曾世清，范鋒鋒，龔本龍（蘇州工業(yè)園區(qū)鴻基潔凈科技有限公司，江蘇蘇州215022）

光散射法粉塵濃度檢測的探討

曾世清，范鋒鋒，龔本龍（蘇州工業(yè)園區(qū)鴻基潔凈科技有限公司，江蘇蘇州215022）

本文簡單介紹了光散射粉塵檢測的原理，提出了光散射法在不同粉塵濃度環(huán)境下的檢測方法。

粉塵濃度檢測；光散射；散射光能量；入射光能量；顆粒數(shù)濃度；體積濃度；質(zhì)量濃度

1 概述

粉塵顆粒的范圍很廣泛，顆粒大小從納米級到數(shù)千微米范圍，它們對環(huán)境污染、能源消耗、人類健康、產(chǎn)品質(zhì)量、生物生長、疾病防控、氣候變化等都有很重大影響。對粉塵顆粒大小、數(shù)量或濃度的測量在國民活動中具有非常重要的意義，也是需要得到廣泛推廣、運(yùn)用和優(yōu)化的技術(shù)。

2 光散射法粉塵顆粒檢測原理

粉塵顆粒檢測方法有多種：稱重法，光閃射法，β射線法，微量振蕩天平法，等等。這幾種方法中，光散射法具有檢測速度快速、重復(fù)性好、數(shù)據(jù)處理及時等優(yōu)勢，在粉塵濃度檢測中得到廣泛運(yùn)用。

光散射是指光線通過不均勻的介質(zhì)而偏離其原來的傳播方向并散開到所有方向的現(xiàn)象。

粉塵顆粒通過光照射時會產(chǎn)生散射光，顆粒大時散射光信號強(qiáng)，散射光光強(qiáng)與顆粒粒徑成正比。當(dāng)光波在懸浮有顆粒的空氣中穿過時，會有折射和吸收等特性而出現(xiàn)能量耗散，光強(qiáng)而達(dá)到衰減?？捎肂LBL定律描述：

這里：τ稱為介質(zhì)的濁度，l是光波通過介質(zhì)的距離。T=τ·l稱為光波傳播方向的光學(xué)厚度。

光散射的規(guī)律比較復(fù)雜，當(dāng)光學(xué)厚度T<0.1時，顆粒之間的距離足夠大，以至于一個顆粒的散射不會因?yàn)槠渌w粒的存在而受到影響，單散射占絕對優(yōu)勢；當(dāng)光學(xué)厚度T>0.3時，復(fù)散射起絕對作用；當(dāng)0.3>T>0.1時，可按單散射處理，但需適當(dāng)修正。為了更準(zhǔn)確的檢測空氣中懸浮顆粒的濃度，光學(xué)厚度T盡量縮小。

一個顆粒單位時間內(nèi)散射的全部光能量Esca等于入射光單位時間內(nèi)投射到該顆粒散射截面上的能量。

這里：Csca散射截面，Esca散射光能量，I0入射光強(qiáng)，Sp光傳播方向的投影面積。

一個顆粒單位時間內(nèi)散射的全部光能量與投射到該顆粒全部光能量之比為散射系數(shù)：

一個顆粒單位時間內(nèi)從原始的入射光中消除的總能量為：

消光系數(shù)為：

單位體積內(nèi)的總顆粒數(shù)：

顆粒濁度：

3 不同環(huán)境狀態(tài)下的粉塵濃度檢測方法

根據(jù)以上光散射粉塵濃度檢測原理，不同的粉塵濃度的光學(xué)特性不同，所以檢測方法不一樣。

3.1 低濃度粉塵顆粒檢測

在潔凈空氣中，懸浮的顆粒濃度較低，當(dāng)光線照射到采樣的流動空氣時，懸浮的顆粒會魚貫穿過設(shè)計(jì)為較窄小的光線，光電傳感器檢測到每個顆粒的光能量Esca并將光能轉(zhuǎn)化為電信號，根據(jù)式（2），電信號的強(qiáng)度與顆粒大小Csca散射截面成正比，電信號的數(shù)量即是顆粒數(shù)量，按式（6）可計(jì)算出顆粒數(shù)濃度。

在潔凈的空氣環(huán)境中，因單個顆粒的Eext非常小，消光系數(shù)Kext非常小，所以，顆粒濁度τ非常小，在潔凈環(huán)境中不宜采用顆粒濁度τ來評價環(huán)境。只能以顆粒大小和數(shù)量來衡量環(huán)境狀態(tài)。這種檢測儀器一般采用塵埃粒子計(jì)數(shù)器來檢測空氣環(huán)境中懸浮顆粒的大小和數(shù)量。

3.2 高濃度多分散粉塵顆粒檢測

在較高粉塵濃度的空氣中，因懸浮的顆粒間距很小，有的甚至為重疊，光學(xué)厚度T>0.1，在光照射下顆粒會出現(xiàn)復(fù)散射，這種環(huán)境檢測顆粒直徑和顆粒數(shù)誤差很大，只能檢測環(huán)境顆粒的濁度τ。

當(dāng)光線照射到采樣的流動空氣時，懸浮的顆粒會一批一批的穿過設(shè)計(jì)為較窄小的光線，光電傳感器檢測到的是顆粒群的光能量Esca并將光能轉(zhuǎn)化為電信號，根據(jù)式（4），電信號的強(qiáng)度與顆粒群的消光能力Cext消光截面成正比，電信號的量即是顆粒的總濁度τ，按式（7）可計(jì)算出顆粒濁度。

在濃度檢測時，盡量合理設(shè)計(jì)光通過介質(zhì)的距離，盡量減小光學(xué)厚度T，通過校準(zhǔn)可很準(zhǔn)確檢測出體積濃度。這種環(huán)境一般采用粉塵檢測儀來檢測環(huán)境的單位體積內(nèi)粉塵的體積（ml/m3）或單位體積內(nèi)粉塵的質(zhì)量（mg/m3）。

如果在空氣環(huán)境顆粒較高濃度的情況下必須檢測顆粒大小和顆粒數(shù)時，可采用潔凈空氣稀釋辦法，將顆粒濃度高的空氣按流量比例稀釋為含塵濃度較低的空氣，采用塵埃粒子計(jì)數(shù)器檢測顆粒大小和數(shù)量，將檢測結(jié)果再乘以稀釋比，就可還原為較高環(huán)境的顆粒粒徑和數(shù)量。這種檢測方法因被檢測的空氣經(jīng)過的環(huán)節(jié)較多，誤差會較大。

4 結(jié)論

（1）對于潔凈環(huán)境，粉塵濃度較低，一般采用塵埃粒子計(jì)數(shù)器來檢測環(huán)境的懸浮顆粒大小和數(shù)量。

（2）對于較高濃度粉塵環(huán)境，一般采用粉塵檢測儀來檢測空氣環(huán)境的粉塵體積濃度或質(zhì)量濃度。也可采用稀釋器的辦法將被測空氣稀釋后檢測顆粒大小和數(shù)量。

[1]陳戈珩，劉小貝.光散射法低功耗粉塵檢測系統(tǒng).長春工業(yè)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2016，37（3）：246～251.

[2]胡 澄，鄒麗新，季晶晶，黃惠杰.基于光散射的粉塵濃度測量的研究.潔凈與空調(diào)技術(shù)，2003.

[3]蔡小舒，蘇明旭，沈建琪.顆粒粒度測量技術(shù)及應(yīng)用.化學(xué)工業(yè)出版社，2010，8.

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2095-2066（2016）32-0003-01

2016-11-1