焦 敏

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037)

0 引言

懸浮在空氣中的顆粒物對環(huán)境和空氣質(zhì)量造成嚴(yán)重的影響，危害人的身體健康[1]，目前顆粒物濃度的測量方法有濾膜稱重法、振蕩天平法、β射線法、感應(yīng)電荷法、光散射法等[2-3]。其中光散射法測量顆粒物濃度具有實(shí)時性高、結(jié)構(gòu)簡單和造價低的特點(diǎn)，在無組織排放的大氣顆粒物濃度連續(xù)監(jiān)測、固定污染源有組織排放顆粒物濃度連續(xù)監(jiān)測和工礦企業(yè)顆粒物濃度連續(xù)監(jiān)測領(lǐng)域得到大范圍的推廣[4-7]。

光散射法測量顆粒物濃度時，光學(xué)鏡頭長期暴露在含塵環(huán)境中，測量環(huán)境中的顆粒物會附著于光學(xué)鏡頭，造成光學(xué)鏡頭對顆粒物光散射信號感知度的下降[8-9]，當(dāng)測量環(huán)境濕度較高時，會增加顆粒物的黏度[10-11]，加快光學(xué)鏡頭的污染速度，形成測量誤差，同時測量環(huán)境中可能存在腐蝕性液滴和氣體[12]，腐蝕光學(xué)鏡頭表面和加快顆粒物在光學(xué)鏡頭上的吸附，對光散射法測量顆粒物濃度的精度造成了較大的影響，為了解決光散射法鏡頭污染的問題，國內(nèi)外都采用保護(hù)氣幕的方法進(jìn)行防護(hù)[13-14]，只能延緩光學(xué)鏡頭的污染速度，當(dāng)存在儀器停機(jī)或者保護(hù)氣幕短暫消失后，光學(xué)鏡頭可能受到嚴(yán)重的污染。

本文針對光散射系統(tǒng)中光學(xué)檢測鏡頭容易受到污染的問題，設(shè)計了雙光路顆粒物檢測系統(tǒng)，利用一束激光檢測鏡頭受到的污染程度，結(jié)合米散射理論，對含激光檢測鏡頭污染度的光散射顆粒物濃度計算方法進(jìn)行研究和修正，消除了由于激光檢測鏡頭受到污染后造成的系統(tǒng)誤差。

1 雙光路污染自檢原理與方法

1.1 雙光路顆粒物檢測原理

雙光路顆粒物濃度檢測系統(tǒng)如圖1所示，檢測激光器發(fā)射波長為655 nm，功率為10 mW的激光，檢測激光光斑直徑為Φ2 mm，激光照射到待檢測的顆粒物上發(fā)生散射，激光檢測鏡頭與檢測激光光束的夾角θ=20°，激光檢測鏡頭檢測散射光強(qiáng)度，散射光強(qiáng)信號反映了顆粒物濃度。穿過顆粒物的透射光束采用光陷阱進(jìn)行收集，進(jìn)行激光檢測鏡頭污染度自檢時，濾除檢測暗室中的顆粒物，自檢激光器發(fā)射波長為655 nm，功率為0.1～0.5 mW，光斑直徑為Φ2 mm的激光，自檢激光光斑直徑比激光檢測鏡頭直徑略小0.2 mm，以確保檢測到完整的激光檢測鏡頭，同時預(yù)留安裝及加工誤差，自檢激光直接照射到激光檢測鏡頭，分析計算自檢激光的信號強(qiáng)度計算激光檢測鏡頭的污染度。

圖1 雙光路顆粒物濃度檢測原理圖

1.2 光學(xué)鏡頭污染度自檢實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)主要測量散射光探測鏡頭在不同污染度下的衰減強(qiáng)度，激光檢測鏡頭污染度檢測裝置如圖2所示，選用具有代表性的A1粉塵作為測試顆粒物，利于發(fā)塵器及粉塵風(fēng)洞產(chǎn)生顆粒物濃度為0.1～100 mg/m3，風(fēng)速為0.5～5 m/s的含塵氣流，通過等速抽氣泵將顆粒物抽取至光學(xué)檢測暗室中完成顆粒物濃度測量。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置圖

首先測量潔凈的散射光測量鏡頭在不同顆粒物濃度下的散射光信號值，然后長時間工作使激光檢測鏡頭造成不同程度的污染，利用污染度自檢激光器完成激光檢測鏡頭的污染度測量，同時測量不同污染度下不同顆粒物濃度的散射光信號值，分析數(shù)據(jù)后得到不同污染度下的檢測信號修正曲線，實(shí)現(xiàn)顆粒物濃度的準(zhǔn)確測量。

2 污染度自檢計算方法

2.1 光學(xué)法顆粒物濃度計算方法

根據(jù)Mie散射理論[15-16]，單個直徑為d且近似球形的粉塵顆粒，受到光強(qiáng)為I0的入射光照射時，在與粉塵顆粒相距r，且與光軸成散射角θ，其示意圖如圖1所示，激光檢測鏡頭處的散射光強(qiáng)I為

(1)

式中:λ為入射光波長；S1(θ)為垂直于偏振光的振幅函數(shù)；S2(θ)為平行于偏振光的振幅函數(shù);φ為偏振光的偏振角。

(2)

式中：an、bn為Mie散射系數(shù)；πn、τn為散射光的散射角函數(shù)。

(3)

函數(shù)Ψn(x)及ξn(x)的表達(dá)式為

(4)

式中：Jn+1/2(x)為半整數(shù)階的第一類貝塞爾函數(shù)；Yn+1/2(x)為半整數(shù)階的第二類貝塞爾函數(shù)。

(5)

對濃度為c，體積為V的顆粒物散射系進(jìn)行激光照射，得到顆粒物散射系的散射光強(qiáng)度為

(6)

可計算得到顆粒物濃度為

(7)

2.2 含鏡頭污染度的顆粒物濃度計算方法

在圖1所示的激光檢測系統(tǒng)中，抽取樣氣為潔凈空氣時，自檢激光器固定發(fā)射功率為0.3 mW的激光束，干凈的激光檢測鏡頭檢測到的散射光強(qiáng)為I1，激光檢測鏡頭受到污染后檢測到的光電信號為I2，則激光檢測鏡頭的污染度PN表達(dá)式為

(8)

當(dāng)激光檢測鏡頭的污染程度為PN時，激光檢測鏡頭檢測到的散射光強(qiáng)為I測，即顆粒物濃度計算公式中的I總，則真實(shí)的顆粒物散射光強(qiáng)I真為

(9)

得到真實(shí)顆粒物濃度表達(dá)式為

(10)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 不同污染度下顆粒物濃度測量結(jié)果

實(shí)驗(yàn)用顆粒物采用A1標(biāo)準(zhǔn)塵，A1標(biāo)準(zhǔn)塵的粒度分布如表1所示。

表1 A1標(biāo)準(zhǔn)粉塵粒度分布

由標(biāo)準(zhǔn)粒徑分布的顆粒物形成實(shí)驗(yàn)用含塵氣流，在圖1所示的散射角度下，不同的顆粒物濃度具有不同的光散射強(qiáng)度，提高含塵氣流的顆粒物濃度，獲得光學(xué)鏡頭不同的污染度，測得光學(xué)鏡頭污染度PN=5.23%時，采用手工采樣法測得顆粒物濃度和污染后的光學(xué)機(jī)構(gòu)測得的顆粒物濃度對比曲線如圖3所示。

圖3 污染度PN=5.23%時，測量數(shù)據(jù)對比

測得光學(xué)鏡頭污染度PN=11.5%時，采用手工采樣法測得顆粒物濃度和污染后的光學(xué)機(jī)構(gòu)測得的顆粒物濃度對比曲線如圖4所示。

圖4 污染度PN=11.5%時，測量數(shù)據(jù)對比

測得光學(xué)鏡頭污染度PN=15.13%時，采用手工采樣法測得顆粒物濃度和污染后的光學(xué)機(jī)構(gòu)測得的顆粒物濃度對比曲線如圖5所示。

圖5 污染度PN=15.13%時，測量數(shù)據(jù)對比

測得光學(xué)鏡頭污染度PN=25.18%時，采用手工采樣法測得顆粒物濃度和污染后的光學(xué)機(jī)構(gòu)測得的顆粒物濃度對比曲線如圖6所示。

圖6 污染度PN=25.18%時，測量數(shù)據(jù)對比

從圖3、圖4、圖5和圖6的數(shù)據(jù)對比可以看出，光學(xué)鏡頭污染度越大時，光學(xué)法所測得顆粒物濃度值與真值的誤差越大，出現(xiàn)明顯負(fù)偏差，通過計算，得到激光鏡頭污染度分別為5.23%、11.5%、15.13%和25.18%時，顆粒物濃度測量誤差曲線如圖7所示，當(dāng)光學(xué)鏡頭污染度越高時，光學(xué)法測量顆粒物濃度的誤差越大，且光散射法測量顆粒物濃度誤差與污染度密切相關(guān)。

圖7 不同污染度的測量誤差

4.2 含鏡頭污染度的顆粒物濃度測量修正

受到污染的光學(xué)鏡頭對光強(qiáng)信號的感知度下降，嚴(yán)重影響光散射法測量顆粒物濃度的準(zhǔn)確度，利用式(10)含有污染度修正系數(shù)的光散射顆粒物濃度計算公式，對圖3、圖4、圖5和圖6的顆粒物濃度測量數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，得到修正后的顆粒物濃度測量誤差曲線如圖8所示。由誤差曲線可以得到，含有污染度修正的光散射法測量顆粒物濃度，當(dāng)顆粒物濃度范圍為0～10 mg/m3時，測量誤差小于等于11.92%，即使光學(xué)鏡頭污染度為25.18%，修正后的測量結(jié)果基本滿足顆粒物濃度測量設(shè)備對檢測精度的要求。

圖8 含污染度修正的測量誤差曲線

5 結(jié)束語

光散射法測量顆粒物濃度，其激光檢測鏡頭容易受到污染，對顆粒物的光散射信號感知度下降，造成光散射法測量顆粒物濃度的負(fù)偏差，嚴(yán)重影響光學(xué)儀器的測量精度。采用雙光路顆粒物濃度檢測系統(tǒng)，實(shí)時測量激光檢測鏡頭的污染程度，結(jié)合米式散射理論計算，利用測量的光學(xué)鏡頭污染度對顆粒物濃度測量結(jié)果進(jìn)行修正，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，雙光路顆粒物濃度檢測系統(tǒng)能夠用于光學(xué)鏡頭污染度檢測，提升了光學(xué)法顆粒物濃度測量系統(tǒng)的測量準(zhǔn)確度，當(dāng)光學(xué)鏡頭污染程度達(dá)到25%時，修正后的顆粒物濃度測量誤差≤11.92%。