金属粉尘浓度检测技术研究

金属粉尘浓度检测技术研究
王宇廷;王杰;陈建阁
【摘要】抛光打磨作业场所浮游的可燃性金属粉尘具有爆炸性，实现对其浓度检测具有十分重要的意义。

在分析了粉尘浓度2种主要的检测方法即光散射法和电荷感应法检测原理的基础上，设计了相应的粉尘浓度检测电路，并通过粉尘风硐实验对其检测精度做了对比实验。

实验结果表明，电荷感应式浓度传感器对金属粉尘的连续检测更加准确有效。

%The floating combustible metal dust in polishing working places is explosive and so it is very important to detect the concentration of the dust .On the basis of the analysis of the dust concentration in the two main detection methods of light scattering and charge induction detection principles ,it is designed the corresponding dust concentration detection circuits , and through dust wind tunnel experiments ,the measurement accuracy is contrasted .The experimental results show that the continuous detection of the metal dust is more accurate and effective by charge induction density sensor .
【期刊名称】《工业安全与环保》
【年(卷),期】2017(043)001
【总页数】5页(P1-4,20)
【关键词】电荷感应;光散射法;金属粉尘;浓度检测
【作者】王宇廷;王杰;陈建阁
【作者单位】中国煤炭科工集团重庆研究院有限公司重庆400037;中国煤炭科工集团重庆研究院有限公司重庆400037;中国煤炭科工集团重庆研究院有限公司重庆400037
【正文语种】中文
我国的作业场所金属粉尘带来的安全隐患十分突出，对作业场所的粉尘浓度进行有效的实时监控十分必要。

目前国内针对金属粉尘浓度检测装置的研究尚属空白。

通过查阅资料，了解到气固两相流粒子浓度的采样标定方法主要使用β射线法、称重法。

检测方法主要有光散射法、电荷感应法[1-5]。

市场上主流的粉尘浓度传感器多是光学传感器，主要利用不同粉尘浓度对照射光散射程度不同，通过对散射光的检测将光信号转化为电信号来实现粉尘浓度的检测。

电荷感应法目前主要应用于井下，通过不同浓度粉尘对探头产生的感应电荷不同来检测。

本文拟找到一种适用于作业场所金属粉尘的检测方法。

在分析光散射法与电荷感应法原理的基础上，设计出相应的金属粉尘浓度检测仪，并用金属粉尘进行实验测试。

最后对主要影响因素(湿度)对检测精度的影响进行实验分析。

1.1 光散射法
光散射指光波在介质中传播时，由于介质的不均匀而使传播方向发生改变，而且会在各个方向上都有光波传播的现象。

介质如果是均匀的，在其中传播的光波方向是不会改变的，就不会发生散射现象。

平行光入射到粉尘颗粒时会产生散射光，如对散射光进行测量，需要将散射光信号转换成电信号，这就要用到光电传感器。

常用的光电传感器是光电二极管，光电二极管在光照下产生的光电流很小，一般需要用放大电路把微小电流转化成电压，并放大到一定值后再使用和测量计算，从而得出粉尘浓度。

光散射法测量粉尘浓度就基于此原理。

实验光路原理如图1所示[6]。

光是一种电磁波，通过求解麦克斯韦电磁场方程组可以求得光在介质中的传播规律
及特性。

光波在耗散介质中的传播可由朗博-比尔定律描述，表达式为
式中，τ为介质浊度，t=τ·l为光传播方向的光学厚度，l指光波在介质中的传播距离。

而光散射现象指光波在介质中传播时由于介质不均匀而使传播方向发生改变，且会在各个方向上都产生光传播的现象，是原子或者分子体系从入射光波获得能量后，改变传播方向和相位甚至频率的再辐射[7]。

把单个粉尘颗粒视为直径为d的球形，受到光强为I0的入射光照射时，散射光强I为
式中，r是与粉尘颗粒的距离，θ是与光轴所成的散射角，k为波数。

若浓度为c,体积为V的粉尘散射系受到光照射后，多个粉尘颗粒散射的光强为
可以推出粉尘浓度为
通过检测照射光散射前后的光强度变化，经运算处理可以得出粉尘浓度。

1.2 电荷感应法
金属粉尘带有一定的电荷[8]。

静电感应是导体内自由电荷在电场力作用下重新分布，导体上正负电荷发生分离，使电荷从导体的一部分转移到另一部分形成感应电流。

利用这个原理可以对带电荷粉尘进行检测。

本文采用交流耦合技术来实现电荷感应法对粉尘的检测功能。

交流耦合只提取由电荷感应作用产生的交流信号，需滤除摩擦产生的直流信号。

当带电粉尘通过金属环状电极，让金属电极感应起电从而使金属电极表面带有一定量的电荷。

而这个感应起电的电荷量与粉尘浓度正相关，大量粉尘经过感应电极时，信号会进行叠加、放大、滤波，通过检测金属电极表面的电荷量分析围绕均值的交变信号波动性来达到检测粉尘浓度的目的[9]。

无论粉尘颗粒直径大小，在气固两相流中，通过被测管道的电流与固体质量流量之比(I/ω)0和被测管道入口处单位质量固体所带电荷量(q/m)0之间呈线性关系，并且与被测粉尘在测量管道中的分布无关。

所以，粉尘粒子的质量流量Wp与感应
电流Im有以下关系[10]：
|Im|
式中，分别为x=0和x=∞时单位质量粉尘粒子的带电量；x是从测尘管道入口开
始算起的流动长度；n(Δx)是在测尘管道中长度为Δx区间内一个粉尘粒子与管壁
的碰撞次数；n0是调和撞击的次数。

其中，
式中，ε0是空气介电常数，Vc是接触势能差，Dp是粉尘颗粒的直径，z0是接触物之间的间隔距离，D为被测量管道的内径，u是气体速度，ρa是空气密度，v
是粉尘速度的轴向分量，m是气固混合物的质量流速，是粉尘速度平均轴向分量，S是接触面积，τ是张弛的时间，Δt是接触时间。

假设，由式(1)～式(3)可得：
其中，Wp是质量流速，mp是粉尘颗粒质量。

由文献[11-12]可知：
式中，aE，bE是常数，是气体平均流速，d是碰撞损伤区域的深度，e是回复系数，P是稳定流量压力，vr0是碰撞前的粉尘颗粒速度中的径向分量。

由式(4)～式(7)可得：
若令a=a2S,b=b2+1,则式(8)可写成：
式中，a,b为常数，与测尘管位置和被测粉尘物质构成有关，C是粉尘颗粒的浓度。

从式(14)可以看出，粉尘浓度大小与感应电流的大小高度相关，在同样风速条件下呈线性关系。

光散射式：采用光电二极管来检测光信号并将其转换为电信号，然后通过前置放大器、主放大器、A/D转换器等进行电信号的放大与处理，如图2所示。

感应式：传感器主要由抽尘筒与电路部分组成。

抽尘筒中嵌有金属环状电极，使用聚四氟乙烯材料绝缘，不必直接暴露从而延长了使用寿命，降低了维护成本。

内装电机，可以按一定风速抽尘。

带有一定电荷量的粉尘被风机的气流吸入抽尘筒后，
以一定的速度通过筒内的金属环状电极，从而产生感应电流。

由于金属粉尘带有的静电量非常小，所以对微弱信号进行放大的放大电路非常重要。

如图3所示，通
过放大处理的信号再经过低通滤波器滤除波动信号中的噪声和工频杂波，最后通过模数转换电路把数字信号送入单片机，再通过数码管显示粉尘浓度数值。

因交流耦合技术只提取电荷感应产生的交变信号，所以不受周围固定静电源干扰，也不受吸附在电极上的粉尘或者管道中沉积尘的影响，且不会产生累积电荷，安全、易维护。

针对金属粉尘的带电特性，感应式检测电路采用了STC12C5A60S2单片机，是具有高速、低功耗、超强抗干扰等功能的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8～12倍。

内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换，主要针对强干扰场合。

针对金属粉尘，通过一个电压负
反馈放大电路，将检测电荷量转化为成比例电压信号输出，并设计了一个报警电路，通过设定报警阈值对作业场所的金属粉尘浓度进行实时监控并对异常情况进行报警，能有效地预防粉尘事故的发生。

3.1 实验装置与条件
本次实验的场所是隶属国家安全生产监督管理总局主管的安全生产技术支撑体系国家级专业中心实验室,测试粉尘使用的是镁铝合金金属粉尘。

采用英国Malvern公司Scirocco2000M定量发尘器、采样器、GCD1000感应式粉尘浓度传感器、烘箱、可调节风筒。

实验条件:环境温度25 ℃，环境湿度60%，风筒风速稳定在4
m/s。

实验系统见图4。

3.2 实验步骤
将感应式和光散射式浓度传感器安装在风筒内图示位置，然后进行标定。

采样器采样和称重前都需按标准进行8 h烘干，将烘干的金属粉尘通过发尘装置均匀送入风筒，待发尘稳定后从风筒固定位置进行采样、称重，计算出测量时间段的平均粉尘浓度，同时搜集同一位置感应式、光散射式粉尘浓度传感器的检测数据，并计算相
同时间段内的平均值。

最后将两组数据与采样法获得的数据进行对比，以采样器测得数据为标准进行误差计算分析。

具体步骤如图5所示。

从表1可以看出,在对0～100 mg/m3的金属粉尘浓度检测中，电荷感应式平均误差率为6.95%，光散射式平均误差率为6.94%，都小于±10%。

所以使用两种方法检测金属粉尘浓度都有较高的灵敏度和准确率。

从表2可以看出，连续使用两种传感器一周后，未经过任何维护，光散射式粉尘浓度传感器的平均误差为15%，电荷感应式传感器的平均误差为8.39%，所以在长时间的连续检测中，光散射式比电荷感应式更容易产生误差。

如果不经常维护，光散射式粉尘浓度传感器不适合长时间连续检测。

(1)采用电荷感应法和光散射法检测金属粉尘是可行的。

从实验数据可以看出，环状电极的电荷感应式粉尘浓度传感器与光散射式粉尘浓度传感器经过重新标定后，对金属粉尘有很好的重复性与灵敏度。

即使在10 mg/m3的较低浓度条件下也可以得到精确的粉尘浓度数据。

(2)在较长时间的连续检测中，电荷感应式对金属粉尘浓度的检测状态比光散射式更加稳定。

若不经常维护，光散射式粉尘浓度传感器在连续监测中易产生误差。

电荷感应式粉尘浓度传感器长时间的连续检测误差率低于±10%，更适合应用于地面作业场所对金属粉尘(镁铝合金)的连续检测。

【相关文献】
[1]陈建阁，王杰，吴付祥. 交流耦合式电荷感应法粉尘浓度检测技术研究[J].环境工
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