基于電荷感應法的金屬粉塵濃度檢測技術

發布時間：2022-03-02所屬分類：電工職稱論文瀏覽：1次

摘 要： 摘 要: 為實現煤礦井下金屬粉塵濃度的實時連續檢測，預警金屬粉塵爆炸事故，基于金屬粉塵的靜電特性研究了金屬粉塵濃度的連續檢測技術，剖析了基于電荷感應法的粉塵濃度檢測技術基本原理，設計了電荷感應法的檢測機構與方式，完成了微弱電荷信號的提取電路和預警功能的

　　摘 要: 為實現煤礦井下金屬粉塵濃度的實時連續檢測，預警金屬粉塵爆炸事故，基于金屬粉塵的靜電特性研究了金屬粉塵濃度的連續檢測技術，剖析了基于電荷感應法的粉塵濃度檢測技術基本原理，設計了電荷感應法的檢測機構與方式，完成了微弱電荷信號的提取電路和預警功能的設計。利用基于電荷感應法的傳感器樣機對金屬粉塵濃度進行 3 個月的測試試驗，試驗結果證明了整個試驗周期內，其檢測誤差均小于 10%，基于電荷感應法的粉塵濃度檢測技術能夠適用于金屬粉塵的實時連續長時間的在線檢測。

　　關鍵詞: 金屬粉塵; 濃度檢測; 電荷感應法; 電荷檢測機構

　　0 引 言

　　金屬粉塵是指固體金屬在加工或粉碎過程中產生的微小顆粒，而這些微小的金屬顆粒在有足夠的氧氣、達到一定的濃度，并且伴有明火時，金屬粉塵將發生燃燒或爆炸[1]。隨著現代工業快速發展，此類金屬粉塵的爆炸事故頻發，其爆炸的嚴重性和危害程度與蒸汽云爆炸和沸騰液體擴展蒸汽爆炸幾乎相當，往往造成重大人員傷害和巨大經濟損失[2 - 3]。因此開展對作業場所的金屬粉塵濃度實時連續檢測，對于減小健康危害和降低爆炸概率具有重要意義。

　　目前國內外主要是針對礦山的煤炭粉塵進行檢測和監測，90%采用的檢測技術為基于 MIE 理論的光散射技術，而基于靜電原理的電荷感應技術僅在中煤科工集團重慶研究院有限公司的新產品靜電傳感器上得到應用，并且此技術在礦山粉塵檢測中逐步產業化和成熟化。雖然電荷感應技術的礦山粉塵檢測技術已經在逐步推廣和應用，但是其在金屬粉塵濃度的檢測上國內仍是空白，其采用的檢測手段仍主要依靠最陳舊、最可靠、最原始的稱重法。該方法檢測精度高，適用于實驗室檢測、安監部門和環保部門的抽樣檢測。但是限于不能實時在線連續檢測，就不能對粉塵爆炸進行預警，不能更好地保護作業場所的工作人員[4-6]。另外，礦山粉塵的種類較單一，其靜電帶電量規律簡單，而金屬粉塵的種類繁多，不同種類的金屬粉塵靜電帶電量也不一致，造成其金屬粉塵的帶電量規律和模型較復雜，因此，不能將礦山的電荷感應粉塵檢測技術直接引用到金屬粉塵檢測。基于此，筆者采用新設計的電荷檢測機構和弱信號提取電路等，開展對作業場所的金屬粉塵濃度的檢測。

　　1 電荷感應法基本原理

　　金屬粉塵顆粒在產生過程中，由于摩擦原因帶有一定量的靜電，帶有靜電的金屬粉塵顆粒經過金屬電極，通過電荷感應原理在金屬表面感應出反向電荷。隨著金屬粉塵顆�？拷�金屬電極，電極表面感應電荷逐步增加; 隨著金屬顆粒遠離金屬電極，金屬電極表面感應的電荷減少，原理如圖 1 所示[7-13]。

　　從圖 1 可見，金屬粉塵顆粒在電極表面產生一個交變電流信號，因此，對交變信號的波動性與金屬粉塵顆粒濃度的關系進行分析。金屬粉塵顆粒濃度越大，則金屬顆粒的帶電量總和越大; 金屬粉塵顆粒的帶電量越大，則產生的信號的波動性越大，所以金屬粉塵顆粒濃度與交變信號波動性呈正相關關系，通過檢測感應作用產生交變信號的波動性，反映金屬粉塵濃度的大小，并且其波動信號是由動態的金屬粉塵顆粒產生的，而非沉積粉塵顆粒。

　　2 檢測機構與方式

　　由于電荷感應法分為直流耦合感應和交流耦合感應，其適用范圍與檢測濃度和機構相關。另外，檢測濃度和機構決定了檢測的精度和信號的處理問題。筆者根據作業場所的實際需求，采用交流感應方法，并采用精巧的電荷感應機構，解決了類似傳感器檢測機構的污染問題，使得檢測精度更高，穩定性更好。

　　2. 1 電荷檢測機構

　　一般的粉塵濃度檢測技術均采用抽氣泵作為采樣動力，同時設計了通用的采樣氣路。但是此類檢測技術的氣路易受粉塵濃度、濕度等因素影響，長時間會造成檢測機構的污染，甚至出現氣路堵塞等問題。另外，在電荷感應電極上，很多均采用棒狀電極，這樣容易造成粉塵粘連在電極上，使得電荷感應能力降低，測試精度下滑，甚至造成不準確的錯誤性測試。因此，筆者研究設計了一種檢測精度高，而且不會被運動的金屬粉塵污染的電荷感應檢測機構，其機構的核心技術在于電荷感應電極，筆者采用環狀感應電極，使得在測試過程中電荷能均勻的分布感應，同時也避免了長時間測量感應機構的污染問題。采用環狀電荷感應的檢測機構如圖 2 所示。

　　如圖 2 所示，含塵的氣流通過外接風速或者后端的通風機進入檢測機構的管道，通過電荷感應環，感應環將微弱的電荷信號傳給靜電感應傳感器，感應傳感器再將電荷信號傳給處理電路，即可完成粉塵濃度的檢測。

　　2. 2 電荷感應方式

　　基于電荷感應法的粉塵濃度檢測分為直流耦合和交流耦合 2 種方式。采用環狀電極，感應到的電荷量在物理性能上有直流和交流耦合 2 種表現形式[1 4]。但是由于直流耦合需要較長時間大量電荷的積累，才能得到有用且穩定的電信號，此過程較漫長，同時感應的分辨率也很低。

　　交流耦合的方式，只需要電荷的感應信號具有波動性，就會得到相應的交變信號，隨著此信號的波動性的變化就能分辨出被測金屬粉塵的濃度大小[15-17]，其交變信號如圖 3 所示。

　　3 檢測電路

　　采用交流耦合方式的電荷感應法收集到弱的交變電荷信號后，需將微弱的電荷信號進行放大處理等，從而成為能夠應用的模擬信號。最后，根據作業場所的應用需求，設計完成整塊功能電路。整個電路設計過程至關重要，尤其是前段微弱電荷感應信號的處理。

　　環狀電荷檢測機構檢測到微弱交變的電荷信號后，其電信號只能到達 mV 級，因此還需要電荷放大和前置放大、濾波，得到 V 級的電壓信號。同時為了配合作業場所的金屬粉塵濃度檢測和使用，特設計了模擬的頻率和數字的 RS485 輸出電路。最后經過高位的 A/D 轉換器，將穩定的電壓信號轉換成數字信號送到 MCU 中，這樣就得到了實時的金屬粉塵濃度[8-19]，其微弱電荷信號的提取電路如圖 4 所示。

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　　如圖 4 所示，電極的感應電荷信號手機經過電荷放大電路，將電極信號放大后再經過二級放大電路再次放大。同時由于不同種類的金屬粉塵感應電荷量的不同，因此需要采取自動實時調整二級放大倍數的方法控制二級放大的結果，因此此時采用單片機實時控制，保證二級放大的結果良好，能夠被后端 A /D 準確識別，A /D 轉換前需將干擾信號進行濾波，最后將得到的信號采集到單片機中處理，即可得到實時檢測的金屬粉塵濃度，其弱信號提取的電路如圖 5 所示。

　　在得到核心感應電荷的穩定電信號后，需要根據作業場所現狀和工作人員職業健康等因素，設計完成整機的功能電路，其功能包括實時濃度值顯示、現場超限聲光報警、遠程數據中心監控、個人智能終端監控等，不僅能夠讓現場的工作人員掌握金屬粉塵濃度的情況，同時能夠讓遠程的數據中心和個人智能終端得到現場的測試結果[20]。

　　4 金屬粉塵濃度檢測試驗

　　基于電荷感應法設計完成了一種靜電感應的技術粉塵濃度傳感器，樣機的下方是金屬粉塵顆粒的電荷感應環狀電極，上方是其他的處理電路和結構。使用該傳感器樣機搭建的試驗系統如圖 6 所示。金屬粉塵定量發塵器將金屬粉塵( 此次檢測試驗采用拋光打磨車間產生的鎂鋁合金粉末) 吹入風硐，并將風硐的風速設定為 5 m / s，在風硐的排風口安裝了金屬粉塵回收除塵器。最后，通過風硐上端的開口進行金屬粉塵的采樣，并使用百萬分之一的天平稱重采樣器濾膜的增重，來計算實時的粉塵濃度。

　　在 5 m / s 風速下，鎂鋁合金粉塵顆粒通過發塵器，均勻分布在風硐中。采樣器抽氣采樣，稱重得到金屬粉塵濃度實時值。同時基于電荷感應法的金屬粉塵濃度傳感器的測試數值通過數據交換接口，傳到監控主機，最后通過采樣器稱重粉塵濃度和現場粉塵濃度傳感器的測試值進行對比試驗，經過 3 個月的試驗，得到其誤差均小于 10%，截取部分試驗數據，見表 1。

　　5 結 論

　　基于電荷感應法，通過原理剖析、電荷感應檢測機構與感應耦合方式研究、電路設計、試驗對比等，完成了電荷式的金屬粉塵濃度檢測技術的研究，解決了如下的問題:

　　1) 基于電荷感應法的研究，填補了國內對于金屬粉塵濃度實時連續檢測技術的空白，提出了適用于作業場所的一種實時在線連續的金屬粉塵濃度檢測技術。

　　2) 特有金屬粉塵濃度電荷檢測機構設計和耦合方式的研究，解決了通用檢測機構的污染和氣路堵塞等問題，提高了檢測速度和分辨率。

　　3) 通過試驗驗證了該種金屬粉塵濃度檢測技術能夠很好地適用于作業現場，其 誤 差 均 小 于 10%。——論文作者：趙 政

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