高 山，葛 良，曹洪伯，張 東，宋春祥，曹 磊，姚澤恩

(1.蘭州大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730000；2.霸州市地海云天環(huán)?？萍加邢薰?，廊坊 065700；3.北京市化工職業(yè)病防治院，北京 100093)

環(huán)境保護(hù)是現(xiàn)代工業(yè)化健康、高速發(fā)展的重要內(nèi)容。鑒于我國(guó)大氣污染防治的嚴(yán)峻形勢(shì)，環(huán)境排放標(biāo)準(zhǔn)愈加嚴(yán)格，對(duì)儀器設(shè)備和監(jiān)測(cè)方法提出了更高要求。如何實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)、連續(xù)測(cè)量及科學(xué)分析，成為現(xiàn)代粉塵監(jiān)測(cè)技術(shù)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。目前，固定污染源重要來源之一的管道煙塵，其濃度監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展較為成熟的方法包括：濾膜稱重法、光散射和光吸收法、震蕩天平法等[1]。管道中氣流速率與煙塵濃度處于不斷變化過程，濾膜稱重法為達(dá)到等速采樣的要求，需通過調(diào)節(jié)抽氣泵控制采樣流量，存在嚴(yán)重的滯后效應(yīng)，樣品需在特定實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析處理；同時(shí)，測(cè)量結(jié)果是時(shí)間累積后的平均值，無法完成現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)、連續(xù)監(jiān)測(cè)要求，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用受到方法原理的限制。光散射和光吸收法、振蕩天平法簡(jiǎn)單易行，也可實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)測(cè)量，但測(cè)量結(jié)果受顆粒物形狀、粒徑、材質(zhì)等因素影響較大，測(cè)量可靠性較差。針對(duì)現(xiàn)有粉塵實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)的主要缺陷，本研究借鑒氣體電離室和離子收集檢測(cè)器的基本原理[2]，研究設(shè)計(jì)了一種基于β粒子源的被動(dòng)空腔式粉塵傳感器，初步探索將β粒子源用于無動(dòng)力粉塵傳感器的可行性。

1 基本原理

圖1 傳感器結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of the sensor

傳感器結(jié)構(gòu)示于圖1，β源與收集極(陽極)之間的空間稱為測(cè)量腔，對(duì)測(cè)量腔空間加載負(fù)電壓(極化電壓)。β源因放射性衰變不斷發(fā)射具有一定動(dòng)能的電子，電子向收集極運(yùn)動(dòng)過程中與測(cè)量腔內(nèi)的介質(zhì)(主要為空氣)原子發(fā)生相互作用(電離和激發(fā)、軔致輻射、彈性散射等)，由于電子具有的動(dòng)能遠(yuǎn)大于電離空氣所需要的能量，因此在測(cè)量腔內(nèi)產(chǎn)生大量的正、負(fù)離子。電子受腔內(nèi)電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)向收集極漂移并被接收，正離子則向反向運(yùn)動(dòng)。電極上的感生電荷隨負(fù)離子和正離子的漂移而變化，在輸出回路中形成電流[3]。當(dāng)進(jìn)入傳感器的氣流中含有粉塵等物質(zhì)時(shí)，腔內(nèi)的部分離子將“吸附”于粉塵[4]，測(cè)定離子流變化特征與待測(cè)量等的定量關(guān)系可反映粉塵濃度的變化。

2 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括利用流場(chǎng)模擬優(yōu)化傳感器結(jié)構(gòu)(主要為進(jìn)氣口特征)，并通過實(shí)驗(yàn)優(yōu)化選擇放射源活度、源-收集極間距、極化電壓。在給定的傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)以及外界環(huán)境條件下，測(cè)量腔內(nèi)離子流的密度是恒值，即可認(rèn)為傳感器具有穩(wěn)定離子流(本底信號(hào))，對(duì)應(yīng)其為信號(hào)輸出量。

傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直接影響含塵氣流在其內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，傳感器軸向與氣流方向一致時(shí)，進(jìn)入傳感器的氣流速率與測(cè)試點(diǎn)的氣流速率相等，符合煙塵采樣器的等速原理[5]。根據(jù)不可壓縮流的連續(xù)性方程可知，不同進(jìn)氣口大小對(duì)應(yīng)的傳感器內(nèi)氣體流速不同[6]。傳感器的進(jìn)氣口擴(kuò)張段特征直接影響傳感器內(nèi)部流場(chǎng)的穩(wěn)定性，傳感器內(nèi)粉塵的運(yùn)動(dòng)軌跡取決于氣相流場(chǎng)特性，穩(wěn)定傳感器內(nèi)部流場(chǎng)有利于減小輸出信號(hào)的波動(dòng)。

源-收集極間距與采用的放射源種類、傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有關(guān)。通常情況下，α粒子在介質(zhì)中射程極短，不利于傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，γ射線穿透能力太強(qiáng)，不利于防護(hù)，宜優(yōu)先選用β粒子。加載極化電壓使測(cè)量腔內(nèi)形成穩(wěn)定定向電場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)正、負(fù)離子被電極收集。當(dāng)極化電壓較小時(shí)，正、負(fù)離子的漂移速度較小，擴(kuò)散和復(fù)合效應(yīng)起主要作用，電極上收集到的離子數(shù)量也較少，本底信號(hào)較小。另一方面，較低能量的電子“吸附”幾率較大，無電場(chǎng)時(shí)自由電子的能量最低，電子“吸附”幾率最高。因此應(yīng)綜合各因素的影響優(yōu)化選擇極化電壓。

3 傳感器內(nèi)部流場(chǎng)模擬

傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直接影響含塵氣流在傳感器內(nèi)部的流動(dòng)狀態(tài)。紊亂的氣流將導(dǎo)致顆粒物在傳感器內(nèi)部雜亂運(yùn)動(dòng)與滯留，加劇輸出信號(hào)的統(tǒng)計(jì)漲落。針對(duì)傳感器的平板型結(jié)構(gòu)，利用軟件ANSYS fluent15.0模擬氣流在傳感器內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)，根據(jù)模擬結(jié)果優(yōu)化傳感器結(jié)構(gòu)，改善其內(nèi)部流場(chǎng)。

3.1 三維模型與求解參數(shù)

傳感器的內(nèi)流計(jì)算域示于圖2。結(jié)合數(shù)學(xué)模型以及fluent數(shù)值模擬方法[7-8]，對(duì)數(shù)學(xué)模型及邊界條件參數(shù)設(shè)定列于表1。

圖2 傳感器的內(nèi)流計(jì)算域Fig.2 The internal flow field of the sensor

邊界條件參數(shù)設(shè)定求解器分離式求解器湍流模型k-ε兩方程模型入口邊界類型速度入口入口速度/(m·s-1)3/8水力直徑/m0.008湍流強(qiáng)度5.2%出口邊界類型自由出口

圖3 傳感器內(nèi)部流場(chǎng)Fig.3 The air flow inside the sensor

3.2 模擬結(jié)果與分析

傳感器內(nèi)部流場(chǎng)模擬結(jié)果示于圖3。由圖3結(jié)果可知，氣流經(jīng)過進(jìn)氣口擴(kuò)張段后出現(xiàn)回流、二次環(huán)流。由于傳感器進(jìn)氣口擴(kuò)張段為直線擴(kuò)張且擴(kuò)張角較大，氣流在擴(kuò)張段發(fā)生壁面邊界層轉(zhuǎn)捩與分離，產(chǎn)生大尺度二次流，造成傳感器內(nèi)流場(chǎng)不穩(wěn)定。因此，傳感器進(jìn)氣口擴(kuò)張段應(yīng)采用平緩圓滑擴(kuò)張曲線且擴(kuò)張角<15°，將有利于傳感器內(nèi)流場(chǎng)穩(wěn)定。將傳感器進(jìn)氣口擴(kuò)張段變?yōu)閳A滑擴(kuò)張曲線且擴(kuò)張角為12°，并將中部平板段及出氣口收縮段進(jìn)行圓滑處理，模擬結(jié)果示于圖4。由圖4結(jié)果可知，傳感器的結(jié)構(gòu)經(jīng)過優(yōu)化后，其內(nèi)部流場(chǎng)趨于穩(wěn)定。

圖4 改善后的流場(chǎng)Fig.4 The improved air flow inside the sensor

4 實(shí)驗(yàn)研究

4.1 影響因素研究

4.1.1放射源活度、源-收集極間距

在靜態(tài)無風(fēng)、不同β源活度(源直徑：Φ16 mm、Φ8 mm)、不同源-收集極間距(1.5 cm、2 cm、2.5 cm)條件下，觀察輸出電壓信號(hào)隨極化電壓的變化情況，優(yōu)化選擇放射源活度、源-收集極間距。其中，β源選取圓板型Ni-63源(β射線最大能量為65.87 keV)，活度為8.88×107Bq、直徑為16 mm，在β源上覆蓋活度控制片可將β源有效直徑減小為8 mm，如圖1所示。在β源一側(cè)加載負(fù)的直流極化電壓，陽極輸出電流經(jīng)過2×109Ω的高電阻后轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。收集極采用20 mm×20 mm金屬片。

4.1.2進(jìn)氣口大小

使用自制直立式低速環(huán)形風(fēng)洞改變風(fēng)洞內(nèi)風(fēng)速，研究不同風(fēng)速、不同進(jìn)氣口大小(圓形進(jìn)氣口直徑：Φ15 mm、Φ8 mm)對(duì)傳感器輸出信號(hào)的影響，優(yōu)化選擇傳感器的進(jìn)氣口大小。風(fēng)洞內(nèi)測(cè)試點(diǎn)處溫度為34～38 ℃、含濕量為1%～2%、風(fēng)速調(diào)節(jié)范圍為5～15 m/s，距測(cè)試點(diǎn)5 cm的截面圓內(nèi)風(fēng)速偏差≤0.5 m/s。

4.1.3溫度、濕度

將優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)(放射源活度、源-收集極間距、進(jìn)氣口大小、進(jìn)氣口擴(kuò)張曲線)后的傳感器分別置于自制溫度調(diào)節(jié)箱(溫度：34～233 ℃)與濕度調(diào)節(jié)箱(含濕量：6.52%～10.65%)，研究靜態(tài)無塵條件下，溫度和濕度對(duì)傳感器輸出信號(hào)的影響。

4.1.4粉塵濃度

使用高精度發(fā)塵器在風(fēng)洞中加入不同濃度的粉塵(飛灰，主要成分為SiO2)，觀察傳感器輸出信號(hào)隨粉塵濃度的變化情況。風(fēng)洞內(nèi)測(cè)試點(diǎn)處溫度為30～33 ℃、含濕量為1%～2%、風(fēng)速為(9.7±0.2) m/s。為方便記錄傳感器輸出信號(hào)的變化情況，將傳感器的輸出電壓進(jìn)行負(fù)反饋A/D轉(zhuǎn)換為濃度示值，即輸出電壓降低時(shí)，濃度示值升高。利用濾膜/濾筒稱重法測(cè)量風(fēng)洞中的粉塵濃度。首次加入粉塵后，調(diào)整信號(hào)輸出電路，使傳感器濃度示值與稱重法得到的濃度值一致，即進(jìn)行濃度示值的基點(diǎn)校準(zhǔn)。在每次濾膜采樣時(shí)記錄傳感器的輸出電壓與濃度示值。

4.2 結(jié)果與討論

4.2.1放射源活度、源-收集極間距

圖5 不同源活度、源-收集極間距時(shí)輸出電壓與極化電壓關(guān)系曲線Fig.5 The relationship between output voltage and polarization voltage with different source activities and source-collector spacing

靜態(tài)無風(fēng)條件下，不同源活度、源-收集極間距時(shí)輸出電壓與極化電壓的關(guān)系示于圖5。由圖5結(jié)果可知，隨著極化電壓增加，輸出電壓逐漸增大并達(dá)到飽和。源-收集極間距較小時(shí)，達(dá)到飽和輸出電壓所需的極化電壓也較小，源-收集極間距主要影響輸出電壓達(dá)到飽和值的快慢程度。使用源直徑分別為16 mm、8 mm的β源時(shí)，不同源-收集極間距的飽和輸出電壓值對(duì)應(yīng)為1.677 V、0.56 V，飽和輸出電壓值取決于所能收集到的最大初總電離數(shù)，說明給定種類β源的活度是決定輸出信號(hào)大小的主要因素。β源活度較小時(shí)，β射線電離空氣產(chǎn)生的離子數(shù)較少，一定濃度的粉塵載帶離子引起輸出信號(hào)的變化值占飽和值的份額較大，但β源活度不能過小，否則無法提供足夠數(shù)量的離子以及輸出信號(hào)。因此，選擇β源直徑為8 mm，源與收集極間距為2 cm。

4.2.2進(jìn)氣口大小

風(fēng)洞中不同進(jìn)氣口大小、風(fēng)速時(shí)輸出電壓與極化電壓的關(guān)系示于圖6。由圖6結(jié)果可知，傳感器在風(fēng)洞中的輸出電壓小于靜態(tài)無風(fēng)時(shí)的輸出電壓。在某一風(fēng)速下，隨著極化電壓的增加，輸出電壓不斷增加并趨于飽和。加載的極化電壓相同時(shí)，Φ8 mm進(jìn)氣口的輸出電壓大于Φ15 mm進(jìn)氣口的輸出電壓。可以預(yù)見，隨著進(jìn)氣口面積的進(jìn)一步減小，輸出電壓將不斷接近無風(fēng)時(shí)的輸出電壓。

圖6 不同進(jìn)氣口大小、風(fēng)速時(shí)輸出電壓與極化電壓關(guān)系曲線Fig.6 The relationship between output voltage and polarization voltage with different areas of air port and wind velocities

電離粒子在電場(chǎng)中的漂移速率為：

(1)

式中：E為電場(chǎng)強(qiáng)度，V·cm-1；P為氣體壓力，Pa；m為電離粒子質(zhì)量，kg；λ為電離粒子在101.3 kPa下的平均自由程，cm；U為電離粒子在電場(chǎng)中雜亂運(yùn)動(dòng)的平均速率，cm·s-1。μ為電離粒子的遷移率[9]，cm2·s-1·V-1。

空氣中正離子遷移率μ+=1.37 cm2·101.3 kPa·s-1·V-1，當(dāng)極化電壓≤200 V、氣流速率為5～15 m/s時(shí)，正離子的漂移速率小于103cm/s量級(jí)，即氣流速率與正離子漂移

速率在同一量級(jí)。測(cè)量腔內(nèi)β源發(fā)射電子電離流動(dòng)空氣，產(chǎn)生的離子同時(shí)受到與氣流同向的空氣曳力和與氣流方向垂直的電場(chǎng)力作用，離子對(duì)部分被收集。進(jìn)氣口的尺寸直接影響傳感器內(nèi)部的氣流速率，傳感器內(nèi)部氣流速率較小時(shí)有利于離子的收集和輸出信號(hào)的提高。但進(jìn)氣口面積減小時(shí)，進(jìn)入傳感器的顆粒物數(shù)量也將減少，并導(dǎo)致因顆粒物載帶離子引起的輸出電壓變化值減小。因此，綜合考慮輸出信號(hào)與進(jìn)入傳感器的顆粒物數(shù)量，選擇圓形進(jìn)氣口的直徑為8 mm。

4.2.3溫度與濕度

傳感器在不同環(huán)境溫度下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果示于圖7(極化電壓12 V、靜態(tài)無風(fēng))。由圖7結(jié)果可見，隨著環(huán)境溫度的升高，輸出電壓逐漸增大并趨于飽和。環(huán)境溫度主要影響空氣的粘度、密度、分子和離子的熱運(yùn)動(dòng)，溫度從34 ℃升高到233 ℃時(shí)，輸出信號(hào)增加約50%。

圖7 輸出電壓隨溫度變化曲線Fig.7 The relationship between output voltage and environment temperature

傳感器在不同環(huán)境濕度下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果列于表2(極化電壓36 V、靜態(tài)無風(fēng))。由表2結(jié)果可知，隨著環(huán)境濕度增大，輸出電壓逐漸減小。環(huán)境濕度對(duì)輸出信號(hào)的影響主要體現(xiàn)在濕度對(duì)顆粒物粒徑分布的改變和水分子對(duì)離子的吸附等。含濕量從6.52%增加到10.65%時(shí)，輸出信號(hào)變化約30%。

表2 不同含濕量時(shí)的輸出電壓Table 2 The relationship between output voltage and humidity ratio

4.2.4粉塵濃度

風(fēng)洞中加入不同濃度粉塵的實(shí)驗(yàn)結(jié)果列于表3(極化電壓200 V)。由表3結(jié)果可以看出，傳感器濃度示值隨風(fēng)洞中粉塵濃度增加而增加，驗(yàn)證了傳感器測(cè)量原理的可行性。粉塵吸附電子的數(shù)量與粉塵粒徑、粉塵在傳感器內(nèi)停留時(shí)間、傳感器內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)[10]。本實(shí)驗(yàn)中測(cè)量不確定度的主要來源有：① 粉塵在風(fēng)洞內(nèi)附壁和在拐角處沉積，造成風(fēng)洞內(nèi)粉塵濃度的波動(dòng)；② 濾膜采樣以及稱重過程中的誤差；③ 粉塵在風(fēng)洞內(nèi)循環(huán)運(yùn)動(dòng)時(shí)不斷與風(fēng)洞內(nèi)壁面摩擦產(chǎn)生靜電電荷，以及粉塵顆粒之間的碰撞摩擦造成粉塵荷電，荷電量與粉塵在風(fēng)洞內(nèi)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和風(fēng)洞壁面性質(zhì)相關(guān)[11]。由于粉塵荷電以及粉塵運(yùn)動(dòng)碰撞時(shí)發(fā)生凝并、凝聚，改變了粉塵的粒徑分布，不同粒徑的粉塵粒子吸附離子的數(shù)量不同，進(jìn)而導(dǎo)致輸出信號(hào)波動(dòng)；④ 荷電粉塵進(jìn)入傳感器影響了傳感器內(nèi)部的電場(chǎng)分布，進(jìn)而影響離子對(duì)的收集過程。由于無法有效調(diào)節(jié)風(fēng)洞內(nèi)的溫度與濕度，以及不同溫、濕度環(huán)境中粉塵粒徑變化的復(fù)雜性，因此，本實(shí)驗(yàn)未研究不同溫、濕度條件下，傳感器輸出信號(hào)與粉塵濃度的關(guān)系。

表3 不同粉塵濃度時(shí)的輸出信號(hào)Table 3 The relationship between output signal and different dust concentrations

5 結(jié)論

研究了一種基于β粒子源的平板電離室型粉塵濃度傳感器，通過軟件模擬優(yōu)化了傳感器結(jié)構(gòu)，并通過實(shí)驗(yàn)研究了傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)和環(huán)境條件對(duì)輸出信號(hào)的影響。給定種類β源的活度、極化電壓是影響輸出信號(hào)的主要因素，β源與收集極之間的距離主要取決于放射源的種類與整體結(jié)構(gòu)要求。環(huán)境的溫度、濕度對(duì)傳感器輸出信號(hào)影響較大。風(fēng)洞中加塵實(shí)驗(yàn)初步驗(yàn)證了在較低濕度、較低溫度和一定的氣流速率時(shí)，粉塵吸附離子造成離子流減少是引起傳感器輸出信號(hào)變化的主要因素。研究結(jié)果可為利用同位素技術(shù)研制實(shí)時(shí)測(cè)量管道煙塵濃度的儀器設(shè)備提供參考，也為大氣顆粒物濃度測(cè)量提供了新的思路。