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有粉體爆炸的危險。因此，對作業(yè)場所的粉塵濃度進(jìn)行檢測是非常重要的[1-2]。粉塵濃度檢測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)用在粉塵檢測中均存在一定的缺陷[3-6]。為了解決這些問題并實現(xiàn)粉塵濃度的快速、便捷、準(zhǔn)確的檢測，提出一種無動力粉塵濃度檢測技術(shù)：首先研究基于Mie 散射原理的無動力核心檢測單元，消除暗室污染，減小儀器體積，實現(xiàn)工作面粉塵濃度無動力等速采樣，提高粉塵濃度檢測的精度，減小儀器功耗、體積和質(zhì)量；然后對無動力的檢測單元進(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力等速采樣測試和在線檢測的核心技術(shù)，搶占國內(nèi)煤礦井下粉塵監(jiān)測的高地，打造具備國際領(lǐng)先水平的粉塵檢測儀器，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)用于粉塵濃度檢測的光學(xué)方法主要是Mie 散射法[7-8]，光散射法檢測粉塵濃度基本原理如圖1[9-10]。光散射檢測裝置由光發(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，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，激光器發(fā)射的光會被粉塵散射到各個方向，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轉(zhuǎn)換成電信號[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[14]?；诖耍瓿晒馍⑸浞z測粉塵濃度。

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

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

2 無動力機構(gòu)

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

圖2 無動力機構(gòu)Fig.2 No power mechanism

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

2.1 無動力通孔直徑對粉塵檢測的影響

2.1.1 實驗準(zhǔn)備

實驗選用的粉塵樣品是煤粉，制作過程如下：從煤礦現(xiàn)場采回較大的煤塊；放入破碎機進(jìn)行初步粉碎；再使用研磨機進(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量的國際通用儀器：手工采樣器[17-18]。

實驗系統(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)速測定儀（0～30 m/s）、電腦控制臺及變頻風(fēng)機組成粉塵發(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標(biāo)準(zhǔn)偏差≤5%。實驗室使用恒溫空調(diào)使環(huán)境相對濕度小于60%RH，溫度為（25±5）℃，且穩(wěn)定。

2.1.2 無動力通孔直徑尺寸

加工通孔直徑為15、25、35、45、55、65 mm 的無動力機構(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力檢測單元分別放入到實驗裝置中，根據(jù)礦山工作面現(xiàn)場實際情況將風(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力檢測的AD 值（16 位）。不同風(fēng)速和粉塵濃度下的不同通孔直徑無動力單元AD 值如圖3。

實驗發(fā)現(xiàn)：在風(fēng)速≤1.5 m/s 時，風(fēng)阻對不同通孔直徑的無動力機構(gòu)有影響，而此時激光功率起主要作用。圖3（a）～圖3（c）中最大粉塵濃度對應(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、粉塵濃度檢測分辨率升高；當(dāng)風(fēng)速＞1.5 m/s 且＜4 m/s 時，風(fēng)阻影響不同通孔直徑的無動力機構(gòu)檢測AD 值作用增強，但激光功率仍有影響。圖3（c）～圖3（e）中最大粉塵濃度對應(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，粉塵濃度檢測的分辨率在逐步上升；而當(dāng)風(fēng)速是4 m/s 時，風(fēng)阻成為影響不同通孔直徑的無動力機構(gòu)檢測AD 值的主要因素。圖3（f）中最大粉塵濃度對應(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。

實驗分析發(fā)現(xiàn)：通孔直徑的風(fēng)阻和激光器的光功率會影響粉塵的等速采樣和檢測AD 值；無論光功率還是風(fēng)阻，對等速采樣和檢測的影響均表現(xiàn)在無動力機構(gòu)檢測輸出的AD 值，AD 值輸出越大，其粉塵濃度檢測的分辨率越高，其檢測誤差就更小。

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，無動力機構(gòu)受風(fēng)阻影響較小能滿足等速采樣的要求，同時檢測輸出AD 值較大，其分辨率較好。如果選擇的通孔直徑為55 mm，此時的粉塵濃度檢測分辨率與通孔直徑35 mm 時相比較高，但是通孔加大會增加整個儀器的體積和質(zhì)量，降低儀器的實用性是不可行的；再若選擇的通孔直徑為15 mm，此時雖然體積小，但是風(fēng)阻大，實現(xiàn)等速采樣較困難亦不可取。因此，為了實現(xiàn)等速采樣和粉塵濃度檢測高分辨率，無動力機構(gòu)的通孔直徑選擇為35 mm。

2.2 無動力通孔長度對粉塵檢測的影響

采用通孔長度為32、122 mm 的無動力單元。將2 種無動力單元完成光學(xué)器件安裝后分別置于實驗裝置中，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，使用電腦連接無動力機構(gòu)單元MCU 的輸出，得到不同粉塵濃度下的無動力檢測的AD 值(16 位)。不同無動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)實驗發(fā)現(xiàn)：在不同的粉塵濃度下，無動力單元輸出的AD 值差異不大，其標(biāo)定的線性度和分辨率均一致。但是，在實際的測試時，當(dāng)粉塵濃度發(fā)生變化時，通孔長度為122 mm 的無動力單元輸出AD值較32 mm 無動力機構(gòu)滯后，時效性較差。因此，綜合考慮檢測儀的體積及便攜性，選用無動力機構(gòu)的通孔長度為32 mm。

3 無動力粉塵濃度檢測影響因素

3.1 環(huán)境風(fēng)速對粉塵檢測的影響

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

將無動力粉塵檢測單元置于實驗裝置中，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，使用電腦連接檢測單元MCU 的輸出，得到不同粉塵濃度下的無動力檢測電壓輸出值。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)速的增加無動力檢測單元輸出的電壓值逐步的增加，風(fēng)速會影響無動力單元檢測的粉塵濃度值。因此在檢測單元中需要安裝風(fēng)速傳感器，實時監(jiān)測風(fēng)速；再經(jīng)過大量的實驗室和現(xiàn)場試驗，將風(fēng)速測量值補償?shù)椒蹓m濃度值測量中。補償之后，使得粉塵濃度值的測量更精確，可靠性更高，分辨率更高。

3.2 粉塵顏色對粉塵濃度檢測的影響

各種作業(yè)場所均可能產(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，粉塵顏色會影響散射光的強度，進(jìn)而影響粉塵濃度檢測的分辨率、量程和誤差等。因此，需對粉塵顏色影響粉塵濃度檢測進(jìn)行研究和標(biāo)定，使其適用于不同種類的粉塵濃度檢測。

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)行實驗，將無動力粉塵檢測單元置于實驗裝置中，同樣的方式發(fā)塵和獲取粉塵濃度值，使用電腦連接檢測單元MCU 的輸出，得到不同粉塵濃度下的無動力檢測單元輸出的AD 值（16位）。不同顏色粉塵的不同濃度的檢測單元輸出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單元輸出的AD 值最大，黑色粉塵時AD 值最?。粶\色粉塵標(biāo)定檢測單元時，其粉塵濃度檢測的分辨率最大、檢測精度最高；而由于AD 位數(shù)的限制，淺色粉塵標(biāo)定檢測單元的粉塵濃度檢測量程是最小的。

根據(jù)實驗，探索了不同顏色對粉塵濃度檢測的影響規(guī)律。依據(jù)此規(guī)律，得到不同顏色對粉塵濃度檢測影響的影響因子k，且在人機交互界面內(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，檢測單元將根據(jù)不同顏色的影響因子進(jìn)行計算，得出更加準(zhǔn)確的粉塵濃度值。

完成無動力機構(gòu)尺寸設(shè)計優(yōu)化和無動力檢測單元影響因素研究后，基于Mie 散射法研制成無動力粉塵濃度檢測儀樣機，使用第2.1.1 節(jié)實驗準(zhǔn)備，以煤粉為測量介質(zhì)，通過手工采樣稱重方式為標(biāo)準(zhǔn)對無動力檢測儀的誤差進(jìn)行實驗。經(jīng)過50 次實驗之后，從中抽取實驗數(shù)據(jù)，樣機與稱重方式粉塵濃度實驗數(shù)據(jù)見表1，樣機相對誤差小于±10%。

4 結(jié) 論

1）提出一種能夠?qū)崿F(xiàn)等速采樣的無動力粉塵檢測機構(gòu)，并對其關(guān)鍵位置的通孔直徑和長度進(jìn)行實驗研究；基于最優(yōu)化原則，根據(jù)無動力單元AD 值標(biāo)定分辨率完成了無動力機構(gòu)的尺寸設(shè)計和優(yōu)化。

2）對影響無動力單元檢測粉塵濃度的影響因素：風(fēng)速和粉塵顏色進(jìn)行了對比實驗分析，并做出算法補償，使無動力單元實用性增強，檢測誤差減小，標(biāo)定分辨率更高。

表1 樣機與稱重方式粉塵濃度實驗數(shù)據(jù)表Table 1 Dust concentration test data table of prototype and weighing method

3）完成了一種無動力粉塵濃度檢測樣機，經(jīng)過實驗證明：樣機檢測誤差小于10%。