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    顆粒物靜電感應技術的歷史回顧與未來展望
    時間:2020-07-27 21:48 點擊次數:
    在線測量排放煙道和風動輸送管道中固體顆粒物的質量流量,對提高生產力、改 善產品質量、減少顆粒物排放和提高生產過程效率都起到關鍵性的作用,但行業內一 致認為測量氣流中的顆粒物是一項技術上的挑戰。30 多年的實踐證明,在上述工業過 程中,顆粒物靜電感應測塵技術是一種測量固體顆粒物的流動狀況的可靠、經濟、實 用的方法。 顆粒物靜電感應測塵技術 1970 年代末首先運用到顆粒物排放監測領域的。從最初 簡單的基于模擬電路的獨立式除塵器泄漏檢測儀,到采用了 DSP 芯片和數字信號處理 算法的顆粒物流量/濃度儀,此項技術隨著對顆粒物靜電感應原理和氣固兩相流體力學 的更深入的理解而逐步完善起來,并被應用到越來越多的工業領域當中。 在 1995 年,一個里程碑式的事件是 USEPA(美國環保署)頒布了二次熔鉛行業 的 MACT(最可行控制技術)標準,在這個標準中,第一次要求了在除塵器的運行中 使用顆粒物靜電感應粉塵監測系統。這代表了 USEPA 首次官方承認并推薦顆粒物靜電 感應技術,自此之后,這項技術陸續出現在其他的一些 USEPA 與除塵器有關的排放標 準當中。 基本原理 在夾帶顆粒物的氣流中,當顆粒與探頭碰撞時,顆粒和探頭間會發生電荷傳遞 (即摩擦起電)。氣流中的顆粒自身也帶有一定凈電荷,當顆粒經過探頭附近時,探 頭上也會產生感應電荷(即靜電感應)。 當一個顆粒與探頭碰撞時,電荷轉遞量的多少取決于顆粒的物理和化學性質(如 大小、電化學勢等)以及速度??臻g分部的顆粒物與探頭碰撞的綜合結果是在探頭上 產生的微小電流信號,信號的強度與一定時間內碰撞探頭的顆粒數量成正比。在探頭 附近,顆粒通常不是均勻分布的,同時它們的流動速度也在平均速度上下浮動;所以 “碰撞”電流信號的強度也是在某一均值附近浮動。 當一個顆粒掠過探頭時,感應電荷量的多少取決于探頭的形狀、探頭和粒子之間 的徑向距離、顆粒所帶的凈電荷量以及其軸向速度。當顆粒通過在探頭所在的管道截 面時,如果將其所帶的電荷當作一個脈沖信號,而由感應電荷在探頭上的生成的電流 信號則是這個感應系統的脈沖響應。這樣探頭和它周圍的空間形成了一個信號過濾器, 即“空間過濾效應”。當隨機分布的顆粒掠過探頭時,得到的感應電流信號則是原始 隨機信號經過濾后的結果,其中包含關于顆粒流動和信號過濾器本身的重要信息 在理想狀況下,我們可以假設顆粒物是均勻隨機分布的。利用泊松分布模型、顆 粒物電荷遷移模型、以及移動電荷靜電感應模型,對于插入式桿狀探頭可以得出: 1. 經過探頭的電流的直流信號強度與顆粒物濃度成正比,與顆粒物飛行速度(近 似為氣流速度)的 3 次方成正比; 2. 經過探頭的電流的交流信號功率與顆粒物濃度成正比,與顆粒物飛行速度(近 似為氣流速度)成正比; 3. 交流信號的特征頻率與顆粒物飛行速度(近似為氣流速度)成正比。如圖 3、 圖 4 的模擬結果所示,單一顆粒物所產生的特征頻率還與顆粒物與探頭的徑向 距離有關,但在顆粒物空間分布函數固定的條件下,交流信號的特征頻率與顆 粒物飛行速度成正比。 在工業氣體管道中,由于雷諾數通常大于 5000,氣體在管道中的流動在湍流區。 湍流中的漩渦使得顆粒物流速和空間位置分布都不均勻,從而影響到感應電流信號。 模擬計算表明,漩渦的“離心力”可以使旋渦中心和旋渦邊界的顆粒物濃度相差可達 25 倍,而漩渦的的大小可以大到管徑的尺度,小到幾毫米的柯爾莫哥洛夫尺度,其特 征信號涵蓋了較寬的頻率范圍,而其功率在不同頻率分布又是不同的。所以靜電感應 的“激勵”信號從理想狀態下泊松分布的白色噪音變成了湍流特征信號。 由于感應電流信號和湍流引起的電荷遷移信號的直流部分均為零,測量到的信號 的直流部分即為一段時間內信號的平均值,上述理想狀態下的結論 1 還是適用的。而 測量值的交流部分是電荷遷移電流信號的波動、感應電流信號和湍流特征的信號的綜 合結果,其功率很大程度受到湍流的影響,所以上述理想狀態下的結論 2 需要根據實 際流動狀況作出修正。 結合理論模擬計算和實驗及現場數據,可以得出更符合實際工況的結論: 1. 經過探頭的電流的直流信號強度與顆粒物濃度成正比,與顆粒物飛行速度(近 似為氣流速度)的 3 次方成正比; 2. 大部分顆粒物靜電感應信號的交流部分是在電荷感應的“空間過濾效應”帶通 范圍內,根據流速和探頭幾何形狀不同,這個范圍在幾十赫茲到最高上千赫茲; 3. 交流信號的低頻部分(電荷感應的“空間過濾效應”通過頻率之下)主要是由 湍流引起的顆粒物分布不均造成的電荷遷移信號的波動; 4. 交流信號的中頻部分主要由電荷感應信號組成,可以看作湍流特征信號通過 “空間過濾效應”調制的結果; 5. 經過探頭的電流的交流信號功率與顆粒物濃度是增函數關系,與顆粒物飛行速 度(近似為氣流速度)增函數關系,但具體參數由流動狀況決定; 6. 在特定工況下,交流信號的特征頻率與顆粒物飛行速度(近似為氣流速度)近 似成正比關系。 性能優良的顆粒物靜電感應粉塵測量儀器應該盡量充分地應用上述基本原理,得 到準確的測量結果。 技術回顧 從 20 世紀 70 年代末直到 21 世紀初,靜電感應顆粒物測量設備的核心技術都是基 于多極模擬放大原理的,即使后期的設備增加了微處理器使有的儀器有了數字顯示、 數字通訊和其它智能功能,但原始信號處理的部分都是基于模擬電路技術的。 Page 4 of 9 wdu 理想的顆粒物靜電感應處理電路應該既有良好的直流和交流性能:在直流性能方 面,在整個探測范圍內,需要有最小的偏移和漂移,并應有盡量線性的增益;在交流 性能方面,需要有足夠的帶寬以覆蓋要測量的頻率范圍,并應有較高的信噪比。然而 設計制造現實中的顆粒物靜電感應儀器需要解決一系列的技術難點:顆粒物靜電感應 信號非常弱,通常在 10-12 到 10-9 安培的范圍。要檢測到如此小的電流信號,需要極高 倍放大倍率(約 109的增益)才能得到可計量的信號。所有的模擬電子元件都有偏移、 漂移和熱噪,所有這些干擾都會和信號本身一起被放大,如果沒有適當的補償或隔離, 干擾就可能大到把真正的信號掩蓋的程度,并使電路飽和;同時在使用傳統的電子元 件的電路中,大幅增益又會限制電路的帶寬,使其只能探測到直流信號和十幾赫茲的 低頻交流信號。所以在模擬電路技術階段,制造出穩定的顆粒物靜電感應儀器有不小 的挑戰。下面以一個典型的采用模擬信號處理技術的顆粒物靜電感應儀器為例,分析 這類儀器的局限性。 圖 7 中所示的多極放大的技術原理是現階段大部分顆粒物靜電感應儀器廠家依舊 采用的核心技術。其中,輸入放大器 2 是一個跨阻抗放大器,其放大倍數為可調的 0.1mV/pA 到 40mV/pA,其低通截至頻率為 100Hz。電阻電容(RC)濾波器 3 起到了 交流耦合的作用,其低端截至頻率為 1Hz。(在一些廠家的實現中,不采用交流耦合 來隔絕直流信號,而采用補償溫飄的方法來保留直流信號,這也是模擬信號處理技術 領域里直流、交流兩大派系的主要不同)。二級放大器 4 是一個可調電壓放大器,其 Page 5 of 9 wdu 放大倍數在二到五倍之間,其低通截至頻率為 10Hz。圖中虛線以右的部分可以和探頭 分開,布置在另外的外殼里,中間由導線連接。壓差放大器 100 用來抑制長距離導線 上的共模干擾,其低通截至頻率為 10Hz。低通濾波放大器 102 的截至頻率依舊為 10Hz,其二階特性對高頻信號有更好的抑制。電阻電容(RC)濾波器 102 高通截至頻 率為 1Hz,用于消除前幾級放大器產生的漂移。整流器 103 把交流信號取絕對值,然 后由均值濾波器和輸出放大器提供穩定的電壓輸出。4~20 毫安輸出電路 105 和報警電 路 106 滿足了現場儀表的基本功能需要。 由以上的分析可以看出,傳統的以多級模擬放大為核心技術的顆粒物靜電感應儀 器有以下特征: ? 對選擇帶寬內的信號無差別放大,并且作為儀表最終輸出的基準,這樣: o 儀表無法分辨各種電磁干擾 o 儀表無法分辨探頭故障如污染狀況 ? 有限的信號帶寬: o 對于交流耦合的設備,通常的處理信號范圍為 1Hz~10Hz 的低頻區,儀 表隔離了有用的直流信號,而只監測信號頻率范圍內最弱、最容易受湍 流影響的區域 o 對于直流耦合的設備,通常的處理帶寬為直流~4Hz,儀表雖然監測了直 流信號,但無法處理更高頻率的有效信息 ? 無法實現有效的電氣隔離,探頭和前端電路及鄰近管道無法形成獨立的電位參 比體系: o 儀表容易受到接地回路干擾,例如附近大型用電設備 o 儀表容易受到信號線、電源線上耦合的干擾 o 這也是此類儀表在不同工況、不同現場性能表現不穩定的根本原因之一 ? 對信號特征無具體分析,無法判斷流動狀況,從而無法對信號進行必要修正, 從而使輸出受到流動狀況的影響,得不到準確的測量結果 從基于多極模擬放大原理的顆粒物靜電感應儀器的特點和局限性來看,此類儀器在大 部分工況下,作為靈敏的粉塵泄漏監測設備是合格的,但很難達到精確定量測量的標 準。 技術進步 隨著近微處理器和數字信號處理技術的發展,顆粒物靜電感應技術也進入了數字 時代。正如同雷達這種二戰中發明的技術一樣,從最初簡單的回波放大到現代的相控 陣技術,數字信號處理使雷達得到的信息量、抗干擾能力、精度和穩定性有了本質的 飛躍。本世紀初,隨著高精度、高速度模數轉換器的推廣,含塵氣體流動的流體力學 模型的應用,統計模型和信號處理算法的開發,以及算法的優化和低成本的計算硬件 (DSP、FPGA)使“暴力”計算(利用優化算法,對超量采樣的數據進行循環計算, Page 6 of 9 wdu Page 7 of 9 wdu 從而得出綜合的結果)成為可能,新一代的以數字信號處理為核心技術的顆粒物靜電 感應儀器也隨著現場應用的增多而成熟起來。 基于數字信號處理的顆粒物靜電感應儀器的特征為: ? 完全獨立的前端測量電路,由電氣隔離與設備其它部分分開,使探頭、前端測 量電路和周圍管道形成獨立的參比體系,從而消除來自于電源、信號線和接地 回路的干擾 ? 前端測量電路連續的漂移跟蹤與偏差消除技術,在合理的溫度范圍內(工業級: -40C~85C)根本上消除放大器漂移的影響 ? 模擬電路部分不對信號進行任何處理,只對原始信號緩沖或適度放大,保留足 夠原始信號帶寬,從而使為后臺算法保留更多的流體的信息 ? 在信號鏈內,盡早把信號進行模數轉換,然后運用統計和數字算法對信號進行 處理 ? 對直流信號和交流信號分別處理,根據工況設定計算基準,通常使用直流或交 流信號強度作為基準 ? 通過對交流信號特征頻率或上下游探頭信號的相關性分析估算流速,從而補償 流速變化對基準信號的影響,使輸出信號只成為顆粒物濃度的函數 ? 通過對多路信號相關性進行分析,從而消除出現在任意頻率的電磁干擾,尤其 是空間電磁干擾 ? 利用“暴力”計算對超量采樣的數據進行分析,以消除湍流等因素造成的隨機 噪音影響 ? 通過對直流信號和交流信號特征的比較,判斷探頭污染等故障狀況 當采樣頻率大大超過了“空間過濾效應”的范圍時,處理完整的顆粒物流動信息 便成為可能。通過在一個樣本中上千個數據點進行處理,數字信號處理器可對信號進 行多種統計及頻譜分析,交相關算法也可以被用來進行精確的顆粒流速測量。多種模 型和算法在實驗室和現場得到驗證,在必要時利用離線的數據分析軟件來調教到特定 工況的最佳效果。 所以基于數字信號處理技術的顆粒物靜電感應儀器有更好地穩定性和可重復性, 而這正是定量測量可標定性的基礎。與傳統的設備相比,基于數字信號處理技術的設 備還有以下優點: 總結 顆粒物靜電感應理論的發展得益于電子技術的進步,如果沒有足夠帶寬的高精度 采樣電路,很多模型和算法也無法得到驗證;而通過理論分析的到的信號特征也指導 優化最終設備中采樣電路的設計。設備的實時嵌入系統中的算法也需要合理成本的計 算硬件才得以實現。顆粒物靜電感應領域實際上經歷了一場革新,但行業內的大多數 公司并沒有脫離多年來延續下來的模擬放大的核心技術,而僅僅做有限的改動(見前 文引用的,2013 年批準的美國專利 8375766B2)。由于使用模擬放大技術的公司依舊 占有大部分的市場份額,廣大用戶對顆粒物靜電感應技術的認識也停留在上個世紀。 只要滿足性能要求,美國和歐盟的環境監管機構對粉塵排放測量設備的技術原理 并沒有硬性規定。顆粒物靜電感原理與光學原理的粉塵測量設備相比,各有其使用特 性和優化的適用場合,但顆粒物靜電感應粉塵濃度/流量測量儀具有更靈敏、更可靠、 更經濟而且幾乎免維護的優點。除了顆粒濃度/流量以外,光學原理的粉塵測量儀和靜 電感應原理的粉塵測量儀均受其他因素的影響,所以在作定量測量前,這兩類儀器都 需要用已知屬性的顆粒在穩定的流動下做標定,對每一個監測點來說,實際的顆粒性 質和流動狀況不盡相同,所以兩類儀器都需要進行實地標定。 不同于光學儀器,顆粒物靜電感應測量儀器不須要使用干凈、仔細校正的鏡頭來 測量光線,而使用簡單、堅固并且幾乎免維護的探頭來測量顆粒物的流動情況;可以 配備不同形式的探頭,以適合安裝在各種有正確接地和屏蔽的管道和集塵器上。顆粒 物靜電感應儀器基本上不用擔心探頭上的粉塵堆積影響,并可以在高溫的煙道里檢測 有磨蝕性或潮濕(非冷凝)的顆粒物。即使在結露,需要安裝采樣系統的場合,由于 顆粒物靜電感應探頭的本質堅固性,采樣系統也可以大大簡化,只包括抽取和加熱等 組件。 顆粒物靜電感應儀器可檢測濃度低至 0.01 mg/m3 的粉塵,可對粉塵流量/濃度的變 化在一秒之內做出響應,這些指標大大低于任何排放標準規定的上限。因為其高敏感 度和快速響應時間,顆粒物靜電感應儀器經常被用于除塵器的維護、性能檢驗和早期 泄漏預警和泄漏定位。 新一代的顆粒物靜電感應監測儀器能更好地定量測量顆粒的濃度、流量和流速, 更不易受各種干擾的影響,除了用于傳統的排放監測,還被應用于更重要的生產控制 領域中,如氣動傳輸線上的流動測量、含塵氣體流速測量和開放空間粉塵監測等。而 工業界對這個技術接受程度

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