個(gè)體呼吸性粉塵質(zhì)量濃度監(jiān)測(cè)儀的設(shè)計(jì)研究

張 強(qiáng)

中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司 重慶 400037

粉塵是作業(yè)場(chǎng)所的主要災(zāi)害之一，長(zhǎng)期吸入粉塵可引發(fā)嚴(yán)重的塵肺病，給作業(yè)人員身體健康帶來(lái)嚴(yán)重的影響。目前主要通過(guò)安裝粉塵質(zhì)量濃度傳感器對(duì)作業(yè)場(chǎng)所進(jìn)行定點(diǎn)監(jiān)測(cè)，對(duì)作業(yè)人員呼入呼吸性粉塵的質(zhì)量濃度主要通過(guò)個(gè)體采樣方式實(shí)現(xiàn)，無(wú)法對(duì)作業(yè)人員直接吸入的呼吸性粉塵質(zhì)量濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[1-3]。因此筆者研究了針對(duì)作業(yè)人員個(gè)體呼吸性粉塵質(zhì)量濃度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了作業(yè)人員接觸呼吸性粉塵質(zhì)量濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為粉塵職業(yè)危害研究提供了有力的數(shù)據(jù)支撐。

1 工作原理

個(gè)體呼吸性粉塵質(zhì)量濃度監(jiān)測(cè)技術(shù)原理如圖1 所示。含塵氣流通過(guò)抽氣泵的作用，經(jīng)過(guò)呼吸性粉塵分離器分離后，再送入光學(xué)檢測(cè)單元，采用 MIE 氏散射原理進(jìn)行呼吸性粉塵質(zhì)量濃度的檢測(cè)。為了保證抽氣流量的穩(wěn)定，通過(guò)對(duì)抽氣管路抽氣流量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和抽氣泵的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)抽氣流量的閉環(huán)控制。

圖1 個(gè)體呼吸性粉塵質(zhì)量濃度監(jiān)測(cè)技術(shù)原理Fig.1 Principle of individual respirable dust mass concentration monitoring technology

2 質(zhì)量濃度監(jiān)測(cè)儀設(shè)計(jì)研究

2.1 呼吸塵連續(xù)分離器

呼吸塵連續(xù)分離器采用旋風(fēng)分離原理，需要滿(mǎn)足 BMRC 曲線的要求。首先初步設(shè)計(jì)分離器各結(jié)構(gòu)尺寸，再依據(jù)響應(yīng)曲面法給出需要進(jìn)行流場(chǎng)模擬的計(jì)算工況，接著對(duì)推薦工況進(jìn)行流場(chǎng)模擬，計(jì)算各工況分離效率，最后基于響應(yīng)曲面法擬合分離效能公式，得出分離器的最佳尺寸。

依據(jù)平衡軌道模型，根據(jù) BMRC 曲線分離標(biāo)準(zhǔn)，建立分離器三維模型，使用 Gambit 對(duì)分離管進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖2 所示。

圖2 分離器網(wǎng)格劃分Fig.2 Grid division of separator

選用相應(yīng)軟件對(duì)設(shè)計(jì)的呼吸性粉塵旋風(fēng)分離器的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬。為了有效地進(jìn)行仿真，使用離散相模型，在動(dòng)量方程中忽略粉塵顆粒間的互相碰撞帶來(lái)的影響。呼吸性粉塵旋風(fēng)分離器由于應(yīng)用時(shí)采樣流量較小，內(nèi)部氣體運(yùn)動(dòng)速度較小，因此采用雷諾應(yīng)力模型對(duì)呼吸性粉塵旋風(fēng)分離器氣相流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，同時(shí)分析結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)其分布的影響[4-5]。

在FLUENT 中對(duì)不同結(jié)構(gòu)旋風(fēng)分離器的捕集效率進(jìn)行了模擬仿真，如圖3 所示，根據(jù)響應(yīng)曲面法確定旋風(fēng)分離器的有效尺寸。

圖3 分離器內(nèi)部顆粒軌跡分布Fig.3 Particle trajectory distribution inside separator

2.2 呼吸塵檢測(cè)單元

對(duì)呼吸性粉塵質(zhì)量濃度的檢測(cè)主要根據(jù) MIE 散射原理，通過(guò)研究光學(xué)檢測(cè)的光路結(jié)構(gòu)、布局，配合入射光源和光電檢測(cè)器地選擇，獲得最靈敏的粉塵散射光強(qiáng)與粉塵質(zhì)量濃度響應(yīng)曲線。

呼吸性粉塵光學(xué)檢測(cè)單元如圖4 所示，主要包括激光光源、光學(xué)透鏡組、凹面聚光鏡、光電傳感器和光陷阱，整個(gè)單元封裝在一個(gè)遮光的腔體內(nèi)。激光光源可以發(fā)射固定波長(zhǎng)的單色激光，光學(xué)透鏡組使得激光聚集成平行的激光束，凹面聚光鏡用于收集激光經(jīng)過(guò)被測(cè)粉塵后的散射光，光電傳感器用于檢測(cè)激光經(jīng)過(guò)被測(cè)粉塵后的散射光強(qiáng)，光陷阱用于吸收通過(guò)被測(cè)粉塵的入射光[6-7]。

圖4 光學(xué)檢測(cè)單元Fig.4 Optical detection unit

為了防止光學(xué)檢測(cè)單元被粉塵污染，在光學(xué)檢測(cè)單元采用抗污染設(shè)計(jì)：①檢測(cè)單元內(nèi)部采用涂層方式，防塵粉塵粘連；② 檢測(cè)單元的進(jìn)氣口采用錐形結(jié)構(gòu)，減小粉塵在檢測(cè)單元內(nèi)部的擴(kuò)散量；③在凹面聚光鏡表面鍍金，防止粉塵粘連；④ 檢測(cè)單元內(nèi)部設(shè)計(jì)反吹結(jié)構(gòu)，將擴(kuò)散至檢測(cè)單元內(nèi)部的粉塵從出氣口排出。

2.3 抽氣流量控制系統(tǒng)

采用旋風(fēng)分離器對(duì)呼吸性粉塵進(jìn)行分離。由于旋風(fēng)分離器要求抽氣流量在 2 L/Min，因此筆者采用孔板流量計(jì)進(jìn)行抽氣流量的監(jiān)測(cè)，再采用經(jīng)典的 PID 控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)抽氣流量的恒定控制[8]。抽氣流量恒定控制結(jié)構(gòu)如圖5 所示。當(dāng)監(jiān)測(cè)的流量低于設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)高抽氣泵的轉(zhuǎn)速，從而增大整個(gè)氣路的抽氣流量；當(dāng)監(jiān)測(cè)的流量高于設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)降低抽氣泵的轉(zhuǎn)速，從而減小整個(gè)氣路的抽氣流量。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)置超限值回差機(jī)制，從而避免流量在設(shè)定值附近反復(fù)動(dòng)作。通過(guò)以上 PID 控制技術(shù)地自動(dòng)調(diào)節(jié)，使得流量始終穩(wěn)定在設(shè)定值附近，從而保證抽氣流量的恒定。

圖5 抽氣流量恒定控制結(jié)構(gòu)Fig.5 Pumping flow constant control structure

2.4 硬件設(shè)計(jì)

個(gè)體呼吸性粉塵質(zhì)量濃度監(jiān)測(cè)儀的硬件結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

圖6 監(jiān)測(cè)儀硬件結(jié)構(gòu)Fig.6 Hardware structure of monitor

(1) 激光器驅(qū)動(dòng)電路 選用 670 nm 的紅外激光二極管作為光學(xué)發(fā)生器件，通過(guò)激光驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)激光二極管產(chǎn)生激光。

(2) 光學(xué)檢測(cè)電路 由于呼吸性粉塵粒徑小，質(zhì)量濃度低，受光照射時(shí)，散射光強(qiáng)度極弱，通過(guò)精密光學(xué)檢測(cè)單元的收集后，照射到光電轉(zhuǎn)換器件上產(chǎn)生的電流為 nA 級(jí)，在檢測(cè)時(shí)很容易被噪聲信號(hào)干擾。為了能準(zhǔn)確地檢測(cè)出這些信號(hào)，要求放大電路具有高增益、低噪聲、低溫漂、高輸入阻抗、低偏置電流的特點(diǎn)，且還應(yīng)具有足夠的信號(hào)帶寬和負(fù)載能力，以及良好的線性和抗干擾能力。

(3) 流量檢測(cè)電路 采用安費(fèi)諾的 NPA 系列差壓傳感器檢測(cè)氣路的壓力差，從而進(jìn)行流量的檢測(cè)。

(4) 數(shù)據(jù)通信電路 采用 CH341T 型 USB 轉(zhuǎn)串口專(zhuān)用芯片設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)通信電路，利用 ARM 芯片的串口通信功能發(fā)送數(shù)據(jù)至 USB 接口，最終實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)儀存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的上傳。

(5) MCU 監(jiān)測(cè)儀中使用工業(yè)級(jí)的 STM32L 系列核心控制芯片。STM32L 系列是具有超低功耗的 M3 芯片，且各個(gè)外部設(shè)備都應(yīng)有自己的獨(dú)立時(shí)鐘開(kāi)關(guān)，可以通過(guò)關(guān)閉相應(yīng)的時(shí)鐘來(lái)降低功耗，滿(mǎn)足個(gè)體監(jiān)測(cè)儀器的應(yīng)用[9]。

2.5 軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)儀的軟件設(shè)計(jì)如圖7 所示。首先儀器開(kāi)機(jī)之后，整個(gè)系統(tǒng)初始化，各種參數(shù)自動(dòng)配置，然后分析觸摸事件。緊接著可進(jìn)行 3 個(gè)方面的動(dòng)作：①進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，并將獲得設(shè)置的參數(shù)存入儀器中；② 啟動(dòng)儀器進(jìn)行測(cè)試，并將測(cè)試結(jié)果輸出顯示；③可進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄查詢(xún)，使其能進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

圖7 監(jiān)測(cè)儀的軟件設(shè)計(jì)Fig.7 Software design of monitor

3 精度驗(yàn)證

為了驗(yàn)證個(gè)體呼吸性粉塵質(zhì)量濃度監(jiān)測(cè)儀器的測(cè)量精度，在實(shí)驗(yàn)室粉塵風(fēng)硐中，用呼吸性粉塵采樣器和個(gè)體監(jiān)測(cè)儀平行采樣進(jìn)行精度驗(yàn)證試驗(yàn)。呼吸性粉塵采樣器的采樣流量為 2 L/min，相對(duì)誤差為±2.5%，采樣流量穩(wěn)定性為±3%，采樣準(zhǔn)確率為±5%。個(gè)體監(jiān)測(cè)儀采樣流量為 2 L/min，相對(duì)誤差為±2.5%，采樣流量穩(wěn)定性為±3%，測(cè)量誤差為±10%。監(jiān)測(cè)儀測(cè)量精度試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1 所列。與采樣器檢測(cè)數(shù)據(jù)相比，監(jiān)測(cè)儀最大的檢測(cè)誤差為 9.77%。

表1 監(jiān)測(cè)儀測(cè)量精度試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 Test data of measurement accuracy of monitor

4 結(jié)語(yǔ)

采用 MIE 散射原理設(shè)計(jì)了個(gè)體呼吸性粉塵質(zhì)量濃度監(jiān)測(cè)儀，通過(guò)闡述呼吸性粉塵分離器的仿真過(guò)程以及光學(xué)檢測(cè)單元和流量控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理，重點(diǎn)介紹了監(jiān)測(cè)儀的硬件組成部分和軟件框架。通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)，驗(yàn)證了個(gè)體呼吸性粉塵質(zhì)量濃度監(jiān)測(cè)儀可以檢測(cè) 0～200 mg/m3的呼吸性粉塵，分辨率達(dá)到 0.01 mg/m3，最大檢測(cè)誤差為 9.77%。