CN114544451A - 基于主动荷电的电荷感应粉尘浓度检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于主动荷电的电荷感应粉尘浓度检测方法，属于粉尘浓度检测技术领域。该方法包括：S1：在电荷感应前端对粉尘颗粒进行主动荷电，并构建基于主动荷电的电荷感应粉尘浓度模型；S2：计算不同种类粉尘在不同荷电电压下的粉尘感应信号信噪比，并根据在最低可提取信噪比处的每种粉尘的荷电电压与粉尘浓度之间的关系，找出能够满足信噪比检测要求且不会发生击穿的主动荷电电压值；S3：采用试验对比方法，获取满足信噪比要求的不同种类粉尘检测浓度下限值。本发明减小了粉尘浓度检测的相对误差。
Description
技术领域
本发明属于粉尘浓度检测技术领域，涉及一种基于主动荷电的电荷感应粉尘浓度检测方法。
背景技术
目前检测粉尘浓度主流方法为电荷感应法，具有抗污染性好、维护工作量极少等优点，国内外学者对此进行了相关研究。陈建阁等人通过改良感应电极减小了静电电荷感应检测粉尘浓度的误差；刘丹丹等人基于伯努利效应和卡门涡街效应提出了一种组合型测量管道结构，解决了低粉尘浓度环境下电荷感应粉尘浓度测量精度低的问题；刘若晨等人通过传感器尺寸参数的优化，得到了多个不同静电传感器的三维空间分布规律；Hean Liu等人基于静电感应法和距离算法，实现了粉尘输送管道煤尘浓度的准确检测。
综上，国内外学者均集中在静电电荷感应粉尘浓度检测法的研究，但是该方法存在信号弱且易被干扰的缺陷，对低浓度粉尘测试精度低使得其测试范围受到限制。
因此，亟需一种新的粉尘浓度检测方法来解决上述问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于主动荷电的电荷感应粉尘浓度检测方法，将通过主动荷电的方式，使粉尘颗粒强制荷电，大幅度提高单位质量的粉尘颗粒带电量且使之保持极性一致，从而进一步减小粉尘浓度的检测相对误差。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
方案1：一种基于主动荷电的电荷感应粉尘浓度检测方法，:包括以下步骤：
S1：在电荷感应前端对粉尘颗粒进行主动荷电，使其尽可能荷电，并构建基于主动荷电的电荷感应粉尘浓度模型；
S2：计算不同种类粉尘在不同荷电电压下的粉尘感应信号信噪比，并根据在最低可提取信噪比处的每种粉尘的荷电电压与粉尘浓度之间的关系，找出能够满足信噪比检测要求且不会发生击穿的主动荷电电压值；
S3：采用试验对比方法，获取满足信噪比要求的不同种类粉尘检测浓度下限值。
进一步，步骤S1具体包括：在电荷感应前端安装主动荷电装置，使其带电量均为q；粉尘再飞过金属感应电极时，由于电荷感应作用使电极产生较强的动态感应电荷量为Q；再提取感应电荷产生的交变信号的波动性反演得到被测粉尘的浓度；
主动荷电的电量q为：
其中，ε是粉尘颗粒介电常数，ε0是自由空间的介电常数，U0是外加荷电电压，d是荷电距离，a是粉尘颗粒半径；k是常数，r是带电粉尘颗粒与感应电极之间的距离。
进一步，步骤S2中，计算粉尘检测信号信噪比SNR，具体为：定义SNR为输出信号的标准偏差与噪声标准偏差之比的对数，计算公式为：
SNR＝10*log10(Ps/Pn) (3)
其中，
其中，Pn是噪声信号n(t)的标准偏差，Ps是感应信号x(t)的标准偏差，
是噪声信号n(t)的平均值，
是噪声信号x(t)的平均值。
进一步，步骤S2中，确定荷电电压与粉尘浓度之间的关系，具体包括：通过大量的试验及数据统计分析，得到不同浓度不同种类粉尘的荷电电压与信噪比的曲线关系，并提取出有效信号；然后设定提取标准的信噪比值；最后结合曲线关系得到在最低可提取信噪比处的每种粉尘的荷电电压与粉尘浓度之间的关系。
进一步，步骤S2中，找出能够满足信噪比检测要求且不会发生击穿的主动荷电电压值，具体包括：在满足感应信号信噪比要求时，确定不同种类的粉尘浓度检测的荷电电压。
方案2：一种基于主动荷电的电荷感应粉尘浓度检测装置，包括：粉尘主动荷电装置和感应信号检测装置；所述粉尘主动荷电装置包括定量发尘器、高压电源和荷电装置；所述感应信号检测装置包括感应探测电极、信号测量装置和示波器等；
粉尘经过粉尘主动荷电装置被主动荷电后，荷电粉尘通过感应探测电极时将产生感应电荷，由信号测量装置对探测电极获取的信号进行处理。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明采用基于主动荷电的电荷感应式粉尘浓度检测原理，搭建了主动荷电的电荷感应检测试验装置。
(2)本发明采用实验和理论分析的方法，研究不同种类粉尘在不同荷电电压下的粉尘检测信号信噪比，寻找能够满足信噪比检测要求的、不会发生击穿的主动荷电电压值。
(3)本发明采用试验对比方法，研究了满足信噪比要求的不同种类粉尘检测下限值。
(4)本发明减小粉尘浓度的检测相对误差。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为主动荷电的电荷感应粉尘浓度检测原理图；
图2为感应信号信噪比检测装置示意图；
图3为三种粉尘实物图；
图4为本体噪声图；
图5为铝粉在不同粉尘浓度下的信噪比与荷电电压的关系图；
图6为面粉在不同粉尘浓度下的信噪比与荷电电压的关系图；
图7为水泥粉在不同粉尘浓度下的信噪比与荷电电压的关系图。
图8为试验系统示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
请参阅图1～图8，图1为基于主动荷电的电荷感应粉尘浓度检测技术的原理图，如图1所示，粉尘浓度检测技术的原理是：粉尘颗粒本身自带静电量很微弱，为了避免在飞行过程中的电量变化，在前端安装主动荷电装置，使其带电量均为q；粉尘再飞过金属感应电极时，由于电荷感应作用使电极产生较强的动态感应电荷量为Q；再提取感应电荷产生的交变信号的波动性反演得到被测粉尘的浓度。
主动荷电的电量q为：
其中，ε是粉尘颗粒介电常数，ε0是自由空间的介电常数，U0是外加荷电电压，d是荷电距离，a是粉尘颗粒半径；k是常数，r是带电粉尘颗粒与感应电极之间的距离。
在粉尘浓度检测时，提高荷电电压U0将会增大粉尘的荷电电量q，动态感应电荷量Q也随之增加，感应信号处理难度降低，由此可提高粉尘浓度的检测精度。但荷电电压达到一定程度，荷电电场会被击穿，此时荷电电压归零，主动荷电电场失去主动荷电能力。可见，荷电电压升高到何种程度才满足主动荷电的电荷感应粉尘浓度检测，其与粉尘在不同浓度下的信噪比相关。因此，需要对不同种类粉尘在不同荷电电压下的粉尘检测信号信噪比进行研究，寻找能够满足信噪比检测要求的、不会发生击穿的主动荷电电压值。
实施例1：
如图2所示，本实施例提供一种粉尘感应信号的信噪比检测装置，该装置包含粉尘主动荷电和感应信号检测两部分，其中，主动荷电部分包含有定量发尘器、高压电源、荷电装置，感应信号检测部分有感应探测电极、信号测量装置、示波器等。整个装置的原理：粉尘被主动荷电后，荷电粉尘通过探测电极时将产生感应电荷，由感应信号处理电路将所得数字信号导入单片机进行处理，最后经过显示通讯电路将数值上传记录。
1)不同条件下信噪比试验：
由于主动荷电会产生辉光放电，导致该技术只能应用于非爆炸作业场所。据调研，非爆炸典型粉尘产生作业场所产生的粉尘主要由铝粉、面粉和水泥粉等，因此上述三种粉尘成为本实施例的试验对象。
(1)信噪比测试原理分析
由于噪声的存在，产生的电信号与噪声之比(信噪比)决定了粉尘浓度的检测精度。信噪比越大则测试误差越小，因此需要尽量提高信号强度来达到提高检测精度的目的。而不同种类的粉尘颗粒荷电能力不同，单位质量粉尘浓度产生的荷电量也不同，感应的电信号也不相同，因此需要选用不同种类的粉尘在不同电压和不同浓度下进行信噪比试验。
基于图2的试验系统，在一定的荷电电压作用下，粉尘将被荷上一定量的自由电荷，通过示波器获取探测电极上的感应信号。根据信号的组成，示波器获取的输出信号由噪声信号与带电粉尘的感应信号两部分组成。
x(t)＝s(t)+n(t) (3)
其中，x(t)为输出信号，s(t)是感应信号，n(t)是噪声信号。n(t)主要是电源的干扰噪声与屏蔽后的剩余电磁干扰噪声，无法完全去除；s(t)带电粉尘的感应信号。但是不能直接得到感应信号，得到的是被噪声污染的输出信号x(t)。
若感应信号s(t)比较微弱，则感应信号将淹没于噪声信号中而无法拾取。为了反应感应信号可否准确提取，采用信噪比SNR的参数予以衡量。由于反应粉尘浓度值的信号是感应信号的标准偏差，所以本发明将SNR定义为输出信号的标准偏差与噪声标准偏差之比的对数，无量纲，如式(4)。
SNR＝10*log10(Ps/Pn) (4)
其中，
其中，Pn是噪声信号n(t)的标准偏差，Ps是感应信号x(t)的标准偏差，
是噪声信号n(t)的平均值，
是噪声信号x(t)的平均值。
可见，信噪比越高，提取感应信号越容易，通过相关计算得到的粉尘浓度值精度越高、分辨率越高、稳定性越好。
(2)粉尘制备
经过粉尘粒径筛分和粒度分析后，使三种粉尘的中位粒径≤75μm，将其放入恒温(25±5)℃烘箱中进行24h恒温处理，以备后用。如图3所示为3种筛选后的粉尘实物图。
(3)粉尘种类、浓度、荷电电压与信噪比的关系试验
a.信噪比试验
试验环境温湿度：23℃，65％RH。
试验条件：粉尘种类为铝粉、面粉、水泥粉；发尘器发较低粉尘浓度为5mg/m3、10mg/m3、19mg/m3、50mg/m3(粉尘浓度按实测结果)；荷电电压为0kV、1kV、2kV、5kV、10kV、15kV、20kV、25kV。
首先要获取当前检测环境的本体噪声，当荷电电压为0kV、粉尘浓度为0mg/m3，本体噪声(外部静电干扰和设备电源工频干扰)的输出信号如图4所示，经过式(6)计算得到噪声的标准偏差为0.0078。
一切准备就绪后，选择铝粉、面粉和水泥粉在不同粉尘浓度和不同荷电电压下分别逐步进行试验，计算不同荷电电压下的信噪比。
通过大量的试验及数据统计分析，得到不同浓度的铝粉、面粉、水泥粉的荷电电压与信噪比的曲线关系，如图5、6、7所示。
b.试验结果分析
据文献，当信噪比大于1.5dB时，才能有效将信号提取出来。以信噪比1.5作为提取标准，结合图5、6、7，可计算得到在最低可提取信噪比处的每种粉尘的荷电电压与粉尘浓度之间的关系数据表，如表1、2、3。
表1铝粉荷电电压与粉尘浓度关系表
表2面粉荷电电压与粉尘浓度关系表
表3水泥粉荷电电压与粉尘浓度关系表
根据以上数据，可见：在满足感应信号信噪比要求的前提下，水泥粉尘的荷电电压最大，面粉次之，铝粉最小；在粉尘浓度较低时，粉尘的荷电电压较大。
因此，在满足感应信号信噪比要求时，确定不同种类的粉尘浓度检测的荷电电压：铝粉约3kV，面粉约17kV，水泥粉约18kV。
2)粉尘浓度检测下限研究
电荷感应粉尘浓度检测技术不适用于低浓度检测，虽经过主动荷电进一步降低了粉尘浓度的检测下限，但检测下限的降低程度需要进行研究。
将铝粉、面粉和水泥粉等在满足信噪比1.5dB的前提下，铝粉荷电电压3kV，面粉荷电电压17kV，水泥粉荷电电压18kV，针对低粉尘浓度检测进行试验。试验条件与第2章保持一致。试验数据如表4、5、6所示。
表4基于主动荷电的电荷感应检测的铝粉浓度检测数据表
表5基于主动荷电的电荷感应检测的面粉浓度检测数据表
表6基于主动荷电的电荷感应检测的面粉浓度检测数据表
根据粉尘浓度检测技术行标的规定，粉尘浓度检测误差≤±15％。因此，由表4、5、6，在满足检测标准的条件下，主动荷电后的电荷感应粉尘浓度检测铝粉、面粉和水泥粉的最低浓度下限分别为3.8mg/m3、4.1mg/m3、5.5mg/m3。
实施例2：基于主动荷电的电荷感应粉尘浓度检测误差试验
经过实施例1的研究，明确了基于主动荷电的电荷感应粉尘浓度检测技术的荷电电压和检测下限。在现场使用时，可通过使用粉尘采样器进行初步检测，弄清作业场所的粉尘浓度范围，再调整主动荷电电压，使用主动荷电的电荷感应粉尘浓度传感器进行实时检测。
本发明基于主动荷电的电荷感应粉尘浓度检测技术刚好与无主动荷电的电荷感应粉尘浓度检测技术(静电荷电感应粉尘浓度检测技术)形成对比，因此，本实施例对两种技术在同样环境下进行对比试验，验证本发明提出技术的科学性。
1)试验准备
(1)被测粉尘获取
选用实施例1已经制备和筛分好的典型生产场所的铝粉，将其放入恒温(25±5)℃烘箱中进行24h恒温处理，以备后用。
(2)仪器准备
手工采样仪器：负载能力(200±20)Pa，误差±10％；
称重仪器：十万分之一天平，量程0～42g，分辨率0.01～0.1mg。
(3)试验单元
根据实施例1，使用图2的装置，对比试验时，开启和关闭高压电源，使其分别对应主动荷电和无主动荷电(静电感应)两种状态。
(4)试验系统
试验系统包含图8的定量发尘器、压气泵、风硐、风速测定仪、电脑控制平台、静电除尘器和变频风机，如图8所示，其中定量发尘器的发尘范围是(0～1000mg/m3)，风速测定仪的测量范围是(0～30m/s)。
为了保证试验的一致性，在变频风机的作用下，风硐内产生一定速度的风流，且保证风硐内的风速稳定：风硐截面和水平面内的风速均匀性误差≤5％。另外，定量发尘器将粉尘喷入风硐后，一段时间后，风硐管道竖直截面的粉尘浓度均匀性误差≤5％，风硐管道水平截面的粉尘浓度均匀性误差≤2％。
(5)试验环境
试验环境也会影响试验结果，因此，本试验系统建立在安装了恒温空调的实验室内，开启空调，使其实验室内的环境温度为(25±5)℃，相对湿度≤60％RH。
(6)试验方法
滤膜质量浓度法。
(7)试验步骤
a.选取一张干净滤膜，将干净滤膜置于恒温(25±5)℃烘箱中，进行2h恒温处理；然后取出，使用天平称重，记录干净滤膜的质量；
b.将干净滤膜置于手工采样器内；
c.将试验单元置于试验系统中，开启试验系统，调节发尘浓度，待发尘稳定一段时间；
d.开启高压电源，根据不同粉尘调节输出荷电电压，记录感应检测单元的粉尘浓度数据，此为主动荷电的感应粉尘浓度检测值；
e.关闭高压电源，记录感应检测单元的粉尘浓度数据，此为
f.同时，使用手工采样器采样称重，记录滤膜的增重量；
g.计算手工采样称重的粉尘浓度值，作为发尘浓度标准值；
h.重复步骤a～g，改变发尘浓度进行其他浓度下的试验；
i.试验完毕，关闭试验系统，将所有一起和材料归置。
2)试验数据
经过主动荷电的电荷感应粉尘浓度检测法和静电电荷感应法的对比试验，得到的试验数据如表7所示。
表7主动荷电的电荷感应粉尘浓度检测和静电电荷感应粉尘浓度检测对比试验数据表
3)误差分析
经过实施例2误差对比试验发现：主动荷电电荷感应法检测粉尘浓度的相对误差≤14.2％，静电电荷感应法检测粉尘浓度的相对误差≤18.6％，主动荷电的电荷感应法比静电荷感应法的误差小4.4％。
本试验中，随着粉尘浓度的逐渐升高，其检测相对误差呈现变小趋势。主要原因是粉尘浓度升高后，被测粉尘的颗粒数量增大，粉尘的电荷量增大，感应的电荷量也随之增大，信号处理难度降低，致使粉尘浓度检测相对误差减小。而被主动荷电后的粉尘颗粒，其带电量上升速度加快，使主动荷电的电荷感应粉尘浓度检测法的检测误差进一步减小。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (6)
1.一种基于主动荷电的电荷感应粉尘浓度检测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1：在电荷感应前端对粉尘颗粒进行主动荷电，并构建基于主动荷电的电荷感应粉尘浓度模型；
S2：计算不同种类粉尘在不同荷电电压下的粉尘感应信号信噪比，并根据在最低可提取信噪比处的每种粉尘的荷电电压与粉尘浓度之间的关系，找出能够满足信噪比检测要求且不会发生击穿的主动荷电电压值；
S3：采用试验对比方法，获取满足信噪比要求的不同种类粉尘检测浓度下限值。
2.根据权利要求1所述的基于主动荷电的电荷感应粉尘浓度检测方法，其特征在于，步骤S1具体包括：在电荷感应前端安装主动荷电装置，使其带电量均为q；粉尘再飞过金属感应电极时，由于电荷感应作用使电极产生的动态感应电荷量为Q；再提取感应电荷产生的交变信号的波动性反演得到被测粉尘的浓度；
主动荷电的电量q为：
其中，ε是粉尘颗粒介电常数，ε0是自由空间的介电常数，U0是外加荷电电压，d是荷电距离，a是粉尘颗粒半径；k是常数，r是带电粉尘颗粒与感应电极之间的距离。
3.根据权利要求1所述的基于主动荷电的电荷感应粉尘浓度检测方法，其特征在于，步骤S2中，计算粉尘检测信号信噪比SNR，具体为：定义SNR为输出信号的标准偏差与噪声标准偏差之比的对数，计算公式为：
SNR＝10*log10(Ps/Pn) (3)
其中，
其中，Pn是噪声信号n(t)的标准偏差，Ps是感应信号x(t)的标准偏差，
是噪声信号n(t)的平均值，
是噪声信号x(t)的平均值。
4.根据权利要求1所述的基于主动荷电的电荷感应粉尘浓度检测方法，其特征在于，步骤S2中，确定荷电电压与粉尘浓度之间的关系，具体包括：通过试验及数据统计分析，得到不同浓度不同种类粉尘的荷电电压与信噪比的曲线关系，并提取出有效信号；然后设定提取标准的信噪比值；最后结合曲线关系得到在最低可提取信噪比处的每种粉尘的荷电电压与粉尘浓度之间的关系。
5.根据权利要求1所述的基于主动荷电的电荷感应粉尘浓度检测方法，其特征在于，步骤S2中，找出能够满足信噪比检测要求且不会发生击穿的主动荷电电压值，具体包括：在满足感应信号信噪比要求时，确定不同种类的粉尘浓度检测的荷电电压。
6.一种基于主动荷电的电荷感应粉尘浓度检测装置，其特征在于，该装置包括：粉尘主动荷电装置和感应信号检测装置；所述粉尘主动荷电装置包括定量发尘器、高压电源和荷电装置；所述感应信号检测装置包括感应探测电极、信号测量装置和示波器；
粉尘经过粉尘主动荷电装置被主动荷电后，荷电粉尘通过感应探测电极时将产生感应电荷，由信号测量装置对探测电极获取的信号进行处理。
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