光散射法粉塵濃度檢測(cè)的探討

曾世清，范鋒鋒，龔本龍（蘇州工業(yè)園區(qū)鴻基潔凈科技有限公司，江蘇蘇州215022）

光散射法粉塵濃度檢測(cè)的探討

曾世清，范鋒鋒，龔本龍（蘇州工業(yè)園區(qū)鴻基潔凈科技有限公司，江蘇蘇州215022）

本文簡(jiǎn)單介紹了光散射粉塵檢測(cè)的原理，提出了光散射法在不同粉塵濃度環(huán)境下的檢測(cè)方法。

粉塵濃度檢測(cè)；光散射；散射光能量；入射光能量；顆粒數(shù)濃度；體積濃度；質(zhì)量濃度

1 概述

粉塵顆粒的范圍很廣泛，顆粒大小從納米級(jí)到數(shù)千微米范圍，它們對(duì)環(huán)境污染、能源消耗、人類健康、產(chǎn)品質(zhì)量、生物生長(zhǎng)、疾病防控、氣候變化等都有很重大影響。對(duì)粉塵顆粒大小、數(shù)量或濃度的測(cè)量在國(guó)民活動(dòng)中具有非常重要的意義，也是需要得到廣泛推廣、運(yùn)用和優(yōu)化的技術(shù)。

2 光散射法粉塵顆粒檢測(cè)原理

粉塵顆粒檢測(cè)方法有多種：稱重法，光閃射法，β射線法，微量振蕩天平法，等等。這幾種方法中，光散射法具有檢測(cè)速度快速、重復(fù)性好、數(shù)據(jù)處理及時(shí)等優(yōu)勢(shì)，在粉塵濃度檢測(cè)中得到廣泛運(yùn)用。

光散射是指光線通過(guò)不均勻的介質(zhì)而偏離其原來(lái)的傳播方向并散開(kāi)到所有方向的現(xiàn)象。

粉塵顆粒通過(guò)光照射時(shí)會(huì)產(chǎn)生散射光，顆粒大時(shí)散射光信號(hào)強(qiáng)，散射光光強(qiáng)與顆粒粒徑成正比。當(dāng)光波在懸浮有顆粒的空氣中穿過(guò)時(shí)，會(huì)有折射和吸收等特性而出現(xiàn)能量耗散，光強(qiáng)而達(dá)到衰減?？捎肂LBL定律描述：

這里：τ稱為介質(zhì)的濁度，l是光波通過(guò)介質(zhì)的距離。T=τ·l稱為光波傳播方向的光學(xué)厚度。

光散射的規(guī)律比較復(fù)雜，當(dāng)光學(xué)厚度T<0.1時(shí)，顆粒之間的距離足夠大，以至于一個(gè)顆粒的散射不會(huì)因?yàn)槠渌w粒的存在而受到影響，單散射占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)；當(dāng)光學(xué)厚度T>0.3時(shí)，復(fù)散射起絕對(duì)作用；當(dāng)0.3>T>0.1時(shí)，可按單散射處理，但需適當(dāng)修正。為了更準(zhǔn)確的檢測(cè)空氣中懸浮顆粒的濃度，光學(xué)厚度T盡量縮小。

一個(gè)顆粒單位時(shí)間內(nèi)散射的全部光能量Esca等于入射光單位時(shí)間內(nèi)投射到該顆粒散射截面上的能量。

這里：Csca散射截面，Esca散射光能量，I0入射光強(qiáng)，Sp光傳播方向的投影面積。

一個(gè)顆粒單位時(shí)間內(nèi)散射的全部光能量與投射到該顆粒全部光能量之比為散射系數(shù)：

一個(gè)顆粒單位時(shí)間內(nèi)從原始的入射光中消除的總能量為：

消光系數(shù)為：

單位體積內(nèi)的總顆粒數(shù)：

顆粒濁度：

3 不同環(huán)境狀態(tài)下的粉塵濃度檢測(cè)方法

根據(jù)以上光散射粉塵濃度檢測(cè)原理，不同的粉塵濃度的光學(xué)特性不同，所以檢測(cè)方法不一樣。

3.1 低濃度粉塵顆粒檢測(cè)

在潔凈空氣中，懸浮的顆粒濃度較低，當(dāng)光線照射到采樣的流動(dòng)空氣時(shí)，懸浮的顆粒會(huì)魚貫穿過(guò)設(shè)計(jì)為較窄小的光線，光電傳感器檢測(cè)到每個(gè)顆粒的光能量Esca并將光能轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，根據(jù)式（2），電信號(hào)的強(qiáng)度與顆粒大小Csca散射截面成正比，電信號(hào)的數(shù)量即是顆粒數(shù)量，按式（6）可計(jì)算出顆粒數(shù)濃度。

在潔凈的空氣環(huán)境中，因單個(gè)顆粒的Eext非常小，消光系數(shù)Kext非常小，所以，顆粒濁度τ非常小，在潔凈環(huán)境中不宜采用顆粒濁度τ來(lái)評(píng)價(jià)環(huán)境。只能以顆粒大小和數(shù)量來(lái)衡量環(huán)境狀態(tài)。這種檢測(cè)儀器一般采用塵埃粒子計(jì)數(shù)器來(lái)檢測(cè)空氣環(huán)境中懸浮顆粒的大小和數(shù)量。

3.2 高濃度多分散粉塵顆粒檢測(cè)

在較高粉塵濃度的空氣中，因懸浮的顆粒間距很小，有的甚至為重疊，光學(xué)厚度T>0.1，在光照射下顆粒會(huì)出現(xiàn)復(fù)散射，這種環(huán)境檢測(cè)顆粒直徑和顆粒數(shù)誤差很大，只能檢測(cè)環(huán)境顆粒的濁度τ。

當(dāng)光線照射到采樣的流動(dòng)空氣時(shí)，懸浮的顆粒會(huì)一批一批的穿過(guò)設(shè)計(jì)為較窄小的光線，光電傳感器檢測(cè)到的是顆粒群的光能量Esca并將光能轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，根據(jù)式（4），電信號(hào)的強(qiáng)度與顆粒群的消光能力Cext消光截面成正比，電信號(hào)的量即是顆粒的總濁度τ，按式（7）可計(jì)算出顆粒濁度。

在濃度檢測(cè)時(shí)，盡量合理設(shè)計(jì)光通過(guò)介質(zhì)的距離，盡量減小光學(xué)厚度T，通過(guò)校準(zhǔn)可很準(zhǔn)確檢測(cè)出體積濃度。這種環(huán)境一般采用粉塵檢測(cè)儀來(lái)檢測(cè)環(huán)境的單位體積內(nèi)粉塵的體積（ml/m3）或單位體積內(nèi)粉塵的質(zhì)量（mg/m3）。

如果在空氣環(huán)境顆粒較高濃度的情況下必須檢測(cè)顆粒大小和顆粒數(shù)時(shí)，可采用潔凈空氣稀釋辦法，將顆粒濃度高的空氣按流量比例稀釋為含塵濃度較低的空氣，采用塵埃粒子計(jì)數(shù)器檢測(cè)顆粒大小和數(shù)量，將檢測(cè)結(jié)果再乘以稀釋比，就可還原為較高環(huán)境的顆粒粒徑和數(shù)量。這種檢測(cè)方法因被檢測(cè)的空氣經(jīng)過(guò)的環(huán)節(jié)較多，誤差會(huì)較大。

4 結(jié)論

（1）對(duì)于潔凈環(huán)境，粉塵濃度較低，一般采用塵埃粒子計(jì)數(shù)器來(lái)檢測(cè)環(huán)境的懸浮顆粒大小和數(shù)量。

（2）對(duì)于較高濃度粉塵環(huán)境，一般采用粉塵檢測(cè)儀來(lái)檢測(cè)空氣環(huán)境的粉塵體積濃度或質(zhì)量濃度。也可采用稀釋器的辦法將被測(cè)空氣稀釋后檢測(cè)顆粒大小和數(shù)量。

[1]陳戈珩，劉小貝.光散射法低功耗粉塵檢測(cè)系統(tǒng).長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2016，37（3）：246～251.

[2]胡 澄，鄒麗新，季晶晶，黃惠杰.基于光散射的粉塵濃度測(cè)量的研究.潔凈與空調(diào)技術(shù)，2003.

[3]蔡小舒，蘇明旭，沈建琪.顆粒粒度測(cè)量技術(shù)及應(yīng)用.化學(xué)工業(yè)出版社，2010，8.

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2095-2066（2016）32-0003-01

2016-11-1