浮游金属粉尘浓度检测技术及传感器研究

摘要

在工业生产作业现场所产生的粉尘有二大危害，一是造成尘肺病的职业危害，二是会产生爆炸。粉尘爆炸需要具备三个条件，粉尘浓度超过一定限值是必要条件之一。具有爆炸性质的粉尘种类有7大类，其中抛光打磨、金属材料加工等作业场所产生的金属粉就是其中之一。因金属粉尘沉积而引起的二次扬尘可导致金属粉尘在空气中的浓度超过爆炸极限，而金属粉尘爆炸事故一般后果非常严重，往往造成重大人员伤害和经济损失，2014年江苏昆山中荣金属制品有限公司除尘系统沉积金属粉尘的二次扬尘形成粉尘云导致的粉尘爆炸事故、造成97人死亡、163人受伤就是最好的例证。针对抛光打磨作业场所的浮游金属粉尘的检测防护等相关研究被列入了2016年国家重点研发计划之中，因此，开展抛光打磨作业场所浮游金属粉尘浓度的实时监测，对提高高危区域粉尘浓度超标监测预警能力，有效预防粉尘爆炸事故的发生具有十分重要的意义。
　　目前国内外针对浮游金属粉尘浓度检测的相关研究很少。主要是由于国外针对工业作业场所沉积尘有相关规定与标准，并且执行较好，不易产生二次扬尘，但国内因为管理执行的问题，虽有标准但效果不明显，急需一种检测方法来减少沉积尘带来的的粉尘爆炸隐患。本文在深入分析对比目前主要的粉尘浓度检测方法基础之上，针对抛光打磨作业场所，对开展了基于电荷感应原理的可燃性浮游金属粉尘浓度检测技术及其传感器研究。主要研究内容如下:
　　首先，根据金属粉尘的特性，研究分析了金属粉尘的起电机理，并通过实验验证了产生的浮游金属粉尘的带电性，为采用电荷感应法检测金属粉尘浓度提供了依据。其次，在分析直流耦合和交流耦合二种电荷感应法基础上，基于高斯静电场和电荷感应理论与交流耦合技术，确定了测量浮游金属粉尘浓度的具体方法，设计了一种新式的螺旋环状探测电极，在保证空间灵敏度不降低的条件下克服了传统棒状和环状探测电极存在的缺陷。
　　推导出了螺旋环状探测电极的空间灵敏度，根据其电极空间灵敏度分布特性，为粉尘浓度传感器探测电极的匝数、半径大小、绝缘层厚度等具体参数的设计，提供了参考依据。
　　开展了基于电荷感应原理的粉尘浓度传感器研究，分析了金属粉尘浓度传感器的组成原理，设计了具有高增益的电荷放大电路、滤波电路、A/D采样电路、控制电路等，探讨了传感器抗干扰处理方法。
　　最后，对粉尘浓度传感器的测量精度进行了实验验证，实验结果表明:测量误差≤10％，完全达到了设计要求;开展了多种环境影响因素的研究，给出了有效的解决方案。
　　论文研究证明:基于交流耦合技术和螺旋环状探测电极的电荷感应式粉尘浓度检测技术应用于浮游金属粉尘浓度的检测是完全可行的，研究的粉尘浓度传感器测量误差≤10％，且通过采取补偿等措施，可使传感器有效克服湿度、风速等影响。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究意义和背景

1．2 国内外粉尘浓度检测现状

1．22 光散射法

1．23 β射线法

1．24 振荡天平法

1．25 电荷感应法

1．26 粉尘浓度测量方法对比

1．3 金属粉尘检测现状

1．4 主要研究内容

1．5 本章小结

第二章 金属粉尘的特性与电荷感应基本原理

2．1 金属粉尘的特性

2．12 固体粉尘的带电机理

2．13 金属粉尘的特性

2．14 金属粉尘的带电机理

2．15 抛光打磨作业场所金属粉尘的起电机理及其带电量分析

2．2 电荷感应法检测原理

2．21 检测基本原理

2．22 检测技术分类

2．23 电极的分类

2．3 本章小结

第三章 螺旋环状探测电极研究

3．1 螺旋环状探测电极模型建立

3．2 螺旋环状探测电极空间灵敏度的影响因素分析

3．2．1 R(电极的缠绕直径)对螺旋电极空间灵敏度的影响分析

3．2．2 N(匝数)对螺旋电极空间灵敏度的影响分析

3．2．3 d对螺旋电极空间灵敏度的影响分析

3．24 螺旋环状与棒状、环状电极间的对比

3．3 本章小结

第四章 浮游金属粉尘浓度传感器设计

4．1 传感器结构设计

4．1 前置放大电路设计

4．2 二级放大电路设计

4．3 滤波电路设计

4．4 A／D采样电路设计

4．5 电源电路设计

4．6 硬件电路抗干扰设计

4．7 软件程序流程设计

4．8 本章小结

第五章 影响因素分析及实验验证

5．1 粉尘浓度测量实验方案设计

5．11 实验装置与条件

5．12 软件平台

5．13 实验步骤

5．14 实验数据

5．2 实验数据及影响因素分析

5．21 环境湿度的影响分析

5．22 环境温度的影响分析

5．23 环境风速的影响分析

5．24 粉尘粒度的影响分析

5．25 影响因素的解决方法

5．3 金属粉尘带电机理测试实验方案设计

5．32 金属粉尘与非金属的带电实验

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 论文总结

6．2 研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间研究成果