煤矿粉尘的多波长消光检测方法

　　　　　　　　图1　光的透射

　　根据贝格-比尔云尘理论，对于均匀分散粒径均一的尘样，入射光强与出射光强的关系为^［2］：

I=I₀exp(-Q^.N^.A^.L)=I₀exp(-3QWL/2ρd)

(1)

　　式中：Q为消光系数(无量纲)，它与入射光波长λ，尘粒直径d和尘粒物质折射率m有关，可以按Mie理论和专门编制的程序算出^［3］；N为尘粒的数量密度；A为粒径为d的尘粒的截面积；W为尘粒的质量浓度；ρ为尘粒固体物质的质量密度。
　　对于实际有一定粒度分布的尘粒系，设直径为di的尘粒，其质量浓度为W_i，则有

(2)

　　式中：C=3L/2ρ，对于某种粉尘和测量系统而言，C是一常数，为方便起见，可以取为1；M为测量时粉尘尘粒按粒径的分档数。
　　由式(2)得

(3)

　　式(3)是在单色入射光情况下得到的，如果采用多波长光入射，对于每一波长λ_j，都可以得到一个式(3)，由此得到一线性方程组：

E=TW

(4)

　　式中：E=(ln(I₀／I) ₁ ，ln(I₀／I)₂，…，ln(I₀／I)_M)^T为消光列向量，可以通过实测各个波长对应的I₀及I求得；而

(5)

T中各元素为

可以预先由计算机算出。T称为消光系数矩阵。为求解方程方便，入射光的波长数应等于测量时粒径分档数，因而T为M×M的方矩阵。W=(W₁，W₂，…， W_M)^T为粉尘质量浓度分布列向量。求解方程组(4)便可求得W及粉尘总的质量浓度。
　　不难看出，多波长消光测尘中，是通过测得各种粒径的粉尘的质量浓度得到总的粉尘浓度的，因而能实时地反映粉尘粒度分布变化的影响，为粉尘浓度的高精度测量提供了可能。此外，在测量粉尘浓度的同时，还能测得粉尘的粒度分布(分散度)，这是普通粉尘测量仪所不具备的。理论计算表明^［2］，在可见光波长范围内，对于煤尘而言，多波长消光测尘的有效测尘粒径范围在0.1～10μm之间，这对于煤矿粉尘的测量是完全适用的^［4］。

3　原理性设计方案

　　根据多波长消光测尘的基本原理以及煤矿粉尘测量的实际需要，这里提出了多波长消光测尘系统的原理性设计方案，其装置原理见图2。

图2　多波长消光测尘系统原理

　　白光光源发出的白光，准直后经单色选择系统，选择不同波长的单色光通过。分光器将入射的单色光分为强度相等的两束光：一束作为信号光束照射测量区，然后进入光电探测器；另一束作为参考光束，直接进入光电探测器。参考光束的光强可以认为是入射光强I₀，信号光束的光强则是出射光强I。两路光信号经放大后都进入信号处理系统处理，然后输进计算机。变换入射光的波长，在不同波长下进行测量，计算机根据测得的各个波长下的I₀及I解方程组(4)，可以求出粉尘的质量浓度、粒度分布和平均粒径等，最后测量结果由屏幕显示或打印出。需要指出的是，方程组(4)是一严重的病态方程，因而对它的求解，需要用最优化方法^{［5］［6］}。
　　在消光测量中，光源输出功率的波动是造成测量误差的主要原因之一。采用双光路设计，可以消除光源不稳定、各种噪声和接收灵敏度变化所产生的影响，并能降低对光源稳定性的要求，省去光源的稳压装置，使系统更适合于现场使用；利用微机系统对整个系统进行控制，对数据进行分析处理和显示，可以提高系统的检测速度和信号处理速度，确保系统的准确性和可靠性，并使系统具有较高的智能化程度；入射光的波长数目选择，可以根据测尘的实际需要来确定，较多的波长数目能提高系统的测量精度，但会降低系统的测量速度和信号处理速度，在实际设计中，各种因素应综合考虑。

4　结束语

　　本文提出了多波长消光测量这一新的粉尘检测方法，介绍了多波长消光测尘的基本原理，并提出了原理性的设计方案。分析表明，测量原理是完善的，技术上是可行的，具有较高应用价值和市场潜力。本文的分析讨论为研制出高精度的煤矿粉尘测量系统提供了一定的理论依据，具有一定的指导意义。

作者单位：唐刚　（中国矿业大学物理教研室(徐州 221008)）

参考文献

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