粉尘浓度传感器

粉尘浓度传感器（精选8篇）

粉尘浓度传感器 第1篇

GCG1000型粉尘浓度传感器由天地 (常州) 自动化股份有限公司开发研制, 为本质安全型产品, 采用光散射原理检测煤矿井下空气的粉尘质量浓度, 具有多种标准信号制式输出及报警功能, 能单独使用或联检后与煤矿安全监控系统配套使用。

GCG1000型粉尘浓度传感器是一种智能检测仪表, 调零、预设K值、报警点设置等功能均可通过遥控器实现, 报警点可在0～1 000 mg/m3范围内任意设置, 报警显示值与设定值的差值不超过粉尘浓度测量相对误差要求 (出厂默认调至6 mg/m3) 。该传感器具有稳定可靠、使用方便等特点。

粉尘浓度测定原始记录,（新） 第2篇

检测任务编号：

第页/共

页 送检日期

检测日期

检测依据

仪器名称

仪器编号

室

温

℃ 湿

度

% 实验步骤 1.滤膜的准备：将滤膜置于干燥器内 2h 以上，用镊子取下滤膜的衬纸，将滤膜通过除静电器，除去滤膜的静电，在分析天平上准确称量，记录滤膜的质量 m1。在衬纸上和记录表上记录滤膜的质量和编号。将滤膜和衬纸放入相应容器中备用。

2.采样、运输与保存：按照 GBZ 159-2004 执行。

3.样品的称量：称量前，将采样后的滤膜置于干燥器内 2h 以上，除静电后，在分析天平上准确称量，记录滤膜和粉尘的质量 m2。

矿用粉尘浓度传感器的设计与应用 第3篇

粉尘危害[1]是煤矿五大灾害之一。由于煤矿井下粉尘无孔不入,因瓦斯爆炸继发引起的粉尘爆炸、煤矿机械因粉尘引起的故障、作业工人因长期处在粉尘的环境中得了尘肺病等给国家带来了很大的损失。目前,国内外煤炭领域测量粉尘浓度主要采用的方式有称重式粉尘采样器、射线衰减式粉尘测量、激光、光电倍增管等。国内大多采用采样滤膜称重法,即以标准的流量采样,使空气中的粉尘颗粒吸附在滤膜上,称量滤膜采样前后的质量差,最后计算出粉尘的浓度。该方法原理简单,测量数据比较可靠,但是不能实时测量现场空气中的粉尘浓度。笔者设计了一种直读式粉尘浓度传感器,利用激光散射的原理将被粉尘颗粒散射的光信号转换成电信号,再将电信号进行放大,由单片机处理后,直接由数码管显示采集到的粉尘浓度。该传感器具有实时监测、测量准确、精度高、重复性能好、适用性广等优点,并且在自动喷雾降尘装置中起到了很大的作用。

1 传感器组成及工作原理

1.1 传感器组成

矿用粉尘浓度传感器主要分为2个部分:电路测量部分和机械结构部分,如图1所示。

电路测量部分主要由供电电路、激光二极管[2]、光电二极管[3]、前置放大电路、AD转换电路、遥控接收电路、单片机、显示电路、频率(或电流)信号输出及控制输出电路等部分组成。

激光二极管和光电二极管即为传感器的信号发射和接收部分。前置放大电路将光电二极管转换后的微弱电信号放大。AD转换电路将放大后的模拟信号转换成数字信号送入单片机进行处理。显示电路将单片机处理后的数据由数码管显示出来。频率(或电流)信号输出电路将采集到的粉尘浓度值转换成对应的频率(或电流)信号,便于信号的传输。控制输出电路设定一个粉尘浓度报警值,当采集到的粉尘浓度高于该值时,电路输出高电平信号,低于该值时输出低电平信号。

机械结构部分主要包括光学透镜刷镜机构、光学测量机构、气压增压机构等。

光学透镜刷镜机构即图1所示的光学清扫系统。通过电动机齿轮带动筒轴转动,安装在筒轴上的镜刷就会给光学组件上的镜片清洗尘灰等污染物,保证光学镜片干净不影响测量。光学测量机构主要由激光发射机构、散射光接收机构、消光机构等组成。气压增压机构即图1所示的空气过滤系统。通过通风机鼓风,经收缩风管注入气流,保证测量机构里的腔体气压高于外界的气压,阻挡粉尘进入测量机构的腔体,防止刷镜机构和测量机构被粉尘污染破坏。

1.2 传感器工作原理

矿用粉尘浓度传感器基于光散射原理,当光束入射到粉尘颗粒上时,将向空间四周散射,光的各个散射参数与粉尘颗粒的浓度密切相关。将光电二极管安装在某一散射角处,获得散射光强数据后,基于散射理论对粉尘浓度进行计算。传感器工作原理如图2所示。

本传感器采用的激光二极管可发射980 nm波长的激光,并且传感器内部为激光配置了一套精密的光学系统,不但能保证平行激光光束的产生,而且能防止外来光束的干扰。当空气中的粉尘颗粒经过传感器时,被粉尘散射的激光散射到滤光片后,经过滤光片(图中没标出来)得到可用的光谱范围,然后通过光电二极管将接收到的微弱光信号变成微弱电信号,再将电信号进行放大、检波变成模拟直流信号,直流信号经AD转换后变成数字信号由单片机进行处理后显示粉尘浓度,同时输出与粉尘浓度相对应的频率信号,并且根据粉尘浓度输出控制信号。同时根据粉尘的沉降原理设计了精密的机械结构和激光镜头刷镜机构,保证了传感器测量的可靠性和精确性。

2 传感器在自动喷雾降尘装置中的应用

矿用粉尘浓度传感器可以在现场快速测定粉尘浓度,其数码管显示的值即为此时的粉尘浓度。适合于煤矿井下、非煤矿山、车间作业场所等场合的测尘需要。

由于粉尘灾害是粉尘作业场所安全生产的突出问题,也是影响煤矿安全生产的重大隐患,所以,有效的降尘除尘就成为了煤矿安全的必要措施。与本传感器配套使用的自动喷雾降尘装置[4]能够通过粉尘传感装置连续、自动地监测控制,有效地降尘除尘、净化空气,同时还能吸收一定的有害气体,降低瓦斯气体体积分数,改善和治理粉尘作业环境,是有效防止粉尘危害的常规设备和重要设施。

自动喷雾降尘装置主要由粉尘传感器、红外热释器、控制器、电动球阀或者电磁阀、喷雾架、监测主机等组成,如图3所示。粉尘传感器把测量的粉尘浓度值传送给控制器,控制器把采集的数据传送给地面监测主机。当粉尘浓度值超过设定的粉尘浓度值时,传感器/控制器会发出洒水控制信号给电源箱,通过控制电源箱内部的继电器开关来控制电动球阀,使其打开并开始洒水除尘。当粉尘浓度值低于设定的洒水浓度值时,则关闭球阀,不洒水。因此,利用矿用粉尘传感器即可以达到自动控制洒水降尘的目的。

人体都有恒定的体温,一般为37 ℃,所以会发出波长为10 μm左右的红外线,红外热释探头就是靠探测人体发射的10 μm左右的红外线而进行工作的。人体发射的10 μm左右的红外线通过菲尼尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。红外热释传感器通常采用热释电元件,这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡,向外释放电荷,后续电路经检测处理后就能产生报警信号。

当巷道有人通过且喷雾架在洒水时,红外热释器会发出停止洒水信号来关闭球阀,防止人通过巷道时被淋湿。当人通过洒水喷雾架后,如果此时粉尘浓度超过设置浓度值则恢复洒水。

该装置实现了煤矿井下除尘的实时性和人性化管理,为改善劳动环境、保障职工生命健康、防止煤尘爆炸提供了可靠的保障。

3 结语

矿用粉尘浓度传感器利用激光散射原理将被粉尘颗粒散射的光信号转换成电信号,再将电信号进行放大,由单片机处理后,直接由数码管显示采集到的粉尘浓度,具有实时监测、测量准确、精度高的优点。经实验室实验和井下现场实验证明,该传感器可与国内大部分安全监测系统兼容,适合煤矿井下粉尘浓度的连续监测。该传感器及其配套设备已在多个煤矿使用,工作稳定,降尘效果好,受到了矿方的一致好评。

摘要：针对现有粉尘测量方法存在无法实时反映现场空气中粉尘浓度的问题,设计了一种矿用粉尘浓度传感器,介绍了该传感器组成、工作原理及其在煤矿自动喷雾降尘装置中的应用。该传感器利用激光散射原理测量悬浮在空气中的粉尘颗粒浓度,同时采用根据粉尘沉降原理设计的精密机械结构和激光镜头刷镜机构,保证了测量的可靠性和精确性。

关键词：粉尘浓度传感器,激光散射,实时监测,自动降尘,红外热释器

参考文献

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[3]徐熙平,张宁.光电检测技术及应用[M].北京:机械工业出版社,2012.

粉尘浓度传感器 第4篇

国内外学者对井下甲烷传感器、风速传感器及一氧化碳传感器的定位策略进行了研究[1],以及对瓦斯传感器部署进行了研究[2],利用监测到的数据实时调整传感器的位置。对于巷道内粉尘浓度分布规律仅有部分学者进行了研究,如蒋仲安等根据气固两相流动的运动方程,导出模拟掘进巷道中的相似准则数,设计实验模型巷道,确定粉尘的分布规律[3];徐景德等构建了3种实验模型进行粉尘运移和浓度分布实验,并进行了现场试验研究[4,5,6];潘大勇通过对掘进巷道中风流和粉尘的实际特征分析,结合气-固两相流理论,提出了建立数学模型的基本假设,并在滑移-扩散模型的基础上建立了掘进工作面粉尘分布和运动的数学模型[7];刘海荣等利用相似模拟实验方法,对综采工作面采煤机工作时粉尘在工作面中的扩散规律进行了考察。发现粉尘向工作面下风侧扩散时,其扩散角受工作面的风速影响很大,工作面风速越小,粉尘的扩散角越大[8,9]。但对于巷道内粉尘浓度传感器的布置要求还未见研究。

矿用粉尘浓度传感器的研制成功解决了采样器、测尘仪不能对煤矿井下粉尘浓度连续监测的问题,为实现粉尘浓度在线监测提供了条件[10]。但目前粉尘浓度传感器在井下的安放位置缺乏理论依据,大多来源于经验,进而造成传感器布置不合理,不能有效反映现场粉尘实际状况。因此,为了使粉尘浓度传感器更好的应用于采煤工作面,进行传感器部署位置的研究具有重要的意义。本文采用Fluent数值仿真软件,以综采工作面为研究对象,给定风量和产尘量,模拟出了粉尘在工作面的分布情况,为确定传感器部署位置提供了有力的理论依据。

1 物理模型及控制方程

1.1 建立几何模型

大多数学者把采煤工作面形状视为长方体,工作面上有采煤机、电缆槽、液压支架、刮板运输机等各种设备,但其内部粉尘扩散的区域形状极为复杂,无法做出准确的几何模型。因此本文对工作面区域进行以下适当的简化,将工作面粉尘扩散计算区域简化为一个工作面长30m、宽3.5m、高2m,回风巷长30m、宽3.5m、高2m的长方体计算区域,采煤机简化为长2.5m、宽7.5m、高1.3m的长方体计算区域,使用GAMBIT2.2建立割煤时三维几何模型。其三维视图、断面尺寸见图1、图2。

考虑计算精度问题,计算网格间距确定为0.1m,共计521360个网格,最大网格体积0.74888710-3(m3),体积小于0.110-3(m3)的网格占总数的76.50%,网格的大小能够满足计算精度的要求,大部分网格为结构化网格,网格形状比较规则,质量保持较高的水平。

1.2 粉尘运动的运动方程

在综采工作面中,尘粒在气流中运动的基本动力之一是气流的运动,因此,描述气固两相流动的全部物理现象是气流的运动方程和尘粒的运动方程。

1.2.1 气体运动方程

对于不可压缩粘性气体运动方程为

$\rho {}_g\frac{dU{}_g}{dt}=F+{\rm P}+\mu {}_g\Delta U{}_g$ (1)

式中:ρg气体密度,kg/m3;

Ug气体的运动速度矢量,m/s;

t气体的运动时间,s;

F单位体积上气体的质量力矢量,N/m3;

P气体的压力矢量,Pa(P表示压力梯度);

μg气体的粘性系数,Ns/m2。

1.2.2 尘粒的运动方程

由牛顿第二定律得到尘粒的运动方程为[11]:

$m{}_p=\frac{dU{}_{{\rm P}}}{dt}=F{}_d+F{}_f+F{}_g+F{}_x$ (2)

式中:mp颗粒的质量, kg;

UP颗粒的运动速度,m/s;

t时间,s;

Fd颗粒在气流中所受的阻力,N;

Ff颗粒所受的浮力,N;

Fg颗粒所受的重力,N;

Fx颗粒所受的其他作用力,N。

颗粒所受的其它作用力包括:气相流场的压力梯度引起的作用力Fp,气相流场的速度梯度引起的作用力FS,又称saffmen升力,尘粒由于自转而引起的Magnus 升力Fm,气固两相间相对加速度引起的附加质量力Fa,气流湍动引起的作用力Ft等,通过量阶分析可知,粉尘浓度较低的情况下,阻力、重力、浮力为主要作用力,其它各力的量级很小,可忽略不计。

1.3 FLUENT数值模拟的数学模型

考虑到综采工作面空间中粉尘在气流中的运动,一般工作面上粉尘的体积百分比不超过1%,局部浓度也不会大于10%,其对连续相的作用可以忽略不计,因此采用欧拉-拉格朗日方法中的离散相模型。

1.3.1 颗粒运动方程

FLUENT中通过积分拉氏坐标系下的颗粒作用力微分方程来求解离散相颗粒(液滴或气泡)的轨道。颗粒的作用力平衡方程(颗粒惯性=作用在颗粒上的各种力)在笛卡尔坐标系下的形式(x方向)为[11]:

$\frac{du{}_p}{dt}=F{}_D(u-u{}_p)+\frac{g{}_x(\rho {}_p-\rho )}{\rho {}_p}+F{}_x$ (3)

式中:FD(u-up)颗粒的单位质量曳力,N;

$\frac{g{}_x(\rho {}_p-\rho )}{\rho {}_p}$颗粒的单位质量重力和浮力之差;

Fx单位质量的其他作用力,包括视质量力、Magnus升力、热泳力、布朗力、Saffman升力等作用力,这些力数量级很小所以忽略不计。

1.3.2 湍流流动中颗粒的轨道方程的积分

当流动状态为湍流时,FLUENT使用流体的时均速度$\overline{u}$,通过轨迹方程来计算颗粒的轨道。颗粒轨迹方程以及描述颗粒质量/热量传递的附加方程都是在离散的时间步长上逐步进行积分运算求解的。对方程(3)积分就得到了颗粒轨道上每一个位置上的颗粒速度。颗粒轨道通过下式可以得到:

$\frac{dx}{dt}=u{}_p$ (4)

这个方程与方程(3)相似,沿着每个坐标方向求解此方程就得到了离散相的轨迹。假设在每一个小的实际间隔内,包含体力在内的各项均保持为常量,颗粒的轨道方程可以简写为:

$\frac{du{}_p}{dt}=\frac{1}{\tau {}_p}(u-u{}_p)$ (5)

其中τp为颗粒松弛时间。FLUENT应用梯形差分格式对方程(5)积分:

$\frac{u{}_p^{n+1}-u{}_p^n}{\Delta t}=\frac{1}{\tau }(u{}^{*}-u{}_p^{p+1})+\cdots$ (6)

式中,n代表第n次迭代步,并且有

$u{}^{*}=\frac{1}{2}(u{}^n+u{}^{n+1})$ (7)

un+1=un+Δtu${}_p^n$∇un (8)

在一个给定的时刻,同时求解方程(7)和(8)以确定颗粒的速度与位置。

1.3.3 颗粒的湍流扩散

当流动状态为湍流时,FLUENT使用流体的时均速度$\overline{u}$,通过轨迹方程来计算颗粒的轨道。还要通过考虑流体速度脉动引致的瞬时速度

$u=\overline{u}+u^{\prime }$ (9)

来计算由于流体湍流引致的颗粒扩散。FLUENT采用随机的方法(随机游走模型)来确定颗粒的湍流扩散即采用随机轨道模型进行模拟。

1.3.4 随机轨道模型

在随机轨道模型中,沿着颗粒轨道,FLUENT在积分计算过程中,颗粒轨道方程中的流体速度为瞬时速度$\overline{u}+u^{\prime }(t)$,这样,就可以考虑颗粒的湍流扩散。通过这种方法计算足够多的代表性颗粒的轨迹,湍流对颗粒的随机性影响就可以得到考虑。FLUENT使用了离散随机游走模型,在此种模型中,假定流体的脉动速度是关于时间的分段常量函数。在流体涡的特征生存时间间隔内,这个速度脉动保持为常量。

1.3.5 积分时间

颗粒湍流扩散的计算应用了积分时间尺度T的概念,T表示的是颗粒沿着其运动轨迹ds处于湍流运动状态所经历的时间:

${\rm T}{}_L=C{}_L\frac{k}{\epsilon }{\rm T}={\displaystyle {\int }_0^{\infty }\frac{u^{\prime }{}_p{u}^{\prime }{}_p(t+s)}{\overline{(u^{\prime }{}_p){}^2}}}ds$ (10)

积分时间与颗粒的湍流扩散率成正比,T值越大就表明颗粒在流动过程中处于湍流状态时间越长。由式(10)可知颗粒的湍流扩散率可写作$\overline{u^{\prime }{}_i{u}^{\prime }{}_j}{\rm T}$。

对于在流动区域中具有良好跟踪性(相间滑移速度接近于零)的细小颗粒,颗粒的积分时间尺度就变为流体的拉格朗日积分时间尺度TL,可近似为:

${\rm T}{}_L=C{}_L\frac{k}{\epsilon }$ (11)

其中,CL是未知量,并且难以确定。通过比较具有良好跟踪性能颗粒的扩散率$\overline{u^{\prime }{}_i{u}^{\prime }{}_j}{\rm T}$和由湍流模型计算得到的标量扩散率υt/σ,对于k-ε模型以及由其衍生的各种湍流模型,我们就得到:

${\rm T}{}_L\approx 0.15\frac{k}{\epsilon }$ (12)

1.4 数值模拟参数及边界条件的设定

空气密度为1.225kg/m3,粘性系数为1.81e-05 Pa.s,大气压力为101325Pa,重力加速度为y方向-10 m/s2,入口界面类型为速度入口,入口速度大小为4m/s,水力直径为2.545m,湍流强度为3.55%,出口界面类型设为出流,壁面为无滑移剪切条件;离散相模型参数,相间耦合频率为10,迭代步数设为5000,步长为0.01m,离散型选择圆球拽力定律;射流源为x=0的截面,煤尘密度为1500 kg/m3,粒径分布范围1-100μm,中位径为25μm,服从罗森分布,以0.01 kg/s的速度产生。

2 计算结果及分析

通过612步迭代实现残差收敛,如图3所示,良好的收敛性证明模型及参数选择的正确性。

2.1 巷道粉尘浓度分布

巷道中粉尘浓度分布如图4所示,从图中可以看出滚筒截割煤体产生的粉尘,一方面顺着风流运动,一方面横向随机扩散。煤尘扩散速度有限,更多的粉尘仍然是沿煤壁附近的巷道一侧运动,并不断沉降,在工作面与回风巷拐弯处形成粉尘浓度不稳定区,回风巷内粉尘浓度分布比较均匀,但随着粉尘的不断沉降,粉尘浓度逐渐降低。

2.2 呼吸带高度处粉尘浓度沿程变化

呼吸带高度处粉尘浓度沿程变化如图5所示,从图中可以看出粉尘浓度在采煤机前方5m处基本没有粉尘,但随着前侧滚筒的割煤,粉尘浓度迅速上升,在司机后方10-20m处粉尘浓度达到最大,然后粉尘浓度有明显下降,在司机后30m趋于稳定,在40-50m处也就是工作面与回风巷的拐弯处粉尘浓度有些变化,过了50m之后粉尘浓度变化不大,这也与中国矿大的徐景德[4]现场测定数据绘制了粉尘浓度变化曲线基本一致。由于工作面环境恶劣,粉尘浓度传感器不能安放在工作面处,因此只能安放在回风巷侧,虽然工作面与回风巷拐弯处粉尘浓度较大,但粉尘浓度分布不均匀,而在回风巷10-20m范围内随着大颗粒粉尘的沉降,粉尘浓度分布比较均匀,因此粉尘浓度传感器最好安放在回风巷侧10-20m范围内。

3 结论

(1)根据气体、尘粒运动方程,采用欧拉-拉格朗日方法中的离散相模型,求出粉尘在二维巷道中的分布,并对巷道内粉尘分布情况进行了仔细研究。

(2)本仿真实验忽略了实际巷道中壁面的粗糙度、巷道断面的形状,并且简化了几何模型,同时,没有考虑支架移架产生的粉尘,因此仿真结果与实际结果有差距,但仿真出的粉尘浓度分布情况与实际情况是基本一致的。

(3)仿真结果对于传感器的布置提供了理论依据,回采工作面粉尘浓度传感器应放置在距回采工作面的距离小于或等于10m的位置。

摘要：为给煤矿井下采煤工作面上粉尘浓度传感器的安放位置提供理论依据,建立了回采工作面巷道几何模型,根据气体、尘粒运动方程和欧拉-拉格朗日方法中的离散相模型,采用Fluent软件仿真井下采煤工作面及回风巷粉尘浓度的分布情况。仿真结果表明:粉尘在司机后方10-20m处粉尘浓度达到最大,在司机30m后趋于稳定,粉尘传感器应放置在回风巷距综采工作面的距离小于或等于10m的位置。

关键词：粉尘浓度,传感器,综采工作面,Fluent

参考文献

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光散射法粉尘浓度检测的探讨 第5篇

粉尘颗粒的范围很广泛, 颗粒大小从纳米级到数千微米范围, 它们对环境污染、能源消耗、人类健康、产品质量、生物生长、疾病防控、气候变化等都有很重大影响。对粉尘颗粒大小、数量或浓度的测量在国民活动中具有非常重要的意义, 也是需要得到广泛推广、运用和优化的技术。

2 光散射法粉尘颗粒检测原理

粉尘颗粒检测方法有多种:称重法, 光闪射法, β射线法, 微量振荡天平法, 等等。这几种方法中, 光散射法具有检测速度快速、重复性好、数据处理及时等优势, 在粉尘浓度检测中得到广泛运用。

光散射是指光线通过不均匀的介质而偏离其原来的传播方向并散开到所有方向的现象。

粉尘颗粒通过光照射时会产生散射光, 颗粒大时散射光信号强, 散射光光强与颗粒粒径成正比。当光波在悬浮有颗粒的空气中穿过时, 会有折射和吸收等特性而出现能量耗散, 光强而达到衰减。可用BLBL定律描述:

这里:τ称为介质的浊度, l是光波通过介质的距离。T=τ·l称为光波传播方向的光学厚度。

光散射的规律比较复杂, 当光学厚度T<0.1时, 颗粒之间的距离足够大, 以至于一个颗粒的散射不会因为其他颗粒的存在而受到影响, 单散射占绝对优势;当光学厚度T>0.3时, 复散射起绝对作用;当0.3>T>0.1时, 可按单散射处理, 但需适当修正。为了更准确的检测空气中悬浮颗粒的浓度, 光学厚度T尽量缩小。

一个颗粒单位时间内散射的全部光能量Esca等于入射光单位时间内投射到该颗粒散射截面上的能量。

这里:Csca散射截面, Esca散射光能量, I0入射光强, Sp光传播方向的投影面积。

一个颗粒单位时间内散射的全部光能量与投射到该颗粒全部光能量之比为散射系数:

一个颗粒单位时间内从原始的入射光中消除的总能量为:

消光系数为:

单位体积内的总颗粒数:

颗粒浊度:

3 不同环境状态下的粉尘浓度检测方法

根据以上光散射粉尘浓度检测原理, 不同的粉尘浓度的光学特性不同, 所以检测方法不一样。

3.1 低浓度粉尘颗粒检测

在洁净空气中, 悬浮的颗粒浓度较低, 当光线照射到采样的流动空气时, 悬浮的颗粒会鱼贯穿过设计为较窄小的光线, 光电传感器检测到每个颗粒的光能量Esca并将光能转化为电信号, 根据式 (2) , 电信号的强度与颗粒大小Csca散射截面成正比, 电信号的数量即是颗粒数量, 按式 (6) 可计算出颗粒数浓度。

在洁净的空气环境中, 因单个颗粒的Eext非常小, 消光系数Kext非常小, 所以, 颗粒浊度τ非常小, 在洁净环境中不宜采用颗粒浊度τ来评价环境。只能以颗粒大小和数量来衡量环境状态。这种检测仪器一般采用尘埃粒子计数器来检测空气环境中悬浮颗粒的大小和数量。

3.2 高浓度多分散粉尘颗粒检测

在较高粉尘浓度的空气中, 因悬浮的颗粒间距很小, 有的甚至为重叠, 光学厚度T>0.1, 在光照射下颗粒会出现复散射, 这种环境检测颗粒直径和颗粒数误差很大, 只能检测环境颗粒的浊度τ。

当光线照射到采样的流动空气时, 悬浮的颗粒会一批一批的穿过设计为较窄小的光线, 光电传感器检测到的是颗粒群的光能量Esca并将光能转化为电信号, 根据式 (4) , 电信号的强度与颗粒群的消光能力Cext消光截面成正比, 电信号的量即是颗粒的总浊度τ, 按式 (7) 可计算出颗粒浊度。

在浓度检测时, 尽量合理设计光通过介质的距离, 尽量减小光学厚度T, 通过校准可很准确检测出体积浓度。这种环境一般采用粉尘检测仪来检测环境的单位体积内粉尘的体积 (ml/m3) 或单位体积内粉尘的质量 (mg/m3) 。

如果在空气环境颗粒较高浓度的情况下必须检测颗粒大小和颗粒数时, 可采用洁净空气稀释办法, 将颗粒浓度高的空气按流量比例稀释为含尘浓度较低的空气, 采用尘埃粒子计数器检测颗粒大小和数量, 将检测结果再乘以稀释比, 就可还原为较高环境的颗粒粒径和数量。这种检测方法因被检测的空气经过的环节较多, 误差会较大。

4 结论

(1) 对于洁净环境, 粉尘浓度较低, 一般采用尘埃粒子计数器来检测环境的悬浮颗粒大小和数量。

(2) 对于较高浓度粉尘环境, 一般采用粉尘检测仪来检测空气环境的粉尘体积浓度或质量浓度。也可采用稀释器的办法将被测空气稀释后检测颗粒大小和数量。

摘要：本文简单介绍了光散射粉尘检测的原理, 提出了光散射法在不同粉尘浓度环境下的检测方法。

关键词：粉尘浓度检测,光散射,散射光能量,入射光能量,颗粒数浓度,体积浓度,质量浓度

参考文献

[1]陈戈珩, 刘小贝.光散射法低功耗粉尘检测系统.长春工业大学学报:自然科学版, 2016, 37 (3) :246~251.

[2]胡澄, 邹丽新, 季晶晶, 黄惠杰.基于光散射的粉尘浓度测量的研究.洁净与空调技术, 2003.

电容法测量工业粉尘浓度技术研究 第6篇

1 电容法测量原理

电容法测量粉尘浓度,即用电容传感器探头[2]测量颗粒浓度。电容器是由两个电极及其间的介电材料所构成的。介电材料是一种电介质,当被置于两块带有等量异性电荷的平行极板间的电场中时,由于极化而在介质表面产生极化电荷,遂使束缚在极板上的电荷相应增加,维持极板间的电位差不变。电容的电容量与极板面积和介电材料的介电常数 ε 成正比,与介电材料厚度成反比。其相关关系为

式中,ε 为相对介电常数; s为电容极板的正对面积; d为电容极板间的距离; k为静电力常量,k = 8. 988 ×109N·m2/ C2。

由于k为常数,s和d均为可设置固定的参数,因此令,即C = k0ε。当k0一定时,介质的改变会造成介电常数 ε 的改变,从而使得电容值C有相应的改变。电容法测量工业粉尘浓度就是基于不同浓度时其介电常数不同,对应电容值不同导致电容器电极间的电位差不同这一原理进行测量的,原理方框图如图1 所示。

当电容传感器处在无尘情况下,电容的初始值用C0表示,即C0= k0εg。其中 εg为空气的相对介电常数; 当电容传感器处在含尘情况下时,电容传感器相应的物理模型如图2 所示。

电容值用C1表示,即C1= k0ε,其中 ε 为空气和粉尘混合后的等效介电常数。其等效介电常数可表示为

式中,εs为粉尘的相对介电常数; εg为空气的相对介电常数; Vs为电容极板间粉尘的体积; Vg为电容极板间空气的体积; V为电容极板间的总体积,V = Vs+ Vg。

因此电容值的变化量可用 ΔC表示,即 ΔC = C1-C0,通过分析计算可得

粉尘和空气的相对介电常数虽然会随着温度和空气湿度的不同而发生变化,但在固定测量环境时其均为定值,其差值也是一定值,k0可通过设置固定电容器大小等因素固定其大小。因此,电容值的变化量仅与电容极板间所含粉尘的体积量相关,而粉尘体积Vs又能直观反映出粉尘的浓度。当粉尘浓度增大时,电容差变大; 反之,则减小。故通过测得电容传感器的电容变化量便可描述出被测粉尘浓度的变化。

由于粉尘浓度的变化所导致电容差值的改变量无法直接观察,在完成检测部分之后需要转换部分将电容值转换成对应的电压值输出。因此,设计了合理的测量电路较好的将浓度变化引起的电容改变量表达出来。

2 电容测量系统与电路设计

通过电容法对工业粉尘浓度进行测量,设计粉尘浓度测试系统主要由粉尘被测区域、测量电路与输出3 个部分组成,其系统框图如图3 所示。

粉尘被测区域中将电容传感器放置在待测浓度粉尘区域的位置进行测量,电容传感器由两块大小相同的电极板组成,将电极板平行放置在粉尘发生区域,通过加入粉尘改变介电常数来改变电容值大小,形成介质变化型电容式传感器。考虑到系统灵敏度以及实验的可操作性,在电容传感器设计时采用不同大小的极板进行测量,对比分析采用了长度L1= 40 cm,宽度L2= 34 cm的电极板,设置极板间距离d = 2 cm。由于测量原理采用求电容差的方式进行,为了减少测量环境因素和不同电容材质导致的测量误差,因此在测量系统设计中,需要设计参考电容C2,采用相同的工艺制作出和测量采用的电容传感器相同的电容,将其固定放置在和被测区域相同温度、湿度的不含尘环境下保护。

测量电路是电容法测量粉尘浓度的核心部分,其连接电容式传感器,将传感器得到的电容改变值以电压的形式表达出来,因此测量电路的合理设计是粉尘浓度测量结果准确性的关键因素。测量电路采用电桥式模型[3],对采集到的微弱信号进行放大处理,从而能够实现对电容量微弱变化的感知。设计电路原理如图4所示,其中ui为测量电路提供静态工作点,为微弱电容量的变化提供基础平台; C1是粉尘待测区域的平行板电容; C2是参考电容; uo是测量电路的输出电压,其值的变化能反映出电容C1的变化情况,从而间接反映出待测区域粉尘浓度的变化。

测试前首先调整电阻Ra与Rb,使得Ra=Rb。在无粉尘时首先调整电容,使得C1=C2,此时输出电压uo=0。

由于粉尘浓度的变化,C1数值会发生变化,设C1= C2+ ΔC,通过计算可得到输出电压和电容差的相关关系为

因此输出电压值可反映出电容值的改变,间接反映出粉尘浓度的变化信息。电容法测量工业粉尘浓度结果的准确性[4]是测量的关键性因素,同时为达到灵敏度高、实时性好、测量范围广、适用性强的目的,对电源进行选取并对放大电路进行设计。

对粉尘浓度的测量一般是在浓度变化比较快的情况下,不采用直流供电是因为直流电对测量电路进行供电时,电容大小通过电容充放电时间计算,τ = RC,当t = 4 ~ 5τ 时,电容充电值达到电源电压的,充电基本结束。同时放电时间t = 4 ~ 5τ 时,认为耗能完成。充放电时间过长会影响测量灵敏度,降低了测量结果的准确性。因此测量电路中采用函数信号发生器给测量电路输入频率为1 k Hz的正弦波信号,幅值为± 12. 39 V,对动态测量时具有较好的跟随性。

在进行测试时,由于较短时间内粉尘浓度的变化比较微弱,因此为了对此微弱信号进行有效的测量,设计引入差分放大的设计思想,如图4 所示,测量电路的放大部分可有效放大差模信号,抑制共模信号。从而实现对微弱信号的检测[5]。差模放大倍数数值越大,共模抑制比越高。另外,采用此方法进行实验大幅减小了数据模型转换中存在的误差、可靠性也较高。为有效的实现测量,设计选择运放的性能直接影响最终的测量结果。本测试为微弱信号的检测,因此选择的运放需要为低噪声器件。在测试时,粉尘浓度处于实时变化的环境中,因此选择的运放需要为高响应器件。在差分放大中要保证差分输入的一致性,则选取运放的一致性要较好。基于上述设计需求,设计选用MGA -633P8 型运算放大器。在使用中为保证测试的精度,选择的电阻Ra与Rb的数值不宜过大,从而保证电阻阻值的稳定性,宜选择小于50 kΩ,电阻阻值过小会增大系统的功耗,因此不宜过小,选择大于1 kΩ。在实验中,通过调整R2的数值,使得放大倍数在合适的范围内。

3 实验与数据分析

本实验采用XHY - B型函数信号发生器/频率计给测量电路输入1 k Hz正弦波信号,幅值为 ± 12. 39 V。此函数信号发生器的读数直观、精确、性能稳定、操作方便; 频率输出范围0 ~ 100 Hz; 波形失真度为0. 5% ;电压输出范围为0 ~ 50 V; 电压测量准确度为 ± 0. 5%满量程; 频率测量准确度为 ± 0. 5% ; 电源220 V ±10% ; 工作环境温度为0 ~ 40 ℃ ; 相对湿度≤80% 。实验采用数字示波器对输出电压进行显示,测量中待测区域电容传感器初始电容值与试验中参考电容值设置相同。 以空气作为介质,参考电容大小设置为60. 21 p F。

实验通过将电容传感器C1放置在不同质量浓度的粉尘发生区域进行测量,获得相对应的电压差变化量。从C1不含尘开始测量观察电压差,逐步改变浓度值,测量不同质量的粉尘进行多次测量观察并记录电压差的变化,直到在大量粉尘浓度环境下进行测量,分别记录不同浓度时实验所得数据。具体的实验过程部分记录如下:

( 1) 将C1置于无粉尘环境时,即以空气为介质时,所测电压差接近uo= 0 V,如图5( a) 所示;

( 2) 将置于不同浓度粉尘环境时,即以空气和粉尘的混合物为介质时,示波器显示结果如图5( b) 和图5( c) 所示;

( 3) 将置于大量粉尘环境时,即粉尘浓度很高时,其电压的变化量更大,示波器显示结果如图5 ( d)所示。

通过观察对比实验显示结果可知,此结果与理论分析结果一致,随着粉尘浓度的不断增大,其电压差从起初接近0 V开始逐渐增大,故根据所测电压差表示浓度的变化值切实可行。因此又重复进行了大量精确性实验,研究电容法测量工业粉尘时输出电压值与粉尘浓度的关系,并标定[6]其结果的准确性。

本次实验在变化的粉尘浓度环境下进行测量,通过采集不同浓度时的电压值,分析其对应关系,表1 为实验中记录不同粉尘浓度和对应电压差。

将所得两组数据在Matlab中进行拟合,得到电压差与粉尘浓度的关系,其拟合结果如图6 所示。

拟合函数关系为

所得结果初步表明了电容法测量工业粉尘浓度测量系统所得电压差与实际粉尘浓度的函数关系,但其结果的可信度仍需进一步明确,对于所存在的误差也需要进行进一步分析。因此,为验证其拟合函数的准确性,下面给出一组粉尘浓度的实验数据来验证该实验,将已知浓度下所获得的电压差和上述结果得到的测量浓度值记录于表2中,并计算其测量误差[7]。

通过表2 可看出,本实验测量粉尘浓度的测量误差较小,这样的误差完全满足一般浓度较高的粉尘浓度测量要求。因此,进一步证明了所得电压差和工业粉尘浓度的拟合函数关系是有效的,明确了电容法测量工业粉尘浓度的可靠性。

4 结束语

本文主要是对电容法测量工业粉尘浓度的方法进行研究,从电容法测量粉尘浓度的原理入手,设计测量系统电路,通过实验的方法得到输出电压值与粉尘浓度的关系并标定其结果的准确性。通过对电容法测量工业粉尘浓度的实验研究可知,电容法测量工业粉尘浓度已不只是在理论上被认可,且在具体的实验分析与研究中也已被肯定了其可行性。但由于一些实验设备、实验条件的限制,本实验仍不完善,还需进一步的研究分析。

参考文献

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[5]贺艳停,向晓东,胡秋玮.基于超低电容特性的微尘在线监测技术研究[J].环境保护科学,2012,38(6):6-8,32.

[6]杨威.烟气在线监测系统(CEMS)在环境管理中的应用研究[D].大连:大连理工大学,2013.

粉尘浓度传感器 第7篇

1 对象与方法

1.1 对象

选取佛山地区某陶瓷企业原料车间球浆作业岗位为研究对象, 并对其空气中粉尘含量进行采样与检验。

1.2 方法

1.2.1 准备

采样器电源充足电, 确保设备正常运行。把孔径为5μm的PVC滤膜放置干燥器内2 h以上, 先用镊子取下滤膜两面的夹衬纸 (定点采样用￠40 mm滤膜, 个体采样用￠25 mm滤膜) , 均用十万分之一精度的分析天平称量滤膜采样前质量, 并放入滤膜盒内进行编号, 滤膜毛面朝进气口方向, 安置平整后放进采样头。

1.2.2 现场采样

执行《工作场所空气中有害物质监测的采样规范》 (GBZ 159-2004) 、《工作场所空气中粉尘测定》 (GBZ/T 192.1~4-2007) 标准要求进行选点采样, 确定采样时间和流量后开始采样。采样过程应根据空气中粉尘浓度现场情况, 选用适宜的采样夹和采集时间, ￠40 mm滤膜的粉尘采集增重量不大于10 mg, ￠25 mm滤膜的粉尘采集增重量不大于5 mg[4]。

1.2.3 粉尘分散度检测

执行标准GBZ/T192.3-2007, 使用PVC滤膜采集粉尘。采集工作结束后滤膜放入坩埚, 吸入1~2 ml乙酸丁酯搅拌成均匀混悬液。即刻用滴管吸1滴于载物玻片, 并用另一载物玻片45°角推片, 乙酸丁酯挥发后即刻制成粉尘标本, 做好标识。使用目镜测微尺标定并按公式:D=a/b×10计算间距数值, 式中:D-目镜测微尺刻度的间距数值, μm;a-测微尺 (物镜) 刻度值;b-测微尺 (目镜) 刻度值;10-测微尺 (物镜) 每刻度间距数值, μm。粉尘分散度的测量:粉尘标本放载物台后先使用低倍镜查看粉尘颗粒, 然后放大倍率观察, 最后用目镜测微尺随机一次性测量每颗粉尘大小, 至少测量200个尘粒。

1.3 主要仪器

QCD-1500型空气采样器、LFS-113DC个体空气采样器、Sartorius BP211D型电子天平及奥林巴斯BX53等。

1.4 质量控制措施

样品采集后, 把滤膜的接尘面对折2次, 放入滤膜盒保存, 携带运输环节应避免粉尘脱落或二次污染;采样记录应包含采样时间、地点、样品编号、采样流量、温湿度及防尘措施等内容;样品放入干燥器皿内2 h以上, 除静电后使用十万分之一精度的分析天平测量。

2 结果

2.1 空气中粉尘浓度

滤膜采样前后质量的增量即为采集粉尘质量, 滤膜增量 (粉尘质量) 除以相应采样体积, 即为工作场所相应采样点的粉尘浓度, 见表1、表2。对检测结果及相关原始记录进行严格审核后出具检测报告。

2.2 粉尘分散度

此次粉尘分散度检测共测量了344个尘粒, 结果见表3。依据《粒度分析结果的表述第1部分:图形表征》 (GB/T 15445.1-2008) , 以其频率直方分布图和累积分布图表述粉尘检测结果, 见图1, 分布显示粒径为<5μm的颗粒累积占96.80%。

3 讨论

粉尘采样及检测过程均严格按照《中华人民共和国标准化法》《中华人民共和国计量法》等法律法规的规定, 依据中国合格评定国家认可委员会 (CNAS) 和实验室资质认定 (CMA) 要求, 检测工作各环节都能执行质量管理体系规定, 按照作业指导书完成相应检测内容。此次粉尘分散度检测结果表明:测定粉尘中有大部分 (96.80%) 粒径小于5μm的颗粒极可能未被5μm孔径的PVC滤膜捕集。表1、表2的结果不能真实反映该采样点粉尘浓度的实际情况。

目前, 工作场所空气中粉尘分散度测定方法是《工作场所空气中粉尘测定第3部分:粉尘分散度》 (GBZ/T 192.2-2007) 。《工作场所空气中粉尘测定第1部分:总粉尘浓度》 (GBZ/T 192.1-2007) 、《工作场所空气中粉尘测定第2部分:呼吸性粉尘浓度》 (GBZ/T 192.2-2007) 及《工作场所空气中有害物质监测的采样规范》 (GBZ 159-2004) 相关标准中都未明确指出粉尘浓度检测前必须测定其分散度, 也未见有采样滤膜孔径的具体使用规定。而实际检测过程, 粉尘分散度对其检测结果的合理性极可能会有影响[5]。因此, 在粉尘分散度未知情况下进行检测时, 应首先了解其分散度情况, 选用适宜的方法及采样介质, 尤其是孔径合理的滤膜。由此检测结果才能真实反映工作场所采样点的粉尘浓度, 并严格按照《中华人民共和国职业病防治法》相关规定, 定期开展粉尘浓度的监测, 同时进行科学防护。

参考文献

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粉尘浓度传感器 第8篇

1 采煤工作面粉尘浓度现场实测

采用滤膜质量浓度法对开滦集团林南仓矿采煤工作面进行粉尘浓度分布的实际测定。其测尘原理为:在一定的时间内,使用电动抽气机使一定体积的含尘空气通过事先已经测出质量的滤膜,这样粉尘就会被阻留在滤膜上,然后通过测量采气量和计算阻留在滤膜上粉尘的质量,利用式(1)计算出含尘空气的粉尘浓度。工作面顺风割煤时采样测点的布置如图1所示,逆风割煤时的采样点布置与顺风割煤时相似。

式中,c为采样点粉尘浓度;m1、m2分别为采样前、后的滤膜质量;Q为采样流量;t为采样时间。

按照滤膜质量浓度法测定各组数据,每组数据均经过多次测定后取平均值,逆风割煤时测定方法和测定点与顺风割煤时相似。以采煤机中部为坐标原点,上风侧坐标取负值,下风侧取正值,综合统计多次测定,绘制出的粉尘浓度曲线如图2、图3所示。

由图2和图3可以看出:顺风割煤时在采煤机处粉尘浓度最小,下风侧10 m处粉尘浓度最大,下风侧10 m后浓度迅速下降,到下风侧20 m处基本稳定,以后浓度变化不大,稳定在200～300 mg/m3。逆风割煤时与顺风割煤在各点的粉尘浓度大小与分布规律大致相似,从割煤机处开始,向下风侧浓度逐渐增高,下风侧10 m处以后粉尘浓度迅速增大,在滚筒下风向20 m附近达到最大值,然后再迅速降低,至30 m后浓度基本上趋于稳定。

2 粉尘运动模拟数学模型确定

气固两相流动的数值模拟有单流体模型、双流体模型和欧拉拉格朗日模型3类基本模型。Fluent中两相流计算中常用的模型有离散相模型、混合物模型、欧拉模型和VOF模型。由于林南仓矿粉尘的产尘量小于10 g/s,工作面上的粉尘体积比例也小于0.1%,局部粉尘浓度也比较小,不大于10%,它对连续相的作用基本上可以忽略不计,因此,该矿的情况适合用欧拉拉格朗日模型中的离散相模型来模拟粉尘颗粒的运动规律和粉尘浓度的分布情况。

DPM是一种属于欧拉拉格朗日模型的离散相模型,该模型计算时用欧拉方法描述气相流场,而在描述粉尘颗粒运动时用拉格朗日法。具体到本次研究,采用的SIMPLEC算法进行连续相的流场计算,粉尘颗粒轨迹跟踪用DPM模型完成。在连续相流场中,颗粒的运动既要受到气流湍流脉动的影响还要受到平均流场产生的阻力影响。湍流模型进行模拟时只能在统计平均意义上表现粉尘湍流的大致特征,不能很好地反映湍流流动的细节,而用DPM模型计算出单一的粉尘颗粒运动规律又没有实际的意义,不过大量粉尘颗粒的运动轨迹的统计却能够反映出粉尘在气相流中的运动情况。

3 数值模拟及结果

由于林南仓矿1186工作面有采煤机等各种设备,内部粉尘扩散的区域形状极为复杂。因此,模拟时对工作面粉尘扩散计算区间进行适当简化,将工作面巷道、采煤机视为规则的长方体,不考虑巷道下帮的风管、水管等其对风流的影响,胶带、支架等简化认为平面边界。

用Gamb it建立巷道的几何模型,并划分计算网格,用Fluent进行解算,根据林南仓矿1 186工作面特点和通风、粉尘等实际情况确定模拟的边界条件见表1,颗粒元参数见表2。

按照以上模型及参数设置,由Fluent软件运算后得到工作面巷道粉尘浓度分布如图4所示。图4中长方体代表巷道模型,不同灰度代表的是粉尘浓度的大小。实测全尘浓度和模拟全尘浓度对比情况如图5、图6所示。

从图5和图6可以看出,无论是顺风割煤还是逆风割煤,实测粉尘浓度分布规律与数值模拟计算的采煤工作面粉尘浓度规律均有比较好的吻合,实测的全尘浓度与模拟计算的全尘浓度值也大致相似,个别测点的粉尘浓度有微小的差异,考虑到现场复杂的实际条件和一些没有考虑到因素的影响以及计算机模拟自身的局限性,实测与模拟的个别微小差异是可以接受的。

4 结论

(1)通过CFD软件Fluent对粉尘运动进行的数值模拟和现场实测可知:采煤工作面顺风割煤时割煤机滚筒下风侧10 m处全尘浓度最大,超过800mg/m3;逆风割煤时,割煤机滚筒下风侧20 m处全尘浓度最大,最大值达800 mg/m3。粉尘在风流作用下沿巷道全断面不断地排出,当风流在割煤机绕过时,风流速度的方向急剧改变,形成紊乱的涡流现象,从而造成粉尘的漂浮,难以沉降,弥散到整个巷道。

(2)根据实测和模拟结果,采煤工作面除尘重点位置应位于采煤机下风侧10 m以内、靠近煤壁的一侧,在粉尘未完全扩散到整个巷道之前采取措施将其除去。

(3)通过数值模拟计算出的采煤工作面粉尘浓度与现场实测的结果基本一致,由模拟计算结果得到工作面粉尘更加详细的数据,可以弥补单一现场监测方法预见性较弱的缺陷,分析巷道粉尘浓度基本变化规律和分布特征,为采煤工作面除尘提供科学的理论依据。

参考文献

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