光散射法粉尘浓度检测的探讨

曾世清，范锋锋，龚本龙（苏州工业园区鸿基洁净科技有限公司，江苏苏州215022）

光散射法粉尘浓度检测的探讨

曾世清，范锋锋，龚本龙（苏州工业园区鸿基洁净科技有限公司，江苏苏州215022）

本文简单介绍了光散射粉尘检测的原理，提出了光散射法在不同粉尘浓度环境下的检测方法。

粉尘浓度检测；光散射；散射光能量；入射光能量；颗粒数浓度；体积浓度；质量浓度

1 概述

粉尘颗粒的范围很广泛，颗粒大小从纳米级到数千微米范围，它们对环境污染、能源消耗、人类健康、产品质量、生物生长、疾病防控、气候变化等都有很重大影响。对粉尘颗粒大小、数量或浓度的测量在国民活动中具有非常重要的意义，也是需要得到广泛推广、运用和优化的技术。

2 光散射法粉尘颗粒检测原理

粉尘颗粒检测方法有多种：称重法，光闪射法，β射线法，微量振荡天平法，等等。这几种方法中，光散射法具有检测速度快速、重复性好、数据处理及时等优势，在粉尘浓度检测中得到广泛运用。

光散射是指光线通过不均匀的介质而偏离其原来的传播方向并散开到所有方向的现象。

粉尘颗粒通过光照射时会产生散射光，颗粒大时散射光信号强，散射光光强与颗粒粒径成正比。当光波在悬浮有颗粒的空气中穿过时，会有折射和吸收等特性而出现能量耗散，光强而达到衰减。可用BLBL定律描述：

这里：τ称为介质的浊度，l是光波通过介质的距离。T=τ·l称为光波传播方向的光学厚度。

光散射的规律比较复杂，当光学厚度T<0.1时，颗粒之间的距离足够大，以至于一个颗粒的散射不会因为其他颗粒的存在而受到影响，单散射占绝对优势；当光学厚度T>0.3时，复散射起绝对作用；当0.3>T>0.1时，可按单散射处理，但需适当修正。为了更准确的检测空气中悬浮颗粒的浓度，光学厚度T尽量缩小。

一个颗粒单位时间内散射的全部光能量Esca等于入射光单位时间内投射到该颗粒散射截面上的能量。

这里：Csca散射截面，Esca散射光能量，I0入射光强，Sp光传播方向的投影面积。

一个颗粒单位时间内散射的全部光能量与投射到该颗粒全部光能量之比为散射系数：

一个颗粒单位时间内从原始的入射光中消除的总能量为：

消光系数为：

单位体积内的总颗粒数：

颗粒浊度：

3 不同环境状态下的粉尘浓度检测方法

根据以上光散射粉尘浓度检测原理，不同的粉尘浓度的光学特性不同，所以检测方法不一样。

3.1 低浓度粉尘颗粒检测

在洁净空气中，悬浮的颗粒浓度较低，当光线照射到采样的流动空气时，悬浮的颗粒会鱼贯穿过设计为较窄小的光线，光电传感器检测到每个颗粒的光能量Esca并将光能转化为电信号，根据式（2），电信号的强度与颗粒大小Csca散射截面成正比，电信号的数量即是颗粒数量，按式（6）可计算出颗粒数浓度。

在洁净的空气环境中，因单个颗粒的Eext非常小，消光系数Kext非常小，所以，颗粒浊度τ非常小，在洁净环境中不宜采用颗粒浊度τ来评价环境。只能以颗粒大小和数量来衡量环境状态。这种检测仪器一般采用尘埃粒子计数器来检测空气环境中悬浮颗粒的大小和数量。

3.2 高浓度多分散粉尘颗粒检测

在较高粉尘浓度的空气中，因悬浮的颗粒间距很小，有的甚至为重叠，光学厚度T>0.1，在光照射下颗粒会出现复散射，这种环境检测颗粒直径和颗粒数误差很大，只能检测环境颗粒的浊度τ。

当光线照射到采样的流动空气时，悬浮的颗粒会一批一批的穿过设计为较窄小的光线，光电传感器检测到的是颗粒群的光能量Esca并将光能转化为电信号，根据式（4），电信号的强度与颗粒群的消光能力Cext消光截面成正比，电信号的量即是颗粒的总浊度τ，按式（7）可计算出颗粒浊度。

在浓度检测时，尽量合理设计光通过介质的距离，尽量减小光学厚度T，通过校准可很准确检测出体积浓度。这种环境一般采用粉尘检测仪来检测环境的单位体积内粉尘的体积（ml/m3）或单位体积内粉尘的质量（mg/m3）。

如果在空气环境颗粒较高浓度的情况下必须检测颗粒大小和颗粒数时，可采用洁净空气稀释办法，将颗粒浓度高的空气按流量比例稀释为含尘浓度较低的空气，采用尘埃粒子计数器检测颗粒大小和数量，将检测结果再乘以稀释比，就可还原为较高环境的颗粒粒径和数量。这种检测方法因被检测的空气经过的环节较多，误差会较大。

4 结论

（1）对于洁净环境，粉尘浓度较低，一般采用尘埃粒子计数器来检测环境的悬浮颗粒大小和数量。

（2）对于较高浓度粉尘环境，一般采用粉尘检测仪来检测空气环境的粉尘体积浓度或质量浓度。也可采用稀释器的办法将被测空气稀释后检测颗粒大小和数量。

[1]陈戈珩，刘小贝.光散射法低功耗粉尘检测系统.长春工业大学学报：自然科学版，2016，37（3）：246～251.

[2]胡 澄，邹丽新，季晶晶，黄惠杰.基于光散射的粉尘浓度测量的研究.洁净与空调技术，2003.

[3]蔡小舒，苏明旭，沈建琪.颗粒粒度测量技术及应用.化学工业出版社，2010，8.

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2095-2066（2016）32-0003-01

2016-11-1