基于電荷感應(yīng)法的粉塵濃度傳感器研究

劉東旭,李朋賓（鄭州光力科技股份有限公司,鄭州　450001）

基于電荷感應(yīng)法的粉塵濃度傳感器研究

劉東旭,李朋賓
（鄭州光力科技股份有限公司,鄭州450001）

基于電荷感應(yīng)原理，設(shè)計(jì)了電荷感應(yīng)法粉塵濃度傳感器，對粉塵濃度與感應(yīng)電流之間的關(guān)系進(jìn)行試驗(yàn)研究。通過試驗(yàn)表明，該傳感器可實(shí)現(xiàn)粉塵濃度的在線監(jiān)測，是用于工業(yè)粉塵檢測的理想儀器。

粉塵濃度；電荷感應(yīng)原理；在線監(jiān)測

0　引言

隨著我國能源工業(yè)尤其是煤炭和電力的發(fā)展，粉塵濃度的檢測和控制已成為生產(chǎn)過程中重要的內(nèi)容之一，粉塵不僅污染環(huán)境，對人身健康造成極大危害，成為職業(yè)病重要的誘因之一，而且還有可能釀成災(zāi)難事故。天平稱重法、β射線法、光學(xué)測量法和電荷感應(yīng)法[1,2]是目前常用的粉塵濃度測量方法，其中電荷感應(yīng)法是近年來重點(diǎn)研究的在線粉塵濃度測量新方法，具有測量范圍寬、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、便于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。

1　電荷感應(yīng)法測量原理

粉塵具有荷電性，粉塵在產(chǎn)生和流動過程中引起的粒間撞擊、粒間及粉塵與氣體介質(zhì)之間的摩擦、放射性照射等使粉塵顆粒帶上電荷，因此可根據(jù)粉塵荷電性來對粉塵濃度進(jìn)行監(jiān)測[3,4]。把金屬探頭放入粉塵環(huán)境中，當(dāng)粉塵以一定的速度通過時，根據(jù)庫倫定律和泊松分布原理，帶電的粉塵顆粒就會在金屬探頭上感應(yīng)出等量的異種電荷，感應(yīng)電流Im符合下式：式中，a、b為無量綱常數(shù)，與測量管段的位置及粉塵性質(zhì)有關(guān)，C為粉塵的質(zhì)量濃度（mg/m3），u是風(fēng)速（m/s），a、b可通過標(biāo)定的方式確定。從上式可以看出，當(dāng)風(fēng)速一定時，感應(yīng)電流與粉塵濃度呈線性關(guān)系。

2　電荷感應(yīng)法粉塵濃度傳感器設(shè)計(jì)

基于電荷感應(yīng)原理，本文設(shè)計(jì)了粉塵濃度傳感器。該儀器主要有測量管段與電荷感應(yīng)探頭（電極）、電荷放大電路、數(shù)據(jù)采集電路及控制電路組成，系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

2.1測量管段與電極

測量管段為圓筒形，內(nèi)徑為80mm，長度200mm，采用不銹鋼材質(zhì)制作。電極直接與金屬測量管道連接，等效為電容一極，可有效屏蔽外界干擾；一端安裝一臺小風(fēng)扇，可使粉塵能以一定的風(fēng)速通過電極，本文所設(shè)計(jì)的粉塵濃度傳感器內(nèi)部具有約2.5m/s的風(fēng)速。

電極作為感應(yīng)電荷的關(guān)鍵部件，目前常見電極形式主要有3種：棒狀、外環(huán)狀和內(nèi)環(huán)狀[5]。本文采用棒狀電極，并在點(diǎn)擊外表噴涂絕緣材料（如陶瓷等），既可以避免粉塵與電極之間的摩擦起電，又可以保護(hù)電極。

2.2電荷放大電路

具有一定速度的粉塵經(jīng)過電極時會時電極感應(yīng)出等量的異種電荷，但感應(yīng)電荷量極小，一般為10-7～10-3C，因此必須研制高精度的電荷檢測電路對感應(yīng)電荷進(jìn)行放大，建立起感應(yīng)電荷與粉塵濃度之間的關(guān)系。由于電極輸出的感應(yīng)電荷是一種低頻微弱信號，容易受到雜散電容、外界電場和磁場的干擾，因此設(shè)計(jì)具有較高的分辨力、較低的溫度漂移系數(shù)、較強(qiáng)的抗干擾能力的電荷放大電路是本文設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。為了簡化設(shè)計(jì)難度，并提高電荷放大電路的性能，本文采用ICA102C精密電荷放大器模塊，該模塊具有噪聲小、精度高、穩(wěn)定好、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。

電荷放大器模塊ICA102C內(nèi)部主要包括電荷變換電路和增益可調(diào)的精密輸出放大電路其中高輸入阻抗、低噪聲的電荷變換電路的電荷放大倍率為Am=Ar×Ac，其中Ar為輸出放大器比率，Ac為電荷放大比率；Ac=0.1mV/pC，Ar范圍為1～101，當(dāng)外部增益調(diào)節(jié)端開路時，Ar=101。

2.3數(shù)據(jù)采集和控制電路

ICA102C電荷放大器的輸出信號可達(dá)3V，可滿足檢測要求。為了提高對粉塵檢測的靈敏度，本文采用了高速14位AD轉(zhuǎn)換器ADS4142，通過MCU控制完成數(shù)據(jù)采集。

控制電路采用51單片機(jī)作為核心，除控制AD轉(zhuǎn)換器完成數(shù)據(jù)采集外，還通過內(nèi)部程序建立感應(yīng)電荷與粉塵濃度的對應(yīng)關(guān)系，通過AD轉(zhuǎn)換器的采集數(shù)據(jù)計(jì)算出當(dāng)前粉塵濃度。為了滿足在線監(jiān)測的需要，本文還設(shè)計(jì)了RS485輸出和200～1000Hz頻率輸出功能。

3　測試結(jié)果與分析

根據(jù)電荷感應(yīng)原理設(shè)計(jì)了在線粉塵傳感器原理樣機(jī)，并對其進(jìn)行了粉塵濃度測試，采用天平稱重法完成對原理樣機(jī)的標(biāo)定，并進(jìn)行對比，測試數(shù)據(jù)表1所示。

根據(jù)表1的測量數(shù)據(jù)，本文所設(shè)計(jì)的粉塵濃度傳感器測量精度較高，與天平稱重法計(jì)算的粉塵濃度相比，其測量誤差小于10%。把上表中的粉塵濃度與AD轉(zhuǎn)換值進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，擬合曲線如下圖所示。

根據(jù)上圖的擬合曲線，當(dāng)測量管段內(nèi)的風(fēng)速穩(wěn)定在2.5m/s時，基于電荷感應(yīng)原理的粉塵濃度傳感器的感應(yīng)電流大小與粉塵濃度具有良好的線性關(guān)系，與理論吻合，說明本文所設(shè)計(jì)的電荷法粉塵濃度傳感器在理論上和實(shí)踐上都是可行的。

表1　粉塵濃度測試數(shù)據(jù)

4　結(jié)論

本文基于電荷感應(yīng)原理，設(shè)計(jì)了電荷感應(yīng)粉塵濃度傳感器。傳感器采用棒狀電極，儀器內(nèi)部通過選擇合適的風(fēng)扇保證測量管段內(nèi)具有2.5m/s的恒定風(fēng)速，采用了集成電荷放大器ICA102C實(shí)現(xiàn)了感應(yīng)電荷的放大和檢測，對粉塵濃度與感應(yīng)電流之間的關(guān)系進(jìn)行試驗(yàn)研究。通過試驗(yàn)表明，在2.5m/s風(fēng)速下，粉塵濃度和感應(yīng)電荷之間存在良好的線性關(guān)系，本文設(shè)計(jì)的電荷感應(yīng)法粉塵濃度傳感器的基本誤差小于10%，可實(shí)現(xiàn)粉塵濃度的在線監(jiān)測，是用于工業(yè)粉塵檢測的理想儀器。

[1]李衛(wèi)東,王連富,劉道文等.我國煤炭行業(yè)粉塵濃度監(jiān)測技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].礦業(yè)安全與環(huán)保,2005,6(32):66-67.

[2] 唐娟.粉塵濃度在線監(jiān)測技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].礦業(yè)安全與環(huán)保,2009,36(05):69-71,74.

[3] Murnane SN, Barnes RN, Woodhead SR. Electrostatic modeling and measurement of air borne particle concentration[J].IEEE Trans Instrument,2006,45:488-492.

[4] 戚淑芬,王國棟.基于電荷感應(yīng)原理的粉塵含量在線檢測儀設(shè)計(jì)[J].青島科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2011,32(05):526-530.

[5] 趙恩彪,李德文,王自亮等.電荷法測量粉塵密度的試驗(yàn)研究[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2010,27(02):269-272.