废气中粉尘含量的测定方法
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摘要： 将探讨接触式静电法测量烟气流速及烟尘浓度的可行性。采用快速傅里叶变换来计算相关函数计算出速度和流量，实验现象及结果表明，通过浓度实验，建立电压有效值与质量流量的关系。
关键词： 气固两相流；静电传感器；流量测量
中图分类号：R135.2 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2011）0310008－01
环境保护是我国的一项基本国策。伴随着粉尘危害的日益加重以及人们对环境质量的要求越来越高，大气粉尘浓度的测量也受到前所未有的关注。在生产过程中均会产生大量的粉尘，同时也引发了严峻的粉尘治理课题。对环境保护而言，烟尘颗粒排放物的浓度是具有重要影响的参数，人们已经发展了许多基于各种不同原理的测量方法，为烟尘排放监测提供了强有力的手段。故对烟气的参数在线测量是很有重要的现实意义的。
1 静电法测量废气中粉尘含量的理论原理
运用静电传感器进行浓度测试的主要问题在于如何确定颗粒浓度与信号电压平均值之间的关系，当固体颗粒与另一表面比如管壁发生接触就会产生静电。固体颗粒电荷数目的多小依赖于许多因素。因此，一些因素对浓度测试结果造成的影响需要能过优化传感器和电荷检测电路的设计来降低。但由于在各个探测点中一般都包括分布面比较广而且相对稳定的颗粒尺寸。由于其本身具有的特性，每单位重量比较细小的颗粒带有更高的累积电荷。电荷感应探头对小颗粒的感应精度略为下降，由于缺少另一种与之对应抵消的因素，烟尘颗粒大小对这种技术的感应精度影响极大，颗粒的大小与光电法感应成为一种线性关系。
2 静电传感器设计
测量系统由二个静电传感器，采集卡和微机组成。静电传感器电极是获取气固两相流流动参数的最基本环节，直接影响系统的准确性和快速性。静电探头的选取或设计很关键，传感器的测量段为固定长度的绝缘管，保证了探头的实际测量效果避免两相流在通过传感器时因管道尺寸变化而引起的相变，同时绝缘管还起到支撑和固定探头的作用。屏蔽管的外法兰可与传输管道方便地连接，可屏蔽外界噪声信号对静电探头的干扰。由于固体微粒的荷电信号相对较弱，所以屏蔽管必须有效和可靠地接地，以保证屏蔽效果，保证实际测量的精确度。
3 废气中粉尘含量实验
试验研究目的是烟尘管道内的混合物中烟尘速度和浓度的实时测量。用风机，给料机，金属管道，PVC管道等搭建了一个模拟试验台架。验台架包括以下部件：一个变频器，一个送风的风机，一个标准流量机，一个给粉机，一个PVC绝缘管道，两个传感器，两个放大电路，一个数据采集器；一台用来处理采集器上的数据的电脑。试验中要用到标准流量计来测量气体的速度和流量，其流量除于PVC管截面积得到的速度作为测量的参考速度。
4 烟尘浓度的测量
静电测量法的主要原理是通过对插入管道的两根探头所得到的电压进行互相关算法，得出延时τ。所有的固体颗粒都带有一定量的电荷，所以当固体颗粒通过探头时，根据电荷分配原则，就会产生电信号。当另外一个探头安装在管道离第一个探头不远的下游时，固体颗粒的电荷分布是相似的，故在第二个探头上生成相似的电流。然而这信号相对于第一个探头所得的信号有一个位移，固体颗粒的运动时间。利用该信源通过不同两个测量点时的信号X（t）和Y（t），计算其相关函数得到渡越时间t，计算得出固相速度；其电流信号经放大转变为电压信号后，电压的有效值（RMS）与浓度存在一定的关系。当被测流体从上游传感器所在截面处流动到下游传感器所在截面时，流体的流动图型的变化相对来说比较小时，就可以近似地认为该流动系统满足“凝固”流动图型假设。当粉尘速度一定时，质量流量与粉尘浓度及速度有如下关系式：
M =C×V×A
其中：M为质量流量，单位为g/s；C为质量浓度，单位为g/m3；V为平均速度，单位为m/s；A为气体流过测量段的截面积，单位为m2。
对于以自变量t为时间的随机过程来说，它描述了不同时刻的随机信号之间相互关联程度的大小。如果随机信号x（t）中不包含周期性分量，则Rxx（τ）将从τ＝0时具有最大值开始，随着τ值的增大而下降。Rxx（τ）衰减的快慢，反映了该随机信号在时间上的相关性的大小。Rxx（τ）衰减得越快，表示随机信号x（t）与x（t+τ）之间的相关性越小。如果随机信号x（t）的均值不为零，从工程上说，就是该随机信号包含有直流分量。根据自相关函数的定义，可以用τ→∞的自相关函数Rxx（∞）来表示随机信号中直流分量x（t）的大小。
此外，随机信号x（t）中如果含有周期性分量，则它的自相关函数也将含有相同的周期分量。自相关函数在工程技术上的一个典型应用，是检测淹没在强背景噪声中的微弱的周期性信号或其它确定性信号。因为，对均值为零的随机噪声来说，它的自相关函数将随着时间位移τ的增大而逐渐减小到零。相反，在任何时间位移τ上，周期性信号或其它确定性的信号的自相关函数都是存在的。因此自相关测量为强背景噪声中的微弱确定性信号提供了一个强有力的监测手段。
5 静电烟尘测量具有的优点
许多年以来，烟尘浓度的测量是由以散光或消光的物理性质为基础的光学测尘仪完成的。但是，光学测尘仪存在很大的缺陷，因此客户越来越倾向于使用装配简单，维护要求低，设计简单的测尘仪，而摩擦电测尘方法正是满足了以上要求。在权威机构要求的烟尘排放测量和过程测量的应用中，光学测量仪越来越不适用。从组装到运行，光学测量仪总是带来高费用，与之相反，摩擦电烟尘测量仪设计简单，费用大大降低，因此在过去的几年中，它越来越多的取代光学测量仪。目前，摩擦电测量仪不仅占据了稳固的市场份额，还涵盖了广泛的应用范围――从简单的过滤控制器到潮湿和粘稠气体中烟尘浓度的测量。
6 静电法测量废气中粉尘含量实例
抽风机是生产的心脏，如果抽风机出现故障，将被迫停产。因此，某厂安装了一台静电测量废气中粉尘的仪器。维护好风机，提高风机使用寿命，减少风机更换次数，对生产尤为重要。可使风机在不停产的情况下，通过测定废气中粉尘含量的大小及除尘效率来分析风机转子叶片磨损情况，并采取相应对策加以改善。
7 结论
烟气流量及烟尘浓度是重要参数，基于高温烟气的测量，安装简单，维护费用低，利用少的资源获得更多的测量信息及在线检测等，一种新的测量技术，基于静电法的测量技术运用于测量烟尘的速度和浓度。浓度的测量，在一定的浓度范围之内，信号的电压有效值与质量流量成线性关系能够很好的测定废气中粉尘的含量。
参考文献：
[1]胡松青、李琳、郭杞远等，现代颗粒粒度测量技术[J].现代化工，2002.22（1）：58.
[2]王式民、徐益谦、陆勇等，燃煤锅炉排放烟粉尘浓度在线检测[J].燃煤科学与技术，1997.3（5）：58-62.
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