陶瓷廠房粉塵濃度檢測儀的設計與分析

李 超，李田澤，趙云鳳，張淑敏，陳世寶

（山東理工大學電氣與電子工程學院，山東淄博255091）

國家衛(wèi)生部門對生產粉塵濃度規(guī)定的標準［1]為8mg／m3，而我國陶瓷廠房的粉塵濃度嚴重超標，對生產工人健康十分不利［2]，因此陶瓷廠房粉塵濃度是否達標已成為國家亟待解決的問題．近年來國內外多采用光的前向散射原理進行粉塵濃度測量，但是該測量方法受顆粒大小影響較大．本檢測儀采用光的后向散射理論，減少了顆粒對光的吸收量及光的直射干擾，尤其是在陶瓷粉塵顆粒粒徑較小的測量環(huán)境中，優(yōu)勢明顯．

1 陶瓷粉塵濃度檢測原理及應用

假設散射粒子為球形的，其直徑為D，則其尺寸參量為K，研究證實，顆粒散射光的特性主要取決于尺寸參量［3－4]．當顆粒尺寸與入射光波長可以比擬時，散射光的強度由Mie散射理論來描述．根據Mie散射理論，當波長為λ，強度為I0的平行光束入射到顆粒粒徑為D的球形粒子上時，則在空間與散射粒子距離為r處的散射光強I1為

對于散射體中的每個粒子都是暴露在其它粒子的散射光之下的，它散射其它顆粒散射過來的光的一部分，某些被一次散射的光在從散射體中射出去之前，可能經過多次散射，但在較低粉塵濃度下進行測量時，從一次散射光中消除的光對總光強影響不大［5]，因此多次散射是可以忽略的．由于散射體中粒子隨機的空間分布，使得散射是不相干的，因而在某一方向上的散射強度就是散射體中各個粒子在這一方向上的散射強度的相加，這時若單位體積內的顆粒數為N，則單位散射體的散射系數為Nσ，用顆粒的平均粒徑來表示散射體中顆粒的粒徑分布，那么當光入射到一個單位散射體上時，則在距離為r處的散射光強I2為

式中，k為尺寸參量：m為被測顆粒折射率；θ為散射角；i1（k，m，θ）和i2（k，m，θ）為散射強度函數，分別表示平行于與垂直于散射面的強度分量．由式（2）可看出，在入射波長λ、入射光強I0、探測距離r、被測粒徑的尺寸參量k、折射率m以及后向散射角θ已知時，即可得到散射體光強I2．此散射光強與粒子數濃度成正比，這就是后向散射法測量陶瓷粉塵濃度的依據．

光散射分為光的前向散射與光的后向散射．前向散射指與入射方向夾角在－90°～＋90°范圍內的光，散射體的前向散射光照較強．當粉塵濃度高時，光的散射強；粉塵濃度低時，光的散射弱．前向散射過程比較復雜，當粒子濃度高時，顆粒的遮擋能力也增強，散射呈現無序性；當粒子濃度低時，光敏器件容易受到光的直射，數據測量誤差大．

本文提出采用基于光強后向散射法設計一款新型陶瓷粉塵檢測儀，圖1是后向散射測量粉塵濃度原理圖．一束光照強度為I0的入射光射入測量儀后光強減弱，陶瓷粉塵顆粒將其散射到各個方向，對于與入射光方向夾角在90°～270°范圍內的這部分散射光被稱為后向散射光．

圖1 后向散射測量原理圖

后向散射光雖然較弱，但其散射的均勻性較好，不會受到光直射影響．目前陶瓷生產企業(yè)的粉塵粒徑5μm以下約占80．1%～89．9%［6]，基本上與常用的探測光波長處于同一數量級，所以可用Mie散射理論來計算粉塵后向散射光強以達到對實際陶瓷廠房粉塵濃度測量的目的．

2 檢測系統(tǒng)實驗裝置設計

檢測儀器光源采用波長為650nm左右的單色發(fā)光二極管，用可調恒流源實現對發(fā)光二極管亮度的精確控制，它主要完成光量的穩(wěn)定輸出．光的發(fā)射與采集利用新型光纖傳感器，新型光纖起傳輸光作用．新型光纖傳感器產生兩束光線，兩Y形光線相距9cm，交匯于一點，其夾角約為11．6°．交叉點距接收透鏡（d＝4cm，f＝7．5cm）35cm，這一部分區(qū)域為采樣區(qū)域．接收的光線匯聚到一點，由普通光纖傳輸返回到光敏器件上，如圖2所示．

圖2 新型光纖傳感器與濃度測量原理圖

如圖3所示，實驗測量在一個非封閉黑色的立方體內進行，橫向裝有12V的風扇，保證測量過程空氣的均勻；縱向用來發(fā)射光，并保證光照能夠順利發(fā)射出去，而不是在一個空間內反射，影響測量的效果．同時測量過程采用差分輸入方式，避免外部環(huán)境光照的影響．

圖3 陶瓷粉塵檢測裝置圖

陶瓷粉塵濃度檢測儀器硬件主要包括電源模塊、信號采集模塊、信號處理模塊、數據采集模塊、數據通信模塊、顯示模塊、無線發(fā)射接收模塊與報警模塊，各模塊之間相互協(xié)調構成陶瓷粉塵檢測儀．系統(tǒng)框圖如圖4所示．

3 實驗結果與分析

檢測裝置安裝完畢后，就要配置各種不同濃度的陶瓷粉塵．陶瓷粉塵來自淄川一家陶瓷廠，主要成分為高嶺土、粘土、瓷石、瓷土、著色劑、青花料、石灰釉、石灰堿釉等，實驗接近真實的廠房環(huán)境．

圖4 檢測系統(tǒng)整體原理框圖

實驗過程中，將檢測儀器對不同濃度的陶瓷粉塵進行測量，實驗結果如圖5所示．

圖5 陶瓷粉塵濃度值與電壓值曲

實驗結果顯示陶瓷粉塵濃度值與測量電壓存在很好的線性關系．采用一元線性回歸法處理得到的實驗數據．陶瓷粉塵濃度值X與測量電壓Y回歸方程為Y＝19．608 X＋3256．588．

為了能更真實的反映此儀器的準確度，我們在用本檢測儀器檢測各個陶瓷粉塵濃度時，同時用濾膜稱重法對陶瓷粉塵濃度進行了測量．測量結果顯示此儀器測量的陶瓷粉塵濃度值與濾膜稱重法的測量值平均差值在0．1mg／m3以內．如圖6所示．

兩種方法測出的陶瓷粉塵濃度值均與理論值不同．例如，當把7mg的陶瓷粉塵放入測量儀器時，此時理論值應為7mg／m3．用本檢測儀器測量的濃度值為6．6mg／m3，而濾膜稱重法的測量值為6．8mg／m3．顯然結果不同，但是作為監(jiān)測報警儀器完全滿足應用要求．分析得知造成此結果的原因是：（1）由于實驗時粉塵的質量很小，當放入測量儀器時，儀器的內壁會對這些粉塵有沾附作用；（2）當開啟風扇時，內部的氣流雖然較均勻，但是陶瓷粉塵也會出現扎堆的可能，造成測量值偏大；（3）當測量幾次后，光纖頭不夠清潔，影響了光線的接收，也會造成誤差．測量值與生產廠家檢測值的曲線對比如圖6所示．

圖6 測量值與準確值的曲線對比

將研制的檢測儀器在淄川一家陶瓷廠進行現場試驗，結果見表1．

表1 儀器測量與實際測量值比較 mg／m3

國家標準規(guī)定［7]一般工業(yè)用表為0．5～4級，該儀器的精度達到1．5級，能夠滿足測量要求．

4 結束語

本文提出將后向散射理論應用到陶瓷粉塵濃度檢測的研究中，檢測儀器經過在實驗室的反復試驗調試，最終應用到陶瓷廠房后獲得了成功．該儀器成本低、抗干擾能力強，更容易在大中型陶瓷生產企業(yè)推廣，具有廣闊的市場前景．

［1] 中華人民共和國衛(wèi)生部，GBZ 2．2－2007工作場所有害因素職業(yè)接觸限值［S] ．

［2] 熊穎群．陶瓷行業(yè)的粉塵治理［J] ．陶瓷，2010（3）：39－41．

［3] Thomas W V．Light scattering theories and computer codes［J] ．Quant Spectrosc Radiat Transfer，2009，110：833－843．

［4] 蔡小舒，蘇明旭，沈建琪，等．顆粒粒度測量技術及應用［M] ．北京：化學工業(yè)出版社．2010：32－48．

［5] Michael I．Mishchenko．Gustav mie and the fundamental concept of electromagnetic scattering by particles：aperspective［J] ．J Quant SpectroscRadiat Transfer，2009，110：1 210－1 222．

［6] 李文勇，梁曉陽，李敏，等．陶瓷粉塵對工人健康危害的調查研究［J] ．職業(yè)與健康，2006，22（21）：1 777－1 779．

［7] 王海軍．啤酒生產所用測量儀表的精度［J] ．設備管理與維修．2008（8）：22－23．