新一代颗粒物浓度检测仪的原理和介绍

新一代颗粒物浓度检测仪的原理和介绍

北京康高特科技有限公司

张鑫宇

随着人们对大气和环境污染问题的不断关注，监测可吸入颗粒物浓度的仪器也开始热卖。改进了称重法时效性不强、操作繁琐、需要多种仪器配合使用的缺点，新一代的检测仪器能够实时显示各种直径颗粒物的测量结果，甚至实现不间断在线监测。

现在大多数颗粒物浓度检测仪根据光散射原理测量并计算直径和质量浓度。该理论早在上个世纪初*已经面世，经过一个多世纪的检验，其测量的正确性和*度毋庸置疑。随着电子科技的发展，原来需要整个房间才能装下的仪器现在已经浓缩成单手*可以操作。光散射法测量粒径相比于其它方法精度高、重复型好、粒度测量范围广、不接触样品、测量时间短，已经慢慢成为颗粒物浓度检测的*。应用该方法的颗粒物浓度检测仪有很多，例如英国Turnkey Instrument的Dustmate；美国TSI的8530和Thermal Fisher的PDR1500等。

那么为什么光散射法能够代替使用多种仪器设备测量、操作复杂的称重法呢？通过其原理，可以略知一二。

光的散射是自然界中普遍存在的一种物理现象，如果光传播时遇到物质阻挡，那么它*会向四面八方散射出频率相同的光，如下图所示：

在仪器中激光从一端射向另一端，颗粒物从其中经过将光散射，被散射的光由安置在另一端的接收器接收，并测量其强度。

仪器内有采样泵，不断地将外界的颗粒物吸入仪器，此时颗粒物不仅朝着泵吸入的方向移动，还会因为热扰动发生布朗运动，即分子自身无规则、*停歇的震动。因为布朗运动，接收器接收到的光强度也会随着时间不断变化。又因为大颗粒布朗运动较慢，小颗粒布朗运动较快，所以会得出下图所示的时间-光强变化曲线。

接收器在短时间内多次测量某一位置光的强度，如果测量的是小颗粒那么光强度会很快变化，如果测量的是大颗粒那么光强变化会比较缓慢。在某个点，如果时间t₁和时间t₂测量到的光强完全一样，那么光强相关性为1（完全相关），如果测量到的光强完全不一样，光强相关性为0（完全不相关）。绘制出光强相关性随时间变化的曲线，如下图所示。

根据上述大颗粒和小颗粒光强变化的规律可以推断，大颗粒的相关性曲线下降比较缓慢，而小颗粒的相关性曲线下降比较迅速。从而通过曲线的变化区分开颗粒物粒径的大小。

把收集到的数据送入处理器，配以相应的公式即可计算出粒径的分布规律和数量。

以上*是光散射法测量颗粒物浓度的简单介绍，下面以Dustmate为例，介绍一下实际情况中激光器的工作方式。下图所示是Dustmate的采样和测量电路，图中用四种不同颜色的方框分成了四个部分，其中红色部分*是激光发生器，用于发出单波长的激光，进行散射光测量。绿色部分是仪器的气体通路，从空气中采集到的气体沿箭头方向进入仪器，在激光器中把激光散射。紫色部分是采样泵，提供抽力，吸入空气。*后蓝色部分是光的接收器，用于接收散射光，并把光强数据传输到处理器中计算。

其它同类仪器的测量方法和原理都大同小异，区别只在于精度和测量时间。另外通过数据记录装置，这些颗粒物浓度检测仪还能记录浓度数据，并分析变化趋势。

通过以上介绍可以看出，相较于传统的称重法，使用激光散射法测量颗粒物浓度结果更*，受其它因素干扰的情况很少，使用更方便。而且仪器配有的数据记录装置能够满足测量后处理数据和作图的需要。

今后随着电子技术的不断进步，这种类型的颗粒物浓度检测仪体积肯定更加小巧，价格更加低廉。另外光散射法也是在线监测颗粒物浓度的*，未来多点布控、实时检测、迅速反应、大数据处理将成为颗粒物浓度检测，甚至环境污染治理的主流。而激光散射法测量颗粒物浓度在其中将大有可为。