交流耦合式电荷感应法粉尘浓度检测技术研究.pdf

交流耦合式电荷感应法粉尘浓度检测技术研究 * 陈建阁王杰吴付祥 中国煤炭科工集团重庆研究院， 重庆 400037 摘要 对交流耦合式电荷感应法粉尘浓度检测技术进行了研究， 为该技术的成功实施确定理论基础。首先通过建立带 电粉尘颗粒与棒状电极间的物理模型， 分析了棒状电极电荷感应空间灵敏度， 说明了该技术的基本原理， 并通过实验 证明了其理论推导的合理性; 其次建立实验系统， 示波器采集不同粉尘浓度下输出的交变信号; 最后分析输出的交变 信号， 证明了交变信号的波动性与粉尘浓度呈正相关关系。 关键词 粉尘浓度检测; 交流耦合式电荷感应法; 物理模型; 电荷感应空间灵敏度; 正相关关系 DOI 10. 13205/j． hjgc． 201404030 ＲESEAＲCH ON DETECTION TECHNOLOGY OF AC- COUPLED CHAＲGE INDUCTION DUST CONCENTＲATION Chen JiangeWang JieWu Fuxiang Chongqing Branch of Chinese Coal Ｒesearch Institute，Chongqing 400037， China AbstractThe AC- coupled charge sensing dust concentration detection technology was studied to determine the basic theory for successful implementation of this technology． Through creating a physical model of the dust and electrode，and the charge induction spatial sensitivity was analyzed，the basic principle of this technology was explained． Through an experiment it was proved that the theoretical derivation was reasonable． Second，with the established laboratory systems， the signals， were collected by oscilloscope under different concentrations of dust． In the last，it was analyzed the output alternating signal and proved that it was a positive correlation between the volatility of the alternating signal and the concentration of dust． Keywordsdust concentration detection;AC- coupled charge sensing ;physical model;charge- induced spatial sensitivity;positive correlation * 国家自然科学基金项目 U1261205 。 收稿日期 2013- 09- 10 0引言 粉尘危害是煤矿五大灾害之一， 据国家职业卫生 网公布的数据统计显示， 到 2010 年底尘肺病累计人 数达 676 541， 新增煤工尘肺病 22 434 例 ［1 ］。可见， 尘肺病是煤矿工人的一大慢性杀手， 粉尘防治成为煤 矿安全生产管理的重中之重。粉尘防治包括粉尘检 测和粉尘治理， 粉尘检测为粉尘治理提供了依据。目 前粉尘浓度检测方法分为两种 一是直接法， 如采样 器采样， 测量准确度较高， 但由于操作繁琐， 不能及时 反映现场环境的粉尘污染状况， 通常在实验室用来标 定测尘仪; 二是间接测量方法， 主要有电容法、 压电晶 体感应法、 β 射线法、 激光散射法、 振荡天平法等测量 方法， 其缺点基本是操作较繁琐、 需要更换滤膜、 光学 窗口易污染、 气路容易阻塞、 维护较为频繁［2- 4 ］。这均 是目前粉尘浓度检测技术方面急需解决的难题。 根据粉尘的带电性提出电荷感应法检测粉尘浓 度， 矿井井下的粉尘属于生产性粉尘， 根据固体的摩 擦起电理论， 煤矿在生产过程中由于摩擦作用使粉尘 带有一定量的静电， 当带有静电的粉尘颗粒流经电极 附近时， 对电极进行撞击、 摩擦和静电感应使电极表 面带有一定量电荷［5- 7 ］。本论文研究、 提取和分析棒 状电极表面上的交变信号， 反映粉尘浓度大小， 此项 技术称为交流耦合式电荷感应法粉尘浓度检测技术， 其不受电极表面吸附粉尘颗粒的影响， 省去反吹装 置， 可以使传感器结构简单化、 基本免维护， 具有重大 的研究意义。 131 监测与评价 Environmental Monitoring ＆ Assessment 1基本原理 交流耦合式电荷感应法粉尘浓度检测技术的基 本原理就是分析电极上产生交变信号的波动性， 反映 电极周围粉尘浓度的大小。首先要对棒状电极的电 荷感应空间灵敏度进行分析， 电荷感应空间灵敏度的 定义为 在敏感空间某点位置上， 单位电荷作用下， 电 极上感应电量的绝对值［8 ］。但国内外对棒状电极电 荷感应空间灵敏度研究甚少， 国外的 Jan Krabicka 和 Yong Yan 对其棒状电极进行有限元分析 ［9 ］， 但是此 方法需要频繁建立模型， 一个模型只能得到一个位置 处点电荷在电极表面感应的电量， 然后将有限点拟合 出一条曲线， 反映电极周围不同位置处的电荷感应空 间灵敏度。本文通过建立带电粉尘颗粒与电极间的 物理模型， 根据高斯静电场理论推导出棒状电极的电 荷感应空间灵敏度。 1. 1模型建立 棒状电极末端接有电荷放大器， 如图 1 所示， 其 中电阻 Ｒ＞100 MΩ 和电容 C 取2. 2 nF 。当带电 的粉尘颗粒接近电极时， 电极表面感应出一定量的反 向电荷， 其同向电荷移动到边缘处， 即电容 C 上， 对 电容进行充电; 若远离电极时， 电容 C 上电荷返回电 极上， 电容进行放电， 如此在电荷放大器反向端输入 一个交变信号。为了研究此交变信号变化情况， 建立 带电粉尘颗粒与棒状电极间的物理模型， 推导棒状电 极的电荷感应空间灵敏度， 如图 2 所示。M 为一带电 q 的粉尘颗粒， 视为一个点， 忽略其几何尺寸; 圆柱状 的为一棒状电极， 长度 l 200 mm， 半径 r 5 mm。 图 1电荷放大器示意 Fig．1The diagram of charge amplifier 1. 2棒状电极电荷感应空间灵敏度研究 根据模型的对称性可得， 电极的电荷感应空间灵 敏度只与轴向位置 y 和径向位置 x 有关， 与切向位置 θ 无关， 故电荷感应空间灵敏度是关于 y 和 x 的函 图 2带电粉尘与电极间的模型 Fig．2The model of charged dust and rod electrodes 数。为了便于计算， 首先分析粉尘颗粒处于电极轴向 中间位置处 y l/2 ， 随着径向位置的变化所得的电 荷感应空间灵敏度。由于电极并没有接地， 所以带电 颗粒的电场不会改变， 保持原来的球形电场， 故根据 高斯静电理论可得， 电极表面感应的电荷总量等于穿 过闭合曲面的电通量乘以介电常数 ［10 ］， 根据建立的 模型做如下推导 设电极 N 处的电场为 E E q 4πεMN 2 1 式中 ε 为空气中的介电常数。 指向轴心方向电场分量为 Ed Ed Ecosαcosβ 2 由以上两式可以得到电极上 N 点的电场强 度为 Ed q xcosθ － r 4πεMN 3 3 式中 r 为棒状电极的半径。 根据高斯静电场理论， 可得电极表面感应的电荷 量 Q 为 Q － εEdds － qrl 2π ∫ cos－1 r x 0 xcosθ － r A B dθ A x2 r2－ 2xrcosθ B l/2 2 x2 r2－ 2xrcosθ 1 2 4 因此可以得棒状电极电荷感应的空间灵敏度为 Q Q q rl 2π ∫ cos－1 r x 0 xcosθ － r A B dθ 5 代入电极的几何尺寸， 借助 MATLAB 可得， y l/2处随着 x 的变化所得的电荷感应空间灵敏度 曲线图， 如图 3 所示， 图中原点代表电极的表面， 正负 号代表电极不同的两侧; 带电颗粒在不同的径向位置 231 环境工程 Environmental Engineering 处 即距电极表面的距离不同 ， x 为 0. 01， 0. 005， 0. 002 m 时， 随着轴向位置 y 的变化得到电荷感应空 间灵敏度曲线图， 如图 4 所示。 图 3 y l/2 处径向电荷感应的空间灵敏度曲线 Fig．3The radial charge sensing space sensitivity curve in the position of y l/2 图 4轴向变化电荷感应空间灵敏度曲线 Fig．4Axial charge sensing space sensitivity curve 由图 3 和图 4 中曲线的变化可知 轴向位置变化 对电荷感应空间灵敏度影响很小， 只是在靠近电极的 端部处， 其感应的电量迅速下降， 其曲线下降部分对 应的电极长度很小， 可以忽略不计， 认为电极径向位 置相同时， 轴向方向的电荷感应空间灵敏度处处相 等; 径向方向却不同， 随着带电颗粒接近电极， 其感应 电量迅速增加， 随着带电颗粒的远去， 其感应电量迅 速下降。所以电极电荷感应空间灵敏度与轴向位置 无关， 只和径向位置有关。 1. 3电荷放大器输出信号的研究 根据以上分析可得， 电荷放大器的输出信号只与 沿电极径向方向运动的带电颗粒有关， 设带电量为 q 的颗粒以速度 v， 沿径向方向经过电极附近时， 根据 电荷感应空间灵敏度函数 设 x vt ， 可以得到电极 上感应电量随时间变化的函数 Q0 t 为 Q0 t － qrl 2π ∫ cos－1 r vt 0 vtcosθ － r C D dθ C vt 2 r2－ 2vtrcosθ D l/2 2 vt 2 r2－ 2vtrcosθ 1 2 6 则在电极上感应的电流 I t 为 I t dQ0 t dt 7 电荷放大器输出的电压 u t为 u t 1 C∫I t dt 1 C∫ dQ0 t dt dt Q0 t C t ＜ 0 － Q0 t C t ＞ 0 { 8 若带有单位电荷的颗粒以速度 v 2 m/s， 接近和 远离电极时， 在电荷放大器的输出端产生一个交变信 号， 如图 5 所示， 横坐标是时间轴， 在 x 0 处单位电 荷颗粒贴近电极表面， 纵坐标是电荷放大器输出的电 压值。由此可得， 每个带电粉尘颗粒沿电极径向方向 移动时， 电荷放大器将输出一个交变信号。 图 5单位电荷感应出的交变信号 Fig．5Alternating signals induced by unit charge 2基本原理的验证 设计一简单实验装置， 验证径向方向运动的单个 粉尘颗粒是否产生一个交变信号。整个实验装置由 棒状电极、 漏斗、 铁架台、 绝缘支架、 电荷放大器、 信号 处理电路、 示波器组成， 实验装置如图 6 所示， 信号处 理电路由放大电路、 滤波电路组成， 对电荷放大器输 出的信号进一步放大， 滤波电路滤除信号中的噪声和 50 Hz的工频杂波。橡胶球经过摩擦带有一定量的静 电荷， 距棒状电极高度 200 mm 自由下落， 由于棒状 电极的电荷感应有效空间很小， 可认为小球经过电极 时的速度为 2 m/s。小球自由落体经过电极表面但 未接触， 示波器采集橡胶球感应出的信号， 如图 7 黑 圈中的信号所示。 对比图 5 与图 7 可得， 带电颗粒以一定的速度经 过电极附近时， 电荷放大器输出的信号与理论推出的 331 监测与评价 Environmental Monitoring ＆ Assessment 图 6实验装置示意 Fig．6The diagram of experimental setup 图 7示波器采集的信号图 Fig．7Signal acquired by oscilloscope 波形十分相似。但是因为橡胶球的带电量无法准确 测量， 另外， 带有静电的橡胶球经过电极时， 输出信号 是橡胶球表面的 “电荷云” 在电极上感应所得信号的 叠加， 然后放大滤波所得到的信号， 而实际输出的信 号与理论推出的信号在数值上是有区别的。但可从 两个曲线的相似性可得， 基于理论推导的方法是合理 的， 也同时证明了粉尘颗粒以径向方向经过电极时， 将输出一个完整的交变信号。若电极处在含带电颗 粒的气固两相流中， 输出的信号将是每个颗粒所产生 交变信号的叠加， 信号的波动程度与颗粒物的浓度呈 正相关关系， 通过以下实验与信号分析， 将予以证明。 3实验系统及信号分析 3. 1实验系统 实验系统如图 8 所示， 风洞进风侧装有定量发尘 器， 通过调节震动大小控制发尘量， 粉尘在压气泵的 作用下被吹入风洞， 经过风洞的前端， 粉尘在风洞内 均匀分布; 风洞出风侧装有抽出式变频风机， 电脑平 台根据测速仪测量的风速而调整风机频率， 使风洞内 的风速达到指定的数值， 风洞里形成稳定的气固两相 流; 静电除尘器起到除尘环保的作用; 采样器检测风 洞里面的粉尘浓度。棒状电极放到风洞里面， 外面连 接电荷放大电路、 信号处理电路及示波器， 示波器显 示输出交变信号的变化。 图 8实验系统 Fig． 8The diagram of experimental system 3. 2信号采集与分析 通过调节发尘器的震动， 控制风洞内粉尘浓度的 大小， 发送 6 次不同的粉尘量， 采样器检测风洞里的 粉尘浓度分别为 40， 108， 351， 673， 979， 1 600 mg/m3。 由于检测粉尘浓度， 需要对一段时间内的信 号进行分析统计， 对单个时间点的信号进行分析 是没有意义的， 所以对示波器所显示最大时间段 内的交变信号进行分析， 统计其波动性， 其结果见 表 1。根据表 1 计算结果可得， 随着粉尘浓度加 大， 对应的标准偏差数值也在增加， 即交变信号的 波动性在增加。证实了基于交流耦合式电荷感应 法输出的交变信号的波动性与粉尘浓度呈正相关 关系。因此可以基于有效算法提取反映信号波动 性的特征值， 利用采样器进行标定， 可实现对粉尘 浓度在线检测。 表 1波动曲线数据统计 Table 1Statistics of fluctuation curve 粉尘浓度/ mg m －3 401083516739791600 标准偏差/mV91. 3105. 4 149. 1 161. 6 181. 0 281. 5 下转第 147 页 431 环境工程 Environmental Engineering 室、 食堂及其他热水使用。 原来厂区所需热水均为电热水器加热， 热水器年 耗电 115 167 kWh， 该部分电力消耗节约， 约折合 标煤 13 t。 3. 3效益分析 本轮清洁生产审核中产生的 19 个无/低费方案 已全部实施， 共投入资金 1. 55 万元， 方案实施后带来 的直接经济效益约 14. 48 万元; 2 个中/高费方案全 部实施， 共投入资金 60 万元， 方案实施后带来的年经 济效益约 108 万元。 21 个方案全部实施后， 企业可节电887 467 kW h/ a， 折合标煤 100. 19 t/a; 节水 3 500 t/a。节约原料 3. 45 t/a， 减少废品约 6. 8 t/a， 同时降低了车间噪音， 改善了工人作业环境。 通过本轮清洁生产审核， 企业审核前后的指标对比 见表4， 由表4 可以看出达到审核初期设定的清洁生产 目标。 表 4审核前后指标对比 Table 4Contrast of indicators before and after cleaner production audits 项目 电力消耗/ kW h 万只 －1 现状近期目标方案实施后 瓶坯车间1 010980950 吹瓶车间348338330 4结语 PET 包装行业虽然不是高耗能、 高污染的行业， 然而 PET 包装企业节能降耗大有潜力。清洁生产的 主旨思想是 “没有最好， 只有更好” ， 无论企业当前的 清洁生产水平如何， 积极推行清洁生产， 从原辅材料 和能源、 技术工艺、 设备、 过程控制、 管理、 员工、 产品、 废物这 8 个方面， 分析污染产生的原因， 提出预防或 减少污染产生的方案， 将促进企业进行技术改造与升 级， 有助于企业从源头控制污染， 实现节能减排。 参考文献 ［1］孙膑． PET 吹瓶技术的创新［J］． 塑料包装， 2009， 19 1 20- 23. ［2］杨震， 胡芳． 热灌装食品包装 PET 瓶生产技术与应用［J］． 塑料 包装， 2008， 18 3 30- 33. ［3］张英华． 浅谈 PET 包装技术［J］． 天津科技， 2009 3 76- 79. ［4］王备战， 黄超． PET 瓶吹塑工艺分析［J］． 工程塑料应用， 2002， 30 1 17- 18. ［5］张友根． 我国 PET 瓶成型设备现状及科学发展 上 ［J］． 塑料 包装， 2010， 20 5 20- 27. ［6］张友根． 关于我国 PET 瓶成型设备科学发展的探讨［J］． 橡塑 技术与装备， 2011， 37 1 12- 28. 第一作者 耿丽娟 1990 － ， 女， 硕士， 主要从事清洁生产、 节能技术与 设备的研究。lijuangeng0728163． com 通讯作者 于宏兵 1958 － ， 男， 博士， 教授， 主要从事清洁生产、 节能 技术与设备的研究。 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 hongbingyu1130 sina． com 上接第 134 页 4结论 1 通过数学公式推导分析棒状电极电荷感应空 间灵敏度 电极长度 l 200 mm， 半径 r 5 mm ， 证 明了电极表面感应的电荷量与带电颗粒的径向位置 有关， 与轴向位置无关， 为棒状电极静电传感器的设 计提供了参考。 2 单个带电颗粒经过电极附近时， 与电极相连 的电荷放大器将输出单个交变信号; 电极处在含有带 电颗粒的两相流中， 电荷放大器将输出连续不断的波 动信号， 其信号的波动性与颗粒浓度呈正相关关系， 此为交流耦合式电荷感应法粉尘浓度检测技术的成 功实施提供了理论与实验支撑。 参考文献 ［1］我国 20052011 年职业病发病情况统计 ［EB/OL］． http / / www． zywsw． com/. ［2］李卫东， 王连富， 刘道文， 等． 我国煤炭行业粉尘浓度监测技术 的现状及发展趋势［ J］ ． 矿业安全与环保， 2005 S1 66- 67. ［3］田冬梅，蒋仲安，姚建，等． 中外粉尘监测技术的比较［J］． 金属矿山， 2008 7 116- 119. ［4］赵恩彪，隋金君，王自亮，等． 基于外环状电荷感应原理的粉 尘浓度测量［J］． 仪表技术与传感器， 2010 6 15- 16. ［5］Y Y，J M． Design and uation of electrostatic sensor for the measurement of velocity oof pneumatically conveyed solids［ J］ ． Flow Measurement and Instrumentation， 2000， 11 3 195- 204. ［6］Murnane S N， Barnes Ｒ N， Woodhead S Ｒ．Electrostatic modelling and measurement of sirborne particle concentration［J］． IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，1996， 45 2 488- 492. ［7］戚淑芬，王国栋． 基于电荷感应原理的粉尘含量在线检测仪设 计［ J］ ． 青岛科技大学学报． 自然科学版， 2011 5 526- 530. ［8］许传龙，王式民，孔明，等． 静电传感器空间灵敏度特性研究 ［J］． 计量学报， 2006 4 335- 338. ［9］Krabicka J， Yan Y．Finite- element modeling of electrostatic sensors for the flow measurement of particles in pneumatic pipelines ［J］． Instrumentation and Measurement，IEEE Transactions on， 2009， 58 8 2730- 2736. ［ 10］郭硕鸿． 电动力学［M］． 3 版． 北京 高等教育出版社， 2008． 第一作者 陈建阁 1987 － ， 男， 硕士， 主要从事煤岩瓦斯灾害防治。 geyu_520163． com 741 清洁生产与节能减排 Cleaner Production，Energy- Saving ＆ Emission Ｒeduction