新一代顆粒物濃度檢測儀的原理和介紹

北京康高特科技有限公司

張鑫宇

隨著人們對大氣和環(huán)境污染問題的不斷關(guān)注，監(jiān)測可吸入顆粒物濃度的儀器也開始熱賣。改進(jìn)了稱重法時效性不強、操作繁瑣、需要多種儀器配合使用的缺點，新一代的檢測儀器能夠?qū)崟r顯示各種直徑顆粒物的測量結(jié)果，甚至實現(xiàn)不間斷在線監(jiān)測。

現(xiàn)在大多數(shù)顆粒物濃度檢測儀根據(jù)光散射原理測量并計算直徑和質(zhì)量濃度。該理論早在上個世紀(jì)初*已經(jīng)面世，經(jīng)過一個多世紀(jì)的檢驗，其測量的正確性和*度毋庸置疑。隨著電子科技的發(fā)展，原來需要整個房間才能裝下的儀器現(xiàn)在已經(jīng)濃縮成單手*可以操作。光散射法測量粒徑相比于其它方法精度高、重復(fù)型好、粒度測量范圍廣、不接觸樣品、測量時間短，已經(jīng)慢慢成為顆粒物濃度檢測的*。應(yīng)用該方法的顆粒物濃度檢測儀有很多，例如英國Turnkey Instrument的Dustmate；美國TSI的8530和Thermal Fisher的PDR1500等。

那么為什么光散射法能夠代替使用多種儀器設(shè)備測量、操作復(fù)雜的稱重法呢？通過其原理，可以略知一二。

光的散射是自然界中普遍存在的一種物理現(xiàn)象，如果光傳播時遇到物質(zhì)阻擋，那么它*會向四面八方散射出頻率相同的光，如下圖所示：

在儀器中激光從一端射向另一端，顆粒物從其中經(jīng)過將光散射，被散射的光由安置在另一端的接收器接收，并測量其強度。

儀器內(nèi)有采樣泵，不斷地將外界的顆粒物吸入儀器，此時顆粒物不僅朝著泵吸入的方向移動，還會因為熱擾動發(fā)生布朗運動，即分子自身無規(guī)則、*停歇的震動。因為布朗運動，接收器接收到的光強度也會隨著時間不斷變化。又因為大顆粒布朗運動較慢，小顆粒布朗運動較快，所以會得出下圖所示的時間-光強變化曲線。

接收器在短時間內(nèi)多次測量某一位置光的強度，如果測量的是小顆粒那么光強度會很快變化，如果測量的是大顆粒那么光強變化會比較緩慢。在某個點，如果時間t₁和時間t₂測量到的光強完全一樣，那么光強相關(guān)性為1（完全相關(guān)），如果測量到的光強完全不一樣，光強相關(guān)性為0（完全不相關(guān)）。繪制出光強相關(guān)性隨時間變化的曲線，如下圖所示。

根據(jù)上述大顆粒和小顆粒光強變化的規(guī)律可以推斷，大顆粒的相關(guān)性曲線下降比較緩慢，而小顆粒的相關(guān)性曲線下降比較迅速。從而通過曲線的變化區(qū)分開顆粒物粒徑的大小。

把收集到的數(shù)據(jù)送入處理器，配以相應(yīng)的公式即可計算出粒徑的分布規(guī)律和數(shù)量。

以上*是光散射法測量顆粒物濃度的簡單介紹，下面以Dustmate為例，介紹一下實際情況中激光器的工作方式。下圖所示是Dustmate的采樣和測量電路，圖中用四種不同顏色的方框分成了四個部分，其中紅色部分*是激光發(fā)生器，用于發(fā)出單波長的激光，進(jìn)行散射光測量。綠色部分是儀器的氣體通路，從空氣中采集到的氣體沿箭頭方向進(jìn)入儀器，在激光器中把激光散射。紫色部分是采樣泵，提供抽力，吸入空氣。*后藍(lán)色部分是光的接收器，用于接收散射光，并把光強數(shù)據(jù)傳輸?shù)教幚砥髦杏嬎恪?/span>

其它同類儀器的測量方法和原理都大同小異，區(qū)別只在于精度和測量時間。另外通過數(shù)據(jù)記錄裝置，這些顆粒物濃度檢測儀還能記錄濃度數(shù)據(jù)，并分析變化趨勢。

通過以上介紹可以看出，相較于傳統(tǒng)的稱重法，使用激光散射法測量顆粒物濃度結(jié)果更*，受其它因素干擾的情況很少，使用更方便。而且儀器配有的數(shù)據(jù)記錄裝置能夠滿足測量后處理數(shù)據(jù)和作圖的需要。

今后隨著電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，這種類型的顆粒物濃度檢測儀體積肯定更加小巧，價格更加低廉。另外光散射法也是在線監(jiān)測顆粒物濃度的*，未來多點布控、實時檢測、迅速反應(yīng)、大數(shù)據(jù)處理將成為顆粒物濃度檢測，甚至環(huán)境污染治理的主流。而激光散射法測量顆粒物濃度在其中將大有可為。