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玉崎科學儀器（深圳）有限公司
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SIBATA柴田科學LD-5D型高濃度數字粉塵儀技術原理、性能與應用研究
摘要
在工業生產、建筑施工等高粉塵濃度環境下，實現對粉塵質量的精準、實時監測，是保障職業健康、評估環境風險及優化污染控制策略的核心環節。日本SIBATA柴田科學株式會社開發的LD-5D型高濃度數字粉塵儀，作為一款獲得日本工作環境測量協會型式認證的專業設備，憑借其獨特的鞘氣隔離式光散射技術，有效解決了傳統光學粉塵儀在高濃度測量中光學系統易受污染、穩定性差的行業痛點。本文旨在系統闡述LD-5D型粉塵儀的工作原理，深入剖析其鞘氣機制、質量濃度轉換（K值）方法及智能化功能設計，并結合其寬量程、多模式輸出及強大數據追溯能力等性能特點，論證其在隧道工程、礦山開采、建材生產等高粉塵場景下的應用優勢與價值，以期為相關領域的監測實踐與技術選型提供專業參考。
關鍵詞：數字粉塵儀；光散射法；鞘氣機制；質量濃度轉換；高濃度粉塵監測；SIBATA柴田科學
1. 引言
粉塵，特別是可吸入性粉塵，是工作場所中普遍的職業危害因素之一，長期暴露可導致塵肺病等多種呼吸道疾病。因此，對作業環境中粉塵質量濃度進行準確、可靠的監測至關重要。傳統的濾膜稱重法雖為基準方法，但存在操作繁瑣、時效性差、無法獲得瞬時濃度等局限。基于光散射原理的直接式粉塵儀因其響應速度快、可實時讀數、便于移動監測等優點，得到了廣泛應用。
然而，常規光散射儀器在隧道掘進、爆破作業、礦石破碎等產生高濃度粉塵的工業場景中，其光學窗口極易被快速污染，導致測量信號急劇衰減，讀數嚴重失真，甚至儀器損壞。SIBATA LD-5D型粉塵儀正是針對這一挑戰而設計的專用儀器。它通過引入創新的鞘氣（Purged Air）保護系統，并集成了內置抽氣泵與大容量預過濾器，實現了在0.01至100.0 mg/m3寬范圍內穩定、連續的測量，滿足了高濃度惡劣環境下的長期監測需求。
2. 核心工作原理與技術突破
2.1 光散射測量基礎
LD-5D采用激光二極管作為光源（通常波長在650nm左右），其工作原理基于米氏（Mie）散射理論。儀器內置的抽氣泵以恒定流量將待測空氣樣本吸入檢測腔。當激光束照射通過含有粉塵粒子的氣流時，粒子會使光發生散射。在特定角度（通常為90°）設置的光電探測器（如光電二極管）接收散射光信號，并將其轉換為電脈沖。單位時間內產生的脈沖數（Counts Per Minute, CPM）與通過檢測腔的粉塵質量濃度呈正相關。
2.2 關鍵創新：鞘氣隔離機制
LD-5D區別于普通光散射粉塵儀的核心技術在于其鞘氣（Purged Air）流路系統。如圖1所示，該系統從儀器內部產生一股清潔的“鞘氣"（通常經過高效過濾），該氣流在光學檢測腔的敏感區域（激光窗口和光電探測器窗口）周圍形成一個環狀或層流的保護氣幕。
鞘氣機制的作用：
物理隔離：這層持續流動的清潔氣幕將高濃度的待測粉塵樣本流嚴格限制在中心流道，阻止了粉塵與光學窗口的直接接觸，從根本上消除了因粉塵沉積導致的光學污染問題。
維持穩定：通過防止窗口污染，儀器能夠長期保持出廠時的光學靈敏度與測量穩定性，顯著降低了維護頻率，確保了在高濃度環境下數據的長期可靠。
保障精度：潔凈的光學系統是保證散射光信號只來源于流動粉塵粒子而非附著污物的前提，這是實現高精度測量的基礎。
2.3 從相對濃度到質量濃度：K值轉換
光散射法直接測得的是與粉塵濃度相關的相對值（CPM）。要獲得國際通用的質量濃度單位（mg/m3），必須使用基準方法（通常是濾膜稱重法）進行校準，確定一個質量濃度轉換系數（K值） 。
轉換公式為：質量濃度（mg/m3） = K值 × CPM
LD-5D的智能化設計體現在，用戶可根據現場粉塵的物理化學特性（如粒徑分布、顏色、折射率等），通過儀器面板預先設定K值（設定范圍0.1–9.9）。設定后，儀器可實時自動完成換算，并在圖形液晶屏上直接顯示質量濃度值，極大方便了現場監測人員。由于LD-5D的光學特性與柴田科學其他激光光源型粉塵計（如LD-5）兼容，以往積累的現場K值數據可直接沿用，保證了監測數據的連續性與可比性。
3. 技術性能與系統特性
3.1 主要技術規格
| 項目 | 規格參數 |
|---|---|
| 測量原理 | 激光光散射法 |
| 光源 | 激光二極管 |
| 測量范圍 | 0.01 – 100.0 mg/m3 |
| 測量靈敏度 | 1 CPM = 0.01 mg/m3 (針對校準粒子) |
| 測量精度 | ±10% (針對校準粒子) |
| 顯示單元 | 帶背光、對比度可調的圖形液晶屏 |
| 數據輸出 | USB/RS-232C（連接電腦）、模擬電壓輸出（0-1V，3檔可選）、無電壓脈沖輸出 |
| 電源 | 8節C型干電池（連續工作時間約24小時）或專用AC適配器 |
| 操作環境 | 溫度 0–40°C， 濕度 5–90% RH (無冷凝) |
| 尺寸與重量 | 245(W)×90(D)×190(H) mm， 約2.88 kg (含電池) |
3.2 智能化功能設計
多功能測量模式：
定時模式：內置倒計時器，可設定6秒至10分鐘共8檔時間自動測量。
手動模式：由操作員控制啟停。
記錄模式（LOG）：可預設開始時間和測量周期，自動進行長期連續監測并將數據存儲于機身，大存儲容量為63,488個數據點。
自動校準與檢查：
背景測量（BG）：在清潔空氣中測量并存儲本底值，后續測量中自動扣除，確保“零點"準確。
跨度檢查（Span Check）：通過插入標準散射板進行測量，可驗證并校準儀器靈敏度，確保量程準確性。
數據追溯與管理：記錄的數據可通過標配的USB通訊電纜和專用軟件導入計算機，以文本格式保存和進一步分析，滿足質量管理體系對數據完整性與可追溯性的要求。
4. 應用場景分析與優勢
4.1 典型應用領域
LD-5D專為以下高濃度粉塵環境設計：
4.2 核心應用優勢
高濃度下的穩定性：鞘氣機制是保障其在惡劣環境中長期可靠運行的核心，解決了光學污染這一行業難題。
即時的質量濃度顯示：K值預設功能使操作員能直接讀取標準化的質量濃度數據，無需后續計算，提升現場決策效率。
強大的環境適應性：寬范圍供電方式（電池/交流電）、堅固的結構設計以及大容量前置過濾器（污染程度可視），使其適于在條件艱苦的現場長時間工作。
完備的數據解決方案：從自動記錄、多接口輸出到電腦軟件分析，形成了完整的數據鏈，支持合規性報告與深度分析。
5. 校準、維護與展望
為確保測量精度，需定期使用標準散射板進行跨度檢查，并在清潔空氣環境中進行背景測量。主要維護工作集中于定期更換前置過濾器（大型設計延長了更換周期）和保持鞘氣進氣口的清潔。
展望未來，隨著物聯網與智能傳感技術的發展，類似LD-5D這樣的高可靠性專業監測設備，將進一步與云平臺、自動降塵控制系統聯動，實現從“實時監測"到“智能調控"的閉環粉塵治理，為工業安全與環境保護提供更強大的技術支撐。
6. 結論
SIBATA柴田科學LD-5D型高濃度數字粉塵儀，通過融合鞘氣隔離式光散射技術與智能化的K值質量濃度轉換系統，成功實現了在0.01–100.0 mg/m3范圍內對高濃度粉塵的穩定、準確和直接的質量濃度監測。其設計精準針對了高粉塵工業場景中的核心挑戰——光學污染與數據可靠性，體現了功能性與耐用性的高度統一。該儀器不僅是符合專業標準的測量工具，更是提升高粉塵作業場所安全管理水平、保護勞動者健康的關鍵技術裝備，在相關工業領域的粉塵防控體系中具有不可替代的應用價值。
