金属粉尘浓度检测技术探究

王欢

（中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037；重庆安标检测研究院有限公司，重庆 401325）

0 引言

作业场所金属粉尘可以带来一定的安全隐患，因此在实际作业过程中，工作人员必须重视粉尘浓度。然而目前，我国对金属粉尘浓度检测的研究仍存在很大提升空间，对现有资料进行整理发现，光散射技术与电荷感应技术在金属粉尘浓度检测工作中的应用频率最高，但是在矿山检测应用方面存在较大研究空间，这一情况的存在为工作人员开展后续研究指明了方向。

1 光散射法检测技术基本原理

光散射是指光在介质中传播时，受介质均匀度影响而导致传播方向出现变化，并且各个传播方向都会产生光传播现象。平行光进入粉尘颗粒后会出现散射现象，在对其进行测量时，应将散射光信号转变为电信号，在此过程中需要借助光电传感器[1]。常用光电传感器为光电二极管，受光照影响，光电二极管只会产生微弱电流，在使用放大电流，就可以将微弱电流转变为电压，在将其放大到一定数值后，就可以进行计算，了解粉尘浓度，其基本原理如图1 所示。

图1 散射法基本原理

光的本质为电磁波，可以借助麦克斯韦电磁场方程组了解在介质中，光的传播规律与特性。在耗散介质中，可以借助朗博-比尔定律表示光的传播特性，见式（1）。

式中：T——介质浊度；t——光学厚度，t=T·l；l——介质中光波的传播距离。

在实验时，将单个粉尘颗粒看成球形，直径为d，入射光光强为I0，散射光光强为I，可得式（2）。

式中：r——与粉尘颗粒之间的距离；θ——与光轴之间的散射角；k——波数。

假设浓度为c，体积为V 的粉尘散射系被光照射后，可使用公式（4）计算粉尘颗粒散射光强。

计算后可获得粉尘浓度，见式（5）。

借助检测，还可以分析出光散射前后的强度变化，在经过进一步计算就可以获得粉尘浓度。

2 电荷感应检测技术基本原理

金属粉尘自身自带电荷，静电感应将导致导体内自由电荷因电力场影响而进行重新分布，使导体内部正负电荷分离，促使电荷由一部分转移到另一部分，形成感应电流。此原理为电荷粉尘检测基本原理[2]。

在实际检测过程中，工作人员可以使用交流耦合技术来完成实际检测工作。交流耦合只会提取电荷感应作用所产生交流信号，需要过滤其中存在的直流信号。当带电粉尘通过金属环状电极后，在金属另一个表面将出现电荷聚集。通常情况下，感应起电电荷量与粉尘浓度二者之间属于正相关关系，大量粉尘经过感应电极后，会不断在其周围聚集，信号会被放大，即在实际工作中，可以通过分析交变电信号变化来完成粉尘浓度检测。

不论粉尘颗粒直径多大，在气固两相流中，经过被测管道的电流与固体质量（I/ω）0流量之比与被测管道入口处单位质量固体所带电荷量（q/m）0二者之间均会表现为线性关系，与被测粉尘在被测管道中的分布情况无关[3]。即粉尘粒子质量流量WP与感应电流Im之间的关系可以用式（6）代表。

式中：ε0——空气介电常数；Vc——接触势能差，Dp——粉尘颗粒直径；z0——接触物间的间隔距离；D——被测管道内径；u——气体速度；ρa——空气密度；v——粉尘速度的轴向分量；m——气固混合物的质量流速；——粉尘速度平均轴向分量；S——接触面积；T——张弛时间；Δt——接触时间。

其中：Wp——质量流速；mp——粉尘颗粒质量。

3 实验设计

3.1 试验系统

以信号采集与电路处理为基础，设计出以光散射法与电荷感应法为核心的金属粉尘浓度检测传感器，并结合此传感器完成试验系统搭建，详细情况如图2 所示[4]。

图2 实验系统模型

此实验系统工作原理为金属粉尘定量发尘器将金属粉尘吹入风硐中，并根据实际情况进行风速调节，使用电脑进行控制，在此次研究中，将风速设置为8m/s。同时，需要在风硐出口安装金属粉尘回收装置，对实验材料进行回收。

采样器可以对风硐中的金属粉尘进行收集，然后借助天平秤量采样器进行增重处理，获得金属粉尘浓度标准参考值。在之后，金属粉尘浓度传感器可以将所获得检测数据传递给上位机[5]。

3.2 实验结果

在此次实验中，笔者将第一天与最后一天的数据进行了整理，分别见表1 和表2。

表1 第一天实验数据

表2 最后一天实验数据

4 结语

通过实际研究发现，在对金属粉尘浓度进行检测时，在检测初期，光散射法检测结果准确度较高，在检测持续一段时间，电荷感应法检测结果准确度较高。即在实际检测过程中，应在不同时期选择不同检测方法，以保证检测结果准确性。