透射法粉尘浓度测量标定技术研究

刘小虎

（西安培华学院，陕西 西安710125）

0 引言

随着现代工业的快速发展，粉尘的产生和排放问题日益严重。粉尘排放到空气中，一方面会直接对人体的呼吸系统造成伤害，影响健康，另一方面，如果粉尘颗粒具有强氧化性，且在空气当中达到一定浓度的情况下，就会有爆炸的危险，影响到人身和财产的安全。粉尘爆炸具备的三要素是：一定的粉尘浓度、氧气的环境和火源。火源（包括摩擦火花、静电火花等）很难杜绝，另外无氧气环境也很难实现，然而对粉尘浓度的监测比较容易实现，因此，监测粉尘浓度对防止粉尘爆炸具有重要的现实意义，也是研究可燃性粉尘爆炸规律的重要参数。

目前，粉尘浓度的检测方法有很多种［1］，如超声波法、电容法、光吸收法（光透射法）、光散射法、摩擦电法、β射线法和微波法等。在这几种测量方法中，光电探测法［2］中的光透射法具有实用、简单和不干扰测量场的优点，被广泛采用，而且更适用于粉尘浓度较高的测量场。基于光透射法研制出来的粉尘浓度测量系统，对应不同的浓度会得到一系列相应的电压值，如何把这一系列的电压值精确地转换为粉尘浓度值，也就是所谓的浓度标定，是粉尘测量系统中一个重要研究部分。

1 标准量具

选取标准量具是粉尘测量系统标定的关键，理想的方法是将粉尘颗粒均匀分布在介质中。目前，为了在标定的过程中能使粉尘颗粒均匀分布在介质中，科研工作者提出了一些方法。一种是直接用空气作介质，做一个封闭且体积固定的空间，定量地向空间内吹送粉尘颗粒，使其能较均匀分布在封闭的空间里，这种方法可操作性差，而且粉尘颗粒仅靠自由扩散难以达到均匀分布，如果放置时间过长，粉尘颗粒由于重力影响会沉降，也会造成粉尘颗粒分布不均匀，另外，每次投放的粉尘颗粒的质量很难精确控制。另一种方法则是选用透光率较好，有一定粘度的树脂作介质，把粉尘颗粒均匀分布于一种选定的树脂当中，树脂凝固后就可以用于标定了，这种方法比较简单、可行。但是树脂的透光度一般介于92%～95%之间，而且固化后会有一定的体积收缩，一般在2%左右，这样会引入较大的测量误差。另外，在树脂里均匀分布粉尘颗粒，需要把粉尘颗粒在树脂里充分搅拌，对于可燃性粉尘颗粒，搅拌的过程是很危险的。

为此，选用纯净水做介质，把纯净水放置在能方便实时观测物质体积的玻璃器皿中，纯净水和玻璃的透光度远远大于树脂。另外，采用和被测物质大小、形状、体积相同的标准物质颗粒来代替被测物质，这种标准颗粒物质的密度为1．05 g／cm3，和水的密度十分接近，在水中就不会受到重力因素影响而能够保证均匀分布，且不与水发生反应。定量投放标准物质颗粒或加水进行稀释，可得到一系列浓度值的混合物。

2 标定原理及方法

2．1 光透射法粉尘测量系统的原理

由朗伯-比尔定律［3］可知，由于粉尘颗粒对光束的散射和吸收［4-5］，当一束单色光穿过粉尘颗粒区域时，出射光强会有一定的减弱。如图1所示。

图1 光束穿过粉尘颗粒介质示意

单一粒径时，出射光强Ⅰ和入射光强Ⅰ0之间的关系为：

Nv为尘粒的粒子数浓度；L为待测粉尘区厚度；K为消光系数，它与光源波长λ、折射率m和尘粒粒径d有关。

推导得：

假设被测颗粒形状为球形，直径为d，且密度ρ，则质量浓度为：

V为单个球形颗粒的体积。

从式（3）的推导过程可以看出，粉尘颗粒浓度的值取决于几个参数：粉尘颗粒直径d、入射光强Ⅰ0、出射光强Ⅰ、吸收层厚度L、光源的波长λ、消光系数K和折射率m等。在其他参数固定的情况下，粉尘颗粒浓度与出射光的衰减程度有一定的关系，通过监测出射光的衰减情况，就可以实现对粉尘颗粒浓度的监测。

2．2 标定方法

由于粉尘颗粒浓度与出射光的衰减程度有关系，通过标定就可以找到这个关系。首先，标定时所使用的粉尘浓度测量系统和实际测量系统需一致。其次，把标准颗粒在纯净水里面定量稀释［6］，得到一系列颗粒浓度值的混合物。最后，利用粉尘浓度测量系统对不同颗粒浓度下的混合物进行测量，得到浓度与透过率T＝Ⅰ／Ⅰ0对应关系，重复大量测量，拟合成关系曲线。由于粉尘测量系统所使用的光电探测器是线性的，所以T＝Ⅰ／Ⅰ0＝V／V0，V 和V0是对应Ⅰ和Ⅰ0测得的电压值，这样就把测量得到的电压值和粉尘浓度值一一对应［7］。

2．3 标定浓度的修正

通过上述方法，可以得到电压值和粉尘浓度值的对应关系，但标定所使用的颗粒物质和实际被测物质是不一样的，所以测得的这些浓度值需要修正。

根据式（3）和已知条件可知，实际的浓度和标准颗粒的浓度之间存在着一定的差异。第一，密度参量是需要修正的，这里用修正系数K1＝ρ1／ρ来表示，ρ1是实际颗粒的密度，ρ是标准颗粒的密度；第二，消光系数影响浓度值，而消光系数又与光源的波长λ、折射率m和颗粒直径d有关，标定波长和实际测量波长一致，不影响消光系数，被测颗粒直径和实际被测颗粒直径相同，也不影响消光系数，标准颗粒的折射率和实际被测颗粒的折射率不同，影响消光系数。

利用计算机仿真，给出了不同折射率下，随着颗粒粒径参数的变化，消光系数的变化曲线［8-9］，如图2所示。

在已知光源波长时，粒径的增大，会引起颗粒粒径参数α＝πd／λ的增大。由图2可以看出，不同的折射率m值下，消光系数最终趋于2附近。实际测量中，粒径是比较大的，就本课题实际测量的颗粒直径为10μm，当λ＝0．65μm时，α≈50，消光系数K基本趋于常数。由此可以看出，折射率m的大小已经基本不能对消光系数有太大的影响。

图2 消光系数曲线

综上可知，实际的浓度要在标定的浓度上进行修正，即Mv1＝K1Mv，Mv1为实际浓度，Mv为标定浓度，K1为修正系数。

3 实验测量

往玻璃器皿里定量增加纯净水，逐渐稀释标准颗粒物质的浓度，得到一系列的浓度值，同时也得到了一系列相对应的电压值。表1为重复3次测量不同浓度下的电压值，图3～图5为对应的曲线。

表1 粉尘浓度测量电压值

由图3～图5可以看出，测得的电压值呈近似线性变化趋势。增加测量次数和减小质量密度间隔，得到大量数据后，通过数据拟合，得到电压值和粉尘颗粒浓度的关系，修正后就可以使用。

图3 测量次数1

图4 测量次数2

图5 测量次数3

4 结束语

在基于光透射粉尘浓度测量原理的基础上，通过分析、比较，提出了一种较为简单、实用和可操作性强的粉尘浓度标定方法，经过理论推导和利用计算机仿真，分析研究了相关参数对粉尘浓度测量的影响，给出了实际被测粉尘颗粒浓度与标准颗粒浓度之间的修正关系，并通过实验测量，验证了该标定方法的可行性，为光透射粉尘浓度测量系统的整体研制提供了重要支持。

［1］ 江晓军．光电传感与检测技术［M］．北京：机械工业出版社，2011．

［2］ 潘 琦，赵延军，汤光华，等．一种新型激光粉尘浓度在线测量仪的研究［J］．仪器仪表学报，2007，28（6）：1070-1074．

［3］ 陈万金．光学教程［M］．长春：吉林大学出版社，2009．

［4］ 王 丽．散射式水下浊度测量方法的研究［J］．国外电子测量技术，2012，31（9）：27-29．

［5］ 周 真，黄很金，秦 勇，等．乳粉蛋白质检测模块的研究［J］．电子测量技术，2010，33（1）：92-95．

［6］ 王乃宁．一种简单实用的颗粒物浓度测量检验方法［J］．计量学报，2003，24（1）：78-80．

［7］ 蔡周全，夏自柱，李桂云．超高浓度粉尘测量仪表标定方法的研究［J］．煤炭工程师，1998（5）：1-5．

［8］ 姬 丰，郑 刚，屠其军，等．基于Matlab的光散射物理量的数值计算方法［J］．光学仪器，2003，25（1）：29-32．

［9］ 张艳春，刘缠牢，赵 丁．基于米氏散射理论的粒度测试算法研究［J］．国外电子测量技术，2009，28（11）：24-26．