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光散射法呼吸性粉尘浓度传感器抗污染优化设计

2024-11-04 99 上传者：管理员

摘要：针对光散射法呼吸性粉尘浓度传感器易受污染的问题，通过数值仿真研究了呼吸性粉尘流道内的速度场和湍动能分布，找出了传感器易污染的原因及规律，优化设计了光散射粉尘测量单元，通过实验对比了抗污染设计前后传感器的性能差异，并定量分析了其抗污染能力。结果表明：优化后的光散射呼吸性粉尘浓度传感器免维护周期提升了约2.9倍。

关键词：
传感器
光散射法
呼吸性粉尘
抗污染
粉尘浓度传感器
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呼吸性粉尘是指空气动力学直径7.07μm以下，可以随呼吸进入人体肺部，当空气动力学直径为5μm时采集效率为50%的粉尘。呼吸性粉尘尺寸小、分散度高、吸附能力强，是尘肺病的主要引发源，造成了较严重的健康问题和经济损失。调查显示，尘肺病是现阶段我国最严重的职业病，其中大多数来自煤炭行业。准确监测呼吸性粉尘浓度是贯彻落实《“健康中国2030”规划纲要》、有效保护作业人员身心健康的重要举措。

光散射法粉尘浓度传感器通过分析粉尘对光的散射信号特征来计算其浓度，由于其快速响应和连续实时监测的优势得到了广泛应用。传统的光散射法粉尘传感器在煤矿环境中容易受到污染，导致测量精度和稳定性下降。为了解决以上问题，研究者从不同方面开展了矿用粉尘浓度传感器的抗污染研究。然而，这些研究均针对总粉尘浓度传感器，呼吸性粉尘测量时需要先在采样动力作用下，用呼吸性粉尘预分离装置将呼吸性粉尘从总尘中分离出来，然后再通过光散射测量单元进行浓度测量。文献[2]通过虚拟冲击分离方法解决了旋风分离、平板冲击等常见分离方法的粉尘污染、过载、堵塞问题，但煤矿呼吸性粉尘浓度传感器仍面临高浓度粉尘的污染问题。针对该问题，本文分析了光散射法呼吸性粉尘浓度传感器的易污染原因，并进行了优化设计，提高了粉尘浓度传感器的抗污染能力。

1、光散射法呼吸性粉尘浓度测量方法

(1）光散射法粉尘浓度检测原理

Mie散射是用于粉尘浓度检测最常见的光散射方法。当波长为λ、光强为I0的线偏振平行光入射到单个球形颗粒上时，其散射光的光强

式中r0———颗粒到光强接收点的距离；

φ———入射光振动平面与散射平面的夹角；

θ———散射角；

n———粉尘颗粒数；

i1(θ,n）、i2(θ,n)———θ角方向上的平行与垂直于参考平面的Mie散射强度函数分量，与颗粒数n有关。

在非偏振光入射的条件下，i1(θ,n）和i2(θ,n）与φ无关，可表示为

式中an、bn———Mie散射系数，是散射颗粒介质折射率m和粉尘粒径的函数；

πn、τn———Legendre函数，与散射角θ有关。

由式（1）～式（3）可知，散射光强Is与粉尘颗粒数n、入射光波长λ、光强I0、散射角θ、折射率m、粉尘粒径相关。当对煤粉的浓度进行测量时，入射光波长λ、折射率m视为常数，因此当光强I0、散射角θ一定时，散射光强Is与粉尘颗粒数n和粒径相关。通过适当的反演算法，就可以得到煤粉的浓度。

(2）光散射法粉尘浓度测量结构

光散射法粉尘浓度测量单元主要由测量腔、激光器、光电探测器、光学透镜组、凹面聚光镜、光陷阱和检测电路组成。激光光源照射在待测颗粒物上时发生散射，散射光被光电探测器接收，探测器将接收到的光信号转换成电信号，经过信号放大和A/D转换，通过计算脉冲的数量可反演粉尘的浓度。90°散射是常见的散射布局方式，容易控制加工和安装误差。光散射法粉尘浓度测量结构如图1所示。

图1 光散射法粉尘浓度测量结构示意图

2、光散射测量单元流道流场仿真

为减少物理结构对粉尘的阻留作用，在呼吸性粉尘浓度传感器流道设计时，已经尽量减少与气流流向垂直的结构布局，但仍不可避免存在部分弯角、斜面结构，使得粉尘在运动过程中可能存在撞击、摩擦等现象；为了减少呼吸性粉尘传感器整机体积和功耗，同时考虑与虚拟冲击器、光散射检测单元及采样泵等单元组合，设计了小型化的含尘流道。

在Creo中建立呼吸性粉尘浓度传感器的主要流道模型。根据虚拟冲击器结构限制，弱流通道直径设置φ4 mm；强流通道截面为圆环状，截面面积1 200 mm2。在Workbench-Mesh中使用非结构化网格对流道三维模型进行离散化处理，对流道结构中截面快速收缩、流体快速变向等部分进行加密处理，划分完成后进行网格检查。

在Fluent中进行流体仿真。使用SIMPLC算法，离散方法选择Second order upwind，选择压力基（pressure-based）求解器，同时选择稳态模拟，不考虑重力。湍流模型为标准的κ-ε模型，增强的壁面函数创建颗粒入射口。连续相选择空气属性保持默认。弱流流量设置为0.2 L/min、强流流量1.8 L/min。预设运算为2 000步，模型计算776步后收敛精度已经达到10-6。

光散射测量单元流道速度云图如图2所示。由图2可知，沿气流运动方向，弱流段气流速度比较稳定，这是由于弱流段断面为恒定尺寸，气流进入弱流段得到充分发展，未出现气流明显波动。通过对其断面轴线测速可知，弱流段流速约为0.53 m/s。强流段的构成相对复杂，包括环型漏斗状束流段、光学测量段等。沿气流运动方向，气流在束流段相对稳定，速度小幅增加；束流段底部因为截面变小，气流明显增速；同时因为与弱流导出段结构存在交叉，流动变得复杂。强流流速沿运动方向逐渐增大，由于圆柱中空状光学测量段截面变大的原因，气流出现了扩散，速度减小；随后在光学测量段出口的收缩段，气流逐渐增大，在气流变向位置附近达到最大。

图2 速度云图

呼吸性粉尘浓度传感器主要流道的湍流分布如图3所示。由图3可知，湍动能较大区域主要为测量单元出口部分。气流进入测量单元后，尽管单元内气流截面增大，但是由于强流流速可达2.5 m/s以上，在较大惯性的气流作用下，测量单元入口处的速度梯度并未出现明显变化。而其出口处，气流截面变小，在束流的作用下，扩散后的气流收缩，裹挟束流周围的气流一同排出测量单元。湍动能等高线在出口附近近似呈驼峰形状，并环状分布于出口附近。沿气流运动方向，越靠近暗室出口，其湍动能越大。在强流出口附近，由于气流对管壁的撞击作用，越靠近管壁下方，湍动能越大。

图3 湍动能云图

3、结构优化设计

由流场仿真可知，光散射测量单元的气流出口附近区域流场较为复杂，该部位容易造成粉尘扩散、碰撞和沉积，进而对光学测量器件造成污染。根据以上模型对光散射测量单元进行优化设计，减少测量单元含尘气流进出口的间距，同时将出口的内腔设计为喇叭状。

4、测试对比分析

按照呼吸性粉尘虚拟冲击器工作点流量要求，设置采样泵流量为1.8 L/min，在粉尘环境实验舱中对优化前后的光散射测量单元进行对比测试。在粉尘环境舱生成约100 mg/m3的粉尘浓度环境，将2种光散射测量单元的入口连接粉尘环境舱的采样口。优化前后的光散射测量单元污染情况如图4所示。

图4 光散射测量单元抗粉尘污染对比

由图4可见，优化后的结构明显减少了颗粒的沉积，未对测量单元造成明显污染。这是因为优化前的测量单元出口处，气流在扩散作用下，颗粒与出口内壁发生冲击碰撞，在壁面处沉积；当冲击速度过大，产生反弹，容易造成污染。而优化后的结构在气流充分扩散前，已通过喇叭状出口将含尘气流收集，避免了颗粒的逃逸、沉积，与仿真结果一致。

为了验证优化前后呼吸性粉尘浓度传感器的免维护周期，在采样泵前串联大容量粉尘滤芯，在粉尘环境实验舱中进行连续采样。期间每隔1 d观察光散射检测单元污染情况，但是不进行清理维护，当光电探测器表面粉尘沉积颗粒数大于20颗时停止测试。得出粉尘浓度传感器的免维护周期

测量优化前的传感器滤芯粉尘截留量为17.5 g，优化后传感器的滤芯粉尘截留量为68.7 g。假设环境粉尘浓度为500 mg/m3，根据式(4)计算传感器的免维护周期为47.7 d，而优化前面维护周期为12.2 d。优化后的光散射呼吸性粉尘浓度传感器免维护周期提升约2.9倍。

5、结语

(1）建立了光散射呼吸性粉尘浓度传感器主要流道结构模型，对其速度场和湍动能进行了仿真分析，发现光散射测量单元气流出口区域易受粉尘污染；

(2）对光散射呼吸性粉尘测量单元进行优化设计并进行抗污染测试，与原结构相比，在500 mg/m3的环境粉尘浓度下，优化后的光散射呼吸性粉尘浓度传感器免维护周期提升约2.9倍。

参考文献:

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