刘东旭,李朋宾（郑州光力科技股份有限公司,郑州　450001）

基于电荷感应法的粉尘浓度传感器研究

刘东旭,李朋宾
（郑州光力科技股份有限公司,郑州450001）

基于电荷感应原理，设计了电荷感应法粉尘浓度传感器，对粉尘浓度与感应电流之间的关系进行试验研究。通过试验表明，该传感器可实现粉尘浓度的在线监测，是用于工业粉尘检测的理想仪器。

粉尘浓度；电荷感应原理；在线监测

0　引言

随着我国能源工业尤其是煤炭和电力的发展，粉尘浓度的检测和控制已成为生产过程中重要的内容之一，粉尘不仅污染环境，对人身健康造成极大危害，成为职业病重要的诱因之一，而且还有可能酿成灾难事故。天平称重法、β射线法、光学测量法和电荷感应法[1,2]是目前常用的粉尘浓度测量方法，其中电荷感应法是近年来重点研究的在线粉尘浓度测量新方法，具有测量范围宽、环境适应性强、便于维护等优点。

1　电荷感应法测量原理

粉尘具有荷电性，粉尘在产生和流动过程中引起的粒间撞击、粒间及粉尘与气体介质之间的摩擦、放射性照射等使粉尘颗粒带上电荷，因此可根据粉尘荷电性来对粉尘浓度进行监测[3,4]。把金属探头放入粉尘环境中，当粉尘以一定的速度通过时，根据库伦定律和泊松分布原理，带电的粉尘颗粒就会在金属探头上感应出等量的异种电荷，感应电流Im符合下式：式中，a、b为无量纲常数，与测量管段的位置及粉尘性质有关，C为粉尘的质量浓度（mg/m3），u是风速（m/s），a、b可通过标定的方式确定。从上式可以看出，当风速一定时，感应电流与粉尘浓度呈线性关系。

2　电荷感应法粉尘浓度传感器设计

基于电荷感应原理，本文设计了粉尘浓度传感器。该仪器主要有测量管段与电荷感应探头（电极）、电荷放大电路、数据采集电路及控制电路组成，系统原理框图如图1所示。

2.1测量管段与电极

测量管段为圆筒形，内径为80mm，长度200mm，采用不锈钢材质制作。电极直接与金属测量管道连接，等效为电容一极，可有效屏蔽外界干扰；一端安装一台小风扇，可使粉尘能以一定的风速通过电极，本文所设计的粉尘浓度传感器内部具有约2.5m/s的风速。

电极作为感应电荷的关键部件，目前常见电极形式主要有3种：棒状、外环状和内环状[5]。本文采用棒状电极，并在点击外表喷涂绝缘材料（如陶瓷等），既可以避免粉尘与电极之间的摩擦起电，又可以保护电极。

2.2电荷放大电路

具有一定速度的粉尘经过电极时会时电极感应出等量的异种电荷，但感应电荷量极小，一般为10-7～10-3C，因此必须研制高精度的电荷检测电路对感应电荷进行放大，建立起感应电荷与粉尘浓度之间的关系。由于电极输出的感应电荷是一种低频微弱信号，容易受到杂散电容、外界电场和磁场的干扰，因此设计具有较高的分辨力、较低的温度漂移系数、较强的抗干扰能力的电荷放大电路是本文设计的难点。为了简化设计难度，并提高电荷放大电路的性能，本文采用ICA102C精密电荷放大器模块，该模块具有噪声小、精度高、稳定好、抗干扰能力强的特点。

电荷放大器模块ICA102C内部主要包括电荷变换电路和增益可调的精密输出放大电路其中高输入阻抗、低噪声的电荷变换电路的电荷放大倍率为Am=Ar×Ac，其中Ar为输出放大器比率，Ac为电荷放大比率；Ac=0.1mV/pC，Ar范围为1～101，当外部增益调节端开路时，Ar=101。

2.3数据采集和控制电路

ICA102C电荷放大器的输出信号可达3V，可满足检测要求。为了提高对粉尘检测的灵敏度，本文采用了高速14位AD转换器ADS4142，通过MCU控制完成数据采集。

控制电路采用51单片机作为核心，除控制AD转换器完成数据采集外，还通过内部程序建立感应电荷与粉尘浓度的对应关系，通过AD转换器的采集数据计算出当前粉尘浓度。为了满足在线监测的需要，本文还设计了RS485输出和200～1000Hz频率输出功能。

3　测试结果与分析

根据电荷感应原理设计了在线粉尘传感器原理样机，并对其进行了粉尘浓度测试，采用天平称重法完成对原理样机的标定，并进行对比，测试数据表1所示。

根据表1的测量数据，本文所设计的粉尘浓度传感器测量精度较高，与天平称重法计算的粉尘浓度相比，其测量误差小于10%。把上表中的粉尘浓度与AD转换值进行数据拟合，拟合曲线如下图所示。

根据上图的拟合曲线，当测量管段内的风速稳定在2.5m/s时，基于电荷感应原理的粉尘浓度传感器的感应电流大小与粉尘浓度具有良好的线性关系，与理论吻合，说明本文所设计的电荷法粉尘浓度传感器在理论上和实践上都是可行的。

表1　粉尘浓度测试数据

4　结论

本文基于电荷感应原理，设计了电荷感应粉尘浓度传感器。传感器采用棒状电极，仪器内部通过选择合适的风扇保证测量管段内具有2.5m/s的恒定风速，采用了集成电荷放大器ICA102C实现了感应电荷的放大和检测，对粉尘浓度与感应电流之间的关系进行试验研究。通过试验表明，在2.5m/s风速下，粉尘浓度和感应电荷之间存在良好的线性关系，本文设计的电荷感应法粉尘浓度传感器的基本误差小于10%，可实现粉尘浓度的在线监测，是用于工业粉尘检测的理想仪器。

[1]李卫东,王连富,刘道文等.我国煤炭行业粉尘浓度监测技术的现状与发展趋势[J].矿业安全与环保,2005,6(32):66-67.

[2] 唐娟.粉尘浓度在线监测技术的现状与发展趋势[J].矿业安全与环保,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),2011,32(05):526-530.

[5] 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(02):269-272.