基于光散射法粉尘个体监测仪研制*

2021-07-12付士根

中国安全生产科学技术 2021年6期

付士根，亢永，王庆

(1.中国安全生产科学研究院，北京 100012；2.北京石油化工学院安全工程学院，北京 102617)

0 引言

矿山在采掘、运输等生产过程中均会产生大量的粉尘，严重威胁井下作业职工的身体健康，据统计，自2010年以来我国每年因粉尘引发的尘肺病病例均突破2万[1]。为有效预防尘肺病的发生，控制呼吸性粉尘浓度是预防尘肺病发生的主要手段，准确测定作业工人的吸入粉尘量是实现尘肺预警的必要途径[2-3]。目前在测尘技术设备的研发方面，国内外使用的测尘仪表主要有粉尘采样器、测尘仪及粉尘浓度传感器[4-8]3类。现有粉尘测试方法存在着不能连续监测、频繁更换滤膜等问题[9-10]，如β射线法需要频繁更换滤膜，其功耗大且所用纸带因空气潮湿而易断裂等特点，使β射线法不适用于煤矿井下；国内使用的粉尘测试仪不同程度上实现了煤矿全尘采样或区域性的呼吸性粉尘监测，但不能实现矿山井下作业职工的个体呼尘浓度监测[11-12]；国外的个体呼吸性粉尘监测仪(如基于微量振荡天平法监测仪PDM300)切割器内置，国内无类似切割器，同时受空气湿度影响大，需频繁更换滤膜，不利于呼尘浓度个体监测仪在矿山企业的应用推广，同时我国在呼尘浓度个体监测仪方面研究较少。因此，有必要研制符合我国矿山井下作业环境且价格便宜的个体呼尘浓度监测仪。

本文基于光散射原理，试制以红外线发光二极管作为光源的呼吸性粉尘浓度个体监测仪。在0～300 mg/m3测量范围内，该仪器输出电压值和粉尘浓度之间具有较好的线性函数关系，并将研制的粉尘监测仪测试结果与现有仪器测量结果进行对比分析，结果表明研制的粉尘监测仪满足粉尘检定规程有关要求。

1 光散射法测尘原理

光散射原理是在光传播过程中，受粉尘介质影响而改变了光的传播方向。当光源发出光线后，由于光敏感区粉尘的作用，散射到各个方向的光由球面聚光镜尽可能的收集后又传播到光接收器，接收器将接收的光强转换成电信号；再根据不同粉尘浓度转变为不同的光或电信号[13-14]。

本文采用MIE光散射方法，试制以红外线发光二极管作为光源的呼吸性粉尘浓度个体监测仪。由于散射光强与粉尘质量浓度具有一定的比例关系，因此可通过试验确定散射光强与粉尘质量浓度的关系，并通过校准后利用光强大小计算得到粉尘质量浓度。假设在原点O处有单个近似球形的粉尘颗粒，其直径为d，μm；受到波长为λ(单位nm)、强度为I0(单位cd)的单色入射光照射后，将在空间任意方向发出散射光，MIE光散射原理如图1所示。其中，P为接收点，散射点与接收点P之间的距离为r，mm；r和z轴组成的平面为散射面，并与光轴成散射角θ，(°)。

图1 MIE光散射原理

在强度为I0的光照射下，P点的散射光强度由式(1)计算：

I(θ)=I0F(θ,Φ)/(k2r2)

(1)

式中：F为幅值函数；Φ为方位角，(°)。

当粉尘浓度为c、体积为V的粉尘散射系统受到光源的照射时，根据单个散射粒子的叠加性机理，粉尘颗粒群的散射光强度计算如式(2)所示：

(2)

式中：c为粉尘浓度，μg/m3；V为体积，μm3。

由式(2)可以得到粉尘浓度计算，如式(3)所示：

(3)

因此，通过比较照射粉尘前后的光强值，由式(3)可以获得粉尘质量浓度值。

由式(1)～(3)可知，在颗粒性质一定的条件下，可利用散射光强与粉尘质量浓度具有的比例关系，并通过试验确定散射光强与粉尘质量浓度的关系。

2 个体呼尘监测仪试验研制

2.1 个体呼尘监测仪试验装置

依据光散射基础理论，采用中国安全生产科学研究院自制的用于采集散射光强度大小的试验装置[15]分析呼吸性粉尘浓度个体监测仪的实用性，进行试验。粉尘监测仪结构如图2所示。由图2可知，其由气路部分、光路部分以及电路部分组成。气路部分由分离器、光学腔、流量检测传感器(控制小流量粉尘不大于2 L/min)及气泵组成；光路部分主要在光学腔内实现，由发光二极管、透镜、光敏二极管等元件组成；电路部分主要实现气路、光路控制、信号采集，主要包括电机驱动、信号放大、单片机模数转换器(ADC)和数模转换器(DAC)等部分。

图2 粉尘监测仪结构

2.2 光路控制

基于MIE光散射原理，根据图2所示的粉尘监测仪结构简图可知，当光学腔内流经粉尘气流流速一定时，只要测得在一定的照射光强下散射光强度与气体粉尘浓度的对应关系，便可根据散射光强度推算出气体粉尘浓度。

由于红外光发光二极管具有发光效率高、便于调制的特点，实验选用型号为SE5470的红外光线二极管作为光源，其发射的光波波长为880 nm，辐射照度为3.5 mW/cm2。同时利用硅光电二极管ODD-1W检测入射光强的稳定性。试验时采用单片机控制发光二极管正向导通电流，控制二极管导通电流的电压控制电流电路如图3所示。其中，Ui为电压，V；R1,R2为电阻，Ω；C1为电容，F。图3中R1两边的电压与Ui相等，R2起限流作用，避免上电瞬间流过Q1的电流太大。

图3 发光二极管控制电路

发光二极管发出的光照射在流经光学腔中的粉尘气流后，产生的散射光经过光电转换电信号，经模数转换器和数模转换器处理后，显示出测量值。

2.3 气路控制

为使通过光学腔的含尘气流流速稳定，设计使用流量计实时采集气流流速并反馈控制气泵供电电压，确保散射光强和粉尘浓度具有固定的对应关系。

设计选用压差式流量计作为气体流速检测装置，此装置设计小巧，特别适用于便携式设计。压力差传感器选用Honeywell的SDX IND微型压力差传感器，测量范围达到10 mm水柱。进气泵选用德国FUERGUT DC06 21FK旋转叶片式泵，此泵寿命长达10 000 h。

3 个体呼尘监测仪可行性试验

3.1 简易试验装置

为验证个体粉尘监测仪的合理性和可行性，以及电路选择的可靠性和适用性，将个体监测仪和比对仪器TSI8534共同放置在自制的简易粉尘试验装置中，如图4所示。

1-研制仪器；2-粉尘质量浓度测量室；3-粉尘滤芯；4-对比粉尘监测仪；5-循环风机；6-粉尘发生室；7-粉尘滤网；8-粉尘导入风机

试验装置主要由以下3部分构成：

1)简易尘室。其搭建材料为有机玻璃，尘室容积为0.25 m3，密封性良好。尘室内部装有2台小型鼓风机，主要用于将尘室内的粉尘吹扬在整个空间内。尘室中另有温湿度监测仪，实时测量箱体内的温度。

2)空气净化装置。其在尘室两端设有可通风圆孔，通过管道连接可调速鼓风机，在尘室两端风口处装有过滤网，用于试验前过滤空气，以制造洁净空气环境。在尘室正式试验时，可将圆孔封闭从而实现环境的密封，也可以在试验过程中启动净化装置调节尘室粉尘浓度。

3)粉尘发生室。其可发生一定量粉尘，通过筛网筛选特定粒径粉尘，经粉尘导入风机将一定浓度粉尘吹入尘室。

3.2 粉尘监测仪试验结果分析

采用草香、烟饼等物品点燃发烟试验，产生的粉尘或煤尘经滤网过滤后得到粒径不大于5 μm的粉尘颗粒，经由气泵吸入粉尘试验装置内。经过试验，草香燃烧后可以得到300 mg/m3的高粉尘浓度，且其颗粒物粒径较低，产生的粉尘气流化学成分单一，可保证试验数据的可靠性和良好效果。

利用实时记录的测量数据，得到如图5所示的粉尘监测仪采集电压与粉尘浓度关系。由图5可知，采集电压与粉尘浓度在高浓度下具有较好的线性关系。

图5 输出电压和粉尘质量浓度关系

由于样机采集电压和粉尘浓度之间是线性关系，因此，按照一定的浓度差，选择10个样本点对样机进行线性校准。校准后的计算测量误差见表1。

表1 粉尘浓度测量仪表-样机误差

由表1可知，最大测量绝对误差为-238.3 μg/m3，是浓度为266 871.9 μg/m3时的误差；相对测量误差最大为1.59%，满足粉尘检定文献[16]要求。

3.3 试验结果误差分析

从光散射的测尘原理可知，通过检测照射前后的光强比值，经过换算可以得到粉尘浓度。

文献[8，17]分析了粉尘浓度光散射测量的影响因素包括散射角、粉尘粒径、环境温度、湿度和风速等。其中散射角是影响散射光强的主要因素之一；单个粉尘粒子的散射光强与颗粒粒径成正比关系，粉尘颗粒流中的粒径越大，灵敏度越小，测量的粉尘浓度值越低；若湿度大于 60%，光散射监测仪测量结果也会出现明显的影响，温度和风速的影响较小。

根据误差原因分析，本文试验数据误差可能来源于水雾、粉尘的粒径等因素的影响。新型呼吸性测尘仪器的研制有利于提高粉尘的监测效率，对粉尘危害控制与治理具有重要意义，由于目前新型个体监测仪还处于在实验室测试阶段，还需要在矿山井下环境进行实际测量应用，以便进一步优化设计，提高产品性能，减小仪器本身重量(目前重量约1.5 kg)。