李西剛，蔡 桃

(1.湖南有色冶金勞動(dòng)保護(hù)研究院，湖南長(zhǎng)沙 410014;2.湖南有色金屬職工中等專業(yè)學(xué)校，湖南長(zhǎng)沙 410014)

根據(jù)衛(wèi)生部2010年統(tǒng)計(jì)，自上世紀(jì)50年代以來(lái)，我國(guó)累計(jì)報(bào)告職業(yè)病例749 970例，其中累計(jì)報(bào)告塵肺病676 541例，占90.2%。塵肺病是我國(guó)職業(yè)病發(fā)病率最高、人數(shù)最多的職業(yè)病，是礦難和其它工傷事故死亡人數(shù)的三倍之多。我國(guó)每年因塵肺病造成的直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)80多億元。塵肺病嚴(yán)重威脅著勞動(dòng)者的生命安全與健康，已成為我國(guó)一個(gè)重大的公共衛(wèi)生和社會(huì)問(wèn)題。

塵肺病主要來(lái)源于礦山開采，勞動(dòng)者在礦山開采、掘進(jìn)、鑿巖、爆破、支柱、運(yùn)輸作業(yè)環(huán)境中作業(yè)，長(zhǎng)期吸入帶有粉塵特別是含游離二氧化硅的粉塵的空氣，粉塵長(zhǎng)期滯留在支氣管與肺泡內(nèi)而患上塵肺病。

職業(yè)病與常見病最大的區(qū)別是一旦得了職業(yè)病則很難治愈，這就要求必須采取預(yù)防措施，及時(shí)監(jiān)測(cè)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的粉塵濃度，及時(shí)控制通風(fēng)防塵，使作業(yè)場(chǎng)所粉塵濃度達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)，防止塵肺病的發(fā)生。而粉塵濃度監(jiān)測(cè)是整個(gè)預(yù)防塵肺病過(guò)程的關(guān)鍵，因此及時(shí)監(jiān)測(cè)粉塵濃度是非常必要的。

1 粉塵濃度檢測(cè)儀的發(fā)展概況

在上世紀(jì)80年代以前，我國(guó)工礦企業(yè)大都采用稱重法(重量法)，80年代以后相繼研制出多種類型的粉塵測(cè)定儀，主要有:光吸收法粉塵儀、光散射法粉塵測(cè)塵儀、β射線蓋革計(jì)數(shù)法粉塵測(cè)塵儀，其原理、結(jié)果準(zhǔn)確度和應(yīng)用場(chǎng)所各有優(yōu)點(diǎn)，也各存在一些缺點(diǎn)。

1.1 稱重法

稱重法是傳統(tǒng)測(cè)塵方法，也是用來(lái)標(biāo)定和校正所有新型粉塵濃度測(cè)定儀的標(biāo)準(zhǔn)方法。測(cè)塵過(guò)程是先將收塵濾膜干燥，用天平稱重、編號(hào)、記錄后裝入采樣濾盒中，到作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)后，用大氣采樣器進(jìn)行定時(shí)、流量抽氣采樣，完成后再將濾盒中含有粉塵的濾膜在試驗(yàn)室進(jìn)行干燥、再次稱重，根據(jù)采樣的時(shí)間、流量和粉塵重量(含塵濾膜－空白濾膜)計(jì)算出現(xiàn)場(chǎng)的粉塵濃度。此方法數(shù)據(jù)可靠、準(zhǔn)確度高，不受現(xiàn)場(chǎng)濕度、溫度、粉塵顏色、形狀和理化性質(zhì)影響。缺點(diǎn)是從濾膜準(zhǔn)備到計(jì)算出結(jié)果需要幾十個(gè)小時(shí)，不能做到及時(shí)測(cè)量、及時(shí)控制。

1.2 光電測(cè)塵法

利用光吸收和光散射原理研制的粉塵濃度測(cè)定儀器產(chǎn)品應(yīng)用較多，特別是在煤礦應(yīng)用較多。根據(jù)粉塵對(duì)光吸收原理，粉塵濃度越高，吸收光越多，被測(cè)光強(qiáng)度變?nèi)醯奶攸c(diǎn)，采用激光器產(chǎn)生入射光，照射到分光器上，分光器將入射光分為強(qiáng)度相等的兩束光，一束光作為信號(hào)光束照到測(cè)量區(qū)，然后進(jìn)入光電探測(cè)器，另一束光作為參考光束，直接射到光電探測(cè)器，由于粉塵的吸收和散射作用，前者光強(qiáng)度弱，而后者參考光束光強(qiáng)幾乎等于入射光，兩束光強(qiáng)之差的大小與粉塵濃度大小相關(guān)，經(jīng)過(guò)電子電路和數(shù)據(jù)處理可得出粉塵濃度。充電測(cè)塵原理如圖1所示。此方法優(yōu)點(diǎn)是:操作簡(jiǎn)單、快速、可連續(xù)進(jìn)行粉塵測(cè)定。缺點(diǎn)是:粉塵顆粒的直徑大小、形狀、分布狀況、粉塵顏色對(duì)粉塵濃度的測(cè)定結(jié)果有一定的影響。

圖1 光電測(cè)塵儀原理圖

1.3 β射線蓋革計(jì)數(shù)法

利用粉塵對(duì)β射線有一定的吸收作用的特點(diǎn)，粉塵越多對(duì)β射線吸收越多，探測(cè)到的β射線就越少。因此粉塵測(cè)定過(guò)程是探測(cè)空白濾膜的β射線強(qiáng)度，然后將濾膜移到采樣位置抽氣收集粉塵，再移到β射線源處探測(cè)含塵濾膜的β射線強(qiáng)度(β射線射到蓋革計(jì)數(shù)管上)。粉塵濃度越大，β射線前后強(qiáng)度差越大。經(jīng)過(guò)電子電路和數(shù)據(jù)處理器處理后得出粉塵濃度結(jié)果，其原理如圖2所示。這一方法的優(yōu)點(diǎn)是:測(cè)塵速度快，可連續(xù)進(jìn)行粉塵濃度監(jiān)測(cè)，測(cè)量粉塵不受顏色、形狀、顆粒大小、化學(xué)性質(zhì)的影響，只與粉塵質(zhì)量密度有關(guān)。缺點(diǎn)是:GM計(jì)數(shù)管工作電壓很高(一般在1 300 V以上)。在礦山井下作業(yè)場(chǎng)所濕度很高的環(huán)境中(90%以上)，可能產(chǎn)生不穩(wěn)定因素，特別是在有色冶金礦山井下存在著伴生放射性物質(zhì)，含有放射性粉塵對(duì)測(cè)定結(jié)果有一定的影響;另在測(cè)定過(guò)程中，濾膜要移動(dòng)兩次，在移動(dòng)過(guò)程中，有可能粉塵脫落和錯(cuò)位造成測(cè)量結(jié)果誤差。

2 單晶硅在測(cè)塵儀中的應(yīng)用

圖2 β射線蓋革計(jì)數(shù)法測(cè)塵原理圖

以上幾類測(cè)塵儀各有優(yōu)點(diǎn)，也存在缺點(diǎn)。在有色冶金行業(yè)、礦山企業(yè)，不同的作業(yè)場(chǎng)所產(chǎn)生的粉塵顏色不同，礦山井下濕度一般在90%以上，并含有一定的放射性物質(zhì)，這些都是影響測(cè)定結(jié)果的因素。為解決這一問(wèn)題，某研究院采用工作電壓低、穩(wěn)定性好的單晶硅作為粉塵濃度探測(cè)傳感器，并進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)研究，效果良好。

2.1 單晶硅的粉塵測(cè)量原理

選用放射性同位素C14作為β射線源。其能量為0.158 meV，半衰期5 720 a，強(qiáng)度為500 ui，β射線強(qiáng)度穩(wěn)定。它的能量從0到最大值呈連續(xù)分布，當(dāng)β粒子通過(guò)介質(zhì)(粉塵)時(shí)，與介質(zhì)中的電子發(fā)生碰撞而能量損失并被介質(zhì)吸收，吸收程度與介質(zhì)的顏色、成分、粒度無(wú)關(guān)，只與介質(zhì)的質(zhì)量大小有關(guān)。采用直徑20 mm的單晶硅作為β射線探測(cè)器件，β射線遇到粉塵時(shí)一部分射線被粉塵吸收，單晶硅探測(cè)到的β射線強(qiáng)度減弱，計(jì)數(shù)減少，粉塵濃度越高，β射線強(qiáng)度越弱，計(jì)數(shù)越少。根據(jù)這一原理，將測(cè)量的計(jì)數(shù)通過(guò)電路處理，經(jīng)計(jì)算機(jī)運(yùn)算得出粉塵濃度結(jié)果。

2.2 單晶硅計(jì)數(shù)穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)

單晶硅的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度很高，體積小，工作電壓低，使用壽命長(zhǎng)。缺點(diǎn)是存在一定的暗流而產(chǎn)生噪聲，這種噪聲與外加工作電壓有關(guān)。為了解決單晶硅計(jì)數(shù)的準(zhǔn)確度、重復(fù)性這一問(wèn)題，該院在不同的工作電壓下，在相同的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行了8次計(jì)數(shù)穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 計(jì)數(shù)穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:24 V直流工作電壓下單晶硅的計(jì)數(shù)準(zhǔn)確度高、重復(fù)性、穩(wěn)定性好。

2.3 單晶硅的特性

單晶硅是一種采用特殊工藝，將熔融的單質(zhì)硅在凝固時(shí)使硅原子以金剛石晶格排列成三維空間長(zhǎng)程有序的單晶硅體。單晶硅具有準(zhǔn)金屬的物理性質(zhì)，又有顯著的半導(dǎo)體特征，廣泛用于制造集成電路、晶閘管、半導(dǎo)體元器件、光伏材料等，其化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定。單晶硅對(duì)放射性β射線很敏感，被放射線照射時(shí)單晶硅會(huì)產(chǎn)生電離而形成電子空穴對(duì)，電子空穴對(duì)在外加電場(chǎng)作用下向兩極移動(dòng)，從而產(chǎn)生脈動(dòng)電流，如圖3所示。

圖3 單晶硅對(duì)β射線作用反應(yīng)原理圖

2.4 單晶硅粉塵濃度傳感器的設(shè)計(jì)

綜合國(guó)內(nèi)各種粉塵測(cè)量?jī)x的優(yōu)缺點(diǎn)，排除對(duì)粉塵濃度測(cè)定影響的各種因素，該院設(shè)計(jì)了一種空氣采樣與單晶硅探測(cè)為一體的粉塵濃度傳感器。傳感器結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。將鋁合金棒加工成內(nèi)空直徑為20 mm的柱形空間(采樣測(cè)塵室)上端固定放射性同位素C14 β射線源，下端固定直徑為20 mm單晶硅探測(cè)器，在β射線源與單晶硅之間設(shè)計(jì)一與水平夾角30°的濾膜切面。這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是:增加射線穿透的相對(duì)厚度，提高測(cè)量精度，并且在整個(gè)粉塵測(cè)量過(guò)程中不需移動(dòng)濾膜，保證了測(cè)量的可靠性。采樣測(cè)塵室上端設(shè)計(jì)一個(gè)空氣入口，下端一個(gè)抽氣出口。粉塵測(cè)量時(shí)先測(cè)定空白濾膜的β射線強(qiáng)度I0，然后定時(shí)、定流量抽取含塵空氣，粉塵將滯留在濾膜上。抽氣泵停止工作后單晶硅開始探測(cè)工作，測(cè)定含塵濾膜的數(shù)據(jù)I1，最后測(cè)定粉塵中放射性本底數(shù)據(jù)I2，數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算機(jī)運(yùn)算處理后轉(zhuǎn)換成粉塵濃度結(jié)果，整個(gè)過(guò)程連續(xù)自動(dòng)運(yùn)行。

圖4 傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

粉塵濃度數(shù)學(xué)模型:

式中:C為粉塵濃度;I0為空白濾膜計(jì)數(shù);I1為濾膜和粉塵計(jì)數(shù);I2為粉塵放射性本底計(jì)數(shù);K為修正系數(shù);T為濕的補(bǔ)嘗系數(shù);V為抽氣體積。

2.5 單晶硅的測(cè)塵標(biāo)定

單晶硅測(cè)塵儀的標(biāo)定是以粉塵重量法測(cè)塵為標(biāo)準(zhǔn)，將重量法采樣器與單晶硅測(cè)塵儀放置在粉塵發(fā)生風(fēng)洞中。其原理如圖5所示。

圖5 標(biāo)定實(shí)驗(yàn)圖

在同濃度粉塵環(huán)境中，同時(shí)、同流量進(jìn)行采樣。流量定為30 L/min，采樣時(shí)間同定為12 min。粉塵濃度分別由低到高分級(jí)測(cè)定，最后將測(cè)得的系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出修正系數(shù)K。

單晶硅測(cè)塵儀標(biāo)定后再與“重量法”進(jìn)行測(cè)塵對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 單晶硅測(cè)塵儀與“重量法”測(cè)塵對(duì)比實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:單晶硅傳感器的測(cè)量誤差小、準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定可靠。

2.6 井下濕度測(cè)試實(shí)驗(yàn)及補(bǔ)償修正

濕度是影響井下測(cè)塵的主要因素之一，因?yàn)樗菀彩俏咋律渚€的介質(zhì)，在測(cè)塵過(guò)程中被同時(shí)吸收而造成測(cè)量誤差，為此，必須對(duì)測(cè)量誤差進(jìn)行修正。

該院在某礦山井下作業(yè)場(chǎng)所進(jìn)行了濕度與粉塵樣品中水份含量關(guān)系的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)方法為:將空白濾膜干燥后稱重W1，然后到井下作業(yè)場(chǎng)所定時(shí)、定流量采樣，同時(shí)記錄相對(duì)濕度，稱重W2，此時(shí)，W2為水份、粉塵、濾膜重量之和，再將樣品進(jìn)行干燥處理后(除去水份)稱重W3。用W3減去W1可得出粉塵重量，用W2減去W3可得出水份的重量。在井下現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中取得了32組數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 濕度對(duì)測(cè)塵影響實(shí)驗(yàn)

從表3數(shù)據(jù)分析可知:32個(gè)樣品中相對(duì)濕度在90%以上的有31個(gè)，占樣品總數(shù)的96.9%，這一結(jié)果表明井下相對(duì)濕度在90%以上，而水份增重的變化不大(在0.05～0.40 mg之間)，鑒于這一點(diǎn)，在井下粉塵測(cè)量時(shí)引入一個(gè)濕度修正系數(shù)T來(lái)補(bǔ)償濕度對(duì)測(cè)量的影響。

3 單晶硅測(cè)塵儀礦山井下現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

為了符合有色冶金礦山井下復(fù)雜的測(cè)量條件，將修正調(diào)試后的單晶硅測(cè)塵儀在不同類型礦山(銻礦、銅礦)井下，與重量法進(jìn)行了作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)粉塵測(cè)量對(duì)比實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表4、表5。

根據(jù)表4、表5中數(shù)據(jù)經(jīng)系統(tǒng)誤差和線性回歸統(tǒng)計(jì)分析:應(yīng)用單晶硅粉塵濃度傳感器測(cè)量粉塵，其測(cè)量相對(duì)誤差小于20%，抗干擾能力強(qiáng)，在一定程度上排除了濕度和放射性本底的影響，達(dá)到了有色冶金礦山井下測(cè)塵的要求。

表4 某銻礦井下測(cè)試數(shù)據(jù)

表5 某銅礦井下測(cè)試數(shù)據(jù)

4 結(jié)語(yǔ)

有色金屬礦山井下作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，濕度很大，大都伴生有放射性物質(zhì)，給粉塵濃度測(cè)定帶來(lái)很大的難度。應(yīng)用低電壓的單晶硅作為粉塵濃度傳感器，并采用三次計(jì)數(shù)法和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)獲取濕度補(bǔ)償系數(shù)，能有效解決濕度和放射性本底影響粉塵測(cè)定的問(wèn)題。試驗(yàn)表明，采用單晶硅粉塵濃度傳感器實(shí)時(shí)測(cè)定粉塵濃度是切實(shí)可行的，為粉塵濃度監(jiān)測(cè)儀的發(fā)展提供了一條新的思路和途徑。

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