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基于電荷感應的粉塵濃度檢測技術與試驗研究

文檔作者：鄭凱，汪金剛，劉靜，熊雙卡文檔來源：重慶大學輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術國家重點實驗室		點擊數(shù)：	更新時間： 2022年10月18日
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2014年第33卷第2期 傳感器與微系統(tǒng)(Transducer and Microsystem Technologies) 29
基于電荷感應的粉塵濃度檢測技術與試驗研究
鄭 凱，汪金剛，劉 靜，熊雙卡
(重慶大學輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術國家重點實驗室，重慶400044)
摘要：介紹了電荷感應法在粉塵濃度測量中的應用，提出了用交變電場中傳感器感應電壓來表征粉塵
濃度的測量方法，并進行了理論推導。在此基礎上，設計了圓柱形傳感器，并搭建了濃度檢測試驗平臺，進
行了模擬試驗研究。試驗結(jié)果表明：此裝置可用于粉塵濃度為0．81～1．99g／m。的測量環(huán)境，其測量值與
實際值的平均誤差為1．8％ 。
關鍵詞：交變電場；電荷感應；粉塵濃度；檢測；傳感器；流體
中圖分類號：TM835．4 文獻標識碼：A 文章編號：1000--9787(2014)02-0029-03
Research 0n dust concentration measurement technique and
· · 1 1 ’ ● ' · ‘ ；l=
exoerim ent DaSed 0n charge inOuctiOn
ZHENG Kai，WANG Jin—gang，LIU Jing，XIONG Shuang4ka
r State Key Laboratory of Power Transmission Equipment&amp;amp; System Security and
New Technology，Chongqing University，Chongqing 400044，China)
Abstract： Application of charge induction method in dust concentration measuring is introduced，and
measurement method of characterizing dust concentration by inductive voltage of sensor in alternating electric field
is put forward，and a theoretical derivation is given．On these basis，a cylindrical sensor is designed，and build up
test platform for concentration detection，and salty out study of simulation test．The result of the experiment
indicates that in a certain situation when the dust concentration ranges between 0．81 g／m。and 1．99 g／m ，the
device is able to be applied to test dust concentration．which the avera~ge eⅡ0r of measurement value and actual
value is 1．8％ ．
Key words：alternating electric field；charge induction；dust concentration；detection；sensor；fluid
0 引 言
及時有效地對作業(yè)場所的粉塵濃度進行監(jiān)測，才能更
好地掌握粉塵濃度狀況，進行有效的除塵和降塵，降低作
業(yè)場所的粉塵濃度，對確保人身安全和提高環(huán)境質(zhì)量發(fā)揮
極其重要作用 。同時，粉塵含量是氣固兩相流檢測的一
個極其重要的參數(shù)，如何檢測和嚴格控制各種工業(yè)設備向
大氣排放粉塵，以控制污染源顆粒排放總量是氣固兩相流
動中的一個重要的研究內(nèi)容 。
目前，國內(nèi)外研究了多種測量粉塵濃度的方法，如，過
濾稱重法 、射線法 J、壓電晶體感應法、光學法 J、超聲
波法 、電荷感應法 和電容法等。其中稱重法是最基本
的測量方法，但其不能用于粉塵濃度的連續(xù)監(jiān)測；射線法
雖然測量準確，但它需要對粉塵進行采樣后對比測量，很
難實現(xiàn)粉塵濃度的在線監(jiān)測；壓電晶體感應法適用于地面
上粉塵濃度較低的場合，且要求操作人員具有一定的經(jīng)
驗，從而影響了它的推廣使用 ；超聲波法、微波法測量粉
塵濃度正處于試驗研究階段；光學法易受測量物影響 J，
且測量容易使光學系統(tǒng)受污染，需要經(jīng)常進行標定，維護
量大；電容法測量粉塵濃度具有安全可靠，采用非侵入式
測量，易于安裝，牢固耐用，響應速度快等優(yōu)點，但其靈敏
度有限，前人利用抗雜散電容測量技術提高了其精度 。
本文基于電荷感應原理，提出用交變電場中傳感器電壓來
表征粉塵濃度的測量思路，設計了一種粉塵濃度檢測裝置，
其結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，實用性強。
1 測量原理
1．1 兩相流體等效介電常數(shù)
傳感器中不同濃度的粉塵會改變介質(zhì)的相對介電常
數(shù)，電荷感應法測量粉塵濃度的基本原理之一是：兩相流體
的等效介電常數(shù)隨粉塵濃度的大小而變化。兩相流體的等
效介電常數(shù)可表示為
收稿日期：2013-06-26
基金項目：國家自然科學基金資助項目(51207175)；國家大學生創(chuàng)新實驗計劃資助項目(1210611022)
30 傳感器與微系統(tǒng) 第33卷
s2= 占 +(1一OL)占0 ， (1)
式中8 ， 分別為粉塵、氣體介電常數(shù)， 為粉塵體積百
分比。
設粉塵密度為P ，則粉料濃度為P= ·P ，式(1)可寫
為
82= (s 一 o)+go． (2)
那么，當粉塵濃度發(fā)生變化時，會改變兩相流體等效介
電常數(shù)8 ，并且二者存在線性關系。另一方面，當介電常數(shù)
改變時，電容傳感器的電容大小也會隨之改變。
1．2 圓柱形傳感器
為了得到電容大小與介電常數(shù)的關系，以圖1所示的
電容傳感器為例，該探頭的結(jié)構(gòu)是：外層電容器極板是半徑
為a，長度z》n，以狹縫相隔的2個長直半圓導體薄柱面，圓
弧對中心的張角均為(180-28)。，狹縫很小，滿足26—0，中
間充滿相對介電常數(shù)分別為s ， 的均勻各向同性介質(zhì)，
其中內(nèi)層混合介質(zhì) 的半徑為b。
圖2 傳感器簡化斷面圖
Fig 2 Sensor simplified sectional view
1．3 壓交變電場中傳感器的感應電壓
將圓柱形傳感器放置在場強為E的均勻壓電場中，其
表面會產(chǎn)生感應電荷，兩極板間的電壓便可作為測量信號。
根據(jù)高斯定律，對半圓柱面進行積分
r —+ 、
(}D· =Q一 (4)
JS
其中，D為電位移矢量，假設半圓柱的長度為f，半徑為
b，那么，式(4)可寫為
D( 6f+2b1)=Q．
將D= E代入可得
(5)
Q=-8。E(盯6Z+2b1)． (6)
這些電荷會在極板間感應出一個電壓，將式(3)代人
式(6)得到
：
Q ：
C ， (7) 1 2 6 ’ 、‘
“
¨ COS2
令 ，則式( )可變?yōu)?
：
． U E ‘ (＼ 8)，
結(jié)合式(1)可以得到
P：
上+
． (9) U 一 十—
8 s-
— 80’ (
與圓柱形傳感器狹縫張角的大小、傳感器的長度和
半徑有關，是一個常數(shù)，在場強一定的情況下，從式(9)得
到：粉塵濃度與傳感器感應電壓的倒數(shù)呈線性關系，根據(jù)電
壓測量值計算即可得到粉塵濃度。
2 測量裝置設計
為了提高測量的精度，使得在一定粉塵濃度變化條件
下，傳感器感應電壓的變化量盡可能大，選擇傳感器各結(jié)構(gòu)
參數(shù)設置如下：長度 l m，內(nèi)層半徑b=0．1 in，狹縫角度
6：l。。為進行試驗，搭建了試驗平臺(見圖3)，該試驗裝
置的工作原理是：在空間內(nèi)施加50 Hz，1 kV／m左右的恒定
電場，通過改變漏斗活塞的開口大小來控制傳感器內(nèi)的粉
塵濃度，風機將粉塵吹入傳感器，為了使傳感器內(nèi)部粉塵濃
度保持穩(wěn)定，在平臺尾部增設循環(huán)裝置。粉塵濃度引起的
電壓變化即可作為測量信號。
圖3 試驗平臺示意圖
Fig 3 Diagram of experim ental platform
電壓測量裝置以C8051F020單片機為信號處理和控
制核心，其原理框圖如圖4所示。電容傳感器將交變電場
的電場信號轉(zhuǎn)換為電壓信號后，信號處理單元對電壓信號
進行濾波放大，整理后的信號送入單片機進行A／D轉(zhuǎn)換和
計算處理，再由顯示裝置輸出粉塵濃度的測量值。
3 試驗方法與結(jié)果分析
3．1 試驗方法
該試驗采用規(guī)格為1250目的滑石粉模擬粉塵進行試
驗，滑石粉主要成分為Mg。[Si 0 。](OH) ，為白色或類白
色、微細、無砂性的粉末。試控制風速在20 m／s，通過改變
第2期 鄭凱，等：基于電荷感應的粉塵濃度檢測技術與試驗研究
圖4 檢測裝置硬件框圖
F．ig 4 Block diagram of detection device hardware
漏斗的開口大小調(diào)節(jié)粉塵的流量，即可改變電容傳感器內(nèi)
的粉塵濃度。對于每種粉塵濃度，在測量裝置的顯示值趨
于穩(wěn)定時關閉漏斗，記錄下粉塵流量和測量值。
3．2 試驗結(jié)果
利用設計的傳感器進行試驗，調(diào)節(jié)粉塵的流量，通過實
驗裝置檢測得到對應的粉塵濃度，粉塵濃度實際值與測量
值的曲線如圖5所示，可以看出：粉塵濃度在0．81～1．99 g／
m 。間變化時，兩者曲線基本吻合，具有一致性。表1為具
體測試數(shù)據(jù)，可見最大測量誤差為13．9％ ，最小為0．1％ ，
平均誤差為4．6％ 。
’
呂
＼
蟶
粉塵流量幢·min-
圖5 試驗結(jié)果對照圖
Fig 5 Comparison chart of test results
表1 試驗誤差對照表
Tab 1 Com parison table of experimental error
根據(jù)試驗結(jié)果可得如下結(jié)論：
1)當粉塵濃度在0．81-1．99 g／m。間變化時，粉塵濃度
的測量值與實際值相近，平均誤差為1．8％ ，線性度良好，
可用于粉塵濃度監(jiān)測。
2)當粉塵濃度大于1．99g／m。后，測量值的曲線趨于平
緩，穩(wěn)定在2．O2 g／m。左右，這是因為粉塵濃度較高時，由于
靜電吸附和風機動力等方面的限制，部分粉塵會在隔離板
上沉積，相對介電常數(shù)因而不再發(fā)生明顯的改變，電容感應
電壓不變，所以，測量裝置顯示值不變。
3)測量范圍和實際工程應用具有一定差距，這是和試
驗平臺本身有較大關系，因為通過漏斗的粉塵流速沒有做
到精確，造成偏差較大。
4 結(jié)論
研究交變電場測量粉塵濃度的基本原理，并設計了圓
柱形傳感器試驗測量裝置，在設計的試驗平臺進行了粉塵
濃度測試試驗。研究結(jié)果表明：該研究方法與裝置能夠比
較準確地反映粉塵濃度，當粉塵濃度在0．81一1．99 g／m。間
變化時，平均誤差為1．8％ ，線性度良好，具有一定價值，如
將在傳感器工藝和檢測工藝上進行改進，該研究可應用于
作業(yè)場所的粉塵濃度監(jiān)測。
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作者簡介：
鄭凱(1990一)，男，黑龍江五大連池人，本科，主要從事新型
傳感器技術研究。

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