王歡

（中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037；重慶安標(biāo)檢測研究院有限公司，重慶 401325）

0 引言

作業(yè)場所金屬粉塵可以帶來一定的安全隱患，因此在實(shí)際作業(yè)過程中，工作人員必須重視粉塵濃度。然而目前，我國對金屬粉塵濃度檢測的研究仍存在很大提升空間，對現(xiàn)有資料進(jìn)行整理發(fā)現(xiàn)，光散射技術(shù)與電荷感應(yīng)技術(shù)在金屬粉塵濃度檢測工作中的應(yīng)用頻率最高，但是在礦山檢測應(yīng)用方面存在較大研究空間，這一情況的存在為工作人員開展后續(xù)研究指明了方向。

1 光散射法檢測技術(shù)基本原理

光散射是指光在介質(zhì)中傳播時(shí)，受介質(zhì)均勻度影響而導(dǎo)致傳播方向出現(xiàn)變化，并且各個(gè)傳播方向都會產(chǎn)生光傳播現(xiàn)象。平行光進(jìn)入粉塵顆粒后會出現(xiàn)散射現(xiàn)象，在對其進(jìn)行測量時(shí)，應(yīng)將散射光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺诖诉^程中需要借助光電傳感器[1]。常用光電傳感器為光電二極管，受光照影響，光電二極管只會產(chǎn)生微弱電流，在使用放大電流，就可以將微弱電流轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷?，在將其放大到一定?shù)值后，就可以進(jìn)行計(jì)算，了解粉塵濃度，其基本原理如圖1 所示。

圖1 散射法基本原理

光的本質(zhì)為電磁波，可以借助麥克斯韋電磁場方程組了解在介質(zhì)中，光的傳播規(guī)律與特性。在耗散介質(zhì)中，可以借助朗博-比爾定律表示光的傳播特性，見式（1）。

式中：T——介質(zhì)濁度；t——光學(xué)厚度，t=T·l；l——介質(zhì)中光波的傳播距離。

在實(shí)驗(yàn)時(shí)，將單個(gè)粉塵顆粒看成球形，直徑為d，入射光光強(qiáng)為I0，散射光光強(qiáng)為I，可得式（2）。

式中：r——與粉塵顆粒之間的距離；θ——與光軸之間的散射角；k——波數(shù)。

假設(shè)濃度為c，體積為V 的粉塵散射系被光照射后，可使用公式（4）計(jì)算粉塵顆粒散射光強(qiáng)。

計(jì)算后可獲得粉塵濃度，見式（5）。

借助檢測，還可以分析出光散射前后的強(qiáng)度變化，在經(jīng)過進(jìn)一步計(jì)算就可以獲得粉塵濃度。

2 電荷感應(yīng)檢測技術(shù)基本原理

金屬粉塵自身自帶電荷，靜電感應(yīng)將導(dǎo)致導(dǎo)體內(nèi)自由電荷因電力場影響而進(jìn)行重新分布，使導(dǎo)體內(nèi)部正負(fù)電荷分離，促使電荷由一部分轉(zhuǎn)移到另一部分，形成感應(yīng)電流。此原理為電荷粉塵檢測基本原理[2]。

在實(shí)際檢測過程中，工作人員可以使用交流耦合技術(shù)來完成實(shí)際檢測工作。交流耦合只會提取電荷感應(yīng)作用所產(chǎn)生交流信號，需要過濾其中存在的直流信號。當(dāng)帶電粉塵通過金屬環(huán)狀電極后，在金屬另一個(gè)表面將出現(xiàn)電荷聚集。通常情況下，感應(yīng)起電電荷量與粉塵濃度二者之間屬于正相關(guān)關(guān)系，大量粉塵經(jīng)過感應(yīng)電極后，會不斷在其周圍聚集，信號會被放大，即在實(shí)際工作中，可以通過分析交變電信號變化來完成粉塵濃度檢測。

不論粉塵顆粒直徑多大，在氣固兩相流中，經(jīng)過被測管道的電流與固體質(zhì)量（I/ω）0流量之比與被測管道入口處單位質(zhì)量固體所帶電荷量（q/m）0二者之間均會表現(xiàn)為線性關(guān)系，與被測粉塵在被測管道中的分布情況無關(guān)[3]。即粉塵粒子質(zhì)量流量WP與感應(yīng)電流Im之間的關(guān)系可以用式（6）代表。

式中：ε0——空氣介電常數(shù)；Vc——接觸勢能差，Dp——粉塵顆粒直徑；z0——接觸物間的間隔距離；D——被測管道內(nèi)徑；u——?dú)怏w速度；ρa(bǔ)——空氣密度；v——粉塵速度的軸向分量；m——?dú)夤袒旌衔锏馁|(zhì)量流速；——粉塵速度平均軸向分量；S——接觸面積；T——張弛時(shí)間；Δt——接觸時(shí)間。

其中：Wp——質(zhì)量流速；mp——粉塵顆粒質(zhì)量。

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

以信號采集與電路處理為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)出以光散射法與電荷感應(yīng)法為核心的金屬粉塵濃度檢測傳感器，并結(jié)合此傳感器完成試驗(yàn)系統(tǒng)搭建，詳細(xì)情況如圖2 所示[4]。

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)模型

此實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)工作原理為金屬粉塵定量發(fā)塵器將金屬粉塵吹入風(fēng)硐中，并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行風(fēng)速調(diào)節(jié)，使用電腦進(jìn)行控制，在此次研究中，將風(fēng)速設(shè)置為8m/s。同時(shí)，需要在風(fēng)硐出口安裝金屬粉塵回收裝置，對實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行回收。

采樣器可以對風(fēng)硐中的金屬粉塵進(jìn)行收集，然后借助天平秤量采樣器進(jìn)行增重處理，獲得金屬粉塵濃度標(biāo)準(zhǔn)參考值。在之后，金屬粉塵濃度傳感器可以將所獲得檢測數(shù)據(jù)傳遞給上位機(jī)[5]。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在此次實(shí)驗(yàn)中，筆者將第一天與最后一天的數(shù)據(jù)進(jìn)行了整理，分別見表1 和表2。

表1 第一天實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2 最后一天實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 結(jié)語

通過實(shí)際研究發(fā)現(xiàn)，在對金屬粉塵濃度進(jìn)行檢測時(shí)，在檢測初期，光散射法檢測結(jié)果準(zhǔn)確度較高，在檢測持續(xù)一段時(shí)間，電荷感應(yīng)法檢測結(jié)果準(zhǔn)確度較高。即在實(shí)際檢測過程中，應(yīng)在不同時(shí)期選擇不同檢測方法，以保證檢測結(jié)果準(zhǔn)確性。