無動(dòng)力粉塵濃度檢測(cè)技術(shù)

吳付祥

（中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶400037）

粉塵危害是眾所周知的，不僅傷害人體呼吸系統(tǒng)，嚴(yán)重者成為塵肺??；而且在高粉塵濃度時(shí)有粉體爆炸的危險(xiǎn)。因此，對(duì)作業(yè)場(chǎng)所的粉塵濃度進(jìn)行檢測(cè)是非常重要的[1-2]。粉塵濃度檢測(cè)主要方法有濾膜稱重法、β 射線法、振蕩天平法、靜電電荷感應(yīng)法和光散射法等，但這些方法應(yīng)用在粉塵檢測(cè)中均存在一定的缺陷[3-6]。為了解決這些問題并實(shí)現(xiàn)粉塵濃度的快速、便捷、準(zhǔn)確的檢測(cè)，提出一種無動(dòng)力粉塵濃度檢測(cè)技術(shù)：首先研究基于Mie 散射原理的無動(dòng)力核心檢測(cè)單元，消除暗室污染，減小儀器體積，實(shí)現(xiàn)工作面粉塵濃度無動(dòng)力等速采樣，提高粉塵濃度檢測(cè)的精度，減小儀器功耗、體積和質(zhì)量；然后對(duì)無動(dòng)力的檢測(cè)單元進(jìn)行各種影響因素的研究。通過研究掌握光散射法粉塵濃度無動(dòng)力等速采樣測(cè)試和在線檢測(cè)的核心技術(shù)，搶占國內(nèi)煤礦井下粉塵監(jiān)測(cè)的高地，打造具備國際領(lǐng)先水平的粉塵檢測(cè)儀器，促進(jìn)粉塵等職業(yè)危害治理的發(fā)展。

1 光散射法檢測(cè)粉塵濃度基本原理及技術(shù)路線

目前，應(yīng)用于粉塵濃度檢測(cè)的光學(xué)方法主要是Mie 散射法[7-8]，光散射法檢測(cè)粉塵濃度基本原理如圖1[9-10]。光散射檢測(cè)裝置由光發(fā)射單元激光器、透鏡、球面聚光鏡、光陷阱和光接收器等組成[11]。當(dāng)光敏感區(qū)無粉塵時(shí)，激光器發(fā)射的激光經(jīng)透鏡后全部被光陷阱吸收，光接收器上沒有光被接收[12]；而當(dāng)光敏感區(qū)有粉塵時(shí)，激光器發(fā)射的光會(huì)被粉塵散射到各個(gè)方向，球面聚光鏡盡可能的收集散射光并傳遞給光接收器，接收器將接收的光強(qiáng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)[13]；然后再根據(jù)不同粉塵濃度大小，獲得不同的光或電信號(hào)[14]?；诖耍瓿晒馍⑸浞z測(cè)粉塵濃度。

圖1 光散射法檢測(cè)粉塵濃度基本原理圖Fig.1 Basic principle diagram of dust concentration detection by light scattering method

無動(dòng)力的粉塵濃度檢測(cè)技術(shù)是基于Mie 散射原理。首先根據(jù)無動(dòng)力機(jī)構(gòu)的通孔直徑和長度在不同現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)速下對(duì)粉塵濃度檢測(cè)的影響進(jìn)行研究，優(yōu)化無動(dòng)力機(jī)構(gòu)的尺寸、消除暗室污染、減小儀器體積、實(shí)現(xiàn)粉塵等速采樣；然后對(duì)影響無動(dòng)力檢測(cè)儀檢測(cè)誤差的各種影響因素進(jìn)行研究，比如風(fēng)速、顏色等。

2 無動(dòng)力機(jī)構(gòu)

提出一種無動(dòng)力機(jī)構(gòu)，解決傳統(tǒng)儀器的檢測(cè)問題，實(shí)現(xiàn)在不同礦山不同工作面的粉塵等速采樣和濃度檢測(cè)，進(jìn)一步減小粉塵濃度檢測(cè)的誤差。無動(dòng)力機(jī)構(gòu)如圖2[15-16]。

圖2 無動(dòng)力機(jī)構(gòu)Fig.2 No power mechanism

由圖2 可知，對(duì)粉塵等速采樣和濃度檢測(cè)的關(guān)鍵位置是無動(dòng)力氣路，而無動(dòng)力氣路的通孔直徑和通孔長度均會(huì)在現(xiàn)場(chǎng)不同風(fēng)速下對(duì)其表現(xiàn)出不同的影響。因此，需要對(duì)無動(dòng)力氣路的通孔直徑和長度在不同風(fēng)速下對(duì)粉塵檢測(cè)影響進(jìn)行研究，最終確定通孔直徑和長度的尺寸。

2.1 無動(dòng)力通孔直徑對(duì)粉塵檢測(cè)的影響

2.1.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)選用的粉塵樣品是煤粉，制作過程如下：從煤礦現(xiàn)場(chǎng)采回較大的煤塊；放入破碎機(jī)進(jìn)行初步粉碎；再使用研磨機(jī)進(jìn)行精細(xì)研磨，使最終煤粉的中位徑均小于＜75 μm；最終將煤粉放置到溫度為（25±5）℃烘箱中進(jìn)行烘干24 h。標(biāo)準(zhǔn)儀器選用粉塵濃度測(cè)量的國際通用儀器：手工采樣器[17-18]。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由定量發(fā)塵器（0～1 000 mg/m3）、靜電除塵器、壓氣泵、除塵管道（風(fēng)硐）、風(fēng)速測(cè)定儀（0～30 m/s）、電腦控制臺(tái)及變頻風(fēng)機(jī)組成粉塵發(fā)塵系統(tǒng)組成。發(fā)塵系統(tǒng)內(nèi)風(fēng)速穩(wěn)定，在變頻風(fēng)機(jī)的作用下，風(fēng)速均勻性偏差≤5%；定量發(fā)塵器將粉塵噴入管道，風(fēng)硐管道截面粉塵濃度均勻性相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差≤5%。實(shí)驗(yàn)室使用恒溫空調(diào)使環(huán)境相對(duì)濕度小于60%RH，溫度為（25±5）℃，且穩(wěn)定。

2.1.2 無動(dòng)力通孔直徑尺寸

加工通孔直徑為15、25、35、45、55、65 mm 的無動(dòng)力機(jī)構(gòu)。激光器、光接收器硅光電池和光陷阱等裝配好后，將不同通孔直徑的無動(dòng)力檢測(cè)單元分別放入到實(shí)驗(yàn)裝置中，根據(jù)礦山工作面現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況將風(fēng)硐風(fēng)速分別設(shè)置為0.5、1、1.5、2、3、4 m/s；發(fā)塵器進(jìn)行發(fā)塵，使用手工采樣器稱重得到發(fā)塵濃度值。然后，使用電腦連接無動(dòng)力單元MCU 的輸出，得到不同風(fēng)速下和不同粉塵濃度下的不同通孔直徑的無動(dòng)力檢測(cè)的AD 值（16 位）。不同風(fēng)速和粉塵濃度下的不同通孔直徑無動(dòng)力單元AD 值如圖3。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：在風(fēng)速≤1.5 m/s 時(shí)，風(fēng)阻對(duì)不同通孔直徑的無動(dòng)力機(jī)構(gòu)有影響，而此時(shí)激光功率起主要作用。圖3（a）～圖3（c）中最大粉塵濃度對(duì)應(yīng)的AD 最大值分別是40 152、47 253、50 123，且最大AD值的通孔直徑分別為15、25、35 mm；隨著風(fēng)速增大，小直徑通孔風(fēng)阻逐步增大，AD 值降低，而大直徑通孔的風(fēng)阻小、粉塵濃度檢測(cè)分辨率升高；當(dāng)風(fēng)速＞1.5 m/s 且＜4 m/s 時(shí)，風(fēng)阻影響不同通孔直徑的無動(dòng)力機(jī)構(gòu)檢測(cè)AD 值作用增強(qiáng)，但激光功率仍有影響。圖3（c）～圖3（e）中最大粉塵濃度對(duì)應(yīng)的AD 值最大分別是50 123、51 324、52 365，且最大AD 值的通孔直徑為35、35、45 mm，粉塵濃度檢測(cè)的分辨率在逐步上升；而當(dāng)風(fēng)速是4 m/s 時(shí)，風(fēng)阻成為影響不同通孔直徑的無動(dòng)力機(jī)構(gòu)檢測(cè)AD 值的主要因素。圖3（f）中最大粉塵濃度對(duì)應(yīng)的AD 值最大值是61 132，分辨率最大，最大AD 值的通孔直徑為55 mm。

實(shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)：通孔直徑的風(fēng)阻和激光器的光功率會(huì)影響粉塵的等速采樣和檢測(cè)AD 值；無論光功率還是風(fēng)阻，對(duì)等速采樣和檢測(cè)的影響均表現(xiàn)在無動(dòng)力機(jī)構(gòu)檢測(cè)輸出的AD 值，AD 值輸出越大，其粉塵濃度檢測(cè)的分辨率越高，其檢測(cè)誤差就更小。

圖3 不同風(fēng)速和粉塵濃度下的不同通孔直徑無動(dòng)力單元AD 值Fig.3 AD values of non-powered units with different through-hole diameters under different wind speeds and dust concentrations

由圖3 可知：通孔直徑為35 mm 時(shí)，無動(dòng)力機(jī)構(gòu)受風(fēng)阻影響較小能滿足等速采樣的要求，同時(shí)檢測(cè)輸出AD 值較大，其分辨率較好。如果選擇的通孔直徑為55 mm，此時(shí)的粉塵濃度檢測(cè)分辨率與通孔直徑35 mm 時(shí)相比較高，但是通孔加大會(huì)增加整個(gè)儀器的體積和質(zhì)量，降低儀器的實(shí)用性是不可行的；再若選擇的通孔直徑為15 mm，此時(shí)雖然體積小，但是風(fēng)阻大，實(shí)現(xiàn)等速采樣較困難亦不可取。因此，為了實(shí)現(xiàn)等速采樣和粉塵濃度檢測(cè)高分辨率，無動(dòng)力機(jī)構(gòu)的通孔直徑選擇為35 mm。

2.2 無動(dòng)力通孔長度對(duì)粉塵檢測(cè)的影響

采用通孔長度為32、122 mm 的無動(dòng)力單元。將2 種無動(dòng)力單元完成光學(xué)器件安裝后分別置于實(shí)驗(yàn)裝置中，發(fā)塵器進(jìn)行發(fā)塵，使用手工采樣器稱重得到發(fā)塵的濃度值。然后，使用電腦連接無動(dòng)力機(jī)構(gòu)單元MCU 的輸出，得到不同粉塵濃度下的無動(dòng)力檢測(cè)的AD 值(16 位)。不同無動(dòng)力通孔長度在不同粉塵濃度下的AD 值如圖4。

圖4 不同無動(dòng)力通孔長度在不同粉塵濃度下的AD 值Fig.4 AD values of different unpowered through hole lengths under different dust concentrations

經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：在不同的粉塵濃度下，無動(dòng)力單元輸出的AD 值差異不大，其標(biāo)定的線性度和分辨率均一致。但是，在實(shí)際的測(cè)試時(shí)，當(dāng)粉塵濃度發(fā)生變化時(shí)，通孔長度為122 mm 的無動(dòng)力單元輸出AD值較32 mm 無動(dòng)力機(jī)構(gòu)滯后，時(shí)效性較差。因此，綜合考慮檢測(cè)儀的體積及便攜性，選用無動(dòng)力機(jī)構(gòu)的通孔長度為32 mm。

3 無動(dòng)力粉塵濃度檢測(cè)影響因素

3.1 環(huán)境風(fēng)速對(duì)粉塵檢測(cè)的影響

由于無動(dòng)力粉塵檢測(cè)單元完全暴露于環(huán)境空氣中，因此對(duì)粉塵濃度檢測(cè)影響最大的因素是風(fēng)速。

將無動(dòng)力粉塵檢測(cè)單元置于實(shí)驗(yàn)裝置中，發(fā)塵器進(jìn)行發(fā)塵，使用圖手工采樣器得到發(fā)塵的濃度值。然后，使用電腦連接檢測(cè)單元MCU 的輸出，得到不同粉塵濃度下的無動(dòng)力檢測(cè)電壓輸出值。5 種不同粉塵濃度下的不同風(fēng)速的輸出電壓值如圖5。

圖5 5 種不同粉塵濃度下的不同風(fēng)速的輸出電壓值Fig.5 Output voltage values of different wind speeds under 5 different dust concentrations

由圖5 可知，在5 種不同的發(fā)塵濃度下，隨著風(fēng)速的增加無動(dòng)力檢測(cè)單元輸出的電壓值逐步的增加，風(fēng)速會(huì)影響無動(dòng)力單元檢測(cè)的粉塵濃度值。因此在檢測(cè)單元中需要安裝風(fēng)速傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)風(fēng)速；再經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，將風(fēng)速測(cè)量值補(bǔ)償?shù)椒蹓m濃度值測(cè)量中。補(bǔ)償之后，使得粉塵濃度值的測(cè)量更精確，可靠性更高，分辨率更高。

3.2 粉塵顏色對(duì)粉塵濃度檢測(cè)的影響

各種作業(yè)場(chǎng)所均可能產(chǎn)生不同種類的粉塵，比如：煤礦開采產(chǎn)生的煤炭粉塵、面粉生產(chǎn)廠的面粉、水泥廠的水泥粉塵和拋光打磨車間的鎂鋁合金粉塵等，這些粉塵的顏色不盡相同，分別有黑色、白色、灰色、銀色等。

而采用Mie 散射法，主要部件為激光器和硅光電池，粉塵顏色會(huì)影響散射光的強(qiáng)度，進(jìn)而影響粉塵濃度檢測(cè)的分辨率、量程和誤差等。因此，需對(duì)粉塵顏色影響粉塵濃度檢測(cè)進(jìn)行研究和標(biāo)定，使其適用于不同種類的粉塵濃度檢測(cè)。

選用黑色的煤粉、銀色的鎂鋁合金粉和白色的面粉3 種粉塵進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將無動(dòng)力粉塵檢測(cè)單元置于實(shí)驗(yàn)裝置中，同樣的方式發(fā)塵和獲取粉塵濃度值，使用電腦連接檢測(cè)單元MCU 的輸出，得到不同粉塵濃度下的無動(dòng)力檢測(cè)單元輸出的AD 值（16位）。不同顏色粉塵的不同濃度的檢測(cè)單元輸出AD值如圖6。

圖6 不同顏色粉塵的不同濃度的檢測(cè)單元輸出AD 值Fig.6 The detection unit output AD values of different concentrations of different colors of dust

由圖6 可知：檢測(cè)單元輸出的AD 值隨著粉塵濃度的升高逐步增大，其與粉塵顏色不相關(guān)；在同一種粉塵濃度下，3 種不同顏色的粉塵，隨著顏色由淺入深，AD 輸出值相反由大減小，即白色粉塵在同種濃度下檢測(cè)單元輸出的AD 值最大，黑色粉塵時(shí)AD 值最?。粶\色粉塵標(biāo)定檢測(cè)單元時(shí)，其粉塵濃度檢測(cè)的分辨率最大、檢測(cè)精度最高；而由于AD 位數(shù)的限制，淺色粉塵標(biāo)定檢測(cè)單元的粉塵濃度檢測(cè)量程是最小的。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)，探索了不同顏色對(duì)粉塵濃度檢測(cè)的影響規(guī)律。依據(jù)此規(guī)律，得到不同顏色對(duì)粉塵濃度檢測(cè)影響的影響因子k，且在人機(jī)交互界面內(nèi)設(shè)置菜單選擇顏色種類以達(dá)到選擇不同的顏色影響因子k 的目的。然后，檢測(cè)單元將根據(jù)不同顏色的影響因子進(jìn)行計(jì)算，得出更加準(zhǔn)確的粉塵濃度值。

完成無動(dòng)力機(jī)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)優(yōu)化和無動(dòng)力檢測(cè)單元影響因素研究后，基于Mie 散射法研制成無動(dòng)力粉塵濃度檢測(cè)儀樣機(jī)，使用第2.1.1 節(jié)實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備，以煤粉為測(cè)量介質(zhì)，通過手工采樣稱重方式為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)無動(dòng)力檢測(cè)儀的誤差進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過50 次實(shí)驗(yàn)之后，從中抽取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，樣機(jī)與稱重方式粉塵濃度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1，樣機(jī)相對(duì)誤差小于±10%。

4 結(jié) 論

1）提出一種能夠?qū)崿F(xiàn)等速采樣的無動(dòng)力粉塵檢測(cè)機(jī)構(gòu)，并對(duì)其關(guān)鍵位置的通孔直徑和長度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究；基于最優(yōu)化原則，根據(jù)無動(dòng)力單元AD 值標(biāo)定分辨率完成了無動(dòng)力機(jī)構(gòu)的尺寸設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

2）對(duì)影響無動(dòng)力單元檢測(cè)粉塵濃度的影響因素：風(fēng)速和粉塵顏色進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)分析，并做出算法補(bǔ)償，使無動(dòng)力單元實(shí)用性增強(qiáng)，檢測(cè)誤差減小，標(biāo)定分辨率更高。

表1 樣機(jī)與稱重方式粉塵濃度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表Table 1 Dust concentration test data table of prototype and weighing method

3）完成了一種無動(dòng)力粉塵濃度檢測(cè)樣機(jī)，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明：樣機(jī)檢測(cè)誤差小于10%。