新一代顆粒物濃度檢測儀的原理和介紹

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境污染問題的不斷關注，監測可吸入顆粒物濃度的儀器也開始熱賣。改進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實時顯示各種直徑顆粒物的測量結果，甚至實現不間斷在線監測。

現在大多數顆粒物濃度檢測儀根據光散射原理測量并計算直徑和質量濃度。該理論早在上個世紀初*已經面世，經過一個多世紀的檢驗，其測量的正確性和*度毋庸置疑。隨著電子科技的發展，原來需要整個房間才能裝下的儀器現在已經濃縮成單手*可以操作。光散射法測量粒徑相比于其它方法精度高、重復型好、粒度測量范圍廣、不接觸樣品、測量時間短，已經慢慢成為顆粒物濃度檢測的*。應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備測量、操作復雜的稱重法呢？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象，如果光傳播時遇到物質阻擋，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，還會因為熱擾動發生布朗運動，即分子自身無規則、*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，那么光強相關性為1（完全相關），如果測量到的光強完全不一樣，光強相關性為0（完全不相關）。繪制出光強相關性隨時間變化的曲線，如下圖所示。

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

把收集到的數據送入處理器，配以相應的公式即可計算出粒徑的分布規律和數量。

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*是激光發生器，用于發出單波長的激光，進行散射光測量。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。*后藍色部分是光的接收器，用于接收散射光，并把光強數據傳輸到處理器中計算。

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

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

今后隨著電子技術的不斷進步，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測顆粒物濃度的*，未來多點布控、實時檢測、迅速反應、大數據處理將成為顆粒物濃度檢測，甚至環境污染治理的主流。而激光散射法測量顆粒物濃度在其中將大有可為。