《基于电荷感应法的金属粉尘浓度检测技术-赵政.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于电荷感应法的金属粉尘浓度检测技术-赵政.pdf（5页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、第45卷第12期2017年12月煤炭科学技术Coal Science and TechnologyV0145 No12Dec2017基于电荷感应法的金属粉尘浓度检测技术赵 政(中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆400037)摘 要：为实现煤矿井下金属粉尘浓度的实时连续检测，预警金属粉尘爆炸事故，基于金属粉尘的静电特性研究了金属粉尘浓度的连续检测技术，剖析了基于电荷感应法的粉尘浓度检测技术基本原理，设计了电荷感应法的检测机构与方式，完成了微弱电荷信号的提取电路和预警功能的设计。利用基于电荷感应法的传感器样机对金属粉尘浓度进行3个月的测试试验，试验结果证明了整个试验周期内，其检测误差均小于10，
2、基于电荷感应法的粉尘浓度检测技术能够适用于金属粉尘的实时连续长时间的在线检测。关键词：金属粉尘；浓度检测；电荷感应法；电荷检测机构中图分类号：TD67 文献标志码：A 文章编号：0253-2336(2017)12015505Detection technology of metal dust concentration based onelectric charge induction methodZHAO Zheng(Chongqing Research Institute Compan)。Limited，Chino Coal Technalog)Engineenng Group，Chong
3、qing 400037China)Abstract：In order to realize a real time continued detection of the metal dust concentration in a coal mine and to make an early warning ofthe metal dust explosion accident，based on the static characteristics of the metal dust，a study was conducted on the continued detectiontechnolo
4、gy of the metal dust concentrationBased on the electric charge induction method，the basic principles of the dust concentration detection technology were analyzedThe detection mechanism and method of the electric charge induction method Was designed and the designon the pickup circuit and early warni
5、ng function of the weak electric charge signal Was completedBased on the electric charge inductionmethod，the sensor prototype Was applied to the three month test experiment on the metal dust concentrationThe test results showed thatwithin the whole test period，the detection elror was less than 10in
6、averageBased on the electric charge induction method，the metal dustconcentration detection technology could be capable applied to the real time continued longtime online detection of the metal dustKey words：metal dust；concentration detection；electric charge induction method；electric charge detection
7、 mechanism0引 言金属粉尘是指固体金属在加工或粉碎过程中产生的微小颗粒，而这些微小的金属颗粒在有足够的氧气、达到一定的浓度，并且伴有明火时，金属粉尘将发生燃烧或爆炸j。随着现代工业快速发展，此类金属粉尘的爆炸事故频发，其爆炸的严重性和危害程度与蒸汽云爆炸和沸腾液体扩展蒸汽爆炸几乎相当，往往造成重大人员伤害和巨大经济损失旧。3 o。因此开展对作业场所的金属粉尘浓度实时连续检测，对于减小健康危害和降低爆炸概率具有重要意义。目前国内外主要是针对矿山的煤炭粉尘进行检测和监测，90采用的检测技术为基于MIE理论的光散射技术，而基于静电原理的电荷感应技术仅在中煤科工集团重庆研究院有限公司的新产品
8、静电传感器上得到应用，并且此技术在矿山粉尘检测中逐步产业化和成熟化。虽然电荷感应技术的矿山粉尘检测技术已经在逐步推广和应用，但是其在金属粉尘浓度的收稿日期：20170422；责任编辑：赵瑞DOI：1013199jcnkicst201712027基金项目：国家重点研发计划资助项目(2016YFF0102801，2016YFC0801703)作者简介：赵政(1983一)，男，四川苍溪人，硕士。Tel：13983453651，E-mail：zhaozheng一724163com引用格式：赵政基于电荷感应法的金属粉尘浓度检测技术J煤炭科学技术，2017，45(12)：155159ZHAO ZhengD
9、etection technology of metal dust concentration based on electric charge induction methodJCoal Science and Technology2017，45(12)：155159155万方数据2017年第12期 煤炭科学技术 第45卷检测上国内仍是空白，其采用的检测手段仍主要依靠最陈旧、最可靠、最原始的称重法。该方法检测精度高，适用于实验室检测、安监部门和环保部门的抽样检测。但是限于不能实时在线连续检测，就不能对粉尘爆炸进行预警，不能更好地保护作业场所的工作人员4。另外，矿山粉尘的种类较单一，其静电带电
10、量规律简单，而金属粉尘的种类繁多，不同种类的金属粉尘静电带电量也不一致，造成其金属粉尘的带电量规律和模型较复杂，因此，不能将矿山的电荷感应粉尘检测技术直接引用到金属粉尘检测。基于此，笔者采用新设计的电荷检测机构和弱信号提取电路等，开展对作业场所的金属粉尘浓度的检测。1 电荷感应法基本原理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，通过电荷感应原理在金属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；随着金属颗粒远离金属电极，金属电极表面感应的电荷减少，原理如图1所示o 7-13。亍亍却-i L。lf、V|勺会幅fb傲安
11、装(b)金属粉尘颗粒在电极产#的交变IU流倍!191 Uharge sensing pnnciple diagram从图l可见，金属粉尘颗粒在电极表面产生一个交变电流信号，因此，对交变信号的波动性与金属粉尘颗粒浓度的关系进行分析。金属粉尘颗粒浓度越大，则金属颗粒的带电量总和越大；金属粉尘颗粒的带电量越大，则产生的信号的波动性越大，所以金属粉尘颗粒浓度与交变信号波动性呈正相关关系，通过检测感应作用产生交变信号的波动性，反映金属粉尘浓度的大小，并且其波动信号是由动态的金属粉尘颗粒产生的，而非沉积粉尘颗粒。2检测机构与方式由于电荷感应法分为直流耦合感应和交流耦合感应，其适用范围与检测浓度和机构相关。
12、另外，检测浓度和机构决定了检测的精度和信号的处理问题。笔者根据作业场所的实际需求，采用交流感应方法，并采用精巧的电荷感应机构，解决了类似传感器检测1 56机构的污染问题，使得检测精度更高，稳定性更好。21 电荷检测机构一般的粉尘浓度检测技术均采用抽气泵作为采样动力，同时设计了通用的采样气路。但是此类检测技术的气路易受粉尘浓度、湿度等因素影响，长时间会造成检测机构的污染，甚至出现气路堵塞等问题。另外，在电荷感应电极上，很多均采用棒状电极，这样容易造成粉尘粘连在电极上，使得电荷感应能力降低，测试精度下滑，甚至造成不准确的错误性测试。因此，笔者研究设计了一种检测精度高，而且不会被运动的金属粉尘污染的
13、电荷感应检测机构，其机构的核心技术在于电荷感应电极，笔者采用环状感应电极，使得在测试过程中电荷能均匀的分布感应，同时也避免了长时间测量感应机构的污染问题。采用环状电荷感应的检测机构如图2所示。 _、r+hjlo善 州Fig2 Charge detection mechanism diagram如图2所示，含尘的气流通过外接风速或者后端的通风机进入检测机构的管道，通过电荷感应环，感应环将微弱的电荷信号传给静电感应传感器，感应传感器再将电荷信号传给处理电路，即可完成粉尘浓度的检测。22电荷感应方式基于电荷感应法的粉尘浓度检测分为直流耦合和交流耦合2种方式。采用环状电极，感应到的电荷量在物理性能上有
14、直流和交流耦合2种表现形式。14 o。但是由于直流耦合需要较长时间大量电荷的积累，才能得到有用且稳定的电信号，此过程较漫长，同时感应的分辨率也很低。交流耦合的方式，只需要电荷的感应信号具有波动性，就会得到相应的交变信号，随着此信号的波动性的变化就能分辨出被测金属粉尘的浓度大小。”“其交变信号如图3昕示“，)万方数据赵政：基于电荷感应法的金属粉尘浓度检测技术 2017年第12期3检测电路采用交流耦合方式的电荷感应法收集到弱的交变电荷信号后，需将微弱的电荷信号进行放大处理等，从而成为能够应用的模拟信号。最后，根据作业场所的应用需求，设计完成整块功能电路。整个电路设计过程至关重要，尤其是前段微弱电荷
15、感应信号的处理。环状电荷检测机构检测到微弱交变的电荷信号后，其电信号只iii!I达mV级，因此还需要电荷放大和前置放大、滤波，得到V级的电压信号。同时为了配合作业场所的金属粉尘浓度检测和使用，特设计了模拟的频率和数字的RS485输出电路。最后经过高位的AD转换器，将稳定的电压信号转换成数字信号送到MCU中，这样就得到了实时的金属粉尘浓度8叫9I，其微弱电荷信号的提取电路如图4所示。图4 信号提取电路框图Fig4 Block diagram of signal extraction circuit如图4所示，电极的感应电荷信号手机经过电荷放大电路，将电极信号放大后再经过二级放大电路再次放大。同时
16、由于不同种类的金属粉尘感应电荷量的不同，因此需要采取自动实时调整二级放大倍数的方法控制二级放大的结果，因此此时采用单【U撇信0口Ul留?R7 v罕g卜j0 R6斛片机实时控制，保证二级放大的结果良好，能够被后端AD准确识别，AD转换前需将干扰信号进行滤波，最后将得到的信号采集到单片机中处理，即可得到实时检测的金属粉尘浓度，其弱信号提取的电路如图5所示。厂匹厂 rcl蚓蚓l l口Cs。#忙刚刚。_U【l c。“c，。I j：d1 7刚8图5 弱信号提取电路Fig5 Circuit of weak signal extraction在得到核心感应电荷的稳定电信号后，需要根据作业场所现状和工作人员职
17、业健康等因素，设计完成整机的功能电路，其功能包括实时浓度值显示、现场超限声光报警、远程数据中心监控、个人智能终端监控等，不仅能够让现场的工作人员掌握金属粉尘浓度的情况，同I,lil够让远程的数据中心和个人智能终端得到现场的测试结果20。4金属粉尘浓度检测试验基于电荷感应法设计完成了一种静电感应的技术粉尘浓度传感器，样机的下方是金属粉尘颗粒的电荷感应环状电极，上方是其他的处理电路和结构。使用该传感器样机搭建的试验系统如图6所示。金属粉尘定量发尘器将金属粉尘(此次检测试验采用抛光打磨车间产生的镁铝合金粉末)吹入风硐，并将风硐的风速设定为5 ms，在风硐的排风口安装了金属粉尘回收除尘器。最后，通过风
18、硐上端的开口进行金属粉尘的采样，并使用百万分之一的天平称重采样器滤膜的增重，来计算实时的粉尘浓度。1 57万方数据2017年第12期 煤炭科学技术 第45卷图6传感器样机的金属粉尘试验系统原理Fig6 Experimental system principle of metal dust forsensor prototype在5 ms风速下，镁铝合金粉尘颗粒通过发尘器，均匀分布在风硐中。采样器抽气采样，称重得到金属粉尘浓度实时值。同时基于电荷感应法的金属粉尘浓度传感器的测试数值通过数据交换接口，传到监控主机，最后通过采样器称重粉尘浓度和现场粉尘浓度传感器的测试值进行对比试验，经过3个月的试验
19、，得到其误差均小于10，截取部分试验数据，见表1。表1传感器与采样器测定粉尘浓度试验数据对比Table 1 Test data comparison of dust concentrationmeasured by sensors and samplers注：”为对每个测试点进行了15次测试的结果。5结 论基于电荷感应法，通过原理剖析、电荷感应检测机构与感应耦合方式研究、电路设计、试验对比等，完成了电荷式的金属粉尘浓度检测技术的研究，解158决了如下的问题：1)基于电荷感应法的研究，填补了国内对于金属粉尘浓度实时连续检测技术的空白，提出了适用于作业场所的一种实时在线连续的金属粉尘浓度检测技术。
20、2)特有金属粉尘浓度电荷检测机构设计和耦合方式的研究，解决了通用检测机构的污染和气路堵塞等问题，提高了检测速度和分辨率。3)通过试验验证了该种金属粉尘浓度检测技术能够很好地适用于作业现场，其误差均小于10。参考文献(References)23456789孙金华，卢平，刘 义空气中悬浮金属微粒子的燃烧特性J南京理工大学学报：自然科学版，2005(5)：8285SUN Jinhua，LU Ping，LIU YiCombustion characteristics of suspended metal micmparticles in airJJournal of Nanjing Universit
21、y of Science Technology：Natural Science Edition，2005(5)：82-85王晓源2014年8月昆山中荣公司车间粉尘爆炸事故重要原因分析J金属加工：热加工，2014，12(20)：2729WANG XiaoyuanAnalysis of the important causes of dust explosionaccidents in the workshop of Kunshan Zhongrong Company in August 2014JMetalworking：Hot Working，201412(20)：2729付羽，CHEN Ba
22、ozhi，李刚镁粉爆炸机理及其防护技术研究J工业安全与环保，2008，34(8)：卜3FU Yu，CHEN Banzhi，LI GangStudy on explosion mechanism andprotection technology of magnesium PowderJIndustrial Safetyand Environmental Protection，2008，34(8)：13田贻丽，谢利利，徐如瑜粉尘浓度测量的研究J重庆大学学报，2003，26(6)：3031TIAN Yili，XIE Lili，XU RuyuStudy on dust concentration me
23、asurementJJournal of Chongqing University，2003，26(6)：3031HUANG Cheng Hsiung，TSAI Chuen JinnInfluence of impactionplate diameter and particle density，on the collection efficiency ofroundnuzzle inertial impactorsJAerosol Science and TechnologY，2002，36：714720Azmani M，Reboul S，Choquel J B，et a1A recursi
24、ve change pointestimate of the wind speed and directioncIEEE 7th International Conference on Computational CyberneticsSpain：Palma deMallorca，2009MA JYAN YDesign and evaluation of electrostatic、sensors for themeasurement of velocity of pneumatically conveyed solidsJFlowMeasurement and Instrumentation
25、，2000，1 1(3)：195204陈建阁交流耦合式电荷感应法粉尘浓度检测技术研究D北京：煤炭科学研究总院，2014王丽君粉尘静电在线监控系统设计D北京：北京化工大学，2007万方数据赵政：基于电荷感应法的金属粉尘浓度检测技术 2017年第12期许传龙气固两相流颗粒荷电及流动参数检测方法研究D南京：东南大学，2006亢菲菲，曲银风，程学珍基于LMS算法的粉尘静电信号处理J电子测量技术，2017，40(3)：138142KANG Feifei，Qu Yinfeng，CHENG XuezhenPolice electrostaticsignal processing based on LMS a
26、lgorithmJElectronic Meas-urement Technology，2017，40(3)：138142陈建阁，吴付祥，王杰电荷感应法粉尘浓度检测技术J煤炭学报，2015，40(3)：713-718CHEN JiangeWU FuXiang，WANG JiePreparation detection ofdust concentration by charge sensing methodJJournal of ChinaCoal Society，2015，40(3)：713718戚淑芬，王国栋基于电荷感应原理的粉尘含量在线检测仪设计J青岛科技大学学报：自然科学版，2011，
27、32(5)：526530QI Shufen，WANG GuodongDesign of dust content online detector based on charge sensing principleJJournal of QingdaoUniversity of Science and Technology：Natural Science Edition，2011，32(5)：526-530李东晓煤矿粉尘监测技术探讨J工矿自动化，2011(4)：54-55LI DongxiaoDiscussion on dust monitoring technology in coalmine
28、JIndustry and Mine Automation，2011(4)：54-55(上接第126页)17 中国石化集团上海工程有限公司化工工艺设计手册M4版北京：化学工业出版社，2009：1233-123518 李奇，高树生，刘华勋，等岩心渗透率的计算方法与适用范围J天然气工业，2015，35(3)：68-73LI Qi，GAO Shusheng，LIU Huaxun，et a1Core permeability calculation methods and application scopesJNatural Gas Industry，2015，35(3)：687319谭云亮，尹延春，
29、滕桂荣，等基于Lattice Boltzmann方法的瓦斯渗流模拟研究J煤炭学报，2014，39(8)：14461454TAN Yunliang，YIN Yanchun，TENG Guirnng，et a1Simulationresearch of gas seepage based on Lattice Bohzmann methodJJournal of China Coal Society，2014，39(8)：1446145420 SYT 5336-2006中华人民共和国石油天然气行业标准岩心分析方法s151617181920LAYTON P B C EDifierences in m
30、etal concentration by particlesize in house dust and soilJJournal of Environmental Monitoring，2012(14)：839844张朴基于激励荷电的气固两相流参数测量研究D武汉：华中科技大学，2002赵恩彪，李德文，王自亮，等电荷法测量粉尘密度的试验研究J采矿与安全工程学报，2010，27(2)：269272ZHAO Enbiao，LI Dewen，WANG Ziliang，et a1Experimentalstudy on dust density measured by charge methodJJo
31、urnal ofMining and Safety Engineering，2010，27(2)：269272夏章抓，魏振钢基于电荷感应原理的粉尘检测器的设计J工业控制计算机，2016，29(8)：4344，47XIA Zhangzhua，WEI ZhengangDust detector design is based onthe principle of charge inductionJIndustrial Control Computer，2016，29(8)：43-44，47朱欣华，姚天忠，邹丽新智能仪器原理与设计M北京：中国计量出版社，2002张建平PID控制原理及其在监控系统中的
32、应用J四川水力发电，2010，29(2)：107-109ZHANG JianpingPID contorl principle and its application in monitoring systemJJournal of Sichuan Hydroelectric Power，2010，29(2)：107-10921杨延辉，陈彦君，郭希波。等沁水盆地南部高煤阶煤岩渗透率压敏效应分析J煤炭科学技术，2015，43(12)：152156YANG Yanhui，CHEN Yanjun，GUO Xibo，et a1Analasis oneffect of stress sensitivity
33、 on permeability of highrank coal insouthem Qinshui BasinJCoal Science and Technology，2015，43(12)：152-15622TANG Xu，LI Zhiqiang，Ripepi Nino，et a1Temperature dependent diffusion process of methane through dry crushed coalJJournal of Natural Gas Science and Engineering，2015，22：60961723 MOORE T ACoalbed methane：a reviewJInternational Jour-nat of Coal Geology，2012，101(6)：368124 BUSCH A，GENSTERBLUM YCBM and C02一ECBM relatedsorption processes in coal：a reviewJInternational Journal ofCoal Geology，2011，87(2)：4971159叫纠纠卅r【frlrLrl万方数据