顆粒物靜電感應(yīng)技術(shù)的回顧與展望

在線測量排放煙道和風(fēng)動輸送管道中固體顆粒物的質(zhì)量流量，對提高生產(chǎn)力、改 善產(chǎn)品質(zhì)量、減少顆粒物排放和提高生產(chǎn)過程效率都起到關(guān)鍵性的作用，但行業(yè)內(nèi)一 致認(rèn)為測量氣流中的顆粒物是一項(xiàng)技術(shù)上的挑戰(zhàn)。30 多年的實(shí)踐證明，在上述工業(yè)過 程中，顆粒物靜電感應(yīng)測塵技術(shù)是一種測量固體顆粒物的流動狀況的可靠、經(jīng)濟(jì)、實(shí) 用的方法。 顆粒物靜電感應(yīng)測塵技術(shù) 1970 年代末首先運(yùn)用到顆粒物排放監(jiān)測領(lǐng)域的。從最初 簡單的基于模擬電路的獨(dú)立式除塵器泄漏檢測儀，到采用了 DSP 芯片和數(shù)字信號處理 算法的顆粒物流量/濃度儀，此項(xiàng)技術(shù)隨著對顆粒物靜電感應(yīng)原理和氣固兩相流體力學(xué) 的更深入的理解而逐步完善起來，并被應(yīng)用到越來越多的工業(yè)領(lǐng)域當(dāng)中。 在 1995 年，一個里程碑式的事件是 USEPA（美國環(huán)保署）頒布了二次熔鉛行業(yè) 的 MACT（最可行控制技術(shù)）標(biāo)準(zhǔn)，在這個標(biāo)準(zhǔn)中，要求了在除塵器的運(yùn)行中 使用顆粒物靜電感應(yīng)粉塵監(jiān)測系統(tǒng)。這代表了 USEPA承認(rèn)并推薦顆粒物靜電 感應(yīng)技術(shù)，自此之后，這項(xiàng)技術(shù)陸續(xù)出現(xiàn)在其他的一些 USEPA 與除塵器有關(guān)的排放標(biāo) 準(zhǔn)當(dāng)中。

基本原理 在夾帶顆粒物的氣流中，當(dāng)顆粒與探頭碰撞時(shí)，顆粒和探頭間會發(fā)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(dāng)顆粒經(jīng)過探頭附近時(shí)，探 頭上也會產(chǎn)生感應(yīng)電荷（即靜電感應(yīng)）。

當(dāng)一個顆粒與探頭碰撞時(shí)，電荷轉(zhuǎn)遞量的多少取決于顆粒的物理和化學(xué)性質(zhì)（如 大小、電化學(xué)勢等）以及速度。空間分部的顆粒物與探頭碰撞的綜合結(jié)果是在探頭上 產(chǎn)生的微小電流信號，信號的強(qiáng)度與一定時(shí)間內(nèi)碰撞探頭的顆粒數(shù)量成正比。在探頭 附近，顆粒通常不是均勻分布的，同時(shí)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(qiáng)度也是在某一均值附近浮動。

 技術(shù)回顧 從 20 世紀(jì) 70 年代末直到 21 世紀(jì)初，靜電感應(yīng)顆粒物測量設(shè)備的核心技術(shù)都是基 于多極模擬放大原理的，即使后期的設(shè)備增加了微處理器使有的儀器有了數(shù)字顯示、 數(shù)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(shù)的。

理想的顆粒物靜電感應(yīng)處理電路應(yīng)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(nèi)，需要有最小的偏移和漂移，并應(yīng)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(yīng)有較高的信噪比。然而 設(shè)計(jì)制造現(xiàn)實(shí)中的顆粒物靜電感應(yīng)儀器需要解決一系列的技術(shù)難點(diǎn)：顆粒物靜電感應(yīng) 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* 倍放大倍率（約 109的增益）才能得到可計(jì)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(dāng)?shù)难a(bǔ)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(shí)在使用傳統(tǒng)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(shù)階段，制造出穩(wěn)定的顆粒物靜電感應(yīng)儀器有不小 的挑戰(zhàn)。下面以一個典型的采用模擬信號處理技術(shù)的顆粒物靜電感應(yīng)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(shù)原理是現(xiàn)階段大部分顆粒物靜電感應(yīng)儀器廠家依舊 采用的核心技術(shù)。其中，輸入放大器 2 是一個跨阻抗放大器，其放大倍數(shù)為可調(diào)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(shí)現(xiàn)中，不采用交流耦合 來隔絕直流信號，而采用補(bǔ)償溫飄的方法來保留直流信號，這也是模擬信號處理技術(shù) 領(lǐng)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(diào)電壓放大器，其放大倍數(shù)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(dǎo)線連接。壓差放大器 100 用來抑制長距離導(dǎo)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(chǎn)生的漂移。整流器 103 把交流信號取，然 后由均值濾波器和輸出放大器提供穩(wěn)定的電壓輸出。4~20 毫安輸出電路 105 和報(bào)警電 路 106 滿足了現(xiàn)場儀表的基本功能需要。

由以上的分析可以看出，傳統(tǒng)的以多級模擬放大為核心技術(shù)的顆粒物靜電感應(yīng)儀 器有以下特征： ? 對選擇帶寬內(nèi)的信號無差別放大，并且作為儀表最終輸出的基準(zhǔn)，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(shè)備，通常的處理信號范圍為 1Hz~10Hz 的低頻區(qū)，儀 表隔離了有用的直流信號，而只監(jiān)測信號頻率范圍內(nèi)最弱、最容易受湍 流影響的區(qū)域 o 對于直流耦合的設(shè)備，通常的處理帶寬為直流~4Hz，儀表雖然監(jiān)測了直 流信號，但無法處理更高頻率的有效信息 ? 無法實(shí)現(xiàn)有效的電氣隔離，探頭和前端電路及鄰近管道無法形成獨(dú)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(shè)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(xiàn)場性能表現(xiàn)不穩(wěn)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(jìn)行必要修正， 從而使輸出受到流動狀況的影響，得不到準(zhǔn)確的測量結(jié)果 從基于多極模擬放大原理的顆粒物靜電感應(yīng)儀器的特點(diǎn)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(jiān)測設(shè)備是合格的，但很難達(dá)到精確定量測量的標(biāo) 準(zhǔn)

技術(shù)進(jìn)步 隨著近微處理器和數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展，顆粒物靜電感應(yīng)技術(shù)也進(jìn)入了數(shù)字 時(shí)代。正如同雷達(dá)這種二戰(zhàn)中發(fā)明的技術(shù)一樣，從最初簡單的回波放大到現(xiàn)代的相控 陣技術(shù)，數(shù)字信號處理使雷達(dá)得到的信息量、抗*力、精度和穩(wěn)定性有了本質(zhì)的 飛躍。本世紀(jì)初，隨著高精度、高速度模數(shù)轉(zhuǎn)換器的推廣，含塵氣體流動的流體力學(xué) 模型的應(yīng)用，統(tǒng)計(jì)模型和信號處理算法的開發(fā)，以及算法的優(yōu)化和低成本的計(jì)算硬件 （DSP、FPGA）使“暴力”計(jì)算（利用優(yōu)化算法，對超量采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行循環(huán)計(jì)算，

從而得出綜合的結(jié)果）成為可能，新一代的以數(shù)字信號處理為核心技術(shù)的顆粒物靜電 感應(yīng)儀器也隨著現(xiàn)場應(yīng)用的增多而成熟起來。 基于數(shù)字信號處理的顆粒物靜電感應(yīng)儀器的特征為： ? *獨(dú)立的前端測量電路，由電氣隔離與設(shè)備其它部分分開，使探頭、前端測 量電路和周圍管道形成獨(dú)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(xù)的漂移跟蹤與偏差消除技術(shù)，在合理的溫度范圍內(nèi)（工業(yè)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(jìn)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(nèi)，盡早把信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后運(yùn)用統(tǒng)計(jì)和數(shù)字算法對信號進(jìn)行 處理 ? 對直流信號和交流信號分別處理，根據(jù)工況設(shè)定計(jì)算基準(zhǔn)，通常使用直流或交 流信號強(qiáng)度作為基準(zhǔn) ? 通過對交流信號特征頻率或上下游探頭信號的相關(guān)性分析估算流速，從而補(bǔ)償 流速變化對基準(zhǔn)信號的影響，使輸出信號只成為顆粒物濃度的函數(shù) ? 通過對多路信號相關(guān)性進(jìn)行分析，從而消除出現(xiàn)在任意頻率的電磁干擾，尤其 是空間電磁干擾 ? 利用“暴力”計(jì)算對超量采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以消除湍流等因素造成的隨機(jī) 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(dāng)采樣頻率大大超過了“空間過濾效應(yīng)”的范圍時(shí)，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(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行處理，數(shù)字信號處理器可對信號進(jìn) 行多種統(tǒng)計(jì)及頻譜分析，交相關(guān)算法也可以被用來進(jìn)行精確的顆粒流速測量。多種模 型和算法在實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場得到驗(yàn)證，在必要時(shí)利用離線的數(shù)據(jù)分析軟件來調(diào)教到特定 工況的效果。 所以基于數(shù)字信號處理技術(shù)的顆粒物靜電感應(yīng)儀器有更好地穩(wěn)定性和可重復(fù)性， 而這正是定量測量可標(biāo)定性的基礎(chǔ)。與傳統(tǒng)的設(shè)備相比，基于數(shù)字信號處理技術(shù)的設(shè)備 

總結(jié) 顆粒物靜電感應(yīng)理論的發(fā)展得益于電子技術(shù)的進(jìn)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(yàn)證；而通過理論分析的到的信號特征也指導(dǎo) 優(yōu)化最終設(shè)備中采樣電路的設(shè)計(jì)。設(shè)備的實(shí)時(shí)嵌入系統(tǒng)中的算法也需要合理成本的計(jì) 算硬件才得以實(shí)現(xiàn)。顆粒物靜電感應(yīng)領(lǐng)域?qū)嶋H上經(jīng)歷了一場革新，但行業(yè)內(nèi)的大多數(shù) 公司并沒有脫離多年來延續(xù)下來的模擬放大的核心技術(shù)，而僅僅做有限的改動（見前 文引用的，2013）。由于使用模擬放大技術(shù)的公司依舊 占有大部分的*，廣大用戶對顆粒物靜電感應(yīng)技術(shù)的認(rèn)識也停留在上個世紀(jì)。 只要滿足性能要求，美國和歐盟的環(huán)境監(jiān)管機(jī)構(gòu)對粉塵排放測量設(shè)備的技術(shù)原理 并沒有硬性規(guī)定。顆粒物靜電感原理與光學(xué)原理的粉塵測量設(shè)備相比，各有其使用特 性和優(yōu)化的適用場合，但顆粒物靜電感應(yīng)粉塵濃度/流量測量儀具有更靈敏、更可靠、 更經(jīng)濟(jì)而且?guī)缀趺饩S護(hù)的優(yōu)點(diǎn)。除了顆粒濃度/流量以外，光學(xué)原理的粉塵測量儀和靜 電感應(yīng)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(wěn)定的流動下做標(biāo)定，對每一個監(jiān)測點(diǎn)來說，實(shí)際的顆粒性 質(zhì)和流動狀況不盡相同，所以兩類儀器都需要進(jìn)行實(shí)地標(biāo)定。 不同于光學(xué)儀器，顆粒物靜電感應(yīng)測量儀器不須要使用干凈、仔細(xì)校正的鏡頭來 測量光線，而使用簡單、堅(jiān)固并且?guī)缀趺饩S護(hù)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(yīng)儀器基本上不用擔(dān)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(jié)露，需要安裝采樣系統(tǒng)的場合，由于顆粒物靜電感應(yīng)探頭的本質(zhì)堅(jiān)固性，采樣系統(tǒng)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(yīng)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(nèi)做出響應(yīng)，這些指標(biāo)大大低于任何排放標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的上限。因?yàn)槠涓呙舾?度和快速響應(yīng)時(shí)間，顆粒物靜電感應(yīng)儀器經(jīng)常被用于除塵器的維護(hù)、性能檢驗(yàn)和早期 泄漏預(yù)警和泄漏定位。 新一代的顆粒物靜電感應(yīng)監(jiān)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(tǒng)的排放監(jiān)測，還被應(yīng)用于更重要的生產(chǎn)控制 領(lǐng)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(jiān)測等。而 工業(yè)界對這個技術(shù)接受程度也會隨著產(chǎn)品的實(shí)際應(yīng)用而增加。