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基于電荷感應(yīng)的粉塵濃度檢測(cè)技術(shù)與試驗(yàn)研究

文檔作者：鄭凱，汪金剛，劉靜，熊雙卡文檔來(lái)源：重慶大學(xué)輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)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(yīng)的粉塵濃度檢測(cè)技術(shù)與試驗(yàn)研究
鄭 凱，汪金剛，劉 靜，熊雙卡
(重慶大學(xué)輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400044)
摘要：介紹了電荷感應(yīng)法在粉塵濃度測(cè)量中的應(yīng)用，提出了用交變電場(chǎng)中傳感器感應(yīng)電壓來(lái)表征粉塵
濃度的測(cè)量方法，并進(jìn)行了理論推導(dǎo)。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了圓柱形傳感器，并搭建了濃度檢測(cè)試驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)
行了模擬試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明：此裝置可用于粉塵濃度為0．81～1．99g／m。的測(cè)量環(huán)境，其測(cè)量值與
實(shí)際值的平均誤差為1．8％ 。
關(guān)鍵詞：交變電場(chǎng)；電荷感應(yīng)；粉塵濃度；檢測(cè)；傳感器；流體
中圖分類號(hào)：TM835．4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(shí)有效地對(duì)作業(yè)場(chǎng)所的粉塵濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，才能更
好地掌握粉塵濃度狀況，進(jìn)行有效的除塵和降塵，降低作
業(yè)場(chǎng)所的粉塵濃度，對(duì)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(shí)，粉塵含量是氣固兩相流檢測(cè)的一
個(gè)極其重要的參數(shù)，如何檢測(cè)和嚴(yán)格控制各種工業(yè)設(shè)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(dòng)中的一個(gè)重要的研究?jī)?nèi)容 。
目前，國(guó)內(nèi)外研究了多種測(cè)量粉塵濃度的方法，如，過(guò)
濾稱重法 、射線法 J、壓電晶體感應(yīng)法、光學(xué)法 J、超聲
波法 、電荷感應(yīng)法 和電容法等。其中稱重法是最基本
的測(cè)量方法，但其不能用于粉塵濃度的連續(xù)監(jiān)測(cè)；射線法
雖然測(cè)量準(zhǔn)確，但它需要對(duì)粉塵進(jìn)行采樣后對(duì)比測(cè)量，很
難實(shí)現(xiàn)粉塵濃度的在線監(jiān)測(cè)；壓電晶體感應(yīng)法適用于地面
上粉塵濃度較低的場(chǎng)合，且要求操作人員具有一定的經(jīng)
驗(yàn)，從而影響了它的推廣使用 ；超聲波法、微波法測(cè)量粉
塵濃度正處于試驗(yàn)研究階段；光學(xué)法易受測(cè)量物影響 J，
且測(cè)量容易使光學(xué)系統(tǒng)受污染，需要經(jīng)常進(jìn)行標(biāo)定，維護(hù)
量大；電容法測(cè)量粉塵濃度具有安全可靠，采用非侵入式
測(cè)量，易于安裝，牢固耐用，響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，但其靈敏
度有限，前人利用抗雜散電容測(cè)量技術(shù)提高了其精度 。
本文基于電荷感應(yīng)原理，提出用交變電場(chǎng)中傳感器電壓來(lái)
表征粉塵濃度的測(cè)量思路，設(shè)計(jì)了一種粉塵濃度檢測(cè)裝置，
其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，實(shí)用性強(qiáng)。
1 測(cè)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(huì)改變介質(zhì)的相對(duì)介電常
數(shù)，電荷感應(yīng)法測(cè)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(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51207175)；國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)計(jì)劃資助項(xiàng)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(shè)粉塵密度為P ，則粉料濃度為P= ·P ，式(1)可寫(xiě)
為
82= (s 一 o)+go． (2)
那么，當(dāng)粉塵濃度發(fā)生變化時(shí)，會(huì)改變兩相流體等效介
電常數(shù)8 ，并且二者存在線性關(guān)系。另一方面，當(dāng)介電常數(shù)
改變時(shí)，電容傳感器的電容大小也會(huì)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(guān)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(zhǎng)度z》n，以狹縫相隔的2個(gè)長(zhǎng)直半圓導(dǎo)體薄柱面，圓
弧對(duì)中心的張角均為(180-28)。，狹縫很小，滿足26—0，中
間充滿相對(duì)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(jiǎn)化斷面圖
Fig 2 Sensor simplified sectional view
1．3 壓交變電場(chǎng)中傳感器的感應(yīng)電壓
將圓柱形傳感器放置在場(chǎng)強(qiáng)為E的均勻壓電場(chǎng)中，其
表面會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電荷，兩極板間的電壓便可作為測(cè)量信號(hào)。
根據(jù)高斯定律，對(duì)半圓柱面進(jìn)行積分
r —+ 、
(}D· =Q一 (4)
JS
其中，D為電位移矢量，假設(shè)半圓柱的長(zhǎng)度為f，半徑為
b，那么，式(4)可寫(xiě)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(huì)在極板間感應(yīng)出一個(gè)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(zhǎng)度和
半徑有關(guān)，是一個(gè)常數(shù)，在場(chǎng)強(qiáng)一定的情況下，從式(9)得
到：粉塵濃度與傳感器感應(yīng)電壓的倒數(shù)呈線性關(guān)系，根據(jù)電
壓測(cè)量值計(jì)算即可得到粉塵濃度。
2 測(cè)量裝置設(shè)計(jì)
為了提高測(cè)量的精度，使得在一定粉塵濃度變化條件
下，傳感器感應(yīng)電壓的變化量盡可能大，選擇傳感器各結(jié)構(gòu)
參數(shù)設(shè)置如下：長(zhǎng)度 l m，內(nèi)層半徑b=0．1 in，狹縫角度
6：l。。為進(jìn)行試驗(yàn)，搭建了試驗(yàn)平臺(tái)(見(jiàn)圖3)，該試驗(yàn)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(chǎng)，通過(guò)改變漏斗活塞的開(kāi)口大小來(lái)控制傳感器內(nèi)的粉
塵濃度，風(fēng)機(jī)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(tái)尾部增設(shè)循環(huán)裝置。粉塵濃度引起的
電壓變化即可作為測(cè)量信號(hào)。
圖3 試驗(yàn)平臺(tái)示意圖
Fig 3 Diagram of experim ental platform
電壓測(cè)量裝置以C8051F020單片機(jī)為信號(hào)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(chǎng)
的電場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)后，信號(hào)處理單元對(duì)電壓信號(hào)
進(jìn)行濾波放大，整理后的信號(hào)送入單片機(jī)進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換和
計(jì)算處理，再由顯示裝置輸出粉塵濃度的測(cè)量值。
3 試驗(yàn)方法與結(jié)果分析
3．1 試驗(yàn)方法
該試驗(yàn)采用規(guī)格為1250目的滑石粉模擬粉塵進(jìn)行試
驗(yàn)，滑石粉主要成分為Mg。[Si 0 。](OH) ，為白色或類白
色、微細(xì)、無(wú)砂性的粉末。試控制風(fēng)速在20 m／s，通過(guò)改變
第2期 鄭凱，等：基于電荷感應(yīng)的粉塵濃度檢測(cè)技術(shù)與試驗(yàn)研究
圖4 檢測(cè)裝置硬件框圖
F．ig 4 Block diagram of detection device hardware
漏斗的開(kāi)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(duì)于每種粉塵濃度，在測(cè)量裝置的顯示值趨
于穩(wěn)定時(shí)關(guān)閉漏斗，記錄下粉塵流量和測(cè)量值。
3．2 試驗(yàn)結(jié)果
利用設(shè)計(jì)的傳感器進(jìn)行試驗(yàn)，調(diào)節(jié)粉塵的流量，通過(guò)實(shí)
驗(yàn)裝置檢測(cè)得到對(duì)應(yīng)的粉塵濃度，粉塵濃度實(shí)際值與測(cè)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(shí)，兩者曲線基本吻合，具有一致性。表1為具
體測(cè)試數(shù)據(jù)，可見(jiàn)最大測(cè)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(yàn)結(jié)果對(duì)照?qǐng)D
Fig 5 Comparison chart of test results
表1 試驗(yàn)誤差對(duì)照表
Tab 1 Com parison table of experimental error
根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可得如下結(jié)論：
1)當(dāng)粉塵濃度在0．81-1．99 g／m。間變化時(shí)，粉塵濃度
的測(cè)量值與實(shí)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(cè)。
2)當(dāng)粉塵濃度大于1．99g／m。后，測(cè)量值的曲線趨于平
緩，穩(wěn)定在2．O2 g／m。左右，這是因?yàn)榉蹓m濃度較高時(shí)，由于
靜電吸附和風(fēng)機(jī)動(dòng)力等方面的限制，部分粉塵會(huì)在隔離板
上沉積，相對(duì)介電常數(shù)因而不再發(fā)生明顯的改變，電容感應(yīng)
電壓不變，所以，測(cè)量裝置顯示值不變。
3)測(cè)量范圍和實(shí)際工程應(yīng)用具有一定差距，這是和試
驗(yàn)平臺(tái)本身有較大關(guān)系，因?yàn)橥ㄟ^(guò)漏斗的粉塵流速?zèng)]有做
到精確，造成偏差較大。
4 結(jié)論
研究交變電場(chǎng)測(cè)量粉塵濃度的基本原理，并設(shè)計(jì)了圓
柱形傳感器試驗(yàn)測(cè)量裝置，在設(shè)計(jì)的試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了粉塵
濃度測(cè)試試驗(yàn)。研究結(jié)果表明：該研究方法與裝置能夠比
較準(zhǔn)確地反映粉塵濃度，當(dāng)粉塵濃度在0．81一1．99 g／m。間
變化時(shí)，平均誤差為1．8％ ，線性度良好，具有一定價(jià)值，如
將在傳感器工藝和檢測(cè)工藝上進(jìn)行改進(jìn)，該研究可應(yīng)用于
作業(yè)場(chǎng)所的粉塵濃度監(jiān)測(cè)。
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物理，2000，19(1)：30-33．
作者簡(jiǎn)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(shù)研究。

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