發(fā)布時間：2022-03-02所屬分類：電工職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘 要: 為實現(xiàn)煤礦井下金屬粉塵濃度的實時連續(xù)檢測，預(yù)警金屬粉塵爆炸事故，基于金屬粉塵的靜電特性研究了金屬粉塵濃度的連續(xù)檢測技術(shù)，剖析了基于電荷感應(yīng)法的粉塵濃度檢測技術(shù)基本原理，設(shè)計了電荷感應(yīng)法的檢測機構(gòu)與方式，完成了微弱電荷信號的提取電路和預(yù)警功能的
摘 要: 為實現(xiàn)煤礦井下金屬粉塵濃度的實時連續(xù)檢測，預(yù)警金屬粉塵爆炸事故，基于金屬粉塵的靜電特性研究了金屬粉塵濃度的連續(xù)檢測技術(shù)，剖析了基于電荷感應(yīng)法的粉塵濃度檢測技術(shù)基本原理，設(shè)計了電荷感應(yīng)法的檢測機構(gòu)與方式，完成了微弱電荷信號的提取電路和預(yù)警功能的設(shè)計。利用基于電荷感應(yīng)法的傳感器樣機對金屬粉塵濃度進行 3 個月的測試試驗，試驗結(jié)果證明了整個試驗周期內(nèi)，其檢測誤差均小于 10%，基于電荷感應(yīng)法的粉塵濃度檢測技術(shù)能夠適用于金屬粉塵的實時連續(xù)長時間的在線檢測。
關(guān)鍵詞: 金屬粉塵; 濃度檢測; 電荷感應(yīng)法; 電荷檢測機構(gòu)
0 引 言
金屬粉塵是指固體金屬在加工或粉碎過程中產(chǎn)生的微小顆粒，而這些微小的金屬顆粒在有足夠的氧氣、達到一定的濃度，并且伴有明火時，金屬粉塵將發(fā)生燃燒或爆炸[1]。隨著現(xiàn)代工業(yè)快速發(fā)展，此類金屬粉塵的爆炸事故頻發(fā)，其爆炸的嚴(yán)重性和危害程度與蒸汽云爆炸和沸騰液體擴展蒸汽爆炸幾乎相當(dāng)，往往造成重大人員傷害和巨大經(jīng)濟損失[2 - 3]。因此開展對作業(yè)場所的金屬粉塵濃度實時連續(xù)檢測，對于減小健康危害和降低爆炸概率具有重要意義。
目前國內(nèi)外主要是針對礦山的煤炭粉塵進行檢測和監(jiān)測，90%采用的檢測技術(shù)為基于 MIE 理論的光散射技術(shù)，而基于靜電原理的電荷感應(yīng)技術(shù)僅在中煤科工集團重慶研究院有限公司的新產(chǎn)品靜電傳感器上得到應(yīng)用，并且此技術(shù)在礦山粉塵檢測中逐步產(chǎn)業(yè)化和成熟化。雖然電荷感應(yīng)技術(shù)的礦山粉塵檢測技術(shù)已經(jīng)在逐步推廣和應(yīng)用，但是其在金屬粉塵濃度的檢測上國內(nèi)仍是空白，其采用的檢測手段仍主要依靠最陳舊、最可靠、最原始的稱重法。該方法檢測精度高，適用于實驗室檢測、安監(jiān)部門和環(huán)保部門的抽樣檢測。但是限于不能實時在線連續(xù)檢測，就不能對粉塵爆炸進行預(yù)警，不能更好地保護作業(yè)場所的工作人員[4-6]。另外，礦山粉塵的種類較單一，其靜電帶電量規(guī)律簡單，而金屬粉塵的種類繁多，不同種類的金屬粉塵靜電帶電量也不一致，造成其金屬粉塵的帶電量規(guī)律和模型較復(fù)雜，因此，不能將礦山的電荷感應(yīng)粉塵檢測技術(shù)直接引用到金屬粉塵檢測。基于此，筆者采用新設(shè)計的電荷檢測機構(gòu)和弱信號提取電路等，開展對作業(yè)場所的金屬粉塵濃度的檢測。
1 電荷感應(yīng)法基本原理
金屬粉塵顆粒在產(chǎn)生過程中，由于摩擦原因帶有一定量的靜電，帶有靜電的金屬粉塵顆粒經(jīng)過金屬電極，通過電荷感應(yīng)原理在金屬表面感應(yīng)出反向電荷。隨著金屬粉塵顆粒靠近金屬電極，電極表面感應(yīng)電荷逐步增加; 隨著金屬顆粒遠(yuǎn)離金屬電極，金屬電極表面感應(yīng)的電荷減少，原理如圖 1 所示[7-13]。
從圖 1 可見，金屬粉塵顆粒在電極表面產(chǎn)生一個交變電流信號，因此，對交變信號的波動性與金屬粉塵顆粒濃度的關(guān)系進行分析。金屬粉塵顆粒濃度越大，則金屬顆粒的帶電量總和越大; 金屬粉塵顆粒的帶電量越大，則產(chǎn)生的信號的波動性越大，所以金屬粉塵顆粒濃度與交變信號波動性呈正相關(guān)關(guān)系，通過檢測感應(yīng)作用產(chǎn)生交變信號的波動性，反映金屬粉塵濃度的大小，并且其波動信號是由動態(tài)的金屬粉塵顆粒產(chǎn)生的，而非沉積粉塵顆粒。
2 檢測機構(gòu)與方式
由于電荷感應(yīng)法分為直流耦合感應(yīng)和交流耦合感應(yīng)，其適用范圍與檢測濃度和機構(gòu)相關(guān)。另外，檢測濃度和機構(gòu)決定了檢測的精度和信號的處理問題。筆者根據(jù)作業(yè)場所的實際需求，采用交流感應(yīng)方法，并采用精巧的電荷感應(yīng)機構(gòu)，解決了類似傳感器檢測機構(gòu)的污染問題，使得檢測精度更高，穩(wěn)定性更好。
2. 1 電荷檢測機構(gòu)
一般的粉塵濃度檢測技術(shù)均采用抽氣泵作為采樣動力，同時設(shè)計了通用的采樣氣路。但是此類檢測技術(shù)的氣路易受粉塵濃度、濕度等因素影響，長時間會造成檢測機構(gòu)的污染，甚至出現(xiàn)氣路堵塞等問題。另外，在電荷感應(yīng)電極上，很多均采用棒狀電極，這樣容易造成粉塵粘連在電極上，使得電荷感應(yīng)能力降低，測試精度下滑，甚至造成不準(zhǔn)確的錯誤性測試。因此，筆者研究設(shè)計了一種檢測精度高，而且不會被運動的金屬粉塵污染的電荷感應(yīng)檢測機構(gòu)，其機構(gòu)的核心技術(shù)在于電荷感應(yīng)電極，筆者采用環(huán)狀感應(yīng)電極，使得在測試過程中電荷能均勻的分布感應(yīng)，同時也避免了長時間測量感應(yīng)機構(gòu)的污染問題。采用環(huán)狀電荷感應(yīng)的檢測機構(gòu)如圖 2 所示。
如圖 2 所示，含塵的氣流通過外接風(fēng)速或者后端的通風(fēng)機進入檢測機構(gòu)的管道，通過電荷感應(yīng)環(huán)，感應(yīng)環(huán)將微弱的電荷信號傳給靜電感應(yīng)傳感器，感應(yīng)傳感器再將電荷信號傳給處理電路，即可完成粉塵濃度的檢測。
2. 2 電荷感應(yīng)方式
基于電荷感應(yīng)法的粉塵濃度檢測分為直流耦合和交流耦合 2 種方式。采用環(huán)狀電極，感應(yīng)到的電荷量在物理性能上有直流和交流耦合 2 種表現(xiàn)形式[1 4]。但是由于直流耦合需要較長時間大量電荷的積累，才能得到有用且穩(wěn)定的電信號，此過程較漫長，同時感應(yīng)的分辨率也很低。
交流耦合的方式，只需要電荷的感應(yīng)信號具有波動性，就會得到相應(yīng)的交變信號，隨著此信號的波動性的變化就能分辨出被測金屬粉塵的濃度大小[15-17]，其交變信號如圖 3 所示。
3 檢測電路
采用交流耦合方式的電荷感應(yīng)法收集到弱的交變電荷信號后，需將微弱的電荷信號進行放大處理等，從而成為能夠應(yīng)用的模擬信號。最后，根據(jù)作業(yè)場所的應(yīng)用需求，設(shè)計完成整塊功能電路。整個電路設(shè)計過程至關(guān)重要，尤其是前段微弱電荷感應(yīng)信號的處理。
環(huán)狀電荷檢測機構(gòu)檢測到微弱交變的電荷信號后，其電信號只能到達 mV 級，因此還需要電荷放大和前置放大、濾波，得到 V 級的電壓信號。同時為了配合作業(yè)場所的金屬粉塵濃度檢測和使用，特設(shè)計了模擬的頻率和數(shù)字的 RS485 輸出電路。最后經(jīng)過高位的 A/D 轉(zhuǎn)換器，將穩(wěn)定的電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送到 MCU 中，這樣就得到了實時的金屬粉塵濃度[8-19]，其微弱電荷信號的提取電路如圖 4 所示。
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如圖 4 所示，電極的感應(yīng)電荷信號手機經(jīng)過電荷放大電路，將電極信號放大后再經(jīng)過二級放大電路再次放大。同時由于不同種類的金屬粉塵感應(yīng)電荷量的不同，因此需要采取自動實時調(diào)整二級放大倍數(shù)的方法控制二級放大的結(jié)果，因此此時采用單片機實時控制，保證二級放大的結(jié)果良好，能夠被后端 A /D 準(zhǔn)確識別，A /D 轉(zhuǎn)換前需將干擾信號進行濾波，最后將得到的信號采集到單片機中處理，即可得到實時檢測的金屬粉塵濃度，其弱信號提取的電路如圖 5 所示。
在得到核心感應(yīng)電荷的穩(wěn)定電信號后，需要根據(jù)作業(yè)場所現(xiàn)狀和工作人員職業(yè)健康等因素，設(shè)計完成整機的功能電路，其功能包括實時濃度值顯示、現(xiàn)場超限聲光報警、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心監(jiān)控、個人智能終端監(jiān)控等，不僅能夠讓現(xiàn)場的工作人員掌握金屬粉塵濃度的情況，同時能夠讓遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)中心和個人智能終端得到現(xiàn)場的測試結(jié)果[20]。
4 金屬粉塵濃度檢測試驗
基于電荷感應(yīng)法設(shè)計完成了一種靜電感應(yīng)的技術(shù)粉塵濃度傳感器，樣機的下方是金屬粉塵顆粒的電荷感應(yīng)環(huán)狀電極，上方是其他的處理電路和結(jié)構(gòu)。使用該傳感器樣機搭建的試驗系統(tǒng)如圖 6 所示。金屬粉塵定量發(fā)塵器將金屬粉塵( 此次檢測試驗采用拋光打磨車間產(chǎn)生的鎂鋁合金粉末) 吹入風(fēng)硐，并將風(fēng)硐的風(fēng)速設(shè)定為 5 m / s，在風(fēng)硐的排風(fēng)口安裝了金屬粉塵回收除塵器。最后，通過風(fēng)硐上端的開口進行金屬粉塵的采樣，并使用百萬分之一的天平稱重采樣器濾膜的增重，來計算實時的粉塵濃度。
在 5 m / s 風(fēng)速下，鎂鋁合金粉塵顆粒通過發(fā)塵器，均勻分布在風(fēng)硐中。采樣器抽氣采樣，稱重得到金屬粉塵濃度實時值。同時基于電荷感應(yīng)法的金屬粉塵濃度傳感器的測試數(shù)值通過數(shù)據(jù)交換接口，傳到監(jiān)控主機，最后通過采樣器稱重粉塵濃度和現(xiàn)場粉塵濃度傳感器的測試值進行對比試驗，經(jīng)過 3 個月的試驗，得到其誤差均小于 10%，截取部分試驗數(shù)據(jù)，見表 1。
5 結(jié) 論
基于電荷感應(yīng)法，通過原理剖析、電荷感應(yīng)檢測機構(gòu)與感應(yīng)耦合方式研究、電路設(shè)計、試驗對比等，完成了電荷式的金屬粉塵濃度檢測技術(shù)的研究，解決了如下的問題:
1) 基于電荷感應(yīng)法的研究，填補了國內(nèi)對于金屬粉塵濃度實時連續(xù)檢測技術(shù)的空白，提出了適用于作業(yè)場所的一種實時在線連續(xù)的金屬粉塵濃度檢測技術(shù)。
2) 特有金屬粉塵濃度電荷檢測機構(gòu)設(shè)計和耦合方式的研究，解決了通用檢測機構(gòu)的污染和氣路堵塞等問題，提高了檢測速度和分辨率。
3) 通過試驗驗證了該種金屬粉塵濃度檢測技術(shù)能夠很好地適用于作業(yè)現(xiàn)場，其 誤 差 均 小 于 10%。——論文作者：趙 政
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