李 超，李田澤，趙云鳳，張淑敏，陳世寶

（山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，山東淄博255091）

國(guó)家衛(wèi)生部門對(duì)生產(chǎn)粉塵濃度規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)［1]為8mg／m3，而我國(guó)陶瓷廠房的粉塵濃度嚴(yán)重超標(biāo)，對(duì)生產(chǎn)工人健康十分不利［2]，因此陶瓷廠房粉塵濃度是否達(dá)標(biāo)已成為國(guó)家亟待解決的問題．近年來國(guó)內(nèi)外多采用光的前向散射原理進(jìn)行粉塵濃度測(cè)量，但是該測(cè)量方法受顆粒大小影響較大．本檢測(cè)儀采用光的后向散射理論，減少了顆粒對(duì)光的吸收量及光的直射干擾，尤其是在陶瓷粉塵顆粒粒徑較小的測(cè)量環(huán)境中，優(yōu)勢(shì)明顯．

1 陶瓷粉塵濃度檢測(cè)原理及應(yīng)用

假設(shè)散射粒子為球形的，其直徑為D，則其尺寸參量為K，研究證實(shí)，顆粒散射光的特性主要取決于尺寸參量［3－4]．當(dāng)顆粒尺寸與入射光波長(zhǎng)可以比擬時(shí)，散射光的強(qiáng)度由Mie散射理論來描述．根據(jù)Mie散射理論，當(dāng)波長(zhǎng)為λ，強(qiáng)度為I0的平行光束入射到顆粒粒徑為D的球形粒子上時(shí)，則在空間與散射粒子距離為r處的散射光強(qiáng)I1為

對(duì)于散射體中的每個(gè)粒子都是暴露在其它粒子的散射光之下的，它散射其它顆粒散射過來的光的一部分，某些被一次散射的光在從散射體中射出去之前，可能經(jīng)過多次散射，但在較低粉塵濃度下進(jìn)行測(cè)量時(shí)，從一次散射光中消除的光對(duì)總光強(qiáng)影響不大［5]，因此多次散射是可以忽略的．由于散射體中粒子隨機(jī)的空間分布，使得散射是不相干的，因而在某一方向上的散射強(qiáng)度就是散射體中各個(gè)粒子在這一方向上的散射強(qiáng)度的相加，這時(shí)若單位體積內(nèi)的顆粒數(shù)為N，則單位散射體的散射系數(shù)為Nσ，用顆粒的平均粒徑來表示散射體中顆粒的粒徑分布，那么當(dāng)光入射到一個(gè)單位散射體上時(shí)，則在距離為r處的散射光強(qiáng)I2為

式中，k為尺寸參量：m為被測(cè)顆粒折射率；θ為散射角；i1（k，m，θ）和i2（k，m，θ）為散射強(qiáng)度函數(shù)，分別表示平行于與垂直于散射面的強(qiáng)度分量．由式（2）可看出，在入射波長(zhǎng)λ、入射光強(qiáng)I0、探測(cè)距離r、被測(cè)粒徑的尺寸參量k、折射率m以及后向散射角θ已知時(shí)，即可得到散射體光強(qiáng)I2．此散射光強(qiáng)與粒子數(shù)濃度成正比，這就是后向散射法測(cè)量陶瓷粉塵濃度的依據(jù)．

光散射分為光的前向散射與光的后向散射．前向散射指與入射方向夾角在－90°～＋90°范圍內(nèi)的光，散射體的前向散射光照較強(qiáng)．當(dāng)粉塵濃度高時(shí)，光的散射強(qiáng)；粉塵濃度低時(shí)，光的散射弱．前向散射過程比較復(fù)雜，當(dāng)粒子濃度高時(shí)，顆粒的遮擋能力也增強(qiáng)，散射呈現(xiàn)無序性；當(dāng)粒子濃度低時(shí)，光敏器件容易受到光的直射，數(shù)據(jù)測(cè)量誤差大．

本文提出采用基于光強(qiáng)后向散射法設(shè)計(jì)一款新型陶瓷粉塵檢測(cè)儀，圖1是后向散射測(cè)量粉塵濃度原理圖．一束光照強(qiáng)度為I0的入射光射入測(cè)量?jī)x后光強(qiáng)減弱，陶瓷粉塵顆粒將其散射到各個(gè)方向，對(duì)于與入射光方向夾角在90°～270°范圍內(nèi)的這部分散射光被稱為后向散射光．

圖1 后向散射測(cè)量原理圖

后向散射光雖然較弱，但其散射的均勻性較好，不會(huì)受到光直射影響．目前陶瓷生產(chǎn)企業(yè)的粉塵粒徑5μm以下約占80．1%～89．9%［6]，基本上與常用的探測(cè)光波長(zhǎng)處于同一數(shù)量級(jí)，所以可用Mie散射理論來計(jì)算粉塵后向散射光強(qiáng)以達(dá)到對(duì)實(shí)際陶瓷廠房粉塵濃度測(cè)量的目的．

2 檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

檢測(cè)儀器光源采用波長(zhǎng)為650nm左右的單色發(fā)光二極管，用可調(diào)恒流源實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)光二極管亮度的精確控制，它主要完成光量的穩(wěn)定輸出．光的發(fā)射與采集利用新型光纖傳感器，新型光纖起傳輸光作用．新型光纖傳感器產(chǎn)生兩束光線，兩Y形光線相距9cm，交匯于一點(diǎn)，其夾角約為11．6°．交叉點(diǎn)距接收透鏡（d＝4cm，f＝7．5cm）35cm，這一部分區(qū)域?yàn)椴蓸訁^(qū)域．接收的光線匯聚到一點(diǎn)，由普通光纖傳輸返回到光敏器件上，如圖2所示．

圖2 新型光纖傳感器與濃度測(cè)量原理圖

如圖3所示，實(shí)驗(yàn)測(cè)量在一個(gè)非封閉黑色的立方體內(nèi)進(jìn)行，橫向裝有12V的風(fēng)扇，保證測(cè)量過程空氣的均勻；縱向用來發(fā)射光，并保證光照能夠順利發(fā)射出去，而不是在一個(gè)空間內(nèi)反射，影響測(cè)量的效果．同時(shí)測(cè)量過程采用差分輸入方式，避免外部環(huán)境光照的影響．

圖3 陶瓷粉塵檢測(cè)裝置圖

陶瓷粉塵濃度檢測(cè)儀器硬件主要包括電源模塊、信號(hào)采集模塊、信號(hào)處理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、顯示模塊、無線發(fā)射接收模塊與報(bào)警模塊，各模塊之間相互協(xié)調(diào)構(gòu)成陶瓷粉塵檢測(cè)儀．系統(tǒng)框圖如圖4所示．

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

檢測(cè)裝置安裝完畢后，就要配置各種不同濃度的陶瓷粉塵．陶瓷粉塵來自淄川一家陶瓷廠，主要成分為高嶺土、粘土、瓷石、瓷土、著色劑、青花料、石灰釉、石灰堿釉等，實(shí)驗(yàn)接近真實(shí)的廠房環(huán)境．

圖4 檢測(cè)系統(tǒng)整體原理框圖

實(shí)驗(yàn)過程中，將檢測(cè)儀器對(duì)不同濃度的陶瓷粉塵進(jìn)行測(cè)量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示．

圖5 陶瓷粉塵濃度值與電壓值曲

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示陶瓷粉塵濃度值與測(cè)量電壓存在很好的線性關(guān)系．采用一元線性回歸法處理得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)．陶瓷粉塵濃度值X與測(cè)量電壓Y回歸方程為Y＝19．608 X＋3256．588．

為了能更真實(shí)的反映此儀器的準(zhǔn)確度，我們?cè)谟帽緳z測(cè)儀器檢測(cè)各個(gè)陶瓷粉塵濃度時(shí)，同時(shí)用濾膜稱重法對(duì)陶瓷粉塵濃度進(jìn)行了測(cè)量．測(cè)量結(jié)果顯示此儀器測(cè)量的陶瓷粉塵濃度值與濾膜稱重法的測(cè)量值平均差值在0．1mg／m3以內(nèi)．如圖6所示．

兩種方法測(cè)出的陶瓷粉塵濃度值均與理論值不同．例如，當(dāng)把7mg的陶瓷粉塵放入測(cè)量?jī)x器時(shí)，此時(shí)理論值應(yīng)為7mg／m3．用本檢測(cè)儀器測(cè)量的濃度值為6．6mg／m3，而濾膜稱重法的測(cè)量值為6．8mg／m3．顯然結(jié)果不同，但是作為監(jiān)測(cè)報(bào)警儀器完全滿足應(yīng)用要求．分析得知造成此結(jié)果的原因是：（1）由于實(shí)驗(yàn)時(shí)粉塵的質(zhì)量很小，當(dāng)放入測(cè)量?jī)x器時(shí)，儀器的內(nèi)壁會(huì)對(duì)這些粉塵有沾附作用；（2）當(dāng)開啟風(fēng)扇時(shí)，內(nèi)部的氣流雖然較均勻，但是陶瓷粉塵也會(huì)出現(xiàn)扎堆的可能，造成測(cè)量值偏大；（3）當(dāng)測(cè)量幾次后，光纖頭不夠清潔，影響了光線的接收，也會(huì)造成誤差．測(cè)量值與生產(chǎn)廠家檢測(cè)值的曲線對(duì)比如圖6所示．

圖6 測(cè)量值與準(zhǔn)確值的曲線對(duì)比

將研制的檢測(cè)儀器在淄川一家陶瓷廠進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，結(jié)果見表1．

表1 儀器測(cè)量與實(shí)際測(cè)量值比較 mg／m3

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定［7]一般工業(yè)用表為0．5～4級(jí)，該儀器的精度達(dá)到1．5級(jí)，能夠滿足測(cè)量要求．

4 結(jié)束語

本文提出將后向散射理論應(yīng)用到陶瓷粉塵濃度檢測(cè)的研究中，檢測(cè)儀器經(jīng)過在實(shí)驗(yàn)室的反復(fù)試驗(yàn)調(diào)試，最終應(yīng)用到陶瓷廠房后獲得了成功．該儀器成本低、抗干擾能力強(qiáng)，更容易在大中型陶瓷生產(chǎn)企業(yè)推廣，具有廣闊的市場(chǎng)前景．

［1] 中華人民共和國(guó)衛(wèi)生部，GBZ 2．2－2007工作場(chǎng)所有害因素職業(yè)接觸限值［S] ．

［2] 熊穎群．陶瓷行業(yè)的粉塵治理［J] ．陶瓷，2010（3）：39－41．

［3] Thomas W V．Light scattering theories and computer codes［J] ．Quant Spectrosc Radiat Transfer，2009，110：833－843．

［4] 蔡小舒，蘇明旭，沈建琪，等．顆粒粒度測(cè)量技術(shù)及應(yīng)用［M] ．北京：化學(xué)工業(yè)出版社．2010：32－48．

［5] Michael I．Mishchenko．Gustav mie and the fundamental concept of electromagnetic scattering by particles：aperspective［J] ．J Quant SpectroscRadiat Transfer，2009，110：1 210－1 222．

［6] 李文勇，梁曉陽，李敏，等．陶瓷粉塵對(duì)工人健康危害的調(diào)查研究［J] ．職業(yè)與健康，2006，22（21）：1 777－1 779．

［7] 王海軍．啤酒生產(chǎn)所用測(cè)量?jī)x表的精度［J] ．設(shè)備管理與維修．2008（8）：22－23．