基于電荷感應法的粉塵濃度傳感器研究

劉東旭,李朋賓（鄭州光力科技股份有限公司,鄭州　450001）

基于電荷感應法的粉塵濃度傳感器研究

劉東旭,李朋賓
（鄭州光力科技股份有限公司,鄭州450001）

基于電荷感應原理，設計了電荷感應法粉塵濃度傳感器，對粉塵濃度與感應電流之間的關系進行試驗研究。通過試驗表明，該傳感器可實現粉塵濃度的在線監測，是用于工業粉塵檢測的理想儀器。

粉塵濃度；電荷感應原理；在線監測

0　引言

隨著我國能源工業尤其是煤炭和電力的發展，粉塵濃度的檢測和控制已成為生產過程中重要的內容之一，粉塵不僅污染環境，對人身健康造成極大危害，成為職業病重要的誘因之一，而且還有可能釀成災難事故。天平稱重法、β射線法、光學測量法和電荷感應法[1,2]是目前常用的粉塵濃度測量方法，其中電荷感應法是近年來重點研究的在線粉塵濃度測量新方法，具有測量范圍寬、環境適應性強、便于維護等優點。

1　電荷感應法測量原理

粉塵具有荷電性，粉塵在產生和流動過程中引起的粒間撞擊、粒間及粉塵與氣體介質之間的摩擦、放射性照射等使粉塵顆粒帶上電荷，因此可根據粉塵荷電性來對粉塵濃度進行監測[3,4]。把金屬探頭放入粉塵環境中，當粉塵以一定的速度通過時，根據庫倫定律和泊松分布原理，帶電的粉塵顆粒就會在金屬探頭上感應出等量的異種電荷，感應電流Im符合下式：式中，a、b為無量綱常數，與測量管段的位置及粉塵性質有關，C為粉塵的質量濃度（mg/m3），u是風速（m/s），a、b可通過標定的方式確定。從上式可以看出，當風速一定時，感應電流與粉塵濃度呈線性關系。

2　電荷感應法粉塵濃度傳感器設計

基于電荷感應原理，本文設計了粉塵濃度傳感器。該儀器主要有測量管段與電荷感應探頭（電極）、電荷放大電路、數據采集電路及控制電路組成，系統原理框圖如圖1所示。

2.1測量管段與電極

測量管段為圓筒形，內徑為80mm，長度200mm，采用不銹鋼材質制作。電極直接與金屬測量管道連接，等效為電容一極，可有效屏蔽外界干擾；一端安裝一臺小風扇，可使粉塵能以一定的風速通過電極，本文所設計的粉塵濃度傳感器內部具有約2.5m/s的風速。

電極作為感應電荷的關鍵部件，目前常見電極形式主要有3種：棒狀、外環狀和內環狀[5]。本文采用棒狀電極，并在點擊外表噴涂絕緣材料（如陶瓷等），既可以避免粉塵與電極之間的摩擦起電，又可以保護電極。

2.2電荷放大電路

具有一定速度的粉塵經過電極時會時電極感應出等量的異種電荷，但感應電荷量極小，一般為10-7～10-3C，因此必須研制高精度的電荷檢測電路對感應電荷進行放大，建立起感應電荷與粉塵濃度之間的關系。由于電極輸出的感應電荷是一種低頻微弱信號，容易受到雜散電容、外界電場和磁場的干擾，因此設計具有較高的分辨力、較低的溫度漂移系數、較強的抗干擾能力的電荷放大電路是本文設計的難點。為了簡化設計難度，并提高電荷放大電路的性能，本文采用ICA102C精密電荷放大器模塊，該模塊具有噪聲小、精度高、穩定好、抗干擾能力強的特點。

電荷放大器模塊ICA102C內部主要包括電荷變換電路和增益可調的精密輸出放大電路其中高輸入阻抗、低噪聲的電荷變換電路的電荷放大倍率為Am=Ar×Ac，其中Ar為輸出放大器比率，Ac為電荷放大比率；Ac=0.1mV/pC，Ar范圍為1～101，當外部增益調節端開路時，Ar=101。

2.3數據采集和控制電路

ICA102C電荷放大器的輸出信號可達3V，可滿足檢測要求。為了提高對粉塵檢測的靈敏度，本文采用了高速14位AD轉換器ADS4142，通過MCU控制完成數據采集。

控制電路采用51單片機作為核心，除控制AD轉換器完成數據采集外，還通過內部程序建立感應電荷與粉塵濃度的對應關系，通過AD轉換器的采集數據計算出當前粉塵濃度。為了滿足在線監測的需要，本文還設計了RS485輸出和200～1000Hz頻率輸出功能。

3　測試結果與分析

根據電荷感應原理設計了在線粉塵傳感器原理樣機，并對其進行了粉塵濃度測試，采用天平稱重法完成對原理樣機的標定，并進行對比，測試數據表1所示。

根據表1的測量數據，本文所設計的粉塵濃度傳感器測量精度較高，與天平稱重法計算的粉塵濃度相比，其測量誤差小于10%。把上表中的粉塵濃度與AD轉換值進行數據擬合，擬合曲線如下圖所示。

根據上圖的擬合曲線，當測量管段內的風速穩定在2.5m/s時，基于電荷感應原理的粉塵濃度傳感器的感應電流大小與粉塵濃度具有良好的線性關系，與理論吻合，說明本文所設計的電荷法粉塵濃度傳感器在理論上和實踐上都是可行的。

表1　粉塵濃度測試數據

4　結論

本文基于電荷感應原理，設計了電荷感應粉塵濃度傳感器。傳感器采用棒狀電極，儀器內部通過選擇合適的風扇保證測量管段內具有2.5m/s的恒定風速，采用了集成電荷放大器ICA102C實現了感應電荷的放大和檢測，對粉塵濃度與感應電流之間的關系進行試驗研究。通過試驗表明，在2.5m/s風速下，粉塵濃度和感應電荷之間存在良好的線性關系，本文設計的電荷感應法粉塵濃度傳感器的基本誤差小于10%，可實現粉塵濃度的在線監測，是用于工業粉塵檢測的理想儀器。

[1]李衛東,王連富,劉道文等.我國煤炭行業粉塵濃度監測技術的現狀與發展趨勢[J].礦業安全與環保,2005,6(32):66-67.

[2] 唐娟.粉塵濃度在線監測技術的現狀與發展趨勢[J].礦業安全與環保,2009,36(05):69-71,74.

[3] Murnane SN, Barnes RN, Woodhead SR. Electrostatic modeling and measurement of air borne particle concentration[J].IEEE Trans Instrument,2006,45:488-492.

[4] 戚淑芬,王國棟.基于電荷感應原理的粉塵含量在線檢測儀設計[J].青島科技大學學報(自然科學版),2011,32(05):526-530.

[5] 趙恩彪,李德文,王自亮等.電荷法測量粉塵密度的試驗研究[J].采礦與安全工程學報,2010,27(02):269-272.