基于雙光路的鏡頭污染度檢測(cè)在顆粒物濃度測(cè)量中的研究

焦 敏

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037)

0 引言

懸浮在空氣中的顆粒物對(duì)環(huán)境和空氣質(zhì)量造成嚴(yán)重的影響，危害人的身體健康[1]，目前顆粒物濃度的測(cè)量方法有濾膜稱重法、振蕩天平法、β射線法、感應(yīng)電荷法、光散射法等[2-3]。其中光散射法測(cè)量顆粒物濃度具有實(shí)時(shí)性高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和造價(jià)低的特點(diǎn)，在無組織排放的大氣顆粒物濃度連續(xù)監(jiān)測(cè)、固定污染源有組織排放顆粒物濃度連續(xù)監(jiān)測(cè)和工礦企業(yè)顆粒物濃度連續(xù)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域得到大范圍的推廣[4-7]。

光散射法測(cè)量顆粒物濃度時(shí)，光學(xué)鏡頭長期暴露在含塵環(huán)境中，測(cè)量環(huán)境中的顆粒物會(huì)附著于光學(xué)鏡頭，造成光學(xué)鏡頭對(duì)顆粒物光散射信號(hào)感知度的下降[8-9]，當(dāng)測(cè)量環(huán)境濕度較高時(shí)，會(huì)增加顆粒物的黏度[10-11]，加快光學(xué)鏡頭的污染速度，形成測(cè)量誤差，同時(shí)測(cè)量環(huán)境中可能存在腐蝕性液滴和氣體[12]，腐蝕光學(xué)鏡頭表面和加快顆粒物在光學(xué)鏡頭上的吸附，對(duì)光散射法測(cè)量顆粒物濃度的精度造成了較大的影響，為了解決光散射法鏡頭污染的問題，國內(nèi)外都采用保護(hù)氣幕的方法進(jìn)行防護(hù)[13-14]，只能延緩光學(xué)鏡頭的污染速度，當(dāng)存在儀器停機(jī)或者保護(hù)氣幕短暫消失后，光學(xué)鏡頭可能受到嚴(yán)重的污染。

本文針對(duì)光散射系統(tǒng)中光學(xué)檢測(cè)鏡頭容易受到污染的問題，設(shè)計(jì)了雙光路顆粒物檢測(cè)系統(tǒng)，利用一束激光檢測(cè)鏡頭受到的污染程度，結(jié)合米散射理論，對(duì)含激光檢測(cè)鏡頭污染度的光散射顆粒物濃度計(jì)算方法進(jìn)行研究和修正，消除了由于激光檢測(cè)鏡頭受到污染后造成的系統(tǒng)誤差。

1 雙光路污染自檢原理與方法

1.1 雙光路顆粒物檢測(cè)原理

雙光路顆粒物濃度檢測(cè)系統(tǒng)如圖1所示，檢測(cè)激光器發(fā)射波長為655 nm，功率為10 mW的激光，檢測(cè)激光光斑直徑為Φ2 mm，激光照射到待檢測(cè)的顆粒物上發(fā)生散射，激光檢測(cè)鏡頭與檢測(cè)激光光束的夾角θ=20°，激光檢測(cè)鏡頭檢測(cè)散射光強(qiáng)度，散射光強(qiáng)信號(hào)反映了顆粒物濃度。穿過顆粒物的透射光束采用光陷阱進(jìn)行收集，進(jìn)行激光檢測(cè)鏡頭污染度自檢時(shí)，濾除檢測(cè)暗室中的顆粒物，自檢激光器發(fā)射波長為655 nm，功率為0.1～0.5 mW，光斑直徑為Φ2 mm的激光，自檢激光光斑直徑比激光檢測(cè)鏡頭直徑略小0.2 mm，以確保檢測(cè)到完整的激光檢測(cè)鏡頭，同時(shí)預(yù)留安裝及加工誤差，自檢激光直接照射到激光檢測(cè)鏡頭，分析計(jì)算自檢激光的信號(hào)強(qiáng)度計(jì)算激光檢測(cè)鏡頭的污染度。

圖1 雙光路顆粒物濃度檢測(cè)原理圖

1.2 光學(xué)鏡頭污染度自檢實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)主要測(cè)量散射光探測(cè)鏡頭在不同污染度下的衰減強(qiáng)度，激光檢測(cè)鏡頭污染度檢測(cè)裝置如圖2所示，選用具有代表性的A1粉塵作為測(cè)試顆粒物，利于發(fā)塵器及粉塵風(fēng)洞產(chǎn)生顆粒物濃度為0.1～100 mg/m3，風(fēng)速為0.5～5 m/s的含塵氣流，通過等速抽氣泵將顆粒物抽取至光學(xué)檢測(cè)暗室中完成顆粒物濃度測(cè)量。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置圖

首先測(cè)量潔凈的散射光測(cè)量鏡頭在不同顆粒物濃度下的散射光信號(hào)值，然后長時(shí)間工作使激光檢測(cè)鏡頭造成不同程度的污染，利用污染度自檢激光器完成激光檢測(cè)鏡頭的污染度測(cè)量，同時(shí)測(cè)量不同污染度下不同顆粒物濃度的散射光信號(hào)值，分析數(shù)據(jù)后得到不同污染度下的檢測(cè)信號(hào)修正曲線，實(shí)現(xiàn)顆粒物濃度的準(zhǔn)確測(cè)量。

2 污染度自檢計(jì)算方法

2.1 光學(xué)法顆粒物濃度計(jì)算方法

根據(jù)Mie散射理論[15-16]，單個(gè)直徑為d且近似球形的粉塵顆粒，受到光強(qiáng)為I0的入射光照射時(shí)，在與粉塵顆粒相距r，且與光軸成散射角θ，其示意圖如圖1所示，激光檢測(cè)鏡頭處的散射光強(qiáng)I為

(1)

式中:λ為入射光波長；S1(θ)為垂直于偏振光的振幅函數(shù)；S2(θ)為平行于偏振光的振幅函數(shù);φ為偏振光的偏振角。

(2)

式中：an、bn為Mie散射系數(shù)；πn、τn為散射光的散射角函數(shù)。

(3)

函數(shù)Ψn(x)及ξn(x)的表達(dá)式為

(4)

式中：Jn+1/2(x)為半整數(shù)階的第一類貝塞爾函數(shù)；Yn+1/2(x)為半整數(shù)階的第二類貝塞爾函數(shù)。

(5)

對(duì)濃度為c，體積為V的顆粒物散射系進(jìn)行激光照射，得到顆粒物散射系的散射光強(qiáng)度為

(6)

可計(jì)算得到顆粒物濃度為

(7)

2.2 含鏡頭污染度的顆粒物濃度計(jì)算方法

在圖1所示的激光檢測(cè)系統(tǒng)中，抽取樣氣為潔凈空氣時(shí)，自檢激光器固定發(fā)射功率為0.3 mW的激光束，干凈的激光檢測(cè)鏡頭檢測(cè)到的散射光強(qiáng)為I1，激光檢測(cè)鏡頭受到污染后檢測(cè)到的光電信號(hào)為I2，則激光檢測(cè)鏡頭的污染度PN表達(dá)式為

(8)

當(dāng)激光檢測(cè)鏡頭的污染程度為PN時(shí)，激光檢測(cè)鏡頭檢測(cè)到的散射光強(qiáng)為I測(cè)，即顆粒物濃度計(jì)算公式中的I總，則真實(shí)的顆粒物散射光強(qiáng)I真為

(9)

得到真實(shí)顆粒物濃度表達(dá)式為

(10)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 不同污染度下顆粒物濃度測(cè)量結(jié)果

實(shí)驗(yàn)用顆粒物采用A1標(biāo)準(zhǔn)塵，A1標(biāo)準(zhǔn)塵的粒度分布如表1所示。

表1 A1標(biāo)準(zhǔn)粉塵粒度分布

由標(biāo)準(zhǔn)粒徑分布的顆粒物形成實(shí)驗(yàn)用含塵氣流，在圖1所示的散射角度下，不同的顆粒物濃度具有不同的光散射強(qiáng)度，提高含塵氣流的顆粒物濃度，獲得光學(xué)鏡頭不同的污染度，測(cè)得光學(xué)鏡頭污染度PN=5.23%時(shí)，采用手工采樣法測(cè)得顆粒物濃度和污染后的光學(xué)機(jī)構(gòu)測(cè)得的顆粒物濃度對(duì)比曲線如圖3所示。

圖3 污染度PN=5.23%時(shí)，測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比

測(cè)得光學(xué)鏡頭污染度PN=11.5%時(shí)，采用手工采樣法測(cè)得顆粒物濃度和污染后的光學(xué)機(jī)構(gòu)測(cè)得的顆粒物濃度對(duì)比曲線如圖4所示。

圖4 污染度PN=11.5%時(shí)，測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比

測(cè)得光學(xué)鏡頭污染度PN=15.13%時(shí)，采用手工采樣法測(cè)得顆粒物濃度和污染后的光學(xué)機(jī)構(gòu)測(cè)得的顆粒物濃度對(duì)比曲線如圖5所示。

圖5 污染度PN=15.13%時(shí)，測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比

測(cè)得光學(xué)鏡頭污染度PN=25.18%時(shí)，采用手工采樣法測(cè)得顆粒物濃度和污染后的光學(xué)機(jī)構(gòu)測(cè)得的顆粒物濃度對(duì)比曲線如圖6所示。

圖6 污染度PN=25.18%時(shí)，測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比

從圖3、圖4、圖5和圖6的數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，光學(xué)鏡頭污染度越大時(shí)，光學(xué)法所測(cè)得顆粒物濃度值與真值的誤差越大，出現(xiàn)明顯負(fù)偏差，通過計(jì)算，得到激光鏡頭污染度分別為5.23%、11.5%、15.13%和25.18%時(shí)，顆粒物濃度測(cè)量誤差曲線如圖7所示，當(dāng)光學(xué)鏡頭污染度越高時(shí)，光學(xué)法測(cè)量顆粒物濃度的誤差越大，且光散射法測(cè)量顆粒物濃度誤差與污染度密切相關(guān)。

圖7 不同污染度的測(cè)量誤差

4.2 含鏡頭污染度的顆粒物濃度測(cè)量修正

受到污染的光學(xué)鏡頭對(duì)光強(qiáng)信號(hào)的感知度下降，嚴(yán)重影響光散射法測(cè)量顆粒物濃度的準(zhǔn)確度，利用式(10)含有污染度修正系數(shù)的光散射顆粒物濃度計(jì)算公式，對(duì)圖3、圖4、圖5和圖6的顆粒物濃度測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，得到修正后的顆粒物濃度測(cè)量誤差曲線如圖8所示。由誤差曲線可以得到，含有污染度修正的光散射法測(cè)量顆粒物濃度，當(dāng)顆粒物濃度范圍為0～10 mg/m3時(shí)，測(cè)量誤差小于等于11.92%，即使光學(xué)鏡頭污染度為25.18%，修正后的測(cè)量結(jié)果基本滿足顆粒物濃度測(cè)量設(shè)備對(duì)檢測(cè)精度的要求。

圖8 含污染度修正的測(cè)量誤差曲線

5 結(jié)束語

光散射法測(cè)量顆粒物濃度，其激光檢測(cè)鏡頭容易受到污染，對(duì)顆粒物的光散射信號(hào)感知度下降，造成光散射法測(cè)量顆粒物濃度的負(fù)偏差，嚴(yán)重影響光學(xué)儀器的測(cè)量精度。采用雙光路顆粒物濃度檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)測(cè)量激光檢測(cè)鏡頭的污染程度，結(jié)合米式散射理論計(jì)算，利用測(cè)量的光學(xué)鏡頭污染度對(duì)顆粒物濃度測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，雙光路顆粒物濃度檢測(cè)系統(tǒng)能夠用于光學(xué)鏡頭污染度檢測(cè)，提升了光學(xué)法顆粒物濃度測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量準(zhǔn)確度，當(dāng)光學(xué)鏡頭污染程度達(dá)到25%時(shí)，修正后的顆粒物濃度測(cè)量誤差≤11.92%。