粉尘浓度在线监测技术的现状及发展趋势
发表日期：2011-05-04 09:10:49 来源：互联网; 点击次数：
摘要：简要介绍了国内外粉尘浓度在线监测技术的现状及应用情况，并指出粉尘监测技术存在的问题，提出了粉尘浓度在线监测技术的发展方向。
关键词：粉尘；在线监测；发展方向
粉尘是指悬浮在空气中的固体微粒，是保持地球温度的主要因素之一，大气中过多或过少的粉尘都将对环境产生灾难性的影响。但在生活和工作中，生产性粉尘是人类健康的天敌，是诱发多种疾病的主要原因之一，特别是煤矿粉尘，一方面严重危害工人的身体健康，致使工人患尘肺病；另一方面粉尘浓度过高还潜伏着爆炸的危险。每年因为粉尘灾害而造成的人员伤亡数量极大，也给国家造成了巨大的经济损失。目前，国家环保部和煤矿安全监察局对粉尘危害非常重视，对作业场所的粉尘排放浓度制订了相关标准，严格控制粉尘浓度，以减少粉尘危害。因此，及时有效地对作业场所的粉尘浓度进行监测，能更好地掌握粉尘浓度状况，进行有效的除尘和降尘，对确保人身安全和提高环境质量发挥着极其重要的作用。
目前，世界各国对粉尘浓度的测量技术都做了大量研究，研制了一系列粉尘监测仪器，如粉尘采样器、直读式测尘仪、粉尘浓度传感器等。特别是粉尘浓度传感器的出现，解决了粉尘采样器、直读式测尘仪不能实时监测作业场所粉尘浓度的问题。
1 粉尘浓度在线监测技术测量方法
国外对粉尘浓度在线监测技术研究较早，主要有电容法、β射线法、光散射法、光吸收法、摩擦电法、超声波法、微波法等粉尘浓度在线测量方法。电容法的测量原理简单，但电容测量值与浓度之间并非一一对应的线性关系，电容的测量值易受相分布及流型变化的影响，导致较大的测量误差[1]；β射线法虽然测量准确，但需要对粉尘进行采样后对比测量，很难实现粉尘浓度的在线监测；超声波法、微波法测量粉尘浓度还处于试验研究阶段，市场上成型产品较少。目前市场上主要采用光散射法、光吸收法、摩擦电法进行粉尘浓度在线监测，形成的产品较多，并成功地应用于烟道粉尘浓度测量和煤矿井下粉尘浓度测量上。
1.1 光散射法粉尘浓度传感器
光散射法原理：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，粉尘浓度传感器就是通过探测变化的光信号，经过换算而实现粉尘浓度测量的，其结构原理如图1所示。采用光散射法测量空气中的粉尘浓度，具有快速、简便、连续测量的特点。
图1 光散射法粉尘浓度传感器结构原理示意图
1.2 光吸收法粉尘浓度传感器
光吸收法原理：当光波通过线性物质时，会与物质发生相互作用，光波一部分被介质吸收，转化为热能；一部分被介质散射，偏离了原来的传播方向，剩下的部分仍按原来的传播方向通过介质。透过部分的光强与入射光强之间符合朗伯一比尔定律。光吸收型粉尘浓度传感器以朗伯一比尔定律为基础，通过测量入射光强与出射光强，经过计算得到粉尘浓度，其原理如图2所示。该法具有在高粉尘浓度情况下测量准确的特点。
图2 光吸收法粉尘浓度监测仪原理示意图
1.3 摩擦电法粉尘浓度传感器
摩擦电法测量粉尘浓度是近10a来国际上受重视的一种粉尘浓度在线测量方法。该方法是对运动的颗粒与插入流场的金属电极之间由于碰撞、摩擦产生等量的符号相反的静电荷进行测量，来考察与粉尘浓度的关系，其原理如图3所示。其特点是灵敏度高、结构简单、免维护。
图3 摩擦电法粉尘浓度监测仪原理示意图
2 国内外粉尘浓度在线监测技术的现状
国外有代表性的产品为英国的Sims lin系列监测仪以及其升级产品OSIRIS粉尘传感器和计算机粉尘监测系统；德国丁达尔公司生产的TM系列粉尘仪；俄国研制的Ⅱ-101型自动测尘仪；日本柴田LV一5E、P5系列微电脑粉尘仪；美国研制的RAM系列实时粉尘监测仪、粉尘雷达和Auburn公司生产的3400型粉尘监测仪。其中Sims lin系列监测仪、TM系列粉尘仪、LV-5E、P5系列微电脑粉尘仪采用光散射法，Ⅱ-101型自动测尘仪采用光吸收法，3400型粉尘监测仪采用摩擦电法测量粉尘浓度。
国内粉尘浓度在线监测技术的发展较晚，主要以采样器、直读式测尘仪为主，但最近几年，随着信息技术的发展及光电子技术、计算机技术的提高，煤炭科学研究总院重庆研究院最先在国内开发出了GCG500型粉尘浓度传感器。国内其他厂家也陆续引进、开发出了粉尘浓度传感器，其生产厂家有郑州光力科技股份有限公司、江苏三恒科技集团、南京富邺科技股份有限公司等。国内外各类测尘仪器的技术参数对比见表1。
表1 各类粉尘浓度传感器综合比较
从表1中可以看出，国内外粉尘浓度在线监测技术大多采用光散射法原理，但在其测量误差、测量范围和工作电流上有所差别。国外仪器大多采用分段方式测量，而且工作电流较小，除Sims lin-Ⅱ之外，其他测尘仪的测量准确度较高，但粉尘浓度测量范围偏小。国内仪器测量范围宽、准确度低、工作电流大，其中GC1000型粉尘浓度传感器测量误差达到了25%。
3 粉尘浓度传感器在煤矿井下的应用
通过现场调查和查阅相关资料，国内粉尘浓度传感器主要是煤炭科学研究总院重庆研究院生产的GCG500型粉尘浓度传感器在市场上的应用较多，先后在安徽、山东、山西、甘肃、贵州、河南、辽宁、内蒙等多个省份使用。同时以该传感器为核心部件的ZPA-63S型粉尘浓度超限喷雾降尘装置，可根据作业场所粉尘浓度大小进行设限喷雾：当作业场所粉尘浓度高于设定值时开始喷雾，低于设定值时停止喷雾，从而实现了高效的喷雾降尘，节约了水、电。图4为粉尘浓度超限喷雾降尘装置示意图，表2-4为传感器现场测试数据。
图4 粉尘浓度自动喷雾装置示意图
表2 传感器在谢桥矿1412综掘工作面与采样器测试结果对比[2]
表3 传感器在许厂矿4301综采工作面与采样器测试结果对比[3]
表4 许厂矿4301综采工作面粉尘浓度超限喷雾装置测试结果
从现场应用测试结果中可以看出，GCG500型粉尘浓度传感器测量误差≤15%，用GCG500型粉尘浓度传感器控制喷雾，动作灵敏、可靠，喷雾打开和关闭实现智能化控制，在现场应用中取得了较好的效果。
4 存在问题及发展趋势
1)采用光散射原理的粉尘浓度传感器存在两大问题：一是传感器工作电流偏大。由于传感器是挂接在煤矿安全监控系统上的，而监控系统中分站电源提供的电流有限，最大短路电流为350mA，额定电流170mA，如果传感器的工作电流过大，则在传输电缆上的损失电压过多，会出现分站带不动传感器的现象，如工作电流在250mA状态下，分站到传感器的最大距离只有700m，超过此距离，传感器工作将不正常，而目前大多数煤矿工作面距离都较远，一般都在2000m左右，因此采用光散射原理的传感器，将达不到传输距离的要求。据调查国家相关部门正在制订粉尘浓度传感器的相关标准，将其工作电流限定在170mA，来解决传输距离的问题。二是传感器在使用一段时间后，因零点飘移严重、灵敏度降低等问题，需要经常进行标定，增加劳动强度。分析其原因，由于该系统采用的是光学原理，探测器部分易受粉尘污染，如不进行处理，就会导致探测器灵敏度降低，影响仪器性能。虽然有些厂家采用了一些处理办法，如在一定时间内对探测器进行清洁，在一定程度上确保了传感器的灵敏度，但无疑增加了仪器的控制要求和尺寸，加工设计起来较为困难。
2)光吸收型粉尘浓度传感器在国外研究较多，在国内也有部分高校进行了研究，其中有东北大学、东南大学、河北理工大学等，但只是在实验室中应用，还没有形成产品。由于光吸收型粉尘浓度传感器只有在高浓度时，即在8000～15000mg/m3内测量较为准确，在低粉尘浓度范围内，测量精度差，并且光学系统易受污染，需要经常维护，因此该类传感器大多应用于烟道粉尘浓度监测中，在煤矿井下使用该类仪器较少。
3)摩擦电法测量粉尘浓度技术较新，国内研究较少，国外主要集中在美国、澳大利亚、芬兰等少数国家进行研究，其主要应用在布袋除尘器泄漏检测上。但该方法受风速、粉尘颗粒粒径、磁场、粉尘性质等因素影响较大，要达到准确的测量，必须找出风速、粉尘粒径、磁场等因素对其影响。
综上所述，我国粉尘浓度监测技术发展方向如下：一是通过科技创新，降低光散射原理的粉尘浓度传感器的工作电流，从而提高传感器到系统分站的距离；二是设计防止光学窗污染的气流通道结构，从而解决光散射法测量粉尘浓度的光学窗污染问题，提高传感器的灵敏度；三是开发新型的免维护的摩擦电法粉尘浓度传感器。
5 结语
发展粉尘浓度在线监测技术，对于提高我国的污染源监测水平和煤矿管理水平、促进技术进步和产业发展都具有重要的意义。目前我国粉尘浓度监测技术与国外发达国家尚存在差距，为此，要加大对粉尘浓度监测技术的开发力度，增加科研经费投入，以缩小与国外的差距。应充分利用现有技术和试验条件，解决国内粉尘浓度传感器存在的问题，开发新型的免维护的粉尘浓度传感器，不断提高我国粉尘浓度在线监测技术水平。
参考文献：
[1]许传龙．气固两相流颗粒荷电及流动参数检测方法研究[D]．南京：东南大学，2005．
[2]王自亮．粉尘浓度传感器的研制和应用[J]．工业安全与环保，2006，32(4)：24-27．
[3]侯宇刚，刘增平，崔琛．粉尘浓度在线监测监控系统在煤矿企业的应用[J]．采矿技术，2006，6(3)：426-428．
信息来源：矿业安全与环保2009.05
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