金属粉尘浓度检测技术研究.pdf

第 4 3 卷 第 3期 2 0 1 7年 3月 工矿 自 动化 I n dus t r y a nd M i ne Au t oma t i on Vo 1 ． 4 3 NO ． 3 M a r ． 2 O1 7 文章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 7 O 3 0 0 5 7 0 4 D OI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 7 ． 0 3 ． 0 1 3 张所容 ， 陈建 阁． 金属粉尘浓度检测技术研究I l 1 ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 7 ， 4 3 3 5 7 6 0 ． 金属粉 ， I 、 士 浓度检测技术研究 张 所容 ， 陈建 阁。 1 ． 重庆摩天环保工程有限公司 ， 重庆4 0 0 0 2 0 ； 2 ． 中煤 科工 集 团重 庆研究 院有 限公 司 ， 重 庆4 0 0 0 3 7 摘要 针 对称 重 法无 法 实现金 属粉 尘浓度 的 实时 、 在 线检 测 问题 ， 分析 了光散 射 法和 电荷 感 应 法应 用于 金属 粉 尘浓度 检 测技 术 的基本 原理 ， 设 计 了基 于光散 射 法和 基 于 电荷 感应 法的金 属 粉 尘 浓度 信 号采 集 及 处 理 电路 。 实验 结 果表 明 在 检 测初 期 ， 光散射 法 和 电荷 感 应 法检 测误 差 均较 小 ； 但 在 长 时间连续检 测后 ， 光散 射 法检 测误 差增 大且 检测 值 均偏 高 ， 而 电荷 感应 法检 测精 度仍 较 高 。 关键 词 金 属 粉 尘浓度 ；电荷 感应 法 ； 光散 射 法 中 图分类 号 T D 7 1 1 ． 3 5 文献 标 志码 A 网络 出版 时间 2 0 1 7 0 2 2 8 1 7 0 2 网络 出版地址 h t t p ／ ／ k n s ． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 7 0 3 0 1 ． 1 5 1 4 ． O 1 3 ． h t ml Re s e a r c h o f d e t e c t i o n t e c h no l o g y o f me t a l d u s t c o n c e n t r a t i o n Z HANG S u o r o n g ， CHEN J i a n g e 1． Ch on gq i ng M ot i a n Env i r o nme nt a l Pr ot e c t i on En gi n e e r i n g Co．，Lt d．，Cho ng q i ng 4 0 0 02 0，Ch i na 2． CCTEG Cho ng qi ng Re s e a r c h I ns t i t u t e Co．，Lt d．，Cho n gq i ng 4 0 0 03 7，Ch i na Ab s t r a c t For pr o bl e m t ha t we i ghi ng me t h od c a n no t r e a l i z e r e a l t i me a nd on l i ne d e t e c t i o n f o r m e t a l du s t c on c e n t r a t i o n，b a s i c pr i n c i p l e o f l i ght s c a t t e r i ng me t ho d a nd c ha r g e i n du c t i on m e t h od f or me t a l du s t c on c e n t r a t i on d e t e c t i on we r e a na l y z e d， a nd s i g na 1 a c qu i s i t i o n a nd pr oc e s s i ng c i r c u i t s f or me t a l du s t c on c e n t r a t i on d e t e c t i o n we r e d e s i gn e d wh i c h we r e r e s pe c t i v e l y b a s e d on l i g ht s c a t t e r i n g me t h od a nd c h a r ge i n d u c t i o n me t h o d． Th e e x p e r i me n t a l r e s u l t s s h o w t h a t e r r o r s o f l i g h t s c a t t e r i n g me t h o d a n d c h a r g e i n du c t i on me t h od a r e s ma l l i n e a r l y d e t e c t i o n． Er r or o f l i g ht s c a t t e r i ng m e t ho d i nc r e a s e s a nd d e t e c t i on v a l ue i s hi ghe r t ha n s t a n da r d r e f e r e n c e va l u e a f t e r l o ng t i m e c o nt i nuo us de t e c t i o n，wh i l e de t e c t i o n a c c ur a c y o f c h a r g e i n d u c t i o n me t h o d i s s t i l l h i g h． Ke y wo r ds me t a l d us t c o nc e nt r a t i o n；c ha r g e i n du c t i o n me t h od；l i g ht s c a t t e r i ng me t h o d 0 引言 金 属 粉尘 是 固体 金 属 在加 工 或 粉 碎 ， 如 金 属研 磨 、 切削、 钻孔、 爆破、 破碎 、 磨粉等过程产生的微小 颗粒 。金属粉尘在 有足够 的氧气且达 到一定浓度 时 ， 遇到 明 火会 发生 燃 烧 或 爆 炸 _ 1 ] 。因此 实 时 检 测 作业场所 的金属粉尘浓度 ， 对避免爆炸事故、 减少损 失 具有 重要 意 义 。 目前 常见 的金 属 粉 尘 浓 度检 测 方 法 有 称 重 法 ] ， 其基 本原 理是 通过 采样 器采 集气 样 ， 然 后 用天 平称 量采 样器 滤膜 的增 重 ， 将 滤 膜 增 重 值 除 以采 样 器的采样体积 ， 得到气样 中的粉尘 浓度 。称重法检 测精度高， 适用于实验室检测和安监部 门、 环保部门 的抽样检测 ， 但其操作繁琐 ， 无法实现金属粉尘浓度 的实时、 在线检测 。目前市场上 的粉尘浓度传感器 针对 的是 矿 山粉尘 ， 主要 采用 光 散射法 和 电荷 感 应法[ 5 ] 。金属粉尘的光散射特性和静电特性与矿山 粉尘有很大区别[ 6 ] ， 因此 ， 基于光散射法和电荷感应 收稿 日期 2 0 1 6 1 0 2 1 ； 修回 日期 2 0 1 7 0 1 2 2 } 责任编辑 盛男 。 基金项 目 国家重 点研发计划 资助项 目 2 O 1 6 YF C O 8 O 1 7 O 3 ； 国家 自然科学基金资助项 目 U1 2 6 1 2 0 5 。 作者简 介 张所容 1 9 6 9 一 ， 男 ， 江苏 高邮人 ， 工程 师， 主要从 事环境污染治理工作 ， E ma i l 8 0 4 9 8 5 8 7 q q ． e o m。 5 8 工矿 自动化 2 0 1 7年 第 4 3卷 法的粉尘浓度传感器不能直接应用于检测金属粉尘 浓度 。鉴 此 ， 本文 基 于 光 散 射 法 和 电荷 感 应 法 对 金 属粉 尘 浓度 检测 技术 进行 研究 。 1 金属 粉 尘浓度 检测 基本 原 理 1 ． 1 光散 射 法 光散射法主要基于 Mi e散射理论 。Mi e 散射理 论 是麦 克斯 韦方 程对 均匀 介 质 中的均 匀颗 粒在 平 面 单色波照射下的数学解『 7 ] 。图 1 为光散射示意 。单 个 近似 球形 的金 属粉 尘颗 粒 直径 为 受 到 光 强 为 。的入射 光 照射 时 ， 在与 金 属粉 尘颗 粒相 距 r ， 且 与 人射光 轴 图 1中 轴 夹 角 为 0处 的 散 射 光 强 为[ 。 ] 一 1 息 r 式 中 F O ， 为幅值 函数 ， 为散射光在 z 3 ， 平面上 的投影 与 y轴 的夹 角 ； k为 波数 。 图 1光 散 射 不 慝 当含有金属粉尘浓度为 c 、 体积 为 的混合气 体受到光照射时 ， 根据独立散射粒子系的可加性 ， 经 N 个 金属 粉 尘颗 粒散 射后 ， 散 射光 强为 [ 】 。 。 n ] T r T N j一 ∑F1 i ， 2 一 厶 口 ’ ／ ⋯ 1 式中 F 臼 ， 为第 i 个金属粉尘颗粒的幅值 函数 。 由式 2 得金 属 粉尘 浓度 为 I 1 k。 r C一 一 3 VI 。 F ， i一 1 通 过 检 测 经 金 属 粉 尘 颗 粒 散 射 前 后 的 光 强 比 值 ， 经过 换算 可 得金 属粉 尘浓 度n 。 1 ． 2 电荷 感应 法 金 属 粉 尘 颗粒 在 产 生 过程 中 ， 由 于摩 擦 原 因 带 有 一定 量 的静 电 ， 带 有 静 电 的金 属 粉 尘 颗 粒 经 过 金 属 电极 时 ， 通过 电荷 感应 原 理 在 金 属 电极 表 面 感 应 出反向电荷 。随着金属粉尘颗粒靠近金属 电极 ， 电 极 表 面感 应 电荷逐 步 增 加 ； 随着 金 属 粉 尘 颗 粒 远 离 金 属 电极 ， 电极 表 面 感 应 电荷 减少 。金 属 电极 表 面 电荷 的变化产生了电流信号 ， 如图 2所示m。 。 带电的金属 粉尘颗粒 0 0 0 掰 舞 单个金属粉尘颗粒在 电极表面产生交变信号 ， 金 属粉 尘 颗粒 浓度 越 大 ， 金 属 粉尘 颗 粒 的带 电量 总 和越大 ， 则 产生 的交 变 信号 波 动性越 大 ， 所 以金 属 粉 尘 颗粒 浓 度与 交变 信号 的波 动性 呈正 相 关 关 系[ a 5 3 。 通过检测感应作用产生 的交变信号 的波动性 ， 可得 到金属 粉 尘浓 度 。此 外 ， 交 变 信 号 的 波 动 是 由动 态 的金属 粉 尘颗 粒产 生 的 ， 而非 沉积 粉尘 颗 粒_ 1 。 -- 。 2金 属粉 尘 浓度 信 号采 集及 处理 电路设 计 2 ． 1 基 于 光散射 法的金 属粉 尘浓度 检 测 基 于 光散 射法 的金属 粉尘 浓 度检 测 技术 主要 利 用光 学器 件 发光 二极 管 和硅 光 电池 将 金属 粉尘 浓 度 转换 为 电 流信 号 ， 然 后 通 过 前 置 放 大 电路 对 信 号 进行放大 其 中放大倍数 由灵敏度调节 电路设置 ， 最后经过 A／ D转换 电路将模拟信号转换 为数字信 号 ， 输入到单片机进行处理 ， 得到金属粉尘浓度并 以 数字信息显示 。基于光散射法的信号采集及处理电 路组 成 如 图 3所 示 。 图 3 基 于 光 散 射 法 的 信 号 采 集 及 处 理 电 路 组 成 为 避免 微 弱 的 电流 信 号 被 噪 声 堙 没 ， 前 置 放 大 电路采用集成运算放大器 I C L 7 6 5 0 。I C L 7 6 5 0具有 较低的输入偏流、 较高的输入阻抗和共模抑制 比， 将 仅有几微安 的电流信号转换 为电压信号 ， 并进行放 大 处理 。前 置 放大 电路如 图 4所示 。 2 ． 2 基 于 电荷 感 应 法的金 属粉 尘浓度 检 测 基 于 电荷 感应 法 的金 属粉 尘 浓度 检测 技术 将 金 属粉尘颗粒在金属电极表面感应的电荷信号通过电 荷 放 大 电路 放 大后 ， 再 经 过 程 控 放 大 电 路 二 次 放 大 放大倍数通过单片机控制 ， 然后经滤波 电路滤除 信 号 中 的高频 杂波 和 工频 干扰 ， 最 后 A／ D转 换 为 数 字信号输入单片机， 经相关运算转换成金属粉尘浓 度值并显示。基于电荷感应法 的信号采集及处理 电 nu 一 口 圈 2 0 1 7年第 3期 张 所容 等 金 属粉 尘 浓度检 测技 术研 究 5 9 路组 成如 图 5所示 。 l 电极I I 显示电 路 图 5 基 于电荷感 应法的信号采集及处理 电路组 成 由于金属粉尘颗粒带电量极 少， 感应的电流信 号极 低 ， 仅有 几 十 飞安 ， 在信 号处 理 过程 中易 被噪声 堙没 ， 所 以对 电荷放 大 电路 的设计 要 求很 高 ， 不仅需 要具有较高的输入阻抗和共模抑制 比， 而且应满足 噪声低 、 温漂低 、 输入偏流极低的要求 。因此， 电荷 放大电路采用放大器 OP Al 2 8 ， 如图 6所示。 3 实 验分 析 图 6 电荷放大 电路 3 ． 1 实 验 系统 根据设计 的信号采集及处理电路 ， 研制 出基于 光散射法和基于 电荷感应法 的金属 粉尘浓度传感 器 ， 搭建 实 验系统 ， 如 图 7所示 。金 属粉尘 定量 发尘 器将 金 属粉 尘 通 过切 割 机打磨 的 铝镁合 金粉末 吹 入 风硐 ， 电脑控制 平 台通 过 控制 变 频 风 机 对 风硐 中 风 速进 行调 节 ， 实验 中为 了将 金 属粉 尘 均 匀 分 布在 风硐 中 ， 设 置 风速 为 8 m／ s 。在 风 硐 的排 出 口有 金 属 粉尘 回收装置 ， 对金 属 粉尘进 行 回收 ， 用 于 下一次 实 验 。采样 器 采 集 风 硐 中含 有 金 属 粉 尘 颗 粒 的气 样 ， 通 过 实验 室 的 十万 分 之一 天 平秤 量采 样 器 的滤 三 三 I 图 7实验系统示意 膜增重 ， 并计算 出金属粉尘 浓度作为 标准参考值 。 基于光散射法和基于电荷感应法的金属粉尘浓度传 感器将检测值通 过 RS 4 8 5通信方式实 时传 输至上 位机 。 3 ． 2 实验 结 果 实验系统连 续运 行 1周 ， 记 录第一 天 和最 后 一 天 的部分 检 测数 据 ， 统计 结果 见 表 1 、 表 2 。 由表 1 可 得 ， 实验第 一 天检 测金 属粉 尘 浓度 时 ， 基 于 电荷感 应 法 的金属 粉 尘浓 度传 感器 检测 最 大误 差为 8 ． 3 3 ， 基于光散射法的金属粉尘浓度传感器 检 测 最 大 误 差 为 9 ． 4 0 ， 2种 方 法 检 测 误 差 均 较 小 。 由表 2可得 ， 在长时间连续检测且不经过任何 维护的情况下 ， 基于 电荷感应法的金属粉尘浓度传 感 器 检 测 最 大误 差 为 6 ． 5 8 ， 基 于光 散 射 法 的金 属 收装 置 粉尘浓度传感器检测最大误差 为 2 5 ． 8 1 ， 并且基 于光散射法的金属粉尘浓度传感器所有的检测值均 偏高。 通 过分 析 表 1和 表 2检 测 数 据 可得 基 于 电荷 感应法和基于光散射法的金属粉尘浓度传感器在检 测初期 的检测精度均较高 ； 当连续检测一段时间后 ， 基于光散射法的金属粉尘浓度传感器检测误差偏大 且检测值均偏高 ， 而基于 电荷感应法 的金属粉尘浓 度传感器依然保持较高的检测精度 。这是因为在连 续 检测 一段 时 间后 ， 基 于 光 散 射 法 的金 属 粉 尘 浓度 传感器 的光学窗口被金属粉尘污染 ， 将会长期对光 进行散射 ， 影响传感器的检测精度 ； 而沉积在 电极中 的金 属粉 尘不会 影 响基 于 电荷感应 法 的金属 粉尘浓 度传感器的检测结果 ， 因为只有动态的金属粉尘才 能感应 出波 动 的交变 信号 。 6 0 工矿 自动 化 2 0 1 7年 第 4 3卷 表 1 实验第一天检测数据 金属粉尘浓度 标准参考值／ mg 12 1 0 基于 电荷感应法的 金属粉尘浓度传感器 基于光散射法的 金属粉尘浓度传感器 平均值／ 误差／ 平均值／ 误差／ mg m 一3 mg m 一3 9 ． 6 6 0 ． 0 1 1 7 ． 0 2 3 2 ． 0 3 2 5 ． 0 4 8 0 ． 0 6 76 ． 0 7 5 6 ． 0 8 93 ． 0 9 6 8 ． 0 8 ． 8 5 6 ． 0 l 1 2 ． 0 2 2 5 ． 0 3 3 6 ． O 4 9 1 ． O 6 5 O ． O 73 4 ． 0 8 8 9 ． 0 98 2 ． 0 1 0 ． 2 5 6 ． 0 106．0 2 4 3 ． 0 3 0 4 ． 0 4 6 5 ． 0 6 1 7 ． 0 7 0 4 ． 0 8 2 9 ． 0 9 1 2 ． O 一 6 ． 2 5 6 ． 6 7 9 ． 4 0 4 ． 7 4 6 ． 4 6 3 ． 1 3 8 ． 7 3 6 ． 8 8 7 ．1 7 5 ．7 9 表 2实验最后一天检测数据 金属粉尘浓度 标准参 考值 ／ mg m 一0 基 于电荷感 应法 的 金属粉尘浓度 传感器 基 于光散射法 的 金属 粉尘浓度 传感器 平均值 ／ 误差 ／ 平均值／ 误差／ mg m～ 。 ％ mg m 。 7 ． 6 93．0 1 8 9 ． 0 3 0 1 ． 0 3 9 2 ． 0 5 0 3 ． 0 6 2 5 ． 0 7 1 5 ． 0 8 1 7 ． 0 9 0 7 ． 0 8 ． 1 9 0． 0 1 9 6 ． 0 2 9 6 ． 0 4 1 0 ． 0 5 2 9 ． 0 594．0 7 5 0 ． 0 8 05 ． 0 9 0 3 ． 0 9 ．2 1 1 7 ． 0 2 2 6． 0 3 3 8． 0 4 5 5 ． 0 5 6 9． 0 6 8 1 ．0 7 8 6 ． 0 9 1 O． 0 9 5 2 ． 0 21 ． 05 25 ． 81 1 9 ． 5 8 1 2 ． 29 1 6 ． 07 1 3 ． 1 2 8 ．9 6 9 ． 9 3 l 1 ． 38 4 ． 9 6 4 结语 通 过原 理分 析 、 电路 设 计 、 实 验 验 证 ， 比较 了光 散射 法 和 电荷 感 应法 应用 于金 属粉 尘浓 度 检测 的效 果 ， 结果表明 光散射法和电荷感应法在检测初期均 具有较高的检测精度 ； 在长时间连续检测状态下 ， 光 散射 法 检测误 差 增 大 且检 测结 果 偏 高 ， 而 电荷 感 应 法检测精度仍保持较高。 参考文献 [1 ] 孙金华 ， 卢平 ， 刘义． 空气 中悬 浮金属微粒子 的燃烧特 性 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