基于靜電感應(yīng)法的粉塵質(zhì)量濃度檢測裝置優(yōu)化

陳建閣,李德文,王 杰，吳付祥

(1.重慶大學(xué) 資源與安全學(xué)院，重慶 400044；2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037；3.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037)

粉塵是煤礦的五大災(zāi)害之一，頻繁接觸粉塵的工人容易患上不可治愈的塵肺病。據(jù)統(tǒng)計(jì)2009—2019年我國每年新增職業(yè)性塵肺病人數(shù)達(dá)1萬～2萬，粉塵引起的塵肺病已經(jīng)成為了煤礦工人的重大隱形殺手，對粉塵的有效治理迫在眉睫。粉塵質(zhì)量濃度的準(zhǔn)確連續(xù)檢測為粉塵治理效果提供可靠的監(jiān)測手段，為煤礦環(huán)境職業(yè)衛(wèi)生監(jiān)管部門提供可靠的執(zhí)法依據(jù)，因此煤礦粉塵質(zhì)量濃度的準(zhǔn)確在線連續(xù)檢測對督促煤礦井下粉塵質(zhì)量濃度達(dá)標(biāo)、保障工人健康和實(shí)現(xiàn)煤礦安全生產(chǎn)具有重要意義，《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定煤礦粉塵總塵時(shí)間加權(quán)平均質(zhì)量濃度不超過4 mg/m，因此研制一種實(shí)現(xiàn)低濃度粉塵高精度在線檢測系統(tǒng)意義重大。

煤礦粉塵質(zhì)量濃度在線連續(xù)檢測系統(tǒng)的核心是作為感知部分的粉塵質(zhì)量濃度傳感器，由于粉塵分布不均勻、不連續(xù)、環(huán)境復(fù)雜等因素造成粉塵質(zhì)量濃度準(zhǔn)確在線檢測的難度很大。MT/T 1102—2009《煤礦用粉塵質(zhì)量濃度傳感器》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定粉塵質(zhì)量濃度傳感器檢測誤差不得超過15%，目前粉塵質(zhì)量濃度傳感器主要采用光散射法和靜電感應(yīng)法，將檢測誤差不超過15%作為重要的性能指標(biāo)。但是光學(xué)法粉塵質(zhì)量濃度傳感器存在氣路容易被粉塵堵塞和光學(xué)窗口容易被粉塵污染的問題，難以長時(shí)間準(zhǔn)確檢測。靜電感應(yīng)法是近十年發(fā)展起來的粉塵質(zhì)量濃度檢測新技術(shù)，具有靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、無堵塞、低成本、免維護(hù)與可適應(yīng)惡劣環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)，重慶煤科院的吳付祥、陳建閣和王宇廷研究了采用環(huán)狀、螺旋環(huán)狀靜電探測電極實(shí)現(xiàn)了對煤礦粉塵質(zhì)量濃度粉塵的在線檢測，但是煤礦的巷道風(fēng)速低、噴霧點(diǎn)多、空氣濕度大等特點(diǎn)，導(dǎo)致粉塵表面帶有的靜電量較少，因此目前GCD1000(A)型粉塵質(zhì)量濃度傳感器對低濃度粉塵的檢測誤差比較大，超出了MT/T 1102—2009《煤礦用粉塵質(zhì)量濃度傳感器》標(biāo)準(zhǔn)的要求。有部分學(xué)者已經(jīng)對此開展研究，如劉丹丹等基于靜電感應(yīng)法采用射流引射的方式優(yōu)化靜電法粉塵質(zhì)量濃度傳感器的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出渦街效應(yīng)的靜電感應(yīng)法粉塵傳感器，并采用數(shù)值仿真的方式對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提高了靜電法粉塵質(zhì)量濃度檢測設(shè)備的低濃度精度；LIU等設(shè)計(jì)多螺旋管道的探測電極，增加粉塵顆粒與管道的摩擦概率，提高粉塵顆粒的電荷量，進(jìn)而提高顆粒物低濃度的檢測精度；ZHANG等提出了一種基于傳感器輸出功率頻譜的方法，通過反復(fù)分解傳感器的整體輸出功率譜來識別粉塵質(zhì)量濃度。

可見目前研究學(xué)者主要通過設(shè)計(jì)高靈敏度的探測電極和改善數(shù)據(jù)處理算法2種途徑實(shí)現(xiàn)低電荷量粉塵質(zhì)量濃度的檢測。但是改善算法會增加處理器的計(jì)算量，延長數(shù)據(jù)的更新時(shí)間，使粉塵質(zhì)量濃度檢測的實(shí)時(shí)性變差。縮小環(huán)狀電極的直徑是提高環(huán)狀電極空間靈敏度的主要方法，但是容易引起探測電極被粉塵堵塞的問題。因此筆者擬對目前的環(huán)狀電極進(jìn)行改進(jìn)，在環(huán)狀電極的中心增加一個(gè)板狀，構(gòu)成一個(gè)新型的板-環(huán)探測電極，對板-環(huán)探測電極進(jìn)行建模仿真、參數(shù)優(yōu)化及試驗(yàn)驗(yàn)證，以達(dá)到提高低濃度粉塵的檢測精度和避免探測電極被粉塵堵塞的目的。

1 靜電法粉塵質(zhì)量濃度檢測方法

1.1 檢測原理

靜電感應(yīng)法的粉塵質(zhì)量濃度檢測原理如圖1所示，探測電極通過導(dǎo)線連接電荷放大器，放大器的反饋電容為?；诟咚轨o電理論，運(yùn)動的粉塵顆粒在探測電極表面感應(yīng)出動態(tài)的感應(yīng)電荷()，進(jìn)而在導(dǎo)線上產(chǎn)生動態(tài)電流()，通過電荷放大器將動態(tài)電流轉(zhuǎn)換為動態(tài)的電壓信號()，通過測試動態(tài)電壓信號的波動性反映探測電極周圍粉塵質(zhì)量濃度大小。

圖1 靜電法顆粒物濃度檢測原理示意Fig.1 Schematic diagram of the principle of electrostatic particle concentration detection

1.2 檢測結(jié)構(gòu)

目前的靜電法粉塵質(zhì)量濃度傳感器的探測電極如圖2所示，探測電極包括抽氣部分和檢測部分，檢測部分主要包括環(huán)狀電極、絕緣體、屏蔽罩、導(dǎo)線和銅柱，環(huán)形電極的材料是0.1 mm厚的銅片，銅片上連接有銅柱和導(dǎo)線，便于將探測電極與后端信號處理電路連接；屏蔽罩是不銹鋼，連接電源地，起到屏蔽外界干擾的作用；絕緣材料是容易加工的聚四氟乙烯；抽氣部分主要是直流風(fēng)機(jī)，在風(fēng)機(jī)作用下，環(huán)境中的粉塵以一定速度經(jīng)過環(huán)狀探測電極，粉塵顆粒在探測電極表面感應(yīng)出一定量的波動性信號，通過對波動信號的分析實(shí)現(xiàn)粉塵顆粒濃度的檢測。

通過分析目前環(huán)狀探測電極對低濃度粉塵測試誤差大的主要原因主要有2點(diǎn)：其一是當(dāng)粉塵質(zhì)量濃度較低時(shí)，粉塵顆粒整體帶有的電荷量比較少，在探測電極表面感應(yīng)的信號較低；其二是目前的探測電極噪聲比較大，微小的感應(yīng)信號大部分被噪聲淹沒，因此造成目前靜電法粉塵質(zhì)量濃度傳感器針對低濃度粉塵具有較高的檢測誤差。

圖2 環(huán)狀探測電極的結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of ring detection electrode

1.3 新型探測電極結(jié)構(gòu)

新型探測電極的抽氣部分與環(huán)狀探測電極的相同，并且抽氣部分只是給粉塵顆粒一定的速度通過檢測區(qū)域，以下對抽氣部分不予以討論。新型探測電極是對環(huán)狀電極進(jìn)行了改進(jìn)，在環(huán)狀電極的中心添加一個(gè)板狀電極，構(gòu)成了板-環(huán)電極，電極的結(jié)構(gòu)如圖3所示。板-環(huán)探測電極由板-環(huán)電極、銅柱、絕緣體、屏蔽層4個(gè)部分組成。新型的板環(huán)狀探測電極的優(yōu)勢是增加了探測電極的感應(yīng)信號強(qiáng)度，提高探測電極對粉塵的靈敏度。

圖3 板-環(huán)探測電極的結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure diagram of plate-ring detection electrode

2 探測電極空間靈敏度分析

2.1 靜電探測電極的數(shù)學(xué)模型

附有靜電荷的粉塵顆粒與探測電極之間的相互作用可以用靜電場描述，靜電場滿足如下Piosson方程和邊界條件：

(1)

則在探測電極表面感應(yīng)的電荷密度，由高斯定理可以求得

(,,)=(,,)=(,,)(,,)= -(,,)?(,,)

(2)

其中，(,,)為求解域內(nèi)的電勢，V；(,,)為求解域內(nèi)體電荷的密度，C/m；(,,)為求解域內(nèi)介電常數(shù)，F(xiàn)/m；為探測電極的邊界；cons為探測電極作為等勢體；(,,)為電極表面的電荷密度，C/m；(,,)為電極內(nèi)壁面附近處的電位移矢量，C/m；(,,)為求解域內(nèi)分布的電場強(qiáng)度，V/m。根據(jù)計(jì)算出電極表面的電荷密度(,,)在探測電極的內(nèi)表面面積積分，可計(jì)算出電極表面的感應(yīng)電荷量,計(jì)算公式為

(3)

根據(jù)式(3)可得，在粉塵電荷的靜電場區(qū)域內(nèi)，已知介電常數(shù)、電荷密度與邊界條件的情況下，可以計(jì)算出探測電極表面感應(yīng)的電荷量，由于模型的邊界條件比較復(fù)雜，獲得上述方程的解析解比較困難，因此建立三維有限元模型，采用有限元仿真的方法計(jì)算探測電極表面感應(yīng)的電荷量。

2.2 探測電極的幾何模型

采用COMSOL5.4軟件的靜電場模塊，首先根據(jù)圖1，2，建立環(huán)狀探測電極與板-環(huán)探測電極的三維有限元模型，包括了探測電極、聚四氟乙烯的絕緣體、粉塵顆粒，空氣域、金屬屏蔽罩，如圖4所示；然后對環(huán)狀探測電極和板-環(huán)狀探測電極三維模型分別網(wǎng)格化，網(wǎng)格類型選擇自由四面體網(wǎng)格，探測電極網(wǎng)格化結(jié)果如圖5所示，板環(huán)探測電極網(wǎng)格單元數(shù)量為53 731，環(huán)狀探測電極網(wǎng)格單元數(shù)量為52 541。探測電極的初始條件是粉塵顆粒表面均勻分布1 C的電荷量，探測電極的邊界條件是空氣域邊界和屏蔽罩表面電勢設(shè)為0。

圖4 探測電極的幾何模型Fig.4 Geometric model of the probe electrode

圖5 探測電極的網(wǎng)格化示意Fig.5 Schematic diagram of the meshing of the detection electrode

2.3 探測電極空間靈敏度計(jì)算

空間靈敏度的定義是感應(yīng)區(qū)域內(nèi)的單位電荷作用下，基于靜電感應(yīng)理論探測電極表面感應(yīng)電荷量的絕對值。對探測電極的選擇與設(shè)計(jì)而言，空間靈敏度是一項(xiàng)重要參數(shù)。空間靈敏度是衡量移動的帶電顆粒在探測電極表面產(chǎn)生感應(yīng)信號量的大小，是反映探測電極對帶電粉塵顆粒的響應(yīng)靈敏度，也是確定探測電極尺寸結(jié)構(gòu)的依據(jù)。

在圖4的平面內(nèi)，計(jì)算環(huán)狀探測電極和板-環(huán)探測電極的空間靈敏度，空間靈敏度分布如圖6所示。根據(jù)空間靈敏度分布圖可得，軸向方向2種探測電極均存在先增加后減少的變化趨勢，在探測電極軸向中心處達(dá)到最大值，板-環(huán)探測電極的空間靈敏度最大值大于環(huán)狀電極；通過對比徑向方向空間靈敏度的變化趨勢，板-環(huán)探測電極中心處表現(xiàn)出一個(gè)駝峰。因此板-環(huán)探測電極對中心處粉塵具有較高的靈敏度，整體具有較高的感應(yīng)靈敏度，所以相對目前環(huán)狀探測電極，板-環(huán)探測電極具有較高的靈敏度，有利于對低濃度粉塵、低電荷量粉塵質(zhì)量濃度的檢測。

圖6 探測電極的空間靈敏度分布Fig.6 Spatial sensitivity distribution of detection electrodes

3 板-環(huán)狀探測電極的粉塵質(zhì)量濃度傳感器設(shè)計(jì)

3.1 板-環(huán)電極的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

板-環(huán)探測電極的結(jié)構(gòu)參數(shù)是電極的直徑與電極的長度，結(jié)合板-環(huán)探測電極在靜電感應(yīng)法粉塵質(zhì)量濃度傳感器上的安裝尺寸要求，設(shè)板-環(huán)探測電極直徑為20，40，60，80 mm，板-環(huán)探測電極的長度設(shè)為10，20，30，40 mm進(jìn)行研究，計(jì)算板-環(huán)探測電極平面上通過原點(diǎn)的軸向和徑向2個(gè)方向的空間靈敏度分布曲線，由于板-環(huán)探測電極徑向方向的對稱性，只計(jì)算板-環(huán)探測電極徑向方向的一半，不同長度和直徑的情況下，徑向方向和軸向方向空間靈敏度分布曲線如圖7所示。

圖7 板-環(huán)探測電極不同尺寸空間靈敏度的分布Fig.7 Distribution of spatial sensitivity of plate-ring detection electrodes in different sizes

圖7(a)，(b)為探測電極直徑、長度對軸向空間靈敏度影響曲線，各曲線表現(xiàn)為先增加后減少的特點(diǎn)，變化比較劇烈。圖7(c)，(d)為探測電極直徑、長度對徑向空間靈敏度影響曲線，各曲線的表現(xiàn)為先減少后增加，變化比較平緩。探測電極的直徑和長度對空間靈敏度的數(shù)值大小和波動性產(chǎn)生比較大的影響。根據(jù)靜電感應(yīng)法粉塵質(zhì)量濃度檢測的基本原理，表征粉塵質(zhì)量濃度的參數(shù)是探測電極感應(yīng)信號的波動性，粉塵顆粒的移動方向?yàn)榘?環(huán)探測電極的軸向方向，因此探測電極軸向空間靈敏度波動性越大越好，為了減少顆粒物流場的擾動干擾，探測電極的徑向空間靈敏度波動性越小越好。

為了清晰說明探測電極尺寸對空間靈敏度分布的影響，統(tǒng)計(jì)各空間靈敏度曲線的最大值和標(biāo)準(zhǔn)偏差，如圖8所示，隨著探測電極直徑的減少和長度的增加，軸向空間靈敏度的波動性和最大值逐步增加，徑向空間靈敏度的最大值逐步增加和波動性逐步減少，所以板-環(huán)探測電極的直徑越小越好、長度越大越好。根據(jù)統(tǒng)計(jì)曲線的變化趨勢，隨著板-環(huán)探測電極的長度增加，各個(gè)指標(biāo)的變化趨勢趨于穩(wěn)定，為了便于探測電極的安裝，減少探測電極的體積，探測電極的長度設(shè)置為40 mm;隨著板-環(huán)探測電極直徑減小，各個(gè)指標(biāo)并不收斂，變化速率逐步增加，但是板-環(huán)探測電極直徑不可以過小，否則容易造成堵塞，因此根據(jù)探測電極的安裝要求，探測電極的直徑設(shè)計(jì)為30 mm。

3.2 基于板-環(huán)探測電極的粉塵質(zhì)量濃度傳感器

設(shè)計(jì)板-環(huán)探測電極后端的信號處理電路，探測電極的感應(yīng)電流信號通過LMC6001電荷放大器轉(zhuǎn)化為電壓信號，有效放大的超低輸入電流信號最小可達(dá)到25 fA，再次通過PGA204運(yùn)算放大器二次放大電壓信號，放大100倍，然后電壓信號通過LTC1063低通濾波器濾除信號中的高頻雜波，截止頻率是1 kHz，最后通過AD采樣芯片轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號,采樣頻率是2 kHz，采樣周期是2 s,一次將采集的4 000個(gè)數(shù)據(jù)輸入到單片機(jī)中，經(jīng)過標(biāo)定算法可得到粉塵質(zhì)量濃度。將信號處理電路板與板-環(huán)探測電極的銅柱直接相連接，然后在探測電極的外端加上金屬屏蔽罩，安裝上數(shù)字信號處理電路板，構(gòu)成了基于板-環(huán)探測電極的靜電感應(yīng)法粉塵質(zhì)量濃度傳感器，如圖9所示。

圖8 板-環(huán)探測電極不同尺寸空間靈敏度的分析示意Fig.8 Schematic analysis of the spatial sensitivity of plate-ring detection electrodes with different sizes

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)將對基于板-環(huán)探測電極的靜電法粉塵質(zhì)量濃度傳感器(以下簡稱新型粉塵質(zhì)量濃度傳感器)和目前煤礦應(yīng)用比較廣泛的GCD1000(A)型靜電法粉塵質(zhì)量濃度傳感器(以下簡稱目前粉塵質(zhì)量濃度傳感器)進(jìn)行對比測試，驗(yàn)證2種傳感器的噪聲、分辨率及檢測精度。GCD1000(A)型靜電法粉塵質(zhì)量濃度傳感器采用的是環(huán)狀探測電極。試驗(yàn)設(shè)備利用中煤科工集團(tuán)重慶研究院瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的粉塵傳感器標(biāo)定系統(tǒng)，試驗(yàn)裝置如圖10所示，主要包括連續(xù)發(fā)塵器、風(fēng)硐、除塵器、風(fēng)機(jī)、采樣器。連續(xù)發(fā)塵器將粉塵均勻地噴入風(fēng)硐中，風(fēng)機(jī)使風(fēng)硐中的風(fēng)速穩(wěn)定，在風(fēng)流作用下粉塵在風(fēng)硐中均勻分布。試驗(yàn)所用粉塵是研磨篩選后的煤粉，煤粉粒度約0.08 mm。通過溫濕度儀檢測，試驗(yàn)環(huán)境的溫度是21 ℃、濕度RH是83%。為了減少粉塵傳感器對風(fēng)硐粉塵分布的影響，將待檢測的2種粉塵質(zhì)量濃度傳感器的探測電極放入風(fēng)硐，2種傳感器的探測電極橫截面積遠(yuǎn)小于風(fēng)硐橫截面面積，因此傳感器的探測電極對風(fēng)硐粉塵分布影響忽略不計(jì)。2種傳感器的探測電極、采樣器的氣體采樣口并行安裝在風(fēng)硐的同軸位置處，采樣器與待檢測的粉塵質(zhì)量濃度傳感器同時(shí)工作，示波器連接探測電極模擬信號處理電路輸出端，記錄采集2種傳感器探測電極的輸出信號，進(jìn)行下一步的分析。

根據(jù)MT/T 1102—2009《煤礦用粉塵質(zhì)量濃度傳感器》標(biāo)準(zhǔn)的要求，環(huán)境的實(shí)際粉塵質(zhì)量濃度采用稱重采樣法測得，具體流程是通過采樣器采集風(fēng)硐中的氣固混合流，稱重采樣器中濾膜的增值，經(jīng)過計(jì)算得到風(fēng)硐中的實(shí)際粉塵質(zhì)量濃度，作為待測粉塵質(zhì)量濃度傳感器輸出信號分析的參考值。

圖9 板-環(huán)探測電極及傳感器裝置Fig.9 Installation diagram of plate-ring detection electrode and sensor

圖10 試驗(yàn)裝置Fig.10 Experimental equipment

4.2 噪聲分析

基于圖10的試驗(yàn)系統(tǒng)，當(dāng)試驗(yàn)系統(tǒng)不發(fā)塵時(shí)，2種傳感器的輸出信號為傳感器零點(diǎn)噪聲，圖11為目前粉塵質(zhì)量濃度傳感器噪聲與新型粉塵質(zhì)量濃度檢測裝置的噪聲曲線?？梢?，目前粉塵質(zhì)量濃度傳感器輸出信號噪聲峰峰值是新型粉塵質(zhì)量濃度傳感器的4.25倍，標(biāo)準(zhǔn)偏差大于新型粉塵質(zhì)量濃度傳感器0.003，因此新型粉塵質(zhì)量濃度傳感器具有較低的噪聲。

圖11 零點(diǎn)噪聲曲線Fig.11 Noise curves in zero state

為了分析傳感器的噪聲對輸出數(shù)據(jù)的影響，定義了輸出信號的信噪比，計(jì)算公式為

(4)

其中，為輸出信號的標(biāo)準(zhǔn)偏差；為輸出信號噪聲的標(biāo)準(zhǔn)偏差，傳感器輸出信號的信噪比與不同粉塵質(zhì)量濃度的曲線關(guān)系如圖12所示。

可見目前新型粉塵質(zhì)量濃度傳感器具有較高的信噪比，新型粉塵質(zhì)量濃度傳感器的信噪比約是目前粉塵質(zhì)量濃度傳感器的3倍，說明新型粉塵質(zhì)量濃度傳感器具有較高的抗干擾性，有利于低濃度粉塵感應(yīng)信號量的提取。

圖12 信噪比與低、高質(zhì)量濃度粉塵間曲線Fig.12 Curves graph between signal-to-noise ratio and low and high concentration of dust

4.3 分辨率分析

調(diào)節(jié)試驗(yàn)系統(tǒng)發(fā)塵器的發(fā)塵量，采集2種粉塵傳感器的輸出數(shù)據(jù)，以標(biāo)準(zhǔn)偏差反映輸出信號的波動性，統(tǒng)計(jì)2種傳感器輸出數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差與粉塵質(zhì)量濃度之間的關(guān)系如圖13所示，為了便于分析將輸出數(shù)據(jù)按粉塵的高質(zhì)量濃度和低質(zhì)量濃度進(jìn)行區(qū)分，粉塵質(zhì)量濃度區(qū)分界限定義為50 mg/m，傳感器輸出數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差與粉塵質(zhì)量濃度的曲線關(guān)系如圖14所示。

圖13 標(biāo)準(zhǔn)偏差與全量程粉塵質(zhì)量濃度間曲線Fig.13 Curves graph between standard deviation and full-scale dust concentration

圖14 標(biāo)準(zhǔn)偏差與低、高質(zhì)量濃度粉塵間曲線Fig.14 Curves graph between standard deviation and low and high concentration of dust

由圖14可得，新型粉塵傳感器的曲線斜率要大于目前粉塵傳感器，約是目前粉塵質(zhì)量濃度傳感器的2倍，所以新型粉塵傳感器對粉塵質(zhì)量濃度具有較高的分辨率，大幅提高了探測電極對粉塵質(zhì)量濃度的響應(yīng)度。

4.4 檢測精度分析

根據(jù)圖13中輸出數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差與粉塵質(zhì)量濃度的曲線關(guān)系，對新型粉塵質(zhì)量濃度傳感器進(jìn)行分段標(biāo)定后，將新型粉塵質(zhì)量濃度傳感器與目前的粉塵質(zhì)量濃度傳感器在圖10的試驗(yàn)系統(tǒng)中測試，檢測2種傳感器的檢測精度，測試結(jié)果見表1。

表1 2種傳感器檢測精度統(tǒng)計(jì)Table 1 Two types of sensor detection accuracy statistics table

根據(jù)表1的測試結(jié)果，粉塵質(zhì)量濃度低于25 mg/m時(shí)，目前環(huán)狀電極的粉塵傳感器的檢測誤差不滿足MT/T 1102—2009《煤礦用粉塵質(zhì)量濃度傳感器》標(biāo)準(zhǔn)的要求；而新型板-環(huán)探測電極粉塵質(zhì)量濃度傳感器具有較高的檢測精度，特別針對低濃度粉塵，最大檢測誤差均不超過10%，低于目前常見粉塵質(zhì)量濃度傳感器15%的檢測誤差。因此板-環(huán)探測電極的靜電感應(yīng)法粉塵質(zhì)量濃度傳感器對高濃度、低濃度粉塵均具有較高的檢測精度，將靜電感應(yīng)法粉塵質(zhì)量濃度傳感器的檢測誤差由15%降低到10%，實(shí)現(xiàn)對高、低濃度粉塵的高精度檢測。

5 結(jié) 論

(1)通過建立環(huán)狀探測和板-環(huán)探測電極的三維有限元模型，計(jì)算并分析探測電極空間靈敏度分布，得到板-環(huán)探測電極具有空間靈敏度高、對管道中心處粉塵較靈敏的優(yōu)勢，并且結(jié)合板-環(huán)探測電極的空間靈敏度與探測電極結(jié)構(gòu)尺寸的曲線關(guān)系，板-環(huán)探測電極的幾何尺寸參數(shù)推薦設(shè)置為直徑為30 mm，長度為40 mm。

(2)根據(jù)目前基于環(huán)狀電極的靜電法粉塵質(zhì)量濃度傳感器與新型基于板-環(huán)探測電極的靜電法濃度傳感器對比測試結(jié)果，板-環(huán)探測電極的靜電法濃度傳感器具有噪聲低、信噪比高、檢測精度高的優(yōu)點(diǎn)，最大測試誤差不超過10%，誤差低于目前粉塵質(zhì)量濃度傳感器的15%檢測誤差值，特別是對低濃度粉塵。

(3)本文研究的板-環(huán)探測電極是靜電法粉塵質(zhì)量濃度傳感器的一種新型探測電極，成功解決了目前靜電法粉塵質(zhì)量濃度傳感器低濃度粉塵檢測誤差大、易受干擾的問題，推動了靜電法在粉塵質(zhì)量濃度檢測方面的進(jìn)一步發(fā)展，也助力了粉塵質(zhì)量濃度在線檢測技術(shù)的提升。