濕度對煤塵濃度測量精度的影響實驗及其補償措施

濕度對煤塵濃度測量精度的影響實驗及其補償措施謝雙;易俊;王杰;王文和【摘要】為了探索環(huán)境濕度對煤塵濃度測量精度的影響，在分析激光散射法、B射線法和電荷感應(yīng)法這3種主要測塵方法原理的基礎(chǔ)上，在不同濕度條件下開展了煤塵濃度測量及其誤差的實驗分析,并指出了各自的補償方法.煤塵濃度測量實驗結(jié)果表明:當相對濕度為50%時,3種測塵方法的誤差均小于7%;當相對濕度為60%~70%時，激光散射法的誤差大于20%,p射線法和電荷感應(yīng)法的最大誤差都約為15%;當相對濕度大于70%時,3種測塵方法的誤差都較大.通過對激光散射法和電荷感應(yīng)法增加濕度檢測系統(tǒng)，激光散射法根據(jù)濕度調(diào)整質(zhì)量濃度轉(zhuǎn)換系數(shù)，電荷感應(yīng)法根據(jù)濕度調(diào)整算法的系數(shù)出射線法則采用動態(tài)加熱的補償方法，以消除濕度的影響.【期刊名稱】《礦業(yè)安全與環(huán)?！贰灸?卷)，期】2018(045)005【總頁數(shù)】5頁(P69-73)【關(guān)鍵詞】煤塵濃度;激光散射法;B射線法;電荷感應(yīng)法;相對濕度;測量誤差;補償修正【作者】謝雙;易俊;王杰;王文和【作者單位】重慶科技學院安全工程學院，重慶401331;重慶科技學院安全工程學院重慶401331;重慶工程職業(yè)技術(shù)學院，重慶402260;中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶400037;重慶科技學院安全工程學院，重慶401331【正文語種】中文【中圖分類】TD714+.3我國礦山職業(yè)危害形勢嚴峻，煤礦粉塵危害尤為突出。截至2014年底，全國塵肺病患者累計達77.71萬例，其中煤礦工人塵肺病患者數(shù)量占50%以上。2014年新增塵肺病患者26873例，其中煤礦工人塵肺病患者數(shù)量占51.5%［1］。礦山塵肺病高發(fā)的主要原因是我國礦山開采強度大、產(chǎn)塵量大，尤其是綜采綜掘工作面粉塵濃度高?，F(xiàn)有防塵技術(shù)對呼吸性粉塵（簡稱呼吸塵）的降塵率只有80%，呼吸塵瞬時質(zhì)量濃度仍高達50mg/m3，超過國家標準規(guī)定限值的數(shù)十倍，嚴重威脅和損害作業(yè)人員身體健康。同時，煤塵還具有爆炸危險性，是煤礦生產(chǎn)中的重大安全隱患［2］。國家環(huán)保部和煤礦安全監(jiān)察局對作業(yè)場所煤塵排放濃度制定了相關(guān)標準，嚴格控制煤塵排放濃度［3］。而煤塵濃度監(jiān)測是掌握現(xiàn)場煤塵濃度的重要手段，是粉塵危害防治和科學管理的主要依據(jù)［4］。直讀式測塵儀越來越多地應(yīng)用于現(xiàn)場測塵，與國家標準推薦的質(zhì)量濾膜測塵相比，直讀式測塵儀未包含烘干作用的設(shè)備單元，濕度會直接影響測塵儀的測量精度。粉塵濃度檢測方法主要有濾膜稱重法、電荷感應(yīng)法、壓電晶體感應(yīng)法、激光散射法、B射線法和微量振蕩天平法等［5］，而其中用于煤塵濃度檢測的方法有電荷感應(yīng)法、激光散射法和B射線法。開展環(huán)境濕度對基于這3種方法原理的測塵儀測量精度的影響實驗及其各自補償方法探討，可為煤礦企業(yè)有效控制煤塵危害提供技術(shù)支撐。1煤塵濃度檢測方法1.1激光散射法激光散射法測塵基于Mie散射理論，該理論是麥克斯韋方程對均勻介質(zhì)中的均勻顆粒在平面單波長波照射下的數(shù)學解［6］。將單個粉塵的幾何特征近似直徑為dG的球形顆粒并用入射光強I0照射，則散射光強I為：(1)式中：I0F(e?=|s(eM)|,為幅值函數(shù)；k為波數(shù)；r為粉塵顆粒距離；。為光軸的散射角；中為散射方位角。根據(jù)獨立散射粒子系的可加性［7］(煤粉可認為是獨立散射系［8］),當體積為V、質(zhì)量濃度為c的散射系粉塵受光照時，其散射光強為［9］:(2)根據(jù)光強變化可得粉塵質(zhì)量濃度為：⑶1.2P射線法P射線法測塵主要通過P放射源放射出的射線穿過被測定介質(zhì)的衰減程度來測定粉塵濃度，其衰減程度由介質(zhì)層質(zhì)量厚度決定［10］。該方法的核心之一是p衰變過程:⑷P射線法測塵時會在抽氣前后分別對GM管中穿透測塵濾膜的p射線各接收一次，并采用電脈沖記錄計數(shù)率，用n0和n表示前后計數(shù)率。前后計數(shù)率的變化和濾膜上的粉塵質(zhì)量有關(guān)［11-12］:⑸(6)式中：K為質(zhì)量吸收系數(shù)；pm為質(zhì)量密度；m為采樣質(zhì)量；A為采樣面積。當采樣吸入氣體體積為Q時，測得粉塵質(zhì)量濃度為：⑺結(jié)合式(6)~(7),整理得：(8)1.3電荷感應(yīng)法靜電感應(yīng)法是導(dǎo)體內(nèi)自由電荷在電場力作用下重新分布，導(dǎo)體中的正負電荷發(fā)生分離，異種電荷被吸弓I到帶電體附近，同種電荷被排斥到遠離帶電體的另一端，從而形成感應(yīng)電流，基于這一原理檢測帶電粉塵濃度。在粉塵濃度檢測的氣固兩相流動中，無論粉塵顆粒直徑的大小，通過被測管道的電流與固體質(zhì)量流量之比和被測管道入口處單位質(zhì)量固體所帶電荷量之間呈線性關(guān)系[13],與粉塵在管道中的分布無關(guān)。因此，感應(yīng)電流Im和粉塵流速wp的關(guān)系如下[14]:⑼(10)(11)式中：分別為x=0和x=8時單位質(zhì)量的粉塵粒子所帶電量；n(Ax)為管道中Ax長度內(nèi)單個粉塵粒子與管壁的碰撞次數(shù)；n0為調(diào)和碰撞次數(shù)；￡0為空氣介電常數(shù)；Vc為接觸勢能差；Dp為粉塵直徑；z0為接觸物間距；D為被測管道內(nèi)徑；為氣體的平均速度；P為空氣密度；pp為顆粒密度；m為氣固混合物質(zhì)的質(zhì)量流量;為粉塵速度平均軸向分量；S為接觸面積；t為張弛時間；At為接觸時間。假設(shè)n(Ax)=n0,則由式(9)~(11)計算得：(12)由文獻［15］可知:(13)(14)式中：aE、bE為常數(shù)；d為碰撞損傷區(qū)深度；mp為顆粒物質(zhì)量，e為回復(fù)系數(shù);p為穩(wěn)定流量壓力；vr0為粉塵顆粒碰撞前速度的徑向分量。結(jié)合式(12)~(14)近似得：(15)式中：a、b為常數(shù)且與測塵管道的位置和被測粉塵類型有關(guān)；c為粉塵質(zhì)量濃度。從以上電荷感應(yīng)法的檢測原理可以看出，電荷感應(yīng)法受外界因素的影響更小。2實驗裝置及方法2.1實驗裝置在國家級專業(yè)中心實驗室進行實驗，該實驗室配有Scirocco2000M定量發(fā)塵器、靜電除塵設(shè)備、微質(zhì)量測量天平、烘箱、超聲波加濕器、粉塵采樣器及風硐風速控制電腦平臺等，實驗系統(tǒng)如圖1所示。實驗設(shè)備有光散法GCG500(A)粉塵濃度傳感器、B射線法CCGZ-1000型直讀式測塵儀和電荷感應(yīng)法感應(yīng)式粉塵濃度傳感器。圖1煤塵濃度檢測實驗系統(tǒng)示意圖2.2實驗方法實驗前先將制備好的煤粉連同濾膜放入烘箱中，按標準程序烘干8h。通過定量發(fā)塵器向風硐中定量發(fā)送煤塵，在進風加濕口用超聲波加濕器來控制風硐內(nèi)的濕度，與此同時在抽出式風機的作用下將含塵氣流吸入風硐；在風硐中形成穩(wěn)定的氣固兩相流，同時在風硐的同一位置用稱重法、電荷感應(yīng)法、激光散射法和B射線法檢測煤塵濃度，每種濕度條件下共進行10次檢測。2.3實驗結(jié)果與分析采用P射線法、激光散射法和稱重法同時進行實驗，其中稱重法的實驗數(shù)據(jù)用稱重法1表示；與電荷感應(yīng)法同時進行實驗的稱重法的數(shù)據(jù)用稱重法2表示。不同濕度條件下測得的煤塵質(zhì)量濃度見表1~4。表1相對濕度為50%條件下的煤塵質(zhì)量濃度檢測數(shù)據(jù)測塵方法各次測量的煤塵質(zhì)量濃度/(mg-m-3)12345678910稱重法110.9628.9035.7043.2050.1060.2068.9079.8081.2092.10p射線法9.6228.1036.8043.8051.9058.2069.4079.1077.3095.10激光散射法13.6826.2132.3844.0551.2362.8577.4081.9088.0996.63稱重法22.8113.9521.5135.1440.5556.2161.9877.0891.1898.62電荷感應(yīng)法2.5512.3523.4632.8942.4252.7161.1572.6183.7691.65表2相對濕度為60%條件下的煤塵質(zhì)量濃度檢測數(shù)據(jù)測塵方法各次測量的煤塵質(zhì)量濃度/(mg-m-3)12345678910稱重法15.609.6210.5420.5530.2142.8961.3068.9075.17110.94p射線法5.5014.7010.6026.9033.2045.5069.1071.8074.70110.20激光散射法5.2513.6814.4524.3334.1163.2773.7374.5977.8592.90稱重法22.6412.5522.2533.7646.2954.1370.5584.4892.16105.70電荷感應(yīng)法0.6210.8322.8635.7544.3856.6664.0379.4796.88106.59表3相對濕度為70%條件下的煤塵質(zhì)量濃度檢測數(shù)據(jù)測塵方法各次測量的煤塵質(zhì)量濃度/(mg-m-3)12345678910稱重法114.0615.2021.8033.2634.0846.7458.9070.6098.10104.26p射線法15.2015.1021.6040.2049.1058.8664.8078.80112.50126.10激光散射法18.3220.6031.0651.3755.8477.5682.9399.44126.10138.48稱重法23.8812.4422.0633.2942.3253.4965.6674.7084.8583.85電荷感應(yīng)法4.6915.0326.3837.3449.1159.8771.5782.0394.5299.11表4相對濕度為90%條件下的煤塵質(zhì)量濃度檢測數(shù)據(jù)測塵方法各次測量的煤塵質(zhì)量濃度/(mg-m-3)12345678910稱重法111.3026.4728.6439.5341.7652.7053.7966.7481.2590.38p射線法21.30172.50202.30223.60174.00225.00136.30182.50167.20164.80激光散射法28.5980.3096.6451.4671.8675.1884.37163.60182.34181.23稱重法25.2612.6723.0636.2545.1552.5363.7876.3584.5793.51電荷感應(yīng)法7.4218.7628.8744.6854.8864.4878.9091.19103.72111.85由表1~4可知，當相對濕度為50%時，激光散射法、電荷感應(yīng)法和P射線法測得煤塵濃度的結(jié)果與各自稱重法的結(jié)果非常接近，此濕度條件下基于3種原理的測塵儀測得的結(jié)果能夠真實反映現(xiàn)場煤塵濃度并具有較好的準確度，此時不需要考慮環(huán)境濕度對測塵結(jié)果的影響。當相對濕度為60%時，激光散射法測得的結(jié)果與稱重法1出現(xiàn)了較大偏差，濕度對其影響開始突顯；電荷感應(yīng)法和P射線法的結(jié)果與稱重法的結(jié)果較為接近，濕度的影響較小。當相對濕度為70%時，激光散射法受濕度影響最大，測得的數(shù)據(jù)已完全〃失真”，P射線法和電荷感應(yīng)法同樣受到—定的影響；隨著粉塵濃度的增加各種測塵方法受到的影響程度越大，因此，在此濕度條件下，基于3種原理的測塵儀的測塵結(jié)果與稱重法相比均出現(xiàn)了很大的偏差，此時必須要考慮濕度的影響。而當相對濕度增大到90%時，B射線法和激光散射法的測塵結(jié)果遠高于實際的粉塵濃度值，相比之下電荷感應(yīng)法受到的影響較小，但其結(jié)果偏差仍然極大。不同濕度條件下3種原理的測塵儀的測量誤差如圖2所示。圖2不同濕度條件下3種原理的測塵儀的測量誤差對比由圖2可見，隨著濕度的增大，3種測塵儀所測結(jié)果的誤差都隨之增大。當濕度在50%~70%時，激光散射法的誤差大于p射線法和電荷感應(yīng)法，而P射線法和電荷感應(yīng)法的誤差比較接近。當濕度為50%時，3種測塵儀的誤差均小于7%，無需考慮濕度的影響。當濕度大于60%時，激光散射法的誤差大于20%，已超出儀器允許的誤差范圍。當濕度為70%時，p射線法和電荷感應(yīng)法的誤差約為15%，在檢測儀器允許的誤差范圍內(nèi)。當濕度大于70%時，3種測塵儀受濕度的影響極大，其測量結(jié)果嚴重偏離真實值，已不能反映實際煤塵的濃度。3消除濕度影響的措施為了消除濕度對煤塵濃度測量結(jié)果的影響，根據(jù)不同的檢測原理應(yīng)采用不同的補償方法。激光散射法的補償方法為：在有防爆要求的場所，在原檢測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上引入濕度傳感器，實時獲取環(huán)境中的濕度，根據(jù)已知的濕度調(diào)整質(zhì)量濃度轉(zhuǎn)換系數(shù)(K值)來獲取更加準確的結(jié)果，比如美國熱電PDR-1500粉塵儀和美國SensidyneNephelometer實時粉塵測試儀。在沒有防爆要求的場所，則采用全程高溫伴熱、氣化的補償方法，比如德國SICK|MAIHAK公司的FWE200系列粉塵儀。P射線法的補償方法為：由于P射線法測塵需要計算前后的粉塵質(zhì)量，濕度很大的情況下測得的結(jié)果明顯不準確，所以需要采用動態(tài)加熱系統(tǒng)加熱采樣入口的含塵氣流，以消除濕度的影響，比如BAM-1020型p射線法粉塵儀、JY-6H(A)型p射線法在線揚塵監(jiān)測儀等。由于電荷感應(yīng)法受濕度的影響比較小，其補償方法為：通過對傳感器增設(shè)濕度檢測系統(tǒng)，在不同濕度下調(diào)整測量結(jié)果的算法系數(shù)來消除濕度的影響。4結(jié)論隨著環(huán)境濕度的增加，采用激光散射法、B射線法和電荷感應(yīng)法等3種方法的煤塵濃度檢測結(jié)果受濕度的影響逐漸增大。當濕度為50%時，3種方法的誤差均小于7%；當濕度大于60%時，激光散射法的誤差大于20%；當濕度為60%~70%時邛射線法和電荷感應(yīng)法的最大誤差約為15%，同一濕度條件下P射線法和電荷感應(yīng)法的測量結(jié)果比激光散射法更為準確。當濕度大于70%時，3種方法的誤差都比較大。激光散射法采用已知濕度調(diào)整質(zhì)量濃度轉(zhuǎn)換系數(shù)的補償方法消除濕度的影響；B射線法采用動態(tài)加熱的補償方法消除濕度的影響；電荷感應(yīng)法采用已知濕度調(diào)整算法的系數(shù)消除濕度的影響。參考文獻：【相關(guān)文獻】東東.2014年全國職業(yè)性塵肺病占近九成[J].勞動保障世界,2015(34):46.田勇,張安明.新型煤化工煤粉環(huán)境著火爆炸危險分析及防治方法探討[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2016,43(6):92-94.唐娟.粉塵濃度在線監(jiān)測技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].礦業(yè)安全與環(huán)保,2009,36(5):69-74.王自亮.粉塵濃度傳感器的研制和應(yīng)用[J].工業(yè)安全與環(huán)保，2006(4):24-27.鄧芙蓉，王欣，吳少偉，等.三種空氣顆粒物監(jiān)測儀監(jiān)測結(jié)果比較研究[J].環(huán)境與健康雜志,2009,26(6):504-506.李建立.基于光散射的微粒檢測[D].煙臺：煙臺大學,2009.陳建閣.交流耦合式電荷感應(yīng)法粉塵濃度檢測技術(shù)研究[D].北京：煤炭科學研究