曲線的要求。首先初步設計分離器各結構尺寸，再依據響應曲面法給出需要進行流場模擬的計算工況，接著對推薦工況進行流場模擬，計算各工況分離效率，最后基于響應曲面法擬合分離效能公式，得出分離器的最佳尺寸。

依據平衡軌道模型，根據 BMRC 曲線分離標準，建立分離器三維模型，使用 Gambit 對分離管進行網格劃分，如圖2 所示。

圖2 分離器網格劃分Fig.2 Grid division of separator

選用相應軟件對設計的呼吸性粉塵旋風分離器的內部流場進行數值模擬。為了有效地進行仿真，使用離散相模型，在動量方程中忽略粉塵顆粒間的互相碰撞帶來的影響。呼吸性粉塵旋風分離器由于應用時采樣流量較小，內部氣體運動速度較小，因此采用雷諾應力模型對呼吸性粉塵旋風分離器氣相流場進行數值模擬分析，同時分析結構參數變化對其分布的影響[4-5]。

在FLUENT 中對不同結構旋風分離器的捕集效率進行了模擬仿真，如圖3 所示，根據響應曲面法確定旋風分離器的有效尺寸。

圖3 分離器內部顆粒軌跡分布Fig.3 Particle trajectory distribution inside separator

2.2 呼吸塵檢測單元

對呼吸性粉塵質量濃度的檢測主要根據 MIE 散射原理，通過研究光學檢測的光路結構、布局，配合入射光源和光電檢測器地選擇，獲得最靈敏的粉塵散射光強與粉塵質量濃度響應曲線。

呼吸性粉塵光學檢測單元如圖4 所示，主要包括激光光源、光學透鏡組、凹面聚光鏡、光電傳感器和光陷阱，整個單元封裝在一個遮光的腔體內。激光光源可以發射固定波長的單色激光，光學透鏡組使得激光聚集成平行的激光束，凹面聚光鏡用于收集激光經過被測粉塵后的散射光，光電傳感器用于檢測激光經過被測粉塵后的散射光強，光陷阱用于吸收通過被測粉塵的入射光[6-7]。

圖4 光學檢測單元Fig.4 Optical detection unit

為了防止光學檢測單元被粉塵污染，在光學檢測單元采用抗污染設計：①檢測單元內部采用涂層方式，防塵粉塵粘連；② 檢測單元的進氣口采用錐形結構，減小粉塵在檢測單元內部的擴散量；③在凹面聚光鏡表面鍍金，防止粉塵粘連；④ 檢測單元內部設計反吹結構，將擴散至檢測單元內部的粉塵從出氣口排出。

2.3 抽氣流量控制系統

采用旋風分離器對呼吸性粉塵進行分離。由于旋風分離器要求抽氣流量在 2 L/Min，因此筆者采用孔板流量計進行抽氣流量的監測，再采用經典的 PID 控制技術實現抽氣流量的恒定控制[8]。抽氣流量恒定控制結構如圖5 所示。當監測的流量低于設定值時，系統自動調高抽氣泵的轉速，從而增大整個氣路的抽氣流量；當監測的流量高于設定值時，系統自動降低抽氣泵的轉速，從而減小整個氣路的抽氣流量。在系統設計時，設置超限值回差機制，從而避免流量在設定值附近反復動作。通過以上 PID 控制技術地自動調節，使得流量始終穩定在設定值附近，從而保證抽氣流量的恒定。

圖5 抽氣流量恒定控制結構Fig.5 Pumping flow constant control structure

2.4 硬件設計

個體呼吸性粉塵質量濃度監測儀的硬件結構如圖6 所示。

圖6 監測儀硬件結構Fig.6 Hardware structure of monitor

(1) 激光器驅動電路 選用 670 nm 的紅外激光二極管作為光學發生器件，通過激光驅動電路驅動激光二極管產生激光。

(2) 光學檢測電路 由于呼吸性粉塵粒徑小，質量濃度低，受光照射時，散射光強度極弱，通過精密光學檢測單元的收集后，照射到光電轉換器件上產生的電流為 nA 級，在檢測時很容易被噪聲信號干擾。為了能準確地檢測出這些信號，要求放大電路具有高增益、低噪聲、低溫漂、高輸入阻抗、低偏置電流的特點，且還應具有足夠的信號帶寬和負載能力，以及良好的線性和抗干擾能力。

(3) 流量檢測電路 采用安費諾的 NPA 系列差壓傳感器檢測氣路的壓力差，從而進行流量的檢測。

(4) 數據通信電路 采用 CH341T 型 USB 轉串口專用芯片設計數據通信電路，利用 ARM 芯片的串口通信功能發送數據至 USB 接口，最終實現監測儀存儲數據的上傳。

(5) MCU 監測儀中使用工業級的 STM32L 系列核心控制芯片。STM32L 系列是具有超低功耗的 M3 芯片，且各個外部設備都應有自己的獨立時鐘開關，可以通過關閉相應的時鐘來降低功耗，滿足個體監測儀器的應用[9]。

2.5 軟件設計

監測儀的軟件設計如圖7 所示。首先儀器開機之后，整個系統初始化，各種參數自動配置，然后分析觸摸事件。緊接著可進行 3 個方面的動作：①進行參數設置，并將獲得設置的參數存入儀器中；② 啟動儀器進行測試，并將測試結果輸出顯示；③可進行數據記錄查詢，使其能進行數據通信。

圖7 監測儀的軟件設計Fig.7 Software design of monitor

3 精度驗證

為了驗證個體呼吸性粉塵質量濃度監測儀器的測量精度，在實驗室粉塵風硐中，用呼吸性粉塵采樣器和個體監測儀平行采樣進行精度驗證試驗。呼吸性粉塵采樣器的采樣流量為 2 L/min，相對誤差為±2.5%，采樣流量穩定性為±3%，采樣準確率為±5%。個體監測儀采樣流量為 2 L/min，相對誤差為±2.5%，采樣流量穩定性為±3%，測量誤差為±10%。監測儀測量精度試驗數據如表1 所列。與采樣器檢測數據相比，監測儀最大的檢測誤差為 9.77%。

表1 監測儀測量精度試驗數據Tab.1 Test data of measurement accuracy of monitor

4 結語

采用 MIE 散射原理設計了個體呼吸性粉塵質量濃度監測儀，通過闡述呼吸性粉塵分離器的仿真過程以及光學檢測單元和流量控制系統的設計原理，重點介紹了監測儀的硬件組成部分和軟件框架。通過對比試驗，驗證了個體呼吸性粉塵質量濃度監測儀可以檢測 0～200 mg/m3的呼吸性粉塵，分辨率達到 0.01 mg/m3，最大檢測誤差為 9.77%。