CN109883909A - 一种粉尘浓度测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明主要提出一种粉尘浓度测量装置，包括：具有进气口和出气口的检测腔室；带动含粉尘的待测空气在检测腔室内高速运动的风机；检测腔室内与高速运动的含粉尘的待测空气摩擦起电的摩擦体；还包括：还包括获取与所述的摩擦体摩擦起电的带电粒子的电荷量的检测装置。本发明利用检测装置直接检测获取与所述的摩擦体摩擦起电的带电粒子的电荷量，直接面对带电粒子，精度高，误差小，不易受环境干扰。

Description

一种粉尘浓度测量装置

技术领域

本发明涉及对粉尘浓度检测领域，特别涉及一种粉尘浓度测量装置。

背景技术

近几年环境问题日益突出，而粉尘作为污染源之一，不仅仅威胁人们的身心健康，更是在一定的程度发生爆炸，造成无法估量的经济损失和人员伤亡。因此，对于粉尘浓度的检测是极为重要的。目前，粉尘测量方法分为取样法和非取样法，在取样法中滤膜称重法和振荡天平法较为准确，而且也是各种方法的校准比较，但这些方法受环境因素影响严重，并且无法实时的获取浓度值。在非取样法中，消光法是根据光强度的衰减程度来测量空气中粉尘的浓度，该装置仅限于浓度比较高粉尘浓度测量；光散射法是利用光的散射现象，基于Mie散射理论，通过放大电路进行放大再用来计算测量，能间接的反映出粉尘浓度的大小；预测流速法在测量时需要考虑待测粉尘颗粒物截面分布是否处于均匀，同时对含尘气体的流速稳定性也要求很高。

另外，就是在静电感应效应下，检测粉尘带电量，统计出粉尘浓度。目前，由于采用静电感应检测粉尘浓度的设备，设备制造成本低，也能长时间持续进行检测，因此，被广泛地采用。

中国专利文献号CN 108693092 A就公开了一种粉尘浓度检测装置，该装置设置有检测管，在检测管的进气口和出气口之间设置有风机，检测管的内壁上设置有N个摩擦发电单元，摩擦发电单元的 出端连接控制器的电压采集端组，N为正整数。风机的扇叶上设置有摩擦发电板和发光二极管，摩擦发电板向发光二极管供 ，所述检测管中还设置有光照度传感器，该光照度传感器正对所述发光二极管的旋转轨，该光照度传感器的输出端连接所述控制器的光电感应端。采用这样的结构，当含有粉尘颗粒的空气进入检测管内后，粉尘颗粒会与摩擦发电单元发生摩擦，从而使摩擦发电单元带电。而摩擦发电单元的电压较高，控制器可以通过测量电路得到摩擦发电单元的电压信息。因为摩擦发电单元和摩擦发电板的电压与粉尘浓度具有对应关系，所以控制器能通过电压信息就可推导出粉尘的浓度数据。

但是，该粉尘浓度检测装置装置采用的是环绕检测管的内壁上设置有N个摩擦发电单元，N个摩擦发电单元4围绕所述检测管1的中轴线呈圆周分布。通过检测发电单元由于粉尘颗粒摩擦发电的电压，不能直接地反映粉尘颗粒的数量，测量误差大。且方形的摩擦发电单元4也不利于与粉尘颗粒摩擦起电。

发明内容

本发明针对目前粉尘浓度测量方法对环境要求过高，同时操作较为复杂的不足。提供一个高精度，小误差，不易受环境干扰，操作较为简单的粉尘浓度测量装置，该装置是一种低浓度小粒径的粉尘测量装置，具有重大意义和应用价值。

本发明为实现其技术目的所采用的技术方案是：一种粉尘浓度测量装置，包括：具有进气口和出气口的检测腔室；带动含粉尘的待测空气在检测腔室内高速运动的风机；检测腔室内与高速运动的含粉尘的待测空气摩擦起电的摩擦体；还包括：还包括获取与所述的摩擦体摩擦起电的带电粒子的电荷量的检测装置。

本发明利用检测装置直接检测获取与所述的摩擦体摩擦起电的带电粒子的电荷量，直接面对带电粒子，精度高，误差小，不易受环境干扰。

进一步的，上述的粉尘浓度测量装置中：所述的检测装置为一环形静电传感器，嵌套在粉尘粒子通道中间区域，包括设置在检测腔室内紧贴检测腔室内壁的环形电极，所述的环形电极所在平面与粉尘粒子通道垂直。

进一步的，上述的粉尘浓度测量装置中：所述的检测装置中，在环形电极外还依次设置绝缘层和隔绝外部的电磁干扰的屏蔽层，所述的绝缘层与检测腔室内壁平齐；还包括与环形电极电连接的TNC接头，所述的TNC接头伸出所述的检测腔室外。

进一步的，上述的粉尘浓度测量装置中：所述的摩擦体为一勺形体，所述的环形电极套在勺形体中膨大部分外。

进一步的，上述的粉尘浓度测量装置中：所述的勺形体包括设置在检测腔室中段区域的前端和延伸到检测腔室尾段区域的末端；所述的前端为具有弧度的圆弧体，其形态参数为0.7，包含尖端、扩展部和收缩部，收缩部尾部与末端相连，末端为截面与收缩部尾部相一致的柱体。

进一步的，上述的粉尘浓度测量装置中：所述的检测腔室为一圆柱形腔室，所述的勺形体的中轴与检测腔室的中轴重合，尖端与检测腔室的进气口距离和末端的长度与圆柱形腔室的直径相当，前端的长度稍长于末端，前端中扩展部和收缩部结合处的直径稍小于检测腔室的半径。

进一步的，上述的粉尘浓度测量装置中：所述的带动含粉尘的待测空气在检测腔室内高速运动的风机为安装在检测腔室出气口的抽气风扇。

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的说明。

附图说明

附图1为本发明实施例1粉尘浓度测量装置结构图。

附图2为本发明实施例1粉尘浓度测量装置中摩擦体的形状。

附图3为本发明实施例1粉尘浓度测量装置中摩擦体的尺寸图。

附图4为本发明实施例1粉尘浓度测量装置中检测装置结构图。

具体实施方式

实施例1， 本实施例是一种粉尘浓度测量装置，如图1所示，是一种基于静电感应的低浓度粉尘检测装置，包括：具有进气口1和出气口6的检测腔室2；检测腔室2可以有很多的形状如长方体形状或者矩形等，本实施例中，检测腔室2是一段圆柱形的管道，为了使其中流过的待测空气，也就是混杂有粉尘颗粒的空气中，粉尘颗粒与其它物质摩擦产生的电荷易于检测，因此，在出气口6设置一个带动含粉尘的待测空气在检测腔室内高速运动的风机，由于粉尘粒子在检测腔室内快速通过，以下也将检测腔室称为粉尘粒子通道，其实这时说的粉尘粒子通道指的是检测腔室4内的空间，其壁可以认为就是检测腔室4的内壁，风机为安装在检测腔室2出气口6的抽气风扇5。其实也可以在进气口1设置一个功率强大的向检测腔室2内鼓吹的风扇。另外，在检测腔室2内与高速运动的含粉尘的待测空气摩擦起电的摩擦体；这些高速运动的颗粒与摩擦体摩擦将产生电荷，全同极性的电荷分别聚焦在颗粒上或者摩擦体上，采用一个检测装置4获取与摩擦体摩擦起电的带电粒子的电荷量。如图4所示，检测装置4为一个环形静电传感器，嵌套在粉尘粒子通道中间区域，用来检测粉尘粒子所带的电荷量。

用于检测装置4的环形静电传感器，其最外层到内层分别为屏蔽层15、绝缘层14、环形电极13，嵌套在粉尘粒子通道(检测腔室4内)中间区域，要使环形静电传感器的绝缘层14与粉尘粒子通道外壁平齐，环形电极13紧贴粉尘通道内壁(检测腔室4内壁)，屏蔽层15在绝缘层14外侧，隔绝外部的电磁干减小探头壁面机械振动带来的测量误差以及防止温度、湿度对测量电路、传感器探头、颗粒静电特性带来的影响。

检测装置4包括设置在检测腔室2内的环形电极13，环形电极13所在平面与待测空气的运动方向垂直。在环形电极13外还依次设置绝缘层14和屏蔽层15，还包括与环形电极13电连接的TNC接头12， TNC接头12伸出所述的检测腔室4外。测量设备通过检测TNC接头12上的电荷得到有关粉尘浓度的数据。

本实施例中摩擦体如图3和图2所示，为一中间部分较大的勺形体3，环形电极13套在勺形体3中膨大部分外。勺形体3包括设置在检测腔室2 中段区域的前端7和延伸到检测腔室2尾段区域的末端8；前端7为具有弧度的圆弧体，其形态参数为0.7，包含尖端9、扩展部10和收缩部11，收缩部11尾部与末端8相连，末端8为截面与收缩部11尾部相一致的柱体。检测腔室2为一圆柱形腔室，勺形体3的中轴与检测腔室2的中轴重合，尖端9与检测腔室2的进气口1距离和末端8的长度与圆柱形腔室的直径相当，前端7的长度稍长于末端9，前端中扩展部10和收缩部11结合处的直径稍小于检测腔室2的半径。本实施例中，检测腔室2为一长度为20cm、直径是6cm一段圆柱形管道，勺形体3中，前端7部分为8cm，后端8部分的长度为6cm，前端7的尖端9部与进气口1之间的距离是6cm。后端8的尾部靠近出气口6的抽气风扇5。

具体的，本实施例中，是一种基于静电感应的低浓度小粒径粉尘检测装置，包括进气口1、检测腔室2、测量装置4、摩擦体的勺形体3、出气口6和抽气风扇5。抽气风扇5将粉尘颗粒由进气口1抽入，在管道内的气力输送过程中，粉尘颗粒处于快速流动或振动等运动状态，并且与空气和管道壁的摩擦、碰撞，使粒子与粒子以及与管壁在通道内发生碰撞挤压，在增长的管道内可充分的运动，增大相互摩擦的机会，当颗粒物经过勺形体3时速度方向随着管壁运动，粒子就会离开本来的流动方向，改为随着凸出的勺形体3流动的倾向，于是形成了康达效应，加大了检测腔室2内的压力差，加大了颗粒物的相互碰撞，增加了颗粒物的运动速度，同时检测腔室2长度的增加，使颗粒运动更为充分，加之勺形体3的作用，使粒子趋于管壁，避免中间区域的难以检测，使颗粒的电荷量增加，由于静电感应，电极上产生了交变信号。通过采集这种流动的随机电荷信号，对其进行处理分析后，得到粉尘粒子的输送速度和粉尘的浓度。

本实施例中，空气中粉尘颗粒在管内运动过程中，影响颗粒电荷量大小的主要因素有材质、速度、粒径和长度。不同材质才能产生静电荷；速度越快颗粒所受的碰撞摩擦越大，进而产生的电荷量就越大；在同等状况下，颗粒的粒径越小，所带电荷越明显；测量管道长一点有利于颗粒相互摩擦撞击，增加电荷量。该装置在现有的基础上增加了管道的长度，在管道内部加入勺形体3，避免了中心区域检测不准确，使粒子趋于检测腔室2壁处的检测设备，在出气口处设有抽气设备避免粒子在检测腔室2内的的堆积，本实施例的装置对于低浓度测量较为准确，并且该结构较为简单，便于后续的清洗与维护，同时对环境的约束要求较低，可以适应更为复杂的环境。测量低浓度小粒径的精度对于现有装置而言更为准确。

本实施例的粉尘浓度检测装置使用过程如下：

首先将装置放置在测量区域，由抽气风扇5将粉尘颗粒从进气口1抽入，粒子在检测腔室2内的气力输送过程中，粉尘颗粒处于快速流动或振动等运动状态，并且与空气和管道壁的摩擦、碰撞，使粒子与粒子以及与管壁在通道内发生碰撞挤压，在增长的管道内可充分的运动，增大相互摩擦的机会，当颗粒物经过勺形体3时速度方向随着管壁运动，粒子就会离开本来的流动方向，改为随着凸出的勺形管流动的倾向，于是形成了康达效应。康达效应(Coanda Effect)亦称附壁作用或柯恩达效应，因此，由于检测腔室4一般是一段圆柱形的管道，因此，检测腔室4也是一种康达管。 流体(水流或气流)有离开本来的流动方向，改为随着凸出的物体表面流动的倾向。当流体与它流过的物体表面之间存在表面摩擦时(也可以说是流体粘性)，只要曲率不大，流体会顺着物体表面流动。根据牛顿第三定律，物体施与流体一个偏转的力，则流体也必定要施与物体一个反向偏转的力。这种力在轻质物体上体现得非常明显，如汤勺，但对于大型飞机来说，比重并不是很大。这种作用是以罗马尼亚发明家亨利·康达为名。)加大了管内的压力差，加大了颗粒物的相互碰撞，增加了颗粒物的运动速度，同时管道长度的增加，使颗粒运动更为充分，加之勺形管的作用，使粒子趋于管壁，避免中间区域的难以检测，使粒子的电荷量增加。由于静电感应，电极上产生了交变信号，由检测装置.4中的环形电极13获取粒子所带的电荷量，由TNC接头12通过采集这种流动的随机电荷信号，由于检测设备圆环形静电传感器安装在康达管道外侧的中间位置，因此其速度值将选取通道内的中间段，下式为感应电荷量计算分析式。

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为120⁰。

通过上式对其进行处理分析后，由相应的颗粒物电荷量的对应关系，进而得到粉尘粒子的浓度。

表1为基于Fluent6.3实验仿真的直管与本实施例中的检测腔室在直管中设置一勺形体3形成的康达管不同粒径的实验数据。

Claims (7)

1.一种粉尘浓度测量装置，包括：

具有进气口和出气口的检测腔室；

带动含粉尘的待测空气在检测腔室内高速运动形成粉尘粒子通道的风机；其特征在于：

在检测腔室内设置有与高速运动的含粉尘的待测空气摩擦起电的摩擦体；

还包括获取与所述的摩擦体摩擦起电的带电粒子的电荷量的检测装置(4)。

2.根据权利要求1所述的粉尘浓度测量装置，其特征在于：所述的检测装置(4) 为一环形静电传感器，嵌套在粉尘粒子通道中间区域，包括设置在检测腔室(2)内紧贴检测腔室(2)内壁的环形电极(13)，所述的环形电极(13)所在平面与粉尘粒子通道垂直。

3.根据权利要求2所述的粉尘浓度测量装置，其特征在于：所述的检测装置中，在环形电极(13)外还依次设置绝缘层(14)和隔绝外部的电磁干扰的屏蔽层(15)，所述的绝缘层(14)与检测腔室(2)外壁平齐，屏蔽层(15)在绝缘层(14)外侧；还包括与环形电极(13)电连接的TNC接头(12)，所述的TNC接头(12)伸出所述的检测腔室(2)外。

4.根据权利要求2所述的粉尘浓度测量装置，其特征在于：所述的摩擦体为一勺形体(3)，所述的环形电极(13)套在勺形体(3)中膨大部分外。

5.根据权利要求4所述的粉尘浓度测量装置，其特征在于：所述的勺形体(3)包括设置在检测腔室(2) 中段区域的前端(7)和延伸到检测腔室(2) 尾段区域的末端(8)；所述的前端(7)为具有弧度的圆弧体，其形态参数为0.7，包含尖端(9)、扩展部(10)和收缩部(11)，收缩部(11)尾部与末端(8)相连，末端(8)为截面与收缩部(11)尾部相一致的柱体。

6.根据权利要求5所述的粉尘浓度测量装置，其特征在于：所述的检测腔室(2)为一圆柱形腔室，所述的勺形体(3)的中轴与检测腔室(2)的中轴重合，尖端(9)与检测腔室(2)的进气口(1)距离和末端(8)的长度与圆柱形腔室的直径相当，前端(7)的长度稍长于末端(9)，前端中扩展部(10)和收缩部(11)结合处的直径稍小于检测腔室(2)的半径。

7.根据权利要求1至6中任一所述的粉尘浓度测量装置，其特征在于：所述的带动含粉尘的待测空气在检测腔室内高速运动的风机为安装在检测腔室(2)出气口(6)的抽气风扇(5)。