Aktuální vydání

celé číslo

04

2022

veletrh Amper 2022
celé číslo

Meranie koncentrácie respirabilnej frakcie prachu na princípe rozptylu svetla

číslo 5/2005

Meranie koncentrácie respirabilnej frakcie prachu na princípe rozptylu svetla

Zvýšená koncentrácia tuhých znečisťujúcich látok (polietavý prach) spôsobuje vážne zdravotné problémy ľudí a taktiež je hrozbou pre celý ekosystém.

Polietavý prach predstavuje sumu častíc rôznej veľkosti, ktoré sú voľne rozptýlené v ovzduší. Ich pôvod je v rôznych technologických procesoch, uvoľňujú sa najmä pri spaľovaní tuhých látok, sú obsiahnuté vo výfukových plynoch motorových vozidiel. Do ovzdušia sa dostávajú aj vírením častíc usadených na zemskom povrchu (sekundárna prašnosť).

Pre meranie v praxi je účelne rozdeliť prach na dve veľkostné frakcie (resp. zložky), a to na respirabilnú a nerespirabilnú. Zmyslom tohto triedenia je napodobniť triedenie prachu v organizme pri jeho vdychovaní. Respirabilnou frakciou sa nazýva ta časť prachu, ktorá pri vdychovaní preniká až do pľúcnych alveol a zdržuje sa v nich.

Obr. 1.

Obr. 1. Meranie koncentrácie prachových častíc pri rozptyle svetla [7]

Cieľom tohto článku je popísať, v náväznosti na [1], princíp merania koncentrácie respirabilnej frakcie prachu na princípe rozptylu svetla. Táto metóda umožňuje kontinuálne meranie koncentrácie prachu v prostredí v čase.

Princíp merania

Snímanie rozptýleného svetla umožňuje meranie malých koncentrácií prachu vo vzduchu. Táto metóda sa v praxi používa pre meranie koncentrácie dymových plynov, pre určovanie viditeľnosti v cestných tuneloch a pre monitorovanie úniku tuhých znečisťujúcich látok z výrobných procesov.

Princíp metódy spočíva v tom, že vysielač vysiela svetelný lúč, ktorý je časticami prachu v ovzduší spätne odrazený a zachytený vysoko citlivým snímačom (obr. 1). Porovnávaním vychádzajúceho svetla a rozptýleného svetla je možné určiť koncentráciu prachu v ovzduší. Ako zdroj svetla môže byť použitá svietivá dióda (LED), laser alebo iné zdroje so širokým spektrom vlnových dĺžok [2], [3], [4].

Obr. 2.

Obr. 2. Tok svetla v homogénnom prostredí (A) a v prostredí s prekážkou (B) [7]

Prachomery pracujúce na tomto princípe obyčajne pokrývajú rozsah hmotnostnej koncentrácie v rozmedzí od 0,1 do 1 000 mg/m3 stanovenom pre polystyrene-latex aerosol (PLA), ktorý je používaný pre kalibráciu prachomerov. Ide o polystyrenovo-latexové guľové častice s priemerom 1 µm, ktoré sú rozptýlené v meranom prostredí. Prachomer však musí byť kalibrovaný v meranom prostredí pomocou vzduchu, ktorý je kontaminovaný konkrétnymi prachovými časticami. V súvislosti s tým je nutné si uvedomiť, že aj čierne častice prachu rozptyľujú svetlo (grafitové častice, prachové častice z rozsievkovej zeminy a pod.) [5], [6].

Rozptyl svetla

V opticky homogénnom prostredí (s konštantným indexom lomu a absorpciou) sa svetlo šíri priamočiaro. Striktne povedané, tento ideálny prípad nastáva len vo vákuu. Akákoľvek zmena optických vlastností spôsobí vychýlenie svetelného lúča z jeho dráhy (obr. 2).

Obr. 3.

Obr. 3. Rozptýlenie svetla sférickou časticou [7]

Tento jav nie je obmedzený časticami viditeľnými voľným okom alebo mikroskopom, a naviac aj v čistom vzduchu alebo čistej vode sa vyskytuje rozptyl svetla na jednotlivých molekulách.

Nakoľko svetlo má vlnový charakter, pri rozptyle svetla má svoj význam ohyb svetla (difrakcia). Difrakcia nastáva vtedy, ak svetlo prechádza v bezprostrednej blízkosti prekážky, a teda je vychýlené od svojej pôvodnej dráhy. Uhol vychýlenia závisí na vlnovej dĺžke svetla a na veľkosti častice.

Premenné, ktoré majú vplyv na rozptýlenie svetla, sú zobrazené na obr. 3. Zobrazený je prípad svetelného lúča s intenzitou Iinc a vlnovou dĺžkou l pre sférickú časticu. Intenzita Isc rozptýleného svetla je funkciou uhla rozptýlenia (scatter angle), vlnovej dĺžky, rozmeru častice a optických vlastností častice a média. Hodnota intenzity priechodzeho svetla Itr (transmitted) je z hľadiska diskutovaného princípu merania nepodstatná. Platí Isc = f(Q, l, d, n, k)     (1)

kde Q je uhol rozptýlenia, l vlnová dĺžka svetla, d priemer častice, n index lomu vzťahovaný na médium, k konštanta.

Obr. 4.

Obr. 4. Uhol rozptýlenia [6]

Explicitnú formuláciu uvedeného všeobecného vzťahu (1) vyjadruje pre sférickú časticu teória podľa Mieho (nemecký fyzik Gustav Mie, 1868–1957; [7]). Rovnica je v komplexnom tvare riešiteľná pomocou počítača.

Uhol rozptýlenia sa udáva ako uhol medzi smerom rozptýlenia a pôvodným smerom toku svetla podľa (obr. 4). Polárny diagram (obr. 5) zobrazuje, ako závisí intenzita rozptýleného svetla na uhle pre častice s rôznymi priemermi.

Obr. 5.

Obr. 5. Intenzita rozptýleného svetla ako funkcia uhla pre polydisperznú suspenziu SiO2 vo vode (celková koncentrácia je v oboch prípadoch rovnaká, l = 550 nm; [7])

Ako je vidno na obr. 5 pre častice s priemerom d = 0,05 mm, je intenzita rozptýleného svetla vo všetkých smeroch približne rovnaká. S rastom priemeru častíc sa intenzita rozptýleného svetla vo všeobecnosti zvyšuje a stáva sa zároveň citlivá na uhol snímania. Pre zlepšenie citlivosti prachomerov sa tento jav skúma nefelometrom (turbidimeter) prostredníctvom merania uhla, pri ktorom sa určuje intenzita svetla. Existencia tohto javu je limitovaná pri priamom svetle (uhol nulový), pri ktorom sa intenzita výrazne zvyšuje. Pomocou merania rozptýleného svetla pri dvoch rôznych uhloch (napr. 90° a 25°) je možné určiť pomer intenzít a z neho posúdiť veľkosť častíc. Aplikácia takéhoto dvojuhlovéjho merania v praxi je napr. pri monitorovaní filtrácie piva.

Vplyv farby častíc na rozptýlenie svetla

Vplyv farby častíc na intenzitu žiarenia je vo všeobecnosti nadhodnotený. Veľa ľudí si myslí, že čierne častice nerozptyľujú svetlo. Je nepopierateľným faktom, že častice uhlíka v rôznej forme (sadza, grafit, uhlie) spôsobujú rozptyl svetla s rovnakým charakterom amplitúdy ako biela kremenina (SiO2).

Obr. 6.

Obr. 6. Intenzita rozptýleného žiarenia pre rôzne materiály (koncentrácia 1 000 ppm, n – index lomu; [7])

Na obr. 6 je porovnanie intenzity rozptýleného žiarenia pre sadze a biele produkty (rôzne materiály) s časticami rôznych veľkostí rozptýlených vo vode a vzduchu. Aproximované funkcie na obr. 6 demonštrujú značnú závislosť rozptýlenia žiarenia na veľkosti častice.

Vplyv veľkosti častíc na rozptýlenie svetla

Rozptyl svetla značné závisí aj na veľkosti častíc danej suspenzie. Na obr. 7 je zobrazená závislosť intenzity rozptýleného žiarenia na rôznych materiáloch v závislosti na priemere častíc, pri predpoklade konštantného počtu častíc.

Ak celková hmotnosť častíc zostáva konštantná, situácia sa výrazne zmení podľa obr. 8. Maximum intenzity rozptýleného žiarenia nastáva približne pri priemere častice 0,3 mm.

Obr. 7.

Obr. 7. Intenzita rozptýleného žiarenia pre konštantný počet častíc pre rôzne materiály v závislosti na priemere častíc (n – index lomu, l = 550 nm, uhol, pri ktorom bola meraná intenzita žiarenia, je 90°; [7])

V praxi je však situácia úplne iná a nevyskytuje sa nič také ako suspenzia obsahujúca iba jeden rozmer častíc (tzv. monodisperzia). Možno sa stretnúť s polydisperznými suspenziami s distribúciou rôznych rozmerov častíc. Napriek tomu uvedené závislosti zostávajú zachované.

Meranie úletu tuhých znečisťujúcich látok

V praxi je často potrebné určiť aj úlet, resp. únik tuhých znečisťujúcich látok do okolia. Ak je predpokladom, že meranie koncentrácie prachu je kontinuálne, jednou z možností je najprv priradiť k jednotlivým koncentráciám prachu tzv. elementárne úniky prachu Ui. Potom je výsledná bilancia úniku prachu podľa [5], [6] daná súčtom týchto elementárnych únikov prachu podľa vztahu Ui = MiviSM     (2)

kde Ui je elementárny únik prachu za časovú jednotku (mg/s), Mi hmotnostná koncentrácia prachu (mg/m3), vi rýchlosť prúdenia vzduchu obsahujúceho prach (m/s), SM prietočná plocha úniku prachu na meranom mieste (m2).

Obr. 8.

Obr. 8. Závislosť intenzity rozptýleného žiarenia pre konštantný objem materiálu (n – index lomu, l = 550 nm, uhol, pri ktorom bola meraná intenzita žiarenia, je 90°; [7])

Záver

Ak je treba určiť koncentráciu prachových častíc alebo únik prachu v ovzduší, je nevyhnutné uskutočniť aj meranie ďalších veličín, ktoré vplývajú na výslednú hodnotu prašnosti. Obzvlášť dôležité je to v priemyselných procesoch, kde sa mení teploty, vlhkosť, rýchlosť prúdenia vzduchu atď. Obmedziť sa len na meranie samotnej koncentrácie prachu v ovzduší by predstavovalo dopustiť sa značných chýb. Tieto ďalšie veličiny je preto nevyhnutné zaznamenať a pri vyhodnotení zohľadniť ich vplyv na výsledky merania.

Poďakovanie

Autori týmto ďakujú za čiastkovú podporu Slovenskej grantovej agentúre pre vedu Grant VEGA 1/0421/03 Výskum princípov merania hmotnostnej koncentrácie respirabilnej frakcie prachu na základe rozptylu svetelného žiarenia prachovými časticami v optickej oblasti.

Literatúra:
[1] GMITERKO, A. – SLOSARČÍK, S. – DOVICA, M.: Algorithm of Nonrespirable Dust Fraction Suppression Using an Optical Transducer of Dust Mass Concentration. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 1998, roč. 47, č. 5, s. 1228–1233.
[2] GMITERKO, A. a kol.: A por Súlykoncetrációjának mérése az optikai térben történóródás alapján. GÉP, LI. évfolyam, 2000/10. Szám, s. 73–77.
[3] GMITERKO, A. a kol.: A por súlykoncentrációjának számítógépes modellezése és mérése az optikai térben történö sugárzásszóródás alapján. Informatika A gábor dénes föiskola közleményei, arec 2002, s. 54–59.
[4] GMITERKO, A. – MLÝNKOVÁ, Z. – KELEMEN, M.: Optický prachomer pre meranie koncentrácie respirabilnej frakcie prachu. In: XV. zhromaždenie KZ SR, zborník prednášok. Kúpeľná dvorana, Sliač, marec 2001.
[5] GMITERKO, A. a kol.: Dust fraction mass concentration sensor. In: 3rd International Symposium on Microelectronic Technologies and Microsystems. Košice, 3–5. 6. 1999, s. 103–112.
[6] Sigrist process photometer Glossary. Sigrist-Photometer AG. [online]. [cit. 21. 2. 2004]. Dostupné na http://www.photometer.com/en/abc.default.htm, poslední aktualizace 15. 4. 2004.
[7] MIE, G.: Beiträge zur optik truber Median speziell kolloidaler Metallosungen. Ann. Physik, 1908, roč. 25, s. 377–445.

Ing. Michal Kelemen, PhD.,
katedra aplikovanej mechaniky a mechatroniky,
ústav špeciálnych technických vied,
Strojnícka fakulta, Technická univerzita v Košiciach
(michal.kelemen@tuke.sk)

Ing. Tatiana Maťašovská,
katedra prístrojového a biomedicínského inžinierstva,
ústav špeciálnych technických vied,
Strojnícka fakulta, Technická univerzita v Košiciach
(tatiana.matasovska@tuke.sk)