微尘浓度测量仪的研究

　　1　引　　言

　　随着工农业的发展,特别是工业的发展,粉尘的危害也越来越严重了。工业生产过程不仅源源不断的提供人们需要的产品,而且也不断的产生各种各样的工业粉尘。工业生产交通运输和农业活动,已经产生了大量的粉尘。据统计,农业粉尘约占粉尘总量的10%左右,大量的粉尘来源于工业生产和交通运输。

　　目前我国大气呈煤烟型污染,许多城市空气中的总颗粒悬浮物(TSP)长期居高不下,与世界卫生组织给出的空气质量标准相去甚远[1]。粉尘对人类危害极大,煤矿粉尘可导致煤尘燃烧和爆炸,同时也能诱发职业病——尘肺病。粉尘对人体健康危害极大,尤其以小粒径颗粒物为甚。因为小粒径颗粒物长时间飘浮于大气中,难以沉降到地面,易进入人体呼吸道,且粒径越小,在人体呼吸道中的沉降部位越深,危害就越大。综上所述可以知道,粉尘浓度的测量在环境保护,消防安全和实验领域中都具有十分重要的意义。近数十年来,随着科学技术的不断发展,光电测量技术得到了较大的发展,光学法测粒技术已经发展成为了一个专门的研究领域。目前,已经相继开发和生产了许多种基于不同工作原理的粉尘浓度测量仪器。

　　光散射测粒技术是近二十年来得到迅速发展的一门新兴技术,目前仍在继续发展与进一步完善之中,光散射测粒技术的基本原理是根据颗粒对光的散射信息(例如散射光的角度特性,偏振特性,光强涨落等)来重现散射颗粒的浓度,大小及尺寸分布。

　　2　散射的测量原理和方法

　　2.1　测量原理

　　本研究在理论上主要是根据Mie散射的基本原理。根据Mie散射理论,介质中的微小颗粒对入射光的散射特性与散射颗粒的粒径大小及其相对折射率有关,反映其散射特性的物理量有强度函数、散射系数、吸收系数及消光系数等。在激光散射测量粉尘浓度中,首要的问题是要从理论上精确地计算出光散射的有关物理量。在讨论过程中,都是假定散射为非相干散射,即是假定各散射粒子是相互独立的,各粒子的偶极子辐射是不相干的,则总的散射光强为各独立粒子的辐射波强度相加而得。

　　2.2　测量方法

　　在求尺寸分布的数据处理方法上采用分布函数限制解法[2],假定被测颗粒系的尺寸分布符合Rosin-Rammler分布[3]。

　　其数学分布模型如下:

　　N值越大,说明粒子的尺寸分布越集中:N越小,说明粒子的尺寸分越分散,当N为16时已经接近单一分布了。此处X-意义为:粒子中直径大于X-的粒子体积占粒子总体积的36.8%。V对d求导即可得到粒子的频率分布。

　　在软件上先根据微粒的实际情况设定某些与散射相关的物理量,再根据这些已知物理量算出微粒的平均粒径和浓度。经过大量的假设和计算找出各物理量之间的变化规律,找出最优散射测量角度,画出各物理量之间的关系曲线并建立数据库。在测量时先测出两个不同角度的散射光强比,再根据D-与I1/I2比值的关系曲线得到微粒的平均粒径D-。根据平均粒径和粒径　　分布的关系从而可求得粒子群的归一化频数分布函数nr(D)。在知道了颗粒的粒径分布及出射光强和入射光强的比并算出Mie散射参数后,就可以求出颗粒的浓度[4]。即粉尘的颗粒的粒子数浓度Nv为: