光学粉尘浓度测量仪响应特性曲线的计算与分析

　　1　引　言

　　空气中的悬浮颗粒物(也称“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。环境保护部门将空气动力学当量直径≤10μm的颗粒物称为可吸入颗粒物,而将空气动力学当量直径≤7.07μm的颗粒物称为呼吸性颗粒物[1,2]。光学粉尘浓度测量仪(以下简称“光学粉尘仪”)是一种实时、准确测量空气中粉尘相对质量浓度的直读式测量仪器,在用重量法粉尘采样仪器定标后,它可用于测定空气中粉尘浓度的绝对值,其计量单位为mg/m3。光学粉尘仪基于悬浮颗粒物的光散射原理工作,即悬浮颗粒物的质量(或体积)浓度与其产生的散射光强度成正比。颗粒物的光散射特性与其粒径大小密切相关,而以对小粒径颗粒物的测量最为有效,所以光学粉尘仪主要适用于对空气中的可吸入颗粒物和呼吸性颗粒物的监测[3]。

　　光学粉尘仪与光学尘埃粒子计数器都以悬浮颗粒物的光散射现象为工作原理,但它们在测量方法上有差别[3～5]。主要表现在:(1)前者是基于粒子群的光散射,在同一时刻,允许光敏感区内有多个粒子存在,因为一个粒子产生一份散射光,而多个粒子则产生多份散射光,在一定浓度范围内多个粒子在光敏感区同时存在不产生测量误差;而后者是基于单个粒子的光散射,多个同时存在于光敏感区的粒子,将被判定为一个较大的粒子,因而造成重叠误差;(2)在信号处理上,前者注重于散射光强度与粒子体积(或质量)的关系,而后者注重于散射光强度与粒子直径的关系。

　　国外已有多种结构形式的光学粉尘仪生产,并在环保、大气特性研究等领域得到广泛应用,为有效控制空气中的悬浮颗粒物污染、提高人类健康水平提供了详实的科学依据。本文根据Mie散射理论对国外5种商品化的光学粉尘仪的光散射响应特性曲线进行了数值计算与分析,得出了有益于人们使用和设计该类仪器的结果。

　　2　计算方法

　　具有良好性能的光学粉尘仪,接收到的由被测悬浮颗粒物产生的散射光强度应与被测悬浮颗粒物的体积成正比,如已知被测悬浮颗粒物的密度,即可知道被监测环境中的悬浮颗粒物的质量浓度。因此,在评价光学粉尘仪的性能时,通常采用特殊散射函数(Specific ScatteringFunction),其定义是单个颗粒物产生的散射光通量与颗粒物体积(或质量)之比值随颗粒物粒径的变化函数[3,5,6]。如果将这个函数曲线与呼吸性粉尘在人体呼吸道中的沉降效率曲线画在同一张图上,则可看出这两条曲线的吻合程度。这两条曲线越接近,则表明光学粉尘仪的测量结果越能反映出被监测环境空气中的呼吸性粉尘的真实分布情况。特殊散射函数的计算公式如下: