CN107607448A - 一种基于电荷感应的低浓度粉尘浓度检测方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于电荷感应的低浓度粉尘浓度检测方法，属于浓度检测技术领域，解决了当粉尘浓度较低时，荷电量小，测量精度低的问题。通过在现有检测直管的基础上，分别在管的前后两端连接喇叭状收缩管和扩散管形成文丘里效应，进一步优化了环形电荷感应组件的感应电荷量计算方法、并建立了对应结构下感应电荷量与粉尘浓度的经验数据库，从而形成可靠性高的经验数据库，用于检测时查表使用，该方法通过改良低浓度粉尘运动形式，并建立数据库的方式形成了可高效测量低浓度粉尘浓度的系统方法。本发明的优点效果：对粉尘浓度尤其是低浓度粉尘，能快速、准确检测浓度，精度高，重复性误差小，所基于的装置结构简单，设计巧妙，广泛适用于各个测量环境。
Description
技术领域
本发明涉及浓度检测技术领域，具体涉及一种基于电荷感应的低浓度粉尘浓度检测方法。
背景技术
粉尘是指悬浮在空气中的固体微粒，对环境、生产安全及人体健康影响巨大，尤其是在人类生活和工作环境中，生产性粉尘一方面是人类健康的天敌，是诱发多种疾病的主要原因，另一方面，粉尘爆炸更是威胁安全生产和人们生命安全，准确检测粉尘浓度，是关系到人们的身体健康和工作顺利进行的关键性工作。粉尘爆炸主要是由放电而引起的，由于粉尘与粉尘、粉尘与空气、粉尘与机器壁之间的摩擦，都会产生静电，静电积聚到一定的程度，就会导致火花放电，引起粉尘爆炸，准确地测量空间粉尘的荷电，是防止静电危害的首要性工作。
目前测量粉尘粒子浓度有以下几种常规方法。一是压电振动法，它可以测得粉尘颗粒的质量浓度，但是在实际的应用中，需要对吸附带进行定期清理粉尘颗粒，过程比较繁琐。二是利用粉尘粒子对各种光线的作用(阻挡，吸收，漫反射等)，通过测量光线照射前后的变化来获取粉尘浓度信息，但是光学法粉尘浓度检测传感器的光电倍增管易污染、抽气管路易阻塞，维护成本高，且在检验环境相对恶劣时，测量误差较大，可信度低。三是称重法，即抽取一定体积的空气通过已恒重的滤膜，粉尘粒子留在滤膜上，由采样前后的重量差可以计算出粒子浓度。当粉尘浓度相对比较低时，滤膜上留存的粒子质量非常轻，对称重装置提出了极高的要求，实际操作中并不实用，另一方面在测定过程中，存在操作繁琐、费时、采样仪器笨重、噪声大、不能在线即时检测的缺点。
电荷感应法是近十多年来在国际上受到重视的一种颗粒质量浓度在线测量的方法，具有适应性强、经久耐用、维护量小等优点，但是，目前的电荷感应粉尘浓度测量装置使用中仍然暴露出一个重要缺陷就是，当粉尘浓度较低时，由于粉尘带电量十分微弱，安装在测试管上的带电颗粒物感应环感应信号也十分微弱，测量准确度降低，不稳定性高，导致对粉尘浓度测量误差大，不能有效预警，对危险浓度漏测率较高，因此，研究开发及时性高、精确性高的粉尘浓度测量装置和方法对粉尘爆炸的预测、生产安全及人类生命财产安全具有重要意义。
发明内容
本发明为解决装置及方法对低浓度粉尘的浓度检测存在准确性差、精确度低、误差大、可靠度低的技术问题，提供一种基于电荷感应的低浓度粉尘浓度检测方法，通过在现有检测直管的基础上，分别在管的前后两端连接喇叭状收缩管和扩散管形成文丘里效应，进一步优化了环形电荷感应组件的感应电荷量计算方法、并建立了对应结构下感应电荷量与粉尘浓度的经验数据库，从而形成可靠性高的经验数据，用于检测时查表使用，该方法通过改良低浓度粉尘运动形式，并建立数据库的方式形成了可高效测量低浓度粉尘浓度的系统方法，准确度和精确度高，测量效率高。
为达到上述目的，本发明是通过下述技术方案实现的：
一种基于电荷感应的低浓度粉尘浓度检测方法，基于粉尘浓度检测装置，粉尘浓度检测装置结构中包括测试通道、设置在测试通道一端或两端的气流驱动装置、伸入至测试通道内的环状电荷感应组件及配套的控制处理器，关键在于，所述测试通道的前端连接喇叭状进气管、后端连接喇叭状扩散管形成文丘里效应测试系统；所述控制处理器中包括主控制器、存储有标准数据的经验数据模块、操控面板及配套的电路，所述经验数据模块中存储有对应U、v的Q-C值表或Q-C曲线，其中U为测试通道直径d与进气管大口径端直径d’的比值，v为测试通道内的粉尘气流速度，C为标准粉尘浓度，Q为标准粉尘浓度以v经过测试通道时的感应电荷量，感应电荷量计算分析式为：
F(x,θ)＝[(0.5D)2+x2-Dxcosθ]1/2 (2)
上述公式中，z为颗粒速度v与时间的乘积，w为环状电荷感应组件宽度，q为点电荷，D为环状电荷感应组件的直径，x为感应电荷与环状电荷感应组件中轴线的距离，θ图一中已标注。
进一步的，所述经验数据模块中存储的对应U、v的Q-C值表或Q-C曲线，为以Fluent仿真建立不同管径比的结构模型，并在该结构模型下采用欧拉模型对粉尘气流运动模拟。
进一步的，设定所述进气管喇叭状渐变区的轴向长度为L1，测试通道轴向长度为L2，长度比l＝L2/L1，粉尘气流在气流驱动装置下进入进气管的初始速度为v0，进一步建立特定L1、L2、l及v0参数下，对应U、v的Q-C值表或Q-C曲线，形成经验数据库，并记录于经验数据模块。
优选的，所述进气管和/或扩散管大口径端直径与测试通道直径的比值为1:0.6-0.8。
优选的，所述进气管和/或扩散管小口径端直径：大口径端直径：轴向长度为11:15-18:18-25。
优选的，所述进气管和/或扩散管轴向长度与测试通道长度的比1:1.3-1.7。
优选的，所述装置中还包括借助夹持组件定位在测试通道出口端的滤纸。
优选的，所述环状电荷感应组件设置在测试通道轴向长度的35-65％处。
上述技术方案中，提供一种基于电荷感应的低浓度粉尘浓度检测方法，该方法是基于粉尘浓度检测装置，粉尘浓度检测装置的结构中包括测试通道、气流驱动装置、环状电荷感应组件及配套的控制处理器，气流驱动装置设置在测试通道一端或两端，用于使待检粉尘形成气流通过测试通道。环状电荷感应组件伸入至测试通道内，用于感应粉尘通过时产生的感应静电荷，环状电荷感应组件常选用环状极板。控制处理器用于对装置的综合控制及检测数据的处理，本方法的关键是，在所述测试通道的前端连接进气管、后端连接扩散管，进气管和扩散管均为喇叭状，从而粉尘气流由进气管进入、经测试通道、扩散管形成文丘里效应；所述控制处理器中包括主控制器、存储有标准数据的经验数据模块、操控面板及配套的电路，所述经验数据模块中存储有对应U、v的Q-C值表或Q-C曲线，其中U为测试通道直径d与进气管大口径端直径d’的比值，v为测试通道内的粉尘气流速度，C为标准粉尘浓度，Q为标准粉尘浓度以v经过测试通道时的感应电荷量，感应电荷量计算分析式为：
F(x,θ)＝[(0.5D)2+x2-Dxcosθ]1/2 (2)
公式中，z为颗粒速度v与时间的乘积，w为环状电荷感应组件宽度，q为点电荷，D为环状电荷感应组件的直径，x为感应电荷与环状电荷感应组件中轴线的距离，θ图一中已标注。
标准数据即在特定的U下，浓度为C的粉尘气流以速度v经过测试通道时，环状电荷感应组件的感应电荷量为Q，其中U由装置中进气管、测试通道及扩散管结构可得，速度v可通过调整气流驱动装置，仿真模拟已知浓度为C的粉尘经过测试通道，环状电荷感应组件上感应电荷的感应电荷，以点电荷为基础，环状电荷感应组件上形成的静电场分布为无限空间的自由静电场，优化后的感应电荷量计算分析式如下(1)(2)。
F(x,θ)＝|QN|＝[(0.5D)2+x2-Dxcosθ]1/2 (2)
其中，z为颗粒速度v与时间的乘积，w为极板宽度，q为以一定速度通过极板的点电荷，D为环形极板的直径，Q为极板上的感应电荷量，x为感应电荷与极板中轴线的距离，θ图5中已标注。
本发明的有益效果：(1)本发明所提供的粉尘浓度检测方法能精确测定粉尘浓度，尤其是对于低浓度粉尘，借助文丘里效应同样实现了快速、准确高效检测，测量结果精度高，重复性误差小；(2)通过优化环状电荷感应组件感应电荷量的计算公式，保证了经验数据模块数据的准确可靠和全面；(3)所基于的装置结构简单，设计巧妙，广泛适用于各个测量环境。
附图说明
图1是粉尘浓度检测装置的结构示意图；
图2是粉尘浓度检测装置的模型图；
图3是粉尘浓度检测装置各部件的几何参数示意图；
图4是粉尘浓度检测装置中粉尘粒子速度分布云图；
图5是环状电荷感应组件上感应电荷的数学模型；
图6是不同管径比下环状电荷感应组件的感应电荷量。
图2中：1、收缩管；2、测试管；3、环状电荷感应组件；4、连接件1；5、夹持圆环；6、扩散管；7、高效滤纸；8、连接件2；9、抽气设备。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的基于电荷感应的低浓度粉尘浓度检测方法加以详细描述。
本实施例提供一种基于电荷感应的低浓度粉尘浓度检测方法，基于粉尘浓度检测装置，装置结构如图1所示，粉尘浓度检测装置配套设置有控制处理器，其结构从前到后依次包括进气管1、测试通道2、扩散管6及气流驱动装置9。测试通道2内套装有环状电荷感应组件3，还设有高效滤纸7，高效滤纸7通过夹持圆环5固定，可防止高效滤纸7在气流通过时移动或脱落，同时更换高效滤纸7也比较方便；测试通道2的前端口通过连接件8与进气管1连接，后端口通过连接件4与扩散管6连接，进气管1和扩散管6均为喇叭状，从而粉尘气流由进气管1进入、经测试通道2、扩散管6形成文丘里效应，在中间很窄的测试通道2内通过与进气管1同样流量的流束，粉尘气流速度急剧增大，环状电荷感应组件3上的感应电荷随之变大，感应电荷的变化会在回路中产生感应电流，当感应的电流通过阻抗时，会在阻抗的两端产生电压信号，从而实现了电压信号的增强，环状电荷感应组件3测得电压信号的大小，经放大运算后，输出4-20mA的标准直流电流信号，并传送到用户设施，控制处理器直接显示粉尘浓度值。
控制处理器中包括主控制器、存储有标准数据的经验数据模块、操控面板及配套的电路，其中经验数据模块中标准数据的建立方法如下：
①改进测试系统：在所述测试通道2的前端连接喇叭状进气管1，后端连接喇叭状扩散管6，结构参见图1所示，各部件的几何参数示意图参见图3所示，借助气流驱动装置使所述气流经进气管1、测试通道2和扩散管6；
②借助软件依据步骤①中的改进测试系统建立管道模型并进行网格划分，参见图2，仿真模拟建立经验数据库：进气管1和扩散管6大口径端直径d’设为16cm，测试通道2直径d设为10cm，设置Elements为Hex，设置Type为Cooper，在Spacing文本框中输入1，即网格步长为1，其它参数保持默认。网格划分后设定边界条件，左侧均设为入口，设置Type为VELOCITY_INLET，右侧均设为出口，设置Type为OUT_FLOW，未设置边的Type默认为WALL。
进一步采用欧拉模型对管道内粉尘颗粒的运动进行模拟，管道模型内部粉尘颗粒速度分布云图参见图4所示，假定此管中的流动形态为湍流，采用K-epsilon模型计算相关数值。粉尘颗粒直径设为10μm，导热系数设为0.3，密度设为2600，粘度设为1.8e-05，比热容设为1200，单位均为默认。颗粒体积分数为0.012，空气的入口速度设为4m/s，粉尘颗粒受到曳力作用，其初始速度v0设为3m/s。使用默认的亚松弛因子，基于压力求解器，所有方程中的对流项均用一阶精度格式进行离散。在迭代计算时动态显示计算残差，对应的精度均为0.001。
粉尘颗粒在运动中将会受到气体惯性力、升力、曳力的作用，相关作用力的方程如下：
ρ为气体密度，kg/m3；up为颗粒速度，m/s；gi为流体微元上i方向的体力,N；FD(u-up)为颗粒的单位质量曳力,N；ρp为颗粒堆积密度，kg/m3；FS为相间作用力,N；u为气流速度，m/s；。
颗粒变化的动量方程如下：(2)
式中：μ为气体动力粘度，Pa.s；Δt为时间步长，s；mp为颗粒质量流率，kg/s；dp颗粒直径，m；F为除曳力之外的其他相间作用力,N。
为进一步优化改进管道，保持d’为16cm不变，以0.5cm为间隔依次减小d，并分别建立相应模型，进行仿真实验，参数设置同上，检测在不同管径比U＝d/d’下，测试通道2内的速度值v。结果见下表1，
表1不同管径比下仿真速度值v
| d/cm | U | L1/cm | L2/cm | v/(m/s) |
| 14.0 | 0.88 | 20 | 30 | 5.3 |
| 13.5 | 0.84 | 20 | 30 | 6.0 |
| 13.0 | 0.81 | 20 | 30 | 6.7 |
| 12.5 | 0.78 | 20 | 30 | 6.9 |
| 12.0 | 0.75 | 20 | 30 | 7.3 |
| 11.5 | 0.72 | 20 | 30 | 8.1 |
| 11.0 | 0.69 | 20 | 30 | 8.5 |
| 10.5 | 0.66 | 20 | 30 | 9.2 |
| 10.0 | 0.63 | 20 | 30 | 10.4 |
| 9.5 | 0.59 | 20 | 30 | 11.3 |
| 9.0 | 0.56 | 20 | 30 | 12.1 |
| 8.5 | 0.53 | 20 | 30 | 13.8 |
| 8.0 | 0.50 | 20 | 30 | 16.0 |
进一步以点电荷为基础，环状电荷感应组件3上形成静电场分布为无限空间的自由静电场，建立环状电荷感应组件3上感应电荷的数学模型，参见图5所示，环状电荷感应组件3上感应电荷量可根据下述公式(1)(2)及表1中速度值v计算电荷感应组件感应电荷量Q：
F(x,θ)＝[(0.5D)2+x2-Dxcosθ]1/2 (2)。
式中，z为颗粒速度v与时间的乘积，w为环状电荷感应组件宽度，q为点电荷，D为环状电荷感应组件3的直径，x为感应电荷与环状电荷感应组件中轴线的距离，θ见图5中标注。
对上述计算结果进行归一化处理，如图6所示，当测试通道2管径为11cm时，即管径比U为0.69时，环状电荷感应组件3上的感应电荷量最大。
建立特定L1、L2、l及v0参数下，对应U、v的Q、C值表，形成经验数据库，进一步可对应每个U、v，依次连接各数据点形成纵坐标Q-横坐标C的二维连续曲线。
待测气流检测时，只需开启抽气泵，设置其初始速度v0，则可根据装置参数查表获得v、q下对应的C值，检测方法准确可靠，精确度高。
Claims (8)
1.一种基于电荷感应的低浓度粉尘浓度检测方法，基于粉尘浓度检测装置，粉尘浓度检测装置结构中包括测试通道(2)、设置在测试通道(2)一端或两端的气流驱动装置(9)、伸入至测试通道(2)内的环状电荷感应组件(3)及配套的控制处理器，其特征在于，所述测试通道(2)的前端连接喇叭状进气管(1)、后端连接喇叭状扩散管(6)形成文丘里效应测试系统；所述控制处理器中包括主控制器、存储有标准数据的经验数据模块、操控面板及配套的电路，所述经验数据模块中存储有对应U、v的Q-C值表或Q-C曲线，其中U为测试通道(2)直径d与进气管(1)大口径端直径d’的比值，v为测试通道(2)内的粉尘气流速度，C为标准粉尘浓度，Q为标准粉尘浓度以v经过测试通道(2)时的感应电荷量，感应电荷量计算分析式为：
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F(x,θ)＝[(0.5D)2+x2-Dxcosθ]1/2 (2)
上述公式中，z为颗粒速度v与时间的乘积，w为环状电荷感应组件宽度，q为点电荷，D为环状电荷感应组件的直径，x为感应电荷与环状电荷感应组件中轴线的距离，θ图一中已标注。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述经验数据模块中存储的对应U、v的Q-C值表或Q-C曲线，为以Fluent仿真建立不同管径比的结构模型，并在该结构模型下采用欧拉模型对粉尘气流运动模拟。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，设定所述进气管(1)喇叭状渐变区的轴向长度为L1，测试通道(2)轴向长度为L2，长度比l＝L2/L1，粉尘气流在气流驱动装置下进入进气管(1)的初始速度为v0，进一步建立特定L1、L2、l及v0参数下，对应U、v的Q-C值表或Q-C曲线，形成经验数据库，并记录于经验数据模块。
4.根据权利要求1-3任一所述的方法，其特征在于，所述进气管(1)和/或扩散管(6)大口径端直径与测试通道(2)直径的比值为1:0.6-0.8。
5.根据权利要求1-3任一所述的方法，其特征在于，所述进气管(1)和/或扩散管(6)小口径端直径：大口径端直径：轴向长度为11:15-18:18-25。
6.根据权利要求1-3任一所述的方法，其特征在于，所述进气管(1)和/或扩散管(6)轴向长度与测试通道(2)长度的比1:1.3-1.7。
7.根据权利要求1-3任一所述的方法，其特征在于，所述装置中还包括借助夹持组件(5)定位在测试通道(2)出口端的滤纸(7)。
8.根据权利要求1-3任一所述的方法，其特征在于，所述环状电荷感应组件(3)设置在测试通道(2)轴向长度的35-65％处。
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