付士根，亢 永，王 慶

(1.中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)研究院，北京 100012；2.北京石油化工學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 102617)

0 引言

礦山在采掘、運(yùn)輸?shù)壬a(chǎn)過(guò)程中均會(huì)產(chǎn)生大量的粉塵，嚴(yán)重威脅井下作業(yè)職工的身體健康，據(jù)統(tǒng)計(jì)，自2010年以來(lái)我國(guó)每年因粉塵引發(fā)的塵肺病病例均突破2萬(wàn)[1]。為有效預(yù)防塵肺病的發(fā)生，控制呼吸性粉塵濃度是預(yù)防塵肺病發(fā)生的主要手段，準(zhǔn)確測(cè)定作業(yè)工人的吸入粉塵量是實(shí)現(xiàn)塵肺預(yù)警的必要途徑[2-3]。目前在測(cè)塵技術(shù)設(shè)備的研發(fā)方面，國(guó)內(nèi)外使用的測(cè)塵儀表主要有粉塵采樣器、測(cè)塵儀及粉塵濃度傳感器[4-8]3類?，F(xiàn)有粉塵測(cè)試方法存在著不能連續(xù)監(jiān)測(cè)、頻繁更換濾膜等問(wèn)題[9-10]，如β射線法需要頻繁更換濾膜，其功耗大且所用紙帶因空氣潮濕而易斷裂等特點(diǎn)，使β射線法不適用于煤礦井下；國(guó)內(nèi)使用的粉塵測(cè)試儀不同程度上實(shí)現(xiàn)了煤礦全塵采樣或區(qū)域性的呼吸性粉塵監(jiān)測(cè)，但不能實(shí)現(xiàn)礦山井下作業(yè)職工的個(gè)體呼塵濃度監(jiān)測(cè)[11-12]；國(guó)外的個(gè)體呼吸性粉塵監(jiān)測(cè)儀(如基于微量振蕩天平法監(jiān)測(cè)儀PDM300)切割器內(nèi)置，國(guó)內(nèi)無(wú)類似切割器，同時(shí)受空氣濕度影響大，需頻繁更換濾膜，不利于呼塵濃度個(gè)體監(jiān)測(cè)儀在礦山企業(yè)的應(yīng)用推廣，同時(shí)我國(guó)在呼塵濃度個(gè)體監(jiān)測(cè)儀方面研究較少。因此，有必要研制符合我國(guó)礦山井下作業(yè)環(huán)境且價(jià)格便宜的個(gè)體呼塵濃度監(jiān)測(cè)儀。

本文基于光散射原理，試制以紅外線發(fā)光二極管作為光源的呼吸性粉塵濃度個(gè)體監(jiān)測(cè)儀。在0～300 mg/m3測(cè)量范圍內(nèi)，該儀器輸出電壓值和粉塵濃度之間具有較好的線性函數(shù)關(guān)系，并將研制的粉塵監(jiān)測(cè)儀測(cè)試結(jié)果與現(xiàn)有儀器測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明研制的粉塵監(jiān)測(cè)儀滿足粉塵檢定規(guī)程有關(guān)要求。

1 光散射法測(cè)塵原理

光散射原理是在光傳播過(guò)程中，受粉塵介質(zhì)影響而改變了光的傳播方向。當(dāng)光源發(fā)出光線后，由于光敏感區(qū)粉塵的作用，散射到各個(gè)方向的光由球面聚光鏡盡可能的收集后又傳播到光接收器，接收器將接收的光強(qiáng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；再根據(jù)不同粉塵濃度轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌墓饣螂娦盘?hào)[13-14]。

本文采用MIE光散射方法，試制以紅外線發(fā)光二極管作為光源的呼吸性粉塵濃度個(gè)體監(jiān)測(cè)儀。由于散射光強(qiáng)與粉塵質(zhì)量濃度具有一定的比例關(guān)系，因此可通過(guò)試驗(yàn)確定散射光強(qiáng)與粉塵質(zhì)量濃度的關(guān)系，并通過(guò)校準(zhǔn)后利用光強(qiáng)大小計(jì)算得到粉塵質(zhì)量濃度。假設(shè)在原點(diǎn)O處有單個(gè)近似球形的粉塵顆粒，其直徑為d，μm；受到波長(zhǎng)為λ(單位nm)、強(qiáng)度為I0(單位cd)的單色入射光照射后，將在空間任意方向發(fā)出散射光，MIE光散射原理如圖1所示。其中，P為接收點(diǎn)，散射點(diǎn)與接收點(diǎn)P之間的距離為r，mm；r和z軸組成的平面為散射面，并與光軸成散射角θ，(°)。

圖1 MIE光散射原理

在強(qiáng)度為I0的光照射下，P點(diǎn)的散射光強(qiáng)度由式(1)計(jì)算：

I(θ)=I0F(θ,Φ)/(k2r2)

(1)

式中：F為幅值函數(shù)；Φ為方位角，(°)。

當(dāng)粉塵濃度為c、體積為V的粉塵散射系統(tǒng)受到光源的照射時(shí)，根據(jù)單個(gè)散射粒子的疊加性機(jī)理，粉塵顆粒群的散射光強(qiáng)度計(jì)算如式(2)所示：

(2)

式中：c為粉塵濃度，μg/m3；V為體積，μm3。

由式(2)可以得到粉塵濃度計(jì)算，如式(3)所示：

(3)

因此，通過(guò)比較照射粉塵前后的光強(qiáng)值，由式(3)可以獲得粉塵質(zhì)量濃度值。

由式(1)～(3)可知，在顆粒性質(zhì)一定的條件下，可利用散射光強(qiáng)與粉塵質(zhì)量濃度具有的比例關(guān)系，并通過(guò)試驗(yàn)確定散射光強(qiáng)與粉塵質(zhì)量濃度的關(guān)系。

2 個(gè)體呼塵監(jiān)測(cè)儀試驗(yàn)研制

2.1 個(gè)體呼塵監(jiān)測(cè)儀試驗(yàn)裝置

依據(jù)光散射基礎(chǔ)理論，采用中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)研究院自制的用于采集散射光強(qiáng)度大小的試驗(yàn)裝置[15]分析呼吸性粉塵濃度個(gè)體監(jiān)測(cè)儀的實(shí)用性，進(jìn)行試驗(yàn)。粉塵監(jiān)測(cè)儀結(jié)構(gòu)如圖2所示。由圖2可知，其由氣路部分、光路部分以及電路部分組成。氣路部分由分離器、光學(xué)腔、流量檢測(cè)傳感器(控制小流量粉塵不大于2 L/min)及氣泵組成；光路部分主要在光學(xué)腔內(nèi)實(shí)現(xiàn)，由發(fā)光二極管、透鏡、光敏二極管等元件組成；電路部分主要實(shí)現(xiàn)氣路、光路控制、信號(hào)采集，主要包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)、信號(hào)放大、單片機(jī)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)等部分。

圖2 粉塵監(jiān)測(cè)儀結(jié)構(gòu)

2.2 光路控制

基于MIE光散射原理，根據(jù)圖2所示的粉塵監(jiān)測(cè)儀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖可知，當(dāng)光學(xué)腔內(nèi)流經(jīng)粉塵氣流流速一定時(shí)，只要測(cè)得在一定的照射光強(qiáng)下散射光強(qiáng)度與氣體粉塵濃度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，便可根據(jù)散射光強(qiáng)度推算出氣體粉塵濃度。

由于紅外光發(fā)光二極管具有發(fā)光效率高、便于調(diào)制的特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)選用型號(hào)為SE5470的紅外光線二極管作為光源，其發(fā)射的光波波長(zhǎng)為880 nm，輻射照度為3.5 mW/cm2。同時(shí)利用硅光電二極管ODD-1W檢測(cè)入射光強(qiáng)的穩(wěn)定性。試驗(yàn)時(shí)采用單片機(jī)控制發(fā)光二極管正向?qū)娏?，控制二極管導(dǎo)通電流的電壓控制電流電路如圖3所示。其中，Ui為電壓，V；R1,R2為電阻，Ω；C1為電容，F(xiàn)。圖3中R1兩邊的電壓與Ui相等，R2起限流作用，避免上電瞬間流過(guò)Q1的電流太大。

圖3 發(fā)光二極管控制電路

發(fā)光二極管發(fā)出的光照射在流經(jīng)光學(xué)腔中的粉塵氣流后，產(chǎn)生的散射光經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換電信號(hào)，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器處理后，顯示出測(cè)量值。

2.3 氣路控制

為使通過(guò)光學(xué)腔的含塵氣流流速穩(wěn)定，設(shè)計(jì)使用流量計(jì)實(shí)時(shí)采集氣流流速并反饋控制氣泵供電電壓，確保散射光強(qiáng)和粉塵濃度具有固定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

設(shè)計(jì)選用壓差式流量計(jì)作為氣體流速檢測(cè)裝置，此裝置設(shè)計(jì)小巧，特別適用于便攜式設(shè)計(jì)。壓力差傳感器選用Honeywell的SDX IND微型壓力差傳感器，測(cè)量范圍達(dá)到10 mm水柱。進(jìn)氣泵選用德國(guó)FUERGUT DC06 21FK旋轉(zhuǎn)葉片式泵，此泵壽命長(zhǎng)達(dá)10 000 h。

3 個(gè)體呼塵監(jiān)測(cè)儀可行性試驗(yàn)

3.1 簡(jiǎn)易試驗(yàn)裝置

為驗(yàn)證個(gè)體粉塵監(jiān)測(cè)儀的合理性和可行性，以及電路選擇的可靠性和適用性，將個(gè)體監(jiān)測(cè)儀和比對(duì)儀器TSI8534共同放置在自制的簡(jiǎn)易粉塵試驗(yàn)裝置中，如圖4所示。

1-研制儀器；2-粉塵質(zhì)量濃度測(cè)量室；3-粉塵濾芯；4-對(duì)比粉塵監(jiān)測(cè)儀；5-循環(huán)風(fēng)機(jī)；6-粉塵發(fā)生室；7-粉塵濾網(wǎng)；8-粉塵導(dǎo)入風(fēng)機(jī)

試驗(yàn)裝置主要由以下3部分構(gòu)成：

1)簡(jiǎn)易塵室。其搭建材料為有機(jī)玻璃，塵室容積為0.25 m3，密封性良好。塵室內(nèi)部裝有2臺(tái)小型鼓風(fēng)機(jī)，主要用于將塵室內(nèi)的粉塵吹揚(yáng)在整個(gè)空間內(nèi)。塵室中另有溫濕度監(jiān)測(cè)儀，實(shí)時(shí)測(cè)量箱體內(nèi)的溫度。

2)空氣凈化裝置。其在塵室兩端設(shè)有可通風(fēng)圓孔，通過(guò)管道連接可調(diào)速鼓風(fēng)機(jī)，在塵室兩端風(fēng)口處裝有過(guò)濾網(wǎng)，用于試驗(yàn)前過(guò)濾空氣，以制造潔凈空氣環(huán)境。在塵室正式試驗(yàn)時(shí)，可將圓孔封閉從而實(shí)現(xiàn)環(huán)境的密封，也可以在試驗(yàn)過(guò)程中啟動(dòng)凈化裝置調(diào)節(jié)塵室粉塵濃度。

3)粉塵發(fā)生室。其可發(fā)生一定量粉塵，通過(guò)篩網(wǎng)篩選特定粒徑粉塵，經(jīng)粉塵導(dǎo)入風(fēng)機(jī)將一定濃度粉塵吹入塵室。

3.2 粉塵監(jiān)測(cè)儀試驗(yàn)結(jié)果分析

采用草香、煙餅等物品點(diǎn)燃發(fā)煙試驗(yàn)，產(chǎn)生的粉塵或煤塵經(jīng)濾網(wǎng)過(guò)濾后得到粒徑不大于5 μm的粉塵顆粒，經(jīng)由氣泵吸入粉塵試驗(yàn)裝置內(nèi)。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，草香燃燒后可以得到300 mg/m3的高粉塵濃度，且其顆粒物粒徑較低，產(chǎn)生的粉塵氣流化學(xué)成分單一，可保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性和良好效果。

利用實(shí)時(shí)記錄的測(cè)量數(shù)據(jù)，得到如圖5所示的粉塵監(jiān)測(cè)儀采集電壓與粉塵濃度關(guān)系。由圖5可知，采集電壓與粉塵濃度在高濃度下具有較好的線性關(guān)系。

圖5 輸出電壓和粉塵質(zhì)量濃度關(guān)系

由于樣機(jī)采集電壓和粉塵濃度之間是線性關(guān)系，因此，按照一定的濃度差，選擇10個(gè)樣本點(diǎn)對(duì)樣機(jī)進(jìn)行線性校準(zhǔn)。校準(zhǔn)后的計(jì)算測(cè)量誤差見(jiàn)表1。

表1 粉塵濃度測(cè)量?jī)x表-樣機(jī)誤差

由表1可知，最大測(cè)量絕對(duì)誤差為-238.3 μg/m3，是濃度為266 871.9 μg/m3時(shí)的誤差；相對(duì)測(cè)量誤差最大為1.59%，滿足粉塵檢定文獻(xiàn)[16]要求。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果誤差分析

從光散射的測(cè)塵原理可知，通過(guò)檢測(cè)照射前后的光強(qiáng)比值，經(jīng)過(guò)換算可以得到粉塵濃度。

文獻(xiàn)[8，17]分析了粉塵濃度光散射測(cè)量的影響因素包括散射角、粉塵粒徑、環(huán)境溫度、濕度和風(fēng)速等。其中散射角是影響散射光強(qiáng)的主要因素之一；單個(gè)粉塵粒子的散射光強(qiáng)與顆粒粒徑成正比關(guān)系，粉塵顆粒流中的粒徑越大，靈敏度越小，測(cè)量的粉塵濃度值越低；若濕度大于 60%，光散射監(jiān)測(cè)儀測(cè)量結(jié)果也會(huì)出現(xiàn)明顯的影響，溫度和風(fēng)速的影響較小。

根據(jù)誤差原因分析，本文試驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差可能來(lái)源于水霧、粉塵的粒徑等因素的影響。新型呼吸性測(cè)塵儀器的研制有利于提高粉塵的監(jiān)測(cè)效率，對(duì)粉塵危害控制與治理具有重要意義，由于目前新型個(gè)體監(jiān)測(cè)儀還處于在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試階段，還需要在礦山井下環(huán)境進(jìn)行實(shí)際測(cè)量應(yīng)用，以便進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品性能，減小儀器本身重量(目前重量約1.5 kg)。

4 結(jié)論

1)研制用于監(jiān)測(cè)礦山井下作業(yè)環(huán)境的個(gè)體呼塵監(jiān)測(cè)儀試驗(yàn)樣機(jī)，其由氣路部分、光路部分以及電路部分組成。

2)在0～300 mg/m3測(cè)量范圍內(nèi)，試制監(jiān)測(cè)儀輸出電壓值和粉塵濃度之間具有線性函數(shù)關(guān)系，說(shuō)明呼塵濃度個(gè)體監(jiān)測(cè)儀合理可行。

3)試驗(yàn)表明，研制的個(gè)體呼塵監(jiān)測(cè)儀與對(duì)比儀器二者之間存在一定的誤差，但測(cè)量相對(duì)誤差最大為1.59%，滿足規(guī)程要求，并分析了試驗(yàn)結(jié)果誤差原因。

4)新型呼吸性測(cè)塵儀器的研制，有利于提高粉塵的監(jiān)測(cè)效率，對(duì)粉塵危害的控制與治理具有重要意義。