（环境工程专业论文）矿井环境粉尘实时监测技术与装置的研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 人类利用地下的矿物质，大多数是通过矿井开采实现的。矿井开采过程中产 生的粉尘，不仅会给生产安全带来事故隐患，而且还会污染工作环境，对作业人 员身体健康造成伤害。在我国从事与粉尘接触工作的人员较多，患尘肺病的人数 逐年上升，因此对矿井粉尘科学治理尤为重要。粉尘的治理主要包括粉尘监测和 除尘，特别是对作业场所粉尘浓度的监测尤为重要，它是控制粉尘对人体健康造 成不良影响的主要手段，也是防止粉尘爆炸的一项重要措施。 粉尘监测技术主要有粉尘采样器、测尘仪和粉尘传感器等。采样器测量周期 长，不能及时反映作业地点的粉尘变化情况。目前应用较多的测尘仪虽然可直接 测量和读出测尘地点的粉尘浓度，但即使是经过标定后使用，其测量误差也较大， 且不适用于高浓度粉尘的监测。最近从国外发展起来的粉尘传感器可以实时测量 空气中的粉尘浓度，及时掌握作业环境大气中的粉尘状态，以便采取有效的粉尘 防治技术，改善作业环境。然而，国外已有的粉尘传感器测量宽幅范围窄，测量 精度差，一般测量误差在2 0 左右。 论文基于光散射原理，研制开发出一套采用传感器的矿井环境粉尘实时监测 技术和装置。研究了影响光散射测量粉尘浓度主要因素，设计开发了传感器粉尘 测试窗、光源、探测器，研制了粉尘测试装置的抽气系统、测试电路以及数据处 理软件等，进行了粉尘测试装置的实验室标定实验和工业性试验。结果表明，该 系统的粉尘浓度测量范围为o 1 m g m 3 5 0 0m g m 3 ；测量误差小于1 5 ；不仅能够 通过安全监测系统实现对粉尘浓度的在线监测，并且可与降尘措施进行连动控制， 实现自动监测除尘的一体化操作。 关键词：矿井，粉尘，监测技术，传感器，装置 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t m a n k i n dm a k et h eu s eo fu n d e r g r o u n dm i n e r a lp r o d u c t s ，m o s to fw h i c hw a s e x p l o i t e dt h r o u g hm i n i n g d u r i n ge x p l o i t i n g , al o to fd u s t sa r ee m e r g e d ，t h e yn o to n l y b r i n ga b o u ta c c i d e n t si ns a f e t yp r o d u c e ，b u ta l s op o l l u t ee n v i r o n m e n ta n dt h r e a tt h e h e a l t ho fw o r k e r s t h ea m o u n to fp e o p l ew h ot o u c hw i t hd u s ti sv e r yl a r g e y e a r sb y y e a r s ，m o r ea n dm o r ep e o p l ei n f e c t e dp u l m o n a r yt u b e r c u l o s i s s ot oc o n t r o lo f t h ed u s t i nm i n es h a f tb e c o m ei m p o r t a n t t h ec o n t r o lo ft h ed u s ti n c l u d ed u s tm o n i t o ra n dd u s t r e m o v e r e s p e c i a l l yt h ed u s tm o n i t o ri st h ek e yt ot h ep r o b l e m i ti st h em a i nm e a n st o c o n t r o lt h eb a de f f e c t so fd u s ti np e o p l e sh e a l t h ，a l s oi si m p o r t a n tm e a s l l r et op r e v e n t d u s te x p l o d e t h et e c h n o l o g yo fd u s tm o n i t o ri n c l u d ed u s ts a m p l i n ga p p a r a t u s 、d u s tm o n i t o r s a n dd u s td e n s i t ys e n s o r t h em e a s l l r ep e r i o do fd u s ts a m p l i n ga p p a r a t u si st o ol o n gt o r e f l e c tt h ev a r i e di nd u s t ；d u s tm o n i t o r sc a nd i r e c t l ym e a s u r ed u s t ，b u ti tm u s tb e s t a n d a r d i z e d ，a n de r r o ri sl a r g e ，n o ta v a i l a b l et oh i g hd u s t ；d u s ts e n s o rc a nm e 勰l l r e i n s i t ut h ed u s tc o n c e n t r a t i o ni na i r , a n dc o n n e c tw i t hs a f e t ym o n i t o rs y s t e m ，t r a n s m i tt h e d a t at ot h eg r o u n d , s oa st ot a k et h ee f f e c t i v ec o n t r o l l i n gd u s tm e a s l l r e m e n t si nt i m e h o w e v e r , t h em e a s u r er a n g eo f t h ed u s ts e n s o ro m e nu s e da b r o a di sn a r r o wa n di t se r r o r i sa b o u t2 0 t h es t u d ya n dd e v e l o p m e n to f t h ed u s ts e n s o ra r el e s si nc h i n & b a s e do nt h es c a t t e r i n gt h e o r y , as e to fd u s ti n s i t um o n i t o r i n gs y s t e me q u i p p e d w i t ht h ed u s ts e n s o rw a sd e v e l o p e d t h ep r i m a r ye f f e c t i v ef a c t o r so fl i g h ts c a t t e r i n g d u s t m e a s u r e m e n tw e r es t u d i e d t h ed u s tm e a s u r ew i n d o w , l i g h ts 0 1 l r c ea n dd e t e c t o ro f t h ed u s ts e n s o rw e r ed e s i g n e d t h ea i rs u c k i n ga n de x h a u s t i n gu n i t ，c i r c u i ta n ds o r w a r e o ft h ed u s ti n s i t um o n i t o r i n gs y s t e mw e r ed e v e l o p e d t h ed e v i c ew a se x a m i n e di nt h e l a b o m t o r i a la n di n d u s t r i a lt e s t s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss u g g e s t e dt h a tt h em e a s i l r e r a n g eb e0 1 m g m 3 5 0 0m e g m 3 ，m e a s u r ee r r o rb el e s st h a n 1 5 ，a n dt h ed e v i c e c o u l db ec o n n e c t e dt ot h es a f e t ym o n i t o rs y s t e mo ft h em i n i n g , s oa st or e a l i z e d s i m u l t a n e o u s l yd u s ti n - s i t um o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n g k e y w o r d s ：m i n i n g ；d u s t ；m o n i t o r i n gt e c h n o l o g y ；s e n s o r ；d e v i c e i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重迭太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：爰群签字嗍三7 年f 月和 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 重庞盍堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重废太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名：差歹夏法 导师签名：物幸 签字日期：2 芦j 月岁7 曰签字日期：加呷年，月f 日 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1 1 矿井粉尘监测的意义 1 1 1 矿井粉尘的产生 我国矿井较多，其中尤以煤矿粉尘较突出。我国是产煤大国，在总的能源构 成中煤炭约占7 5 左右，这一状况在今后相当长的时间内不会有根本性的改变。 煤矿在生产、贮存、运输及巷道掘进等各个环节中都会向井下空气中排放大量的 粉尘。尤其在风速较大的作业场所，粉尘排放量猛增，据资料统计【i 】，有的矿区 排向井下空气的煤粉尘是煤炭产量的1 6 以上。 采煤工作面是煤矿产尘量最大的作业场所，其产尘量约占矿井产尘量的6 0 左右。随着机采工作面在我国越来越普及，产尘浓度也随之上升。采煤机割煤、 支架移架、放煤口放煤与破碎机破煤是机采工作面的四大产尘源，产尘量分别约 占6 0 、2 0 、1 0 和1 0 左右。此外，巷道掘进也是井下主要产尘源之一。在 无任何防尘措施的情况下，炮掘工作面、机掘工作面和巷道锚喷过程中产尘情况 如下表1 1 所示。 表1 1 掘进工作面的尘源及产尘量的分布 ：! ! ! ! ! ! ：! 堡! i 墅! 坐i ! ! ! ! ! ! 生! ! ! 些! 塑! 堂壁：鲤竺壁坠g ! 竺! 生塑旦! ! ! ! 堑! 嚣。雾，翥蒸总焉强 1 1 2 矿井粉尘的特性及危害 煤矿井下粉尘是指在煤矿生产中产生的微细煤尘和岩尘的总称。煤矿井下粉 尘主要具有以下特性【2 】： 粉尘表面吸附一层空气薄膜，阻碍粉尘间或水滴与粉尘问的凝聚沉降。 粉尘的分散度增大，吸附在其表面的氧分子增多，加快了粉尘氧化分解过 程。 细微岩尘由于表面积增大，岩尘中的游离二氧化硅很容易溶解于人体肺细 胞中。 重庆大学硕士学位论文i 绪论 采掘工作面产生的新鲜粉尘较回风道中的粉尘易带电。 粉尘的上述这些特性使得粉尘对生产安全及人体健康的危害非常大。对于矿 井来讲，粉尘的爆炸危害主要是指煤尘爆炸，煤尘爆炸造成的人员伤亡和财产损 失是相当惊人的，对煤矿工人生命和国家财产造成重大损失。 大量粉尘随矿井排风进入大气，还会造成环境污染，并且危害矿工身体健康。 一般大于l o u m 的粉尘容易被鼻腔，气管粘液所捕捉，并逐渐排出体外；小于l o u m 的粉尘则可以深入气管深部；而小于5 u m 的粉尘9 0 可以沉积在气管、肺泡上， 引起肺泡的冲血反应而导致尘肺病( 矽肺、煤肺和煤矽肺) 。轻者丧失劳动力，严 重的尘肺病可以发展为肺心病，有很高的死亡率，该病目前成为煤矿工人最主要 的职业病。据统计【3 卅：在二十世纪八十年代初，矿山尘肺病的死亡人数为工伤事 故死亡人数的6 倍，到1 9 8 9 年底，矿山尘肺病死亡的人数仍是工伤事故死亡人数 的2 5 倍。矿山尘肺病人数约占全国尘肺病总人数的7 0 以上，并呈逐年上升趋 势。1 9 9 6 年矿工尘肺病的发病率为6 5 ，1 9 9 9 年为7 2 ，而在矿山企业中，煤 矿工人尘肺病人数和死于尘肺病的人数居首位。1 9 9 8 年，煤矿尘肺病患者占全国 尘肺病总人数的4 6 5 ，达1 9 5 万人。2 0 0 2 年上升至4 7 6 ，达2 l 万人，另外 还有6 0 多万可疑尘肺病人，这是煤矿一直未能解决的严重问题。此外，矿井下的 高浓度粉尘还会加速机械磨损，缩短精密仪器的使用寿命。 1 1 3 粉尘监测技术的研究意义 由于粉尘危害大，世界上采矿国家都非常重视矿井中粉尘监测和防治，对作 业场所粉尘的监测是管理和监察的重要手段，也是科学治理粉尘的前提。因此准 确测量各矿井中煤粉浓度对整个生产的安全、经济运行非常重要。为此必须寻找 一种简单、高效、实用而且适合工程应用的煤粉浓度测量的方法来准确地测定作 业场所的粉尘浓度。这样不仅可以正确评价并下作业场所的劳动卫生条件和防尘 措施的降尘效果，还可以预测粉尘的危害程度，进行有效的粉尘管理，减少粉尘 爆炸事故和尘肺病的危害。 1 2 粉尘浓度测量技术概述及研究现状 经过多年来的研究开发，目前国内外开发生产的各类测尘仪器及采用的测量 方法各种各样，粉尘浓度的表示方法也不一定相同，按其原理大致可分为两大类： 取样法和非取样法【5 1 。如图1 1 所示： 2 重庆大学硕士学位论文l 绪论 图1 1 粉尘浓度测量方法的分类 f i g1 1c a t e g o r i e so f d u s t - c o n c e n t r a t i o nm e a s u r i n gm e t h o d s 1 2 1 取样法 取样法，即从待测区域中抽出部分具有代表性的含尘气样并送入随后的分析 测量系统来测量粉尘的浓度与粒径的方法。其基本工作原理是：从含尘区域采集 一定体积的含尘试样，过滤或分离其中所含尘粒，根据集尘质量和体积等计算出 气体的含尘浓度，同时将过滤下来的尘样利用各类粒度测量及其它分析测试一起 进行测量分析，便可进一步获得尘粒的平均粒径、粒径分布及其物理特性、化学 组成等。主要方法有： 传统的取样测量法 传统的取样测量法，又称过滤称重法。粉尘取样后，传统的做法是对所取尘 样进行过滤( 或分离) 后再称重并用现有的各类粒度分析仪器对所过滤( 或分离) 的尘样进行粒度分析，以获得尘粒的粒径大小与分布【6 】。 称重法在我国被广泛认可【7 ，国家规定使用万分之一克天平称尘样。但是由 于现场环境的温度、气流、衡器倾斜和基础振动等因素的影响，在粉尘检测中， 不能将天平装在采样器上，也不能将天平拿到现场使用，否则误差将超出允许范 围。 目前国内外有很多厂家生产粉尘采样器如：常熟电子仪器厂的a f q 一2 0 a 型 矿用粉尘采样器、煤炭科学研究总院重庆分院的a f z 系列粉尘采样器、武汉分析 重庆大学硕士学位论文1 绪论 仪器厂f c 2b 型个体粉尘采样器、江苏省丹徒无线电厂生产的d f 3 型双头粉尘 采样器以及美国矿山安全设备公司生产的s 型便携式采样器就是采用的这种测量 方式 o 。 b 射线法 为了降低劳动强度，减少测量时间，提高测量过程的自动化程度，近年来国 外研究入员开发了多种利用各种不同原理的非称重的方法，使之能实时显示测量 结果，这些方法中目前应用得较多的有1 3 射线法。该方法采用1 3 射线做信号发 射源，它的测量原理是：当b 射线穿过尘粒介质时，由于介质的阻碍会使b 射 线发生衰减，因此通过测量1 3 射线透过尘粒介质后的衰减程度即可测量粉尘质 量浓度【1 厶1 4 1 。 国外使用较多的是由德国学者研制成的b 射线测量装置仪器，其原理为：当 含尘烟气通过过滤带时，尘粒被过滤在过滤带上，经过一段时间后，转动轴带动 过滤带移动并使被滤尘样进入测量室，测量室上部发出的b 射线透过尘粒介质后 衰减并被接收。根据b 射线的衰减程度即可确定被滤尘样的质量，进而求得被测 粉尘的质量浓度，同时利用各类粒度仪对所取尘样进行测量尚可得到尘样的粒径 大小及其他物理、化学特性。 压电振动法 该方法是利用压电材料由于附上尘样介质后质量改变引起压电振动频率改 变的原理来测量粉尘浓度，即用石英晶体作传感器来测量。 德国柏林工业大学发明的利用这种方法测量粉尘浓度的测量装置的结构与 1 3 射线法所采用装置有些相似，当被测烟气通过过滤带时，尘粒被过滤在带子上， 使整条带子的质量发生变化，从而会引起压电晶体振动频率的改变。那么只要测 量出压电晶体的频率即可确定被滤尘样的质量，进而求得被测粉尘的质量浓度， 与b 射线法一样，压电振动法也需经过取样过程，因此，也可以对所取尘样进行 粒度分析。 1 3 射线法和压电振动法都能测量粉尘的绝对质量浓度，测量结果也较为可 靠，但基于b 射线测量粉尘浓度的仪器中使用了发射性同位素，测量受人员素质 和心理作用的影响，而且它们都需先对粉尘进行过滤，然后再进行检测，因而结 构较为复杂。类似的方法还有超声波衰减法，它是利用超声波作波源，通过测量 超声波透过被测介质后的衰减程度来分析粉尘微粒的浓度【”。6 】。 总之，取样法从原理上最基本和最简单的，这种方法的关键在于所取尘样是 否具有代表性。由于在使用良好的情况下，它可以得到比较可靠的结果。因此， 包括我国在内的一些国家至今尚把它被作为标准方法。但是它的缺点也很明显， 主要包括： 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 ) 对采样操作要求高，如果不能做到等速采样就会给测量结果带来误差， 即使满足了等速采样的条件，含尘气体在输送过程中也可能会发生损失，使测量 结果不准确。 2 ) 该采样法为点测量，每次只能采集某一点处的气样，为了获得整个含尘 区域粉尘的平均浓度值，就需要采用在多点处进行测量并加以平均的做法，这样 无疑会大大增加测量工作量。 3 ) 需要手工进行操作，影响测量精度的因素较多，且操作程序繁杂、占用 房间和设备较多、采样时间较长、仪器维修量大、花费成本较高等等。由于该方 法自动化程度低，因而只能定期进行监测，很难用于实时在线监测。 为了充分发挥取样法测量原理简单可靠的优点，弥补它测量时间长、自动化 程度低、难以用于在线监测等缺点。虽然目前人们开发了自动取样装置，用以提 高取样的自动化程度，同时还把1 3 射线、压电振动及超声衰减等新测试技术应用 到取样后级测量系统中，提高了取样法测量的实时性，拓宽了它在工业上应用的 前景。但是还是难克服要采样以及采样过程中带来的费时费力、实时性差等各种 不足。 1 2 2 非取样法 非取样法就是测量时不用取样，而是利用粉尘的物理、光学等特性直接测量 粉尘排放浓度及粒径大小的方法【闭，主要有： 黑度法 此方法是十九世纪末林格曼提出来的，因此又叫林格曼黑度法。它是视觉观 察煤烟，并将其黑度与林格曼黑度表相比较来确定烟气浓度。该表一般在纵1 4 c m ， 横2 0 e r a 的白纸上描成宽度分别为1 0 、2 3 、3 7 、5 5 、1 0 0 m m 的方格黑度图， 就是使粉尘浓度划分成六个等级，矩形的白纸内黑色部分所占的面积大致为0 、 2 0 、4 0 、6 0 、8 0 、1 0 0 ，自上而下称为0 、l 、2 、3 、4 、5 度。这种方法使用简 单、方便，操作人员很容易掌握使用。但显然它的测量结果容易受诸如测量人员 视力、判断力等人为因素及天气、周围环境等客观条件的影响较大，因此它的准 确性有争议，而且很难用于自动在线监测【”】。 目前，国内己有人研制出烟度自动监测仪，为这种方法在工业上的推广应用 提供了新的可能性。但这种方法精度显然低，它无法得知粉尘的绝对浓度与粒径 大小。 散射法 它是通过测量颗粒受光照射后所发出的散射光信号大小来测量被测颗粒的 重量浓度。日本s i b a t a 公司生产的p s 型便携式数字粉尘仪、英国的s i m s l i n 系 列监测仪、o s i r i s 粉尘传感器以及德国h u n d 公司的f m a t m s i 粉尘传感器等 重庆大学硕士学位论文l 绪论 都是利用了这种测量原理。这种仪器的优点是使用方便、操作简单，但国内对这 方面的研究较少，尚未采用研究出相应的仪器和产品【 “。 光透射法( 又称消光法) 它是利用光线通过粉尘介质时由于微粒对光线的散射和吸收，使光强发生衰 减的原理来测量粉尘浓度。主要是根据朗伯比尔( l a m b e r tb e e r ) 光透射定律， 当一束强度为，。的单色平行光照射到粉尘颗粒时，由于尘粒的散射和吸收作用， 出射光强会有一定程度的衰减， 单一粒径尘粒出射光强j 与入射光强，。之间有如下关系圈： ：厶“o 弧”研 式中，d 表示尘粒粒径，v 表示尘粒的粒子数浓度，髟为消光系数，是 待测粉尘区厚度。 对于实际的粉尘颗粒粒子群通常不是单一粒径的系统，而是具有一定的尺寸 分布的尘粒系统。设砟( d ，) 为粒子群的归一化频数分布函数，则出射光强有如下 关系： m ： ! ! 垒 署，d k ，( 旯，聊，d ) 怫( d ，) a d ， 若己知粉尘的比重p ，就可以得出一重量表示的浓度p 。由上面的推导可 以知道，在知道了颗粒的粒径分布及出射光强和入射光强的比以及算出消光系数 后，就可以求出颗粒的浓度。同样如果已经知道了颗粒的浓度，则可以进行粒度 的测量。但是，当测量低浓度的粉尘时，采用光吸收的方法是不可行的。在小区 域体积内光的衰减对含尘空气不是很敏感的，因为在粉尘浓度较低时，透射光强 较大，入射光的衰减相对太小不易测到，因此不适合于对仪器灵敏度要求较高的 工作场所。 m e s a 法 近年来，德国k a r ls r u h e 研究中心研制成的( m e s am a s sc o n c e n t r a t i o n e x t i n c t i o ns i z ea n a l y z e r ) 测量系统可在线测量粉尘浓度及平均粒径，在这方面取 得了突破【2 3 1 。 m e s a 测量系统结合了透射法和压电振动法两种方法，如图i 2 所示，其中 测量粉尘浓度方面它借用了上述德国柏林工业大学的专利技术，利用压电振动法 测量粉尘的质量浓度后，根据消光理论求得粉尘的浓度与平均粒径。m e s a 的不 足之处在于采用了两套测量装置，因而结构复杂，使用不够方便，而且精度也不 6 重庆大学硕士学位论文1 绪论 高( 测量误差可能达到3 0 ) 。 困一 图1 2m e s a 测量系统框图 f i g1 2 p r o c e s so f m e s as y s t e m 网 i _ j 由上可知，目前非取样法尚存在不足：黑度法测量结果可信性不高，受各种 主客观因素影响较大；光透射法仪器灵敏度低，不适用于低浓度粉尘浓度的测量； m e s a 测量装置结构复杂，由于原理上的局限，测量误差大。但非取样法能实现 在线测量粉尘排放浓度，其中一些可以自动、连续监测粉尘排放；另一些能同时 给出粉尘的浓度与粒径。特别是光散射法具有不改变浮游粉尘的物理化学性质， 测量精度高，能够实时监测出空气中含尘浓度等优点，因此该类方法应用前景较 为广阔。 1 2 3 国内的研发及应用现状 鉴于粉尘的危害，国内外都非常重视对矿井粉尘浓度的监测。国内粉尘浓度 监测主要采用采样法，并把它作为监测粉尘量的国家标准。此种利用粉尘采样器 进行滤膜称重的办法延续了3 0 多年，这种方法测量周期长、工序复杂、不能及时 反映作业地点的粉尘变化。实际操作过程中，由于空间限制和环境影响，测尘点 的布置经常达不到规程规定的要求，往往超过了规定距离，矿山大部分工种( 如 凿岩工、装矿机工、漏斗放矿工、溜井倒矿工、支柱打窝及采场准备工等) 的作 业人员的操作点也就是产尘点，测尘点的粉尘浓度和粒度分布情况与产尘点的不 同；并且现行的测尘方法是在一个作业班内l o 3 0 分钟测的平均浓度，而矿山多 数工种为间断作业，产尘不具有连续性和稳定性，上述原因造成了工人的实际接 尘情况与所测定的粉尘浓度情况存在较大差异，粉尘采样器不能确切反映出对作 业人员的危害。 国内的一些生产厂家和研究单位也在进行其他测量方法的研究，研制出一些 相应的监测仪器，取得了一定的成果。除了传统的粉尘取样法外，无锡化工仪表 7 辛 重庆大学硕士学位论文1 绪论 厂利用压电振动法生产出快速粉尘测量仪；煤炭科学研究总院重庆分院、郑州光 力科技公司以及北京地质仪器厂利用8 射线法开发出c c i 一1 5 0 1 0 0 0 、g h l 0 0 等型 号粉尘测尘仪。在非取样法方面，目前国仅有个别厂家生产利用光透射法原理的 光电透射式测尘仪( 如；内蒙古解放军7 3 2 5 厂研制的光电透射式测尘仪、煤炭科 学研究总院重庆分院开发生产的b f c 1 型便携式高浓度测尘仪) ，但是该测尘仪 必须经过标定才能使用，而且每使用一个月后都应进行标定，以使误差值不超过 1 5 ，而且测量也仅限于较高浓度的粉尘。 上述这些监测仪器虽然在煤炭、地质等不同领域得到了一定的应用，但它们 基本上都是处在仿制国外周类仪器的水平上，无论在原理上还是结构上都与国外 相比尚有一定的差距 2 4 - 2 7 。我国目前现有的各类监测仪器和手段中，除了取样法 应用的较为普及外，其余各种方法的仪器还停留在比较落后的水平上，难以满足 日益增长的环境保护和安全生产在线监测的要求。因此开发一种简单高效、准确 实用且适合工程应用的煤粉浓度测量方法不仅具有较大的现实意义和应用前景， 而且具有较高的社会价值和经济效益。 1 3 本项目的研究内容、方法及意义 1 3 1 主要研究内容及方法 本项目应实时监测粉尘浓度所需，研究利用光散射测量粉尘浓度方法，并研 制出连续监测生产作业场所粉尘浓度的传感器。该传感器既可就地显示，又可与 现有安全、环境监测系统联网运行的，其测量范围可达0 5 0 0 m g m 3 ，测量误差 控制在1 5 以内。主要内容包括： 粉尘浓度监测器的研究 主要是对激光光源、探测器等光散射测量系统进行设计和开发。 实验室标定系统及现场校正方法的研究 抽气流量自动调节系统的研究 对抽气泵进行选型，确定其工作方式和控制方法，并对流量调控系统进行研 究。 粉尘浓度传感器自动测控系统的研究 设计电子电路系统，对数据采集、处理、传输及控制等方面的软件进行设计 和开发。 “光学窗”粉尘污染防治技术的研究 本研究将采用方案论证、原理研究、样机设计和加工、实验室实验、样机实 验室实验、防爆和性能检验、工业性现场试验等多种方法进行综合研究。 重庆大学硕士学位论文 i 绪论 1 3 2 研究意义 该课题的研究不仅能够弥补国内在光散射粉尘监测技术上的不足，而且将为 工业企业尘害的制订、劳动监察部门的监督执法提供重要的依据，同时也将为粉 尘事故的预防控制提供重要的技术支持，该成果可广泛应用于煤矿、非煤矿山、 料石场、水泥厂、钢铁厂等作业场所的粉尘检测，市场推广应用前景广阔。因此 对该课题的研究具有较大的实用价值和现实意义。 9 重庆大学硕士学位论文 2 粉尘浓度实时监测技术的基本原理 2 粉尘浓度实时监测技术的基本原理 2 1 微粒散射理论 2 1 1 散射理论简介 当光波通过不均匀媒质时，与媒质问发生相互作用，光强度发生衰减，称之 为消光作用。消光作用又可以看作吸收和散射共同作用造成的，光的一部分被介 质散射，偏离了原来的传播方向，剩下的一部分被介质吸收，光仍按原来的传播 方向通过介质。散射体除将照射光的部分能量散射外，与此同时往往还吸收部分 照射光的部分能量，并将其转换为热能等其他形式，这也就是吸收作用。吸收与 散射正是光电法测量粉尘所要利用的基本原理【2 8 3 0 1 。 光学上定义了散射截面盯，它是假想的一个截面，散射体向四面八方辐射的 总的散射功率可以表示为散射面与照射光强的乘积。散射截面是表征散射体散射 能力的一个等效截面。 同理也有吸收截面盯。，散射体吸收照射光的功率，等于吸收截面与光强的乘 积，能量全部被吸收并转换，吸收截面表征了散射体吸收能力。 同理消光截面盯。它也是一个假想的截面，散射体对照射光的消光功率可以表 示为消光截面与照射光强的乘积。已经知道消光过程为散射和吸收共同效果的总 效果： 即：盯p = o s + 盯口 它们与散射体几何截面之比分别称为散射系数q ，、吸收系数q 。、消光系数 q 可 以得到： q = q + 眈 光的散射是光在不均匀媒质中传播时发生的现象。例如一束光通过含有灰尘 的空气，由于灰尘微粒使光波向四周散射，才能从侧面看到一个“光柱”。 使得媒质不均匀的原因主要有两种，一种是在均匀媒质中无规则地散布着一 些其它物质的悬浮微粒，如气体中的尘埃、烟( 固体微粒) 、雾( 液体微粒) ，液 体中的杂质、悬浮粒子、气泡，固体中杂质缺陷等。这样的媒质称作混浊媒质。 另一种原因是媒质虽很纯净，没有杂质，但是由于分子的热运动造成了媒质密度 的局部涨落( 各向异性媒质还有各向异性涨落，这是由于部分分子的取向与均匀 一致的方向有偏离，从而使媒质的极化率发生了涨落) ，破坏例如媒质的均匀性， 1 0 重庆大学硕士学位论文 2 粉尘浓度实时监测技术的基本原理 由于这种原因引起的散射称作分子散射。 光散射现象是一种极其复杂的光学现象1 3 l 】。媒质不均匀性引起的光散射，其 原因可用经典振子模型来说明。在入射光的激励下，媒质分子中的电子作受迫振 动，振动的电子可以看作是向周围发射子波的波源。由于不均匀媒质中悬浮微粒 毫无规则的排列，或者由于密度的无规则涨落，破坏了子波源之间的确定位相关 系，它们发出的子波叠加而成的光波传播这便是散射光。宏观看来就是其中一部 分光偏离原来的主要传播方向的现象。 按照散射光的波长的特点，散射可分为两类：一类是波长不变的散射，即散 射光波长等于入射光波长( 如瑞利散射) 。在这类散射过程中媒质分子本身的能态 不发生变化，子波源作受迫振动的频率等于入射光的激励频率。另一类是散射光 波长和入射光波长不相等的散射( 如拉曼散射) ，这种散射过程中分子的能态也要 发生变化。同样只介绍前一种。 对于前一种散射，如果粒子的大小比入射光的波长小得多，通常产生瑞利散 j 2 射。散射光的信号强度与成正比。其中d 是粒子的直径，旯是入射光的波长。 彤 当粒子的大小可以与光的波长相比时，散射理论变得较为复杂，这时我们称散射 为m i e 散射。 m i e 散射与瑞利散射的区别在于散射微粒较大，可与光波长相比【3 2 】。1 9 0 8 年， m i e 从求解电磁波的麦克斯韦方程组出发，解出了一个关于光散射的严格数学解， 得出了各向同性均匀粒子的光散射规律，建立了微粒的光散射理论一m i e 理论。 1 9 5 7 年，h c v a n d e h u l s 出版了关于微小粒子光散射现象的专著，总结了粒 子散射的普遍规律，这本书被认为是光散射理论领域的经典文献。1 9 6 9 年， c e b o h r e n 、o r h u f f r n a n 综合前人的成果，又发表了关于微小粒子的光散射及 吸收的一般规律，更全面地解释了光的各种散射现象。至此，微粒的关散射理论 完全建立起来了。 目前，各种光散射测粒技术其基本原理主要是基于经典的光散射理论( m i e 散射理论) 及其近似结论。根据m i e 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。各种激光散射测粒仪正是根据对 颗粒散射光的不同物理量进行测量而计算出颗粒的大小、分布等参数。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。 光散射物理量与散射颗粒的大小及光学特性密切相关，散射颗粒的大小通常 重庆大学硕士学位论文 2 粉尘浓度实时监测技术的基本原理 以无因次颗粒粒径参数口：孚表示，其中d 和兄分别是待测颗粒的直径和入射光 波长。 至于颗粒的光学特性，指的是待测颗粒对介质的相对折射率。它的定义为： 介质的折射率等于光在真空中的速度c 与光在该介质中的速度1 ，之比。由于待测颗 粒及其所处介质的不同，其相对折射率会有不同的数值3 3 1 。 1 = = = = e 加：三：塑粤：丽 y 1 何 其中，氏、分别为真空下的介质内的介电常数；。、分别为真空下的介 质内磁导率；g ，和p ，为相对介电常数和相对磁导率。对于一般非磁物质，雎“l ， 因此有m “q 。 根据电磁理论，当介质处于频率为缈的单色光波中时，物质的折射率肌可以 表示为： 盯 q 可叫i 式中，( 7 0 为入射光波的角频率，国= 2 办，i 为虚数单位。可见，折射率出现 虚部是电导率盯不等于零的结果( 在入射光频率不接近介质共振频率时，s 近似 为实数) 。物质折射率的公式还可简写为： m = n f 玎 玎2 一打2 = 占 2 h 钉：竺 m 其中折射率的实g c n 表示颗粒的散射特性，它反映了散射场的空间分布；虚 部玎表示颗粒的吸收特性，它描述了电磁波在进入散射物质后的衰减。其虚部为 零时，表示颗粒对入射光仅仅散射而无吸收，颗粒的相对折射率肌为一实数。而 有吸收时，虚部玎越大，吸收性越强。 2 1 2m i e 散射理论 m i e 散射理论讨论的是各向同性的均匀球形颗粒的光散射问题，并给出了具 有适当边界条件的麦克斯韦方程组的解【3 3 】。 重庆大学硕士学位论文2 粉尘浓度实时监测技术的基本原理 图2 1 尘粒散射示意图 f i g2 1f i g u r eo f d u s ts c a t t e r i n g 根据m i e 理论，当直径为d 的球形粒子受到一强度为，。、波长为旯的入射光 照射时，在与散射体相距，与光轴z 成0 角的观察点p 处的散射光强，是由垂直于 散射体和平行于散射体的散射光强为，、，的综合效应引起的： i o = i t + lr 而散射面则为观察点与z 轴所构成的平面，如图2 1 所示由m i e 理论，散射 光强，、j ，可表示为 等私舻妒 ，= 4 _ 万22 i ，0 2 c 。s 2 伊 式中妒为入射光的偏振角。i l 、i 2 为强度函数，它们表达示为： f ，= i 季。0 ，口，口】2 如= l 雪：，口，口1 2 其中，s ，、岛为振幅函数，它们是由贝塞尔( b e s s e l ) 函数和勒让德( l e g e n d r e ) 函数组成的无穷级数： 重庆大学硕士学位论文2 粉尘浓度实时监测技术的基本原理 s = 喜耥 = 喜耥咖， 式中乃、q 为散射角函数，它只与散射角口有关，a i 、6 是m i e 系数。它是 散射体的相对折射率肌和粒径参数口：掣的函数。 颗粒的散射截面盯，可由下式给出： c = j l a n = l n 式中t 为颗粒的总散射光。该式意味着总的散射光只等于在吒上的总入射 光，前面介绍过有：盯。= + 盯。，于是可以推出散射系数q 、吸收系数q 、消 光系数见为： q = 吾私+ 1 ) w + i b , 1 2 ) q = - 口r y 。e ( 2 7 + 1 ) 脚，+ 6 f ) q 。= q 。一q 。 2 2 光散射测量粉尘浓度的基本方法 2 2 1 粉尘粒子常见的数学分布 粉尘颗粒尺寸分布通常服从一定的分布规律，目前常用的分布函数有四种即 正态分布、对数正态分布、上限对数正态分布和罗森拉姆勒( r o s i n r a m m a r ) 分 布【3 伯6 1 。 正态分布 正态分布又称高斯分布，它是一种窄分布，适用于某些特殊的具有单分散性 质的或者粒径比较均匀的气溶胶。 其容积频率分布函数为： d v11f d i 、2 1 一d d2 疆忑i n 唧卜2 l o r j l 2 万 iij 式中，d 为粒子的直径，牙为尺寸参数，盯为标准误差 此函数曲线为单峰对称曲线，峰值在d = j 处。 对数正态分布 对数正态分布函数是由正态分布函数演变而来的，实际上就是把正态分布函 数中的各个参数取对数而得。一般它适用于描述大气气溶胶和各种生产过程中排 1 4 重庆大学硕士学位论文 2 粉尘浓度实时监测技术的基本原理 放的粉尘。 其数学分布模型如下： d y1 ll f l i l d 山i 1 2 i d d 2 面面i nc x l 一i i 百i n j 2 丌 盯 i2 【 盯 j 其中各参数的物理意义与上面公式相同。 上限对数正态分布 上限对数正态分布函数它适用于燃油喷雾的颗粒粒度分布，它在求解时需要 确定最大粒子的直径d l 。 其数学分布模型如下： d 矿 奶一荔伊d ( d m x d 1 啡1 ( 刊c z d2 式中，盯为尺寸参数，d m 。为粒子最大直径，其它参数n _ k 。 罗森拉姆勒( r o s i n r a m m a r ) 分布 罗森拉姆勒( r o s i n g a m m a r ) 分布，又称r - r 分布函数。它是1 9 6 3 年由 罗森和拉姆勒在研究磨碎煤粉的颗粒尺寸分布时首先提出来的。它是韦伯尔概率 分布的一种特殊情况，它实际上是种概率分布，适用于自然界中存在的许多物 料和机械破碎以及碾磨产生的粉尘和比较粗的分散的雾滴，大部分煤矿粉尘都适 合这种分布。 其数学分布模型如下： 肚唧心州 式中是粒子尺寸分布参数，它表征粒子的分散程度值越大，说明粒子的 尺寸分布越集中。反之越小，说明粒子的分布越分散。此处x 它是特征尺寸， 表征粒子的大小，其意义为：粒子群中直径大于工的粒子体积占粒子总体积的 3 6 8 。当为1 6 时已经接近单一分布。 矿是粒子群中直径大于d 的粒子的累积体积百分比，d 是粒子的直径。用矿对 d 求导即可得到粒子的频率分布。 在罗森拉姆勒分布函数中常用到下面的两个尺寸参数，质量中间直径 ( m m d ) 和索太尔直径( s m d ) ，其中m m d 表示的是此时粒子的累积体积百分 比为5 0 ，而参数s m d 指的是用一个假想的尺寸均一的粒子群代替实际的粒子群 时若保持总面积不变时的粒子群直径。m m d 和s m d 分别可按下面的公式计算： m m d ：i f o 6 9 3 ) 古 ( 2 1 ) 重庆大学硕士学位论文2 粉尘浓度实时监测技术的基本原理 smd=l_(2-2) r 怫 式中r 表示伽马函数 以本研究中的煤粉颗粒为例，当光束通过含尘空气时，尘粒引起的散射基本 符合m i e 理论，煤矿井下浮游粉尘的光散射属于独立散射，即各个单独粒子的散 射光强服从迭加原理。当考虑小区域范围时，可以忽略多次散射的影响。而煤粉 颗粒通常都适合这种罗森拉姆勒分布函数。 2 2 2 光散射测量粉尘浓度 含尘气流可以认为是空气中散布着固体颗粒的气溶胶，当光束通过含尘空气 时，会发生吸收和散射，从而使光在原来传播方向上的光强减弱。 光在散射性介质中的传播规律，主要与入射光的波长、尘粒的形状和大小以 及其粒径分布有关。光散射性质取决于下列因裂3 7 。9 】： 衍射参数p 。p 表示颗粒的半径，与光的波长旯的比例关系，即为颗粒的 周长与光的波长旯之比，数学表达式p ：孚。 颗粒的复折射指数打。 散射角p 。入射光与散射光之间的夹角。 颗粒散射光的特性主要取决于衍射参数p 。当p 1 时，颗粒粒径远远超过波长( 大颗粒粉尘) ，大部分工业粉尘都属于这一 范围。大颗粒粉尘散射光强与光波长a 无关，而与颗粒浓度及颗粒的照射面积成 正比。 据白俄罗斯科学院物理研究所对大颗粒( 3 0 p 2 0 0 ) 组成的分散系统所 做的计算表明，在p 固定的条件下，粒径在1 0 0 2 0 0 a n 变化，实际上不改变散 射光强度的角度分布。当p 5 0 时，若臼在2 0 c 9 0 c 范围内，光散射特性曲线 十分稳定。 按经典的米氏散射理论，对粒径较大的颗粒，在任意角口下散射光强度在空 间的分布可按f m u n h o f e r 衍射理论计算： 删= 斋i o 剖2 s ， 式中：三散射颗粒到观察点的距离； 1 6 重庆大学硕士学位论文2 粉尘浓度实时监测技术的基本原理 以阶b e s s e l 函数； x = m s i n e | 九 彳无因次参数； 兄散射光波长； d 颗粒粒径； ，0 散射光原始光强。 由( 2 3 ) 式，在任意空间立体角鼠到品内，单个粉尘颗粒的散射光强为： ，( a 0 ) _ 2 万f ，( o ) l 2s i n o d 8 = 争d 2f ：2 协4 ， 假设含尘气流内粉尘的粒度分布函数为，p ) ，在单位体积内的粉尘总数为 ，则在d 到d + a d 内的粉尘数洲= n ，( 回d d 。因此，在毋到岛环状立体角内 粉尘粒径在d 到d + d 内所有