單晶硅傳感器在快速測塵儀中的應用研究

李西剛，蔡 桃

(1.湖南有色冶金勞動保護研究院，湖南長沙 410014;2.湖南有色金屬職工中等專業(yè)學校，湖南長沙 410014)

根據(jù)衛(wèi)生部2010年統(tǒng)計，自上世紀50年代以來，我國累計報告職業(yè)病例749 970例，其中累計報告塵肺病676 541例，占90.2%。塵肺病是我國職業(yè)病發(fā)病率最高、人數(shù)最多的職業(yè)病，是礦難和其它工傷事故死亡人數(shù)的三倍之多。我國每年因塵肺病造成的直接經(jīng)濟損失達80多億元。塵肺病嚴重威脅著勞動者的生命安全與健康，已成為我國一個重大的公共衛(wèi)生和社會問題。

塵肺病主要來源于礦山開采，勞動者在礦山開采、掘進、鑿巖、爆破、支柱、運輸作業(yè)環(huán)境中作業(yè)，長期吸入帶有粉塵特別是含游離二氧化硅的粉塵的空氣，粉塵長期滯留在支氣管與肺泡內(nèi)而患上塵肺病。

職業(yè)病與常見病最大的區(qū)別是一旦得了職業(yè)病則很難治愈，這就要求必須采取預防措施，及時監(jiān)測作業(yè)現(xiàn)場的粉塵濃度，及時控制通風防塵，使作業(yè)場所粉塵濃度達到國家標準以內(nèi)，防止塵肺病的發(fā)生。而粉塵濃度監(jiān)測是整個預防塵肺病過程的關鍵，因此及時監(jiān)測粉塵濃度是非常必要的。

1 粉塵濃度檢測儀的發(fā)展概況

在上世紀80年代以前，我國工礦企業(yè)大都采用稱重法(重量法)，80年代以后相繼研制出多種類型的粉塵測定儀，主要有:光吸收法粉塵儀、光散射法粉塵測塵儀、β射線蓋革計數(shù)法粉塵測塵儀，其原理、結(jié)果準確度和應用場所各有優(yōu)點，也各存在一些缺點。

1.1 稱重法

稱重法是傳統(tǒng)測塵方法，也是用來標定和校正所有新型粉塵濃度測定儀的標準方法。測塵過程是先將收塵濾膜干燥，用天平稱重、編號、記錄后裝入采樣濾盒中，到作業(yè)現(xiàn)場后，用大氣采樣器進行定時、流量抽氣采樣，完成后再將濾盒中含有粉塵的濾膜在試驗室進行干燥、再次稱重，根據(jù)采樣的時間、流量和粉塵重量(含塵濾膜－空白濾膜)計算出現(xiàn)場的粉塵濃度。此方法數(shù)據(jù)可靠、準確度高，不受現(xiàn)場濕度、溫度、粉塵顏色、形狀和理化性質(zhì)影響。缺點是從濾膜準備到計算出結(jié)果需要幾十個小時，不能做到及時測量、及時控制。

1.2 光電測塵法

利用光吸收和光散射原理研制的粉塵濃度測定儀器產(chǎn)品應用較多，特別是在煤礦應用較多。根據(jù)粉塵對光吸收原理，粉塵濃度越高，吸收光越多，被測光強度變?nèi)醯奶攸c，采用激光器產(chǎn)生入射光，照射到分光器上，分光器將入射光分為強度相等的兩束光，一束光作為信號光束照到測量區(qū)，然后進入光電探測器，另一束光作為參考光束，直接射到光電探測器，由于粉塵的吸收和散射作用，前者光強度弱，而后者參考光束光強幾乎等于入射光，兩束光強之差的大小與粉塵濃度大小相關，經(jīng)過電子電路和數(shù)據(jù)處理可得出粉塵濃度。充電測塵原理如圖1所示。此方法優(yōu)點是:操作簡單、快速、可連續(xù)進行粉塵測定。缺點是:粉塵顆粒的直徑大小、形狀、分布狀況、粉塵顏色對粉塵濃度的測定結(jié)果有一定的影響。

圖1 光電測塵儀原理圖

1.3 β射線蓋革計數(shù)法

利用粉塵對β射線有一定的吸收作用的特點，粉塵越多對β射線吸收越多，探測到的β射線就越少。因此粉塵測定過程是探測空白濾膜的β射線強度，然后將濾膜移到采樣位置抽氣收集粉塵，再移到β射線源處探測含塵濾膜的β射線強度(β射線射到蓋革計數(shù)管上)。粉塵濃度越大，β射線前后強度差越大。經(jīng)過電子電路和數(shù)據(jù)處理器處理后得出粉塵濃度結(jié)果，其原理如圖2所示。這一方法的優(yōu)點是:測塵速度快，可連續(xù)進行粉塵濃度監(jiān)測，測量粉塵不受顏色、形狀、顆粒大小、化學性質(zhì)的影響，只與粉塵質(zhì)量密度有關。缺點是:GM計數(shù)管工作電壓很高(一般在1 300 V以上)。在礦山井下作業(yè)場所濕度很高的環(huán)境中(90%以上)，可能產(chǎn)生不穩(wěn)定因素，特別是在有色冶金礦山井下存在著伴生放射性物質(zhì)，含有放射性粉塵對測定結(jié)果有一定的影響;另在測定過程中，濾膜要移動兩次，在移動過程中，有可能粉塵脫落和錯位造成測量結(jié)果誤差。

2 單晶硅在測塵儀中的應用

圖2 β射線蓋革計數(shù)法測塵原理圖

以上幾類測塵儀各有優(yōu)點，也存在缺點。在有色冶金行業(yè)、礦山企業(yè)，不同的作業(yè)場所產(chǎn)生的粉塵顏色不同，礦山井下濕度一般在90%以上，并含有一定的放射性物質(zhì)，這些都是影響測定結(jié)果的因素。為解決這一問題，某研究院采用工作電壓低、穩(wěn)定性好的單晶硅作為粉塵濃度探測傳感器，并進行了一系列的實驗研究，效果良好。

2.1 單晶硅的粉塵測量原理

選用放射性同位素C14作為β射線源。其能量為0.158 meV，半衰期5 720 a，強度為500 ui，β射線強度穩(wěn)定。它的能量從0到最大值呈連續(xù)分布，當β粒子通過介質(zhì)(粉塵)時，與介質(zhì)中的電子發(fā)生碰撞而能量損失并被介質(zhì)吸收，吸收程度與介質(zhì)的顏色、成分、粒度無關，只與介質(zhì)的質(zhì)量大小有關。采用直徑20 mm的單晶硅作為β射線探測器件，β射線遇到粉塵時一部分射線被粉塵吸收，單晶硅探測到的β射線強度減弱，計數(shù)減少，粉塵濃度越高，β射線強度越弱，計數(shù)越少。根據(jù)這一原理，將測量的計數(shù)通過電路處理，經(jīng)計算機運算得出粉塵濃度結(jié)果。

2.2 單晶硅計數(shù)穩(wěn)定性實驗

單晶硅的優(yōu)點是靈敏度很高，體積小，工作電壓低，使用壽命長。缺點是存在一定的暗流而產(chǎn)生噪聲，這種噪聲與外加工作電壓有關。為了解決單晶硅計數(shù)的準確度、重復性這一問題，該院在不同的工作電壓下，在相同的時間內(nèi)進行了8次計數(shù)穩(wěn)定性實驗，測試結(jié)果見表1。

表1 計數(shù)穩(wěn)定性實驗

實驗結(jié)果表明:24 V直流工作電壓下單晶硅的計數(shù)準確度高、重復性、穩(wěn)定性好。

2.3 單晶硅的特性

單晶硅是一種采用特殊工藝，將熔融的單質(zhì)硅在凝固時使硅原子以金剛石晶格排列成三維空間長程有序的單晶硅體。單晶硅具有準金屬的物理性質(zhì)，又有顯著的半導體特征，廣泛用于制造集成電路、晶閘管、半導體元器件、光伏材料等，其化學性質(zhì)非常穩(wěn)定。單晶硅對放射性β射線很敏感，被放射線照射時單晶硅會產(chǎn)生電離而形成電子空穴對，電子空穴對在外加電場作用下向兩極移動，從而產(chǎn)生脈動電流，如圖3所示。

圖3 單晶硅對β射線作用反應原理圖

2.4 單晶硅粉塵濃度傳感器的設計

綜合國內(nèi)各種粉塵測量儀的優(yōu)缺點，排除對粉塵濃度測定影響的各種因素，該院設計了一種空氣采樣與單晶硅探測為一體的粉塵濃度傳感器。傳感器結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。將鋁合金棒加工成內(nèi)空直徑為20 mm的柱形空間(采樣測塵室)上端固定放射性同位素C14 β射線源，下端固定直徑為20 mm單晶硅探測器，在β射線源與單晶硅之間設計一與水平夾角30°的濾膜切面。這樣設計的優(yōu)點是:增加射線穿透的相對厚度，提高測量精度，并且在整個粉塵測量過程中不需移動濾膜，保證了測量的可靠性。采樣測塵室上端設計一個空氣入口，下端一個抽氣出口。粉塵測量時先測定空白濾膜的β射線強度I0，然后定時、定流量抽取含塵空氣，粉塵將滯留在濾膜上。抽氣泵停止工作后單晶硅開始探測工作，測定含塵濾膜的數(shù)據(jù)I1，最后測定粉塵中放射性本底數(shù)據(jù)I2，數(shù)據(jù)經(jīng)計算機運算處理后轉(zhuǎn)換成粉塵濃度結(jié)果，整個過程連續(xù)自動運行。

圖4 傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

粉塵濃度數(shù)學模型:

式中:C為粉塵濃度;I0為空白濾膜計數(shù);I1為濾膜和粉塵計數(shù);I2為粉塵放射性本底計數(shù);K為修正系數(shù);T為濕的補嘗系數(shù);V為抽氣體積。

2.5 單晶硅的測塵標定

單晶硅測塵儀的標定是以粉塵重量法測塵為標準，將重量法采樣器與單晶硅測塵儀放置在粉塵發(fā)生風洞中。其原理如圖5所示。

圖5 標定實驗圖

在同濃度粉塵環(huán)境中，同時、同流量進行采樣。流量定為30 L/min，采樣時間同定為12 min。粉塵濃度分別由低到高分級測定，最后將測得的系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，得出修正系數(shù)K。

單晶硅測塵儀標定后再與“重量法”進行測塵對比實驗，實驗結(jié)果見表2。

表2 單晶硅測塵儀與“重量法”測塵對比實驗

實驗結(jié)果表明:單晶硅傳感器的測量誤差小、準確度高、穩(wěn)定可靠。

2.6 井下濕度測試實驗及補償修正

濕度是影響井下測塵的主要因素之一，因為水份也是吸收β射線的介質(zhì)，在測塵過程中被同時吸收而造成測量誤差，為此，必須對測量誤差進行修正。

該院在某礦山井下作業(yè)場所進行了濕度與粉塵樣品中水份含量關系的實驗。實驗方法為:將空白濾膜干燥后稱重W1，然后到井下作業(yè)場所定時、定流量采樣，同時記錄相對濕度，稱重W2，此時，W2為水份、粉塵、濾膜重量之和，再將樣品進行干燥處理后(除去水份)稱重W3。用W3減去W1可得出粉塵重量，用W2減去W3可得出水份的重量。在井下現(xiàn)場實驗中取得了32組數(shù)據(jù)，實驗結(jié)果見表3。

表3 濕度對測塵影響實驗

從表3數(shù)據(jù)分析可知:32個樣品中相對濕度在90%以上的有31個，占樣品總數(shù)的96.9%，這一結(jié)果表明井下相對濕度在90%以上，而水份增重的變化不大(在0.05～0.40 mg之間)，鑒于這一點，在井下粉塵測量時引入一個濕度修正系數(shù)T來補償濕度對測量的影響。

3 單晶硅測塵儀礦山井下現(xiàn)場測試

為了符合有色冶金礦山井下復雜的測量條件，將修正調(diào)試后的單晶硅測塵儀在不同類型礦山(銻礦、銅礦)井下，與重量法進行了作業(yè)現(xiàn)場粉塵測量對比實驗，試驗結(jié)果見表4、表5。

根據(jù)表4、表5中數(shù)據(jù)經(jīng)系統(tǒng)誤差和線性回歸統(tǒng)計分析:應用單晶硅粉塵濃度傳感器測量粉塵，其測量相對誤差小于20%，抗干擾能力強，在一定程度上排除了濕度和放射性本底的影響，達到了有色冶金礦山井下測塵的要求。

表4 某銻礦井下測試數(shù)據(jù)

表5 某銅礦井下測試數(shù)據(jù)

4 結(jié)語

有色金屬礦山井下作業(yè)環(huán)境復雜，濕度很大，大都伴生有放射性物質(zhì)，給粉塵濃度測定帶來很大的難度。應用低電壓的單晶硅作為粉塵濃度傳感器，并采用三次計數(shù)法和現(xiàn)場實驗獲取濕度補償系數(shù)，能有效解決濕度和放射性本底影響粉塵測定的問題。試驗表明，采用單晶硅粉塵濃度傳感器實時測定粉塵濃度是切實可行的，為粉塵濃度監(jiān)測儀的發(fā)展提供了一條新的思路和途徑。

［1］ 王自亮.粉塵濃度傳感器的研究和應用［J］.工業(yè)安全與環(huán)保，2006，32(4):24－26.

［2］ 王聯(lián).瞬時粉塵濃度測量計［J］.環(huán)境監(jiān)測管理與技術，1994，6(4):62－63.

［3］ 田貽麗，謝麗麗，徐如瑜.粉塵濃度測量的研究［J］.重慶大學學報，2003，26(6):30－31.

［4］ 雷玉堂.光電檢測技術［M］.北京:中國計量出版社，2009.

［5］ 李安華.煤礦粉塵測定及其測塵儀［J］.中州煤炭，1994，3 (1):23－25.

［6］ 白云亭，楊德昌.防塵技術與塵肺研究［M］.北京:能源出版社，1990.