CN107607447A - 一种精确测量低浓度粉尘浓度的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种精确测量低浓度粉尘浓度的装置和方法，属于电荷感应测试技术领域，采用的技术方案是：一种精确测量低浓度粉尘浓度的装置，结构中包括测试通道、伸入至测试通道内的电荷感应组件及配套的气流驱动装置和处理显示器，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及气流驱动装置，所述气流依次经进气管、测试通道和扩散管形成文丘里效应。本发明的有益效果是：检测装置结构简单，测量范围广，尤其当粉尘浓度比较低时，测量结果精度高，重复性误差小。检测方法能高效准确测试低浓度粉尘气流的浓度，精确度高；借助模型模拟建立经验数据库，可查表直接测试粉尘浓度，广泛适用于各个测量环境。

Description

一种精确测量低浓度粉尘浓度的装置和方法

技术领域

本发明涉及电荷感应测试技术领域，具体涉及一种精确测量低浓度粉尘浓度的装置和方法。

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。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，但这种方法在检验环境相对恶劣时，测量误差较大，可信度低。三是压电晶体感应法，它适用于地面上粉尘浓度较低的场合，且要求操作人员具有一定的经验，从而影响了该方法的推广和使用。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

本发明为解决现有粉尘浓度测量装置和方法可靠度低、准确性差、误差大、精确度低的技术问题，提供一种精确测量低浓度粉尘浓度的装置和方法，基于电荷感应原理，通过在现有检测直管的基础上，在测试直管的左右两端分别连接喇叭状的进气管和扩散管，借助文丘里效应提高检测时粉尘气流流速，从而提高感应电荷量，高效精确检测低浓度粉尘的浓度。

为达到上述目的，本发明是通过下述技术方案实现的：

一种精确测量低浓度粉尘浓度的装置，结构中包括测试通道、伸入至测试通道内的电荷感应组件及配套的气流驱动装置和处理显示器，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及气流驱动装置，所述气流依次经进气管、测试通道和扩散管形成文丘里效应。

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。

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。

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。

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。

所述电荷感应组件设置在测试通道轴向长度的35-65％处。

一种精确测量低浓度粉尘浓度的方法，基于结构中包括测试通道、伸入至测试通道内的电荷感应组件及配套的气流驱动装置的精确测量低浓度粉尘浓度的系统，其特征在于，所述方法包括以下步骤，

①改进测试系统：在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，借助气流驱动装置使所述气流以初始速度v₀进入进气管，再依次进入测试通道和扩散管；

②检测测试通道内气流速度v，根据电荷感应组件的感应电荷量q，经信号放大电路及电压电流转化电路输出测试通道中的直流电流信号，计算测试通道中粉尘气流浓度C。

优选的，所述系统中还包括主控制器、存储有标准数据的经验数据模块、设置在系统操控台上的操控面板及配套的电路，设定进气管大口径端直径为D，测试通道直径为 d，管径比U＝d/D；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，所述经验数据模块中存储有U、l对应v₀、v的经验数据。

优选的，所述经验数据模块中经验数据获得方法为：建立改进测试系统的模型，导入Fluent中进行仿真计算，以已知浓度C的标准气体通过改进测试系统，首先设定L1、 L2及l、v₀，调整U＝0.5-0.9，对应每个U值，检测v，v为粉尘颗粒沿测试通道轴向移动速度或移动速度的轴向分量，公式计算或检测电荷感应组件感应电荷量q，进一步建立特定L1、L2、l及v₀参数下，对应U、v的q、C值表，形成经验数据库，并记录于经验数据模块。

优选的，所述U＝0.69。

本发明的有益效果是：(1)本发明所提供的检测装置结构简单，测量范围广，尤其当粉尘浓度比较低时，测量结果精度高，重复性误差小。(2)本发明所提供的检测方法高度精确模拟低浓度粉尘气流，能直接、高效、精确检测低浓度粉尘气流的浓度；(3) 进一步改进的技术方案中，借助模型模拟建立经验数据库，测量过程中可根据数据库中参数改进测量装置，查表直接测试粉尘浓度，广泛适用于各个测量环境。

附图说明

图1是本发明精确测量低浓度粉尘浓度的装置的结构示意图；

图2是管道模型内部粉尘颗粒速度分布云图。

图中：1、进气管，2、测试通道，3、电荷感应组件，4、抽气泵，5、夹持组件，6、扩散管，7、滤纸。

具体实施方式

下面结合附图对本发明加以详细描述。

实施例一

本发明提供一种精确测量低浓度粉尘浓度的装置，结构参见附图1所示，包括测试通道2、伸入至测试通道2内的电荷感应组件3及配套的气流驱动装置，测试通道2为直管，电荷感应组件3为带电颗粒物感应环，带电颗粒物感应环由静电传感器和变送器两部分组成，变送器包括电子放大电路，由通用电子器件组装而成，可将静电传感器测得的电压信号进行放大，转换输出4-20mA的标准电流信号。本发明的关键在于，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，进气管1及扩散管6与测试通道2的连接是通过连接件实现，如法兰、双头套管等，开启气流驱动装置，如抽气泵，则悬浮在空气中的粉尘从进气管1处进入形成含尘气流，然后依次经过测试通道2和扩散管6，经过测试通道2时，由于进气管1为喇叭状，测试通道2直径减小，发生文丘里效应，即在中间很窄的测试通道2内通过与进气管1同样流量的气流，则发送气流速度急剧增大的现象，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，感应电流进一步通过阻抗时，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，电荷感应组件3测得的电压信号经放大运算后，输出 4-20mA的标准直流电流信号，并传送到用户设施，计算机控制系统将直接显示粉尘浓度值。

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，优选1:0.7，更有选1:0.69，此比例有利于产生更多的感应电荷。

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，优选11:16:20。

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1:1.5。

所述电荷感应组件3设置在测试通道2轴向长度的35-65％处，优选45-55％处，更有选位于中间位置，即50％处。

实施例二

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，夹持组件可防止滤纸7在气流通过时移动或脱落，同时使得滤纸7也方便更换。

实施例三

本实施例具体说明本发明提供的精确测量低浓度粉尘浓度的方法，本发明基于电荷感应原理，具体检测方法及其建立方法如下：

一种精确测量低浓度粉尘浓度的方法，基于精确测量低浓度粉尘浓度的系统，精确测量低浓度粉尘浓度的系统结构中包括测试通道2、伸入至测试通道2内的电荷感应组件3及配套的气流驱动装置，在此基础上，本方法包括以下步骤，

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，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，实验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，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；u_p为颗粒速度，m/s；g_i为流体微元上i方向的体力,N； F_D(u-u_p)为颗粒的单位质量曳力,N；ρ_p为颗粒堆积密度，kg/m3；F_S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；m_p为颗粒质量流率，kg/s；d_p颗粒直径，m；F为除曳力之外的其他相间作用力，N。

管道模型内部粉尘颗粒速度分布云图参见图2所示，

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

检测电荷感应组件感应电荷量q或根据下述公式(1)(2)及表1中速度值v计算电荷感应组件感应电荷量q：

q＝∫∫σ(z,r)·s(z,r)dzdr (1)

式中，σ(z,r)为电荷感应组件测试空间内，粉尘颗粒在轴向为z,半径为r的圆周上的电荷密度；s(z,r)为电荷感应组件空间灵敏度分布函数。

设粉尘颗粒沿测试通道轴向移动速度或移动速度的轴向分量为v，则感应环上感应电荷量q随时间t变化的函数为：

q(t)＝∫∫σ(z+vt,r)·s(z,r)dzdr (2)

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 (10)

1.一种精确测量低浓度粉尘浓度的装置，结构中包括测试通道(2)、伸入至测试通道(2)内的电荷感应组件(3)及配套的气流驱动装置，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)，所述气流依次经进气管(1)、测试通道(2)和扩散管(6)形成文丘里效应。

2.根据权利要求1所述的装置，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。

3.根据权利要求1或2所述的装置，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。

4.根据权利要求3所述的装置，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。

5.根据权利要求1所述的装置，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)。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电荷感应组件(3)设置在测试通道(2)轴向长度的35-65％处。

7.一种精确测量低浓度粉尘浓度的方法，基于结构中包括测试通道(2)、伸入至测试通道(2)内的电荷感应组件(3)及配套的气流驱动装置的精确测量低浓度粉尘浓度的系统，其特征在于，所述方法包括以下步骤，

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)，借助气流驱动装置使所述气流以初始速度v₀经进气管(1)、测试通道(2)和扩散管(6)；

②检测测试通道(2)内气流速度v，根据电荷感应组件(3)的感应电荷量q，经信号放大电路及电压电流转化电路输出测试通道(2)中的电流信号，计算测试通道中粉尘气流浓度C。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述系统中还包括主控制器、存储有标准数据的经验数据模块、设置在系统操控台上的操控面板及配套的电路，设定进气管(1)大口径端直径为D，测试通道(2)直径为d，管径比U＝d/D；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，所述经验数据模块中存储有U、l对应v₀、v的经验数据。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述经验数据模块中经验数据获得方法为：建立改进测试系统，以已知浓度C的标准气体通过改进测试系统，首先设定L1、L2及l、v₀，调整U＝0.5-0.9，对应每个U值，检测v，v为粉尘颗粒沿测试通道轴向移动速度或移动速度的轴向分量，公式计算或检测电荷感应组件感应电荷量q，进一步建立特定L1、L2、l及v₀参数下，对应U的v、q、C值表，形成经验数据库，并记录于经验数据模块。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述U＝0.69。