浮游金属粉尘浓度检测技术及传感器研究

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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。
摘要第3-5页
abstract第5-6页
第一章 绪论第10-21页
    1.1 研究意义和背景第10-13页
    1.2 国内外粉尘浓度检测现状第13-19页
        1.2.1 称重法第13页
        1.2.2 光散射法第13-15页
        1.2.3 β射线法第15-16页
        1.2.4 振荡天平法第16-17页
        1.2.5 电荷感应法第17-18页
        1.2.6 粉尘浓度测量方法对比第18-19页
    1.3 金属粉尘检测现状第19页
    1.4 主要研究内容第19-20页
    1.5 本章小结第20-21页
第二章 金属粉尘的特性与电荷感应基本原理第21-33页
    2.1 金属粉尘的特性第21-26页
        2.1.1 粉尘的荷电特性第21页
        2.1.2 固体粉尘的带电机理第21-23页
        2.1.3 金属粉尘的特性第23-24页
        2.1.4 金属粉尘的带电机理第24-25页
        2.1.5 抛光打磨作业场所金属粉尘的起电机理及其带电量分析第25-26页
    2.2 电荷感应法检测原理第26-32页
        2.2.1 检测基本原理第26-28页
        2.2.2 检测技术分类第28-29页
        2.2.3 电极的分类第29-32页
    2.3 本章小结第32-33页
第三章 螺旋环状探测电极研究第33-44页
    3.1 螺旋环状探测电极模型建立第34-37页
    3.2 螺旋环状探测电极空间灵敏度的影响因素分析第37-43页
        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第37-39页
        3.2.2 N(匝数)对螺旋电极空间灵敏度的影响分析第39-41页
        3.2.3 d对螺旋电极空间灵敏度的影响分析第41-42页
        3.2.4 螺旋环状与棒状环状电极间的对比第42-43页
    3.3 本章小结第43-44页
第四章 浮游金属粉尘浓度传感器设计第44-51页
    4.0 传感器结构设计第44-45页
    4.1 前置放大电路设计第45-46页
    4.2 二级放大电路设计第46-47页
    4.3 滤波电路设计第47页
    4.4 A/D采样电路设计第47-48页
    4.5 电源电路设计第48页
    4.6 硬件电路抗干扰设计第48-49页
    4.7 软件程序流程设计第49-50页
    4.8 本章小结第50-51页
第五章 影响因素分析及实验验证第51-66页
    5.1 粉尘浓度测量实验方案设计第51-57页
        5.1.1 实验装置与条件第51-52页
        5.1.2 软件平台第52-53页
        5.1.3 实验步骤第53-54页
        5.1.4 实验数据第54-57页
    5.2 实验数据及影响因素分析第57-63页
        5.2.1 环境湿度的影响分析第57-59页
        5.2.2 环境温度的影响分析第59-60页
        5.2.3 环境风速的影响分析第60-61页
        5.2.4 粉尘粒度的影响分析第61-62页
        5.2.5 影响因素的解决方法第62-63页
    5.3 金属粉尘带电机理测试实验方案设计第63-65页
        5.3.1 实验装置与条件第63页
        5.3.2 金属粉尘与非金属的带电实验第63-65页
    5.4 本章小结第65-66页
第六章 总结与展望第66-69页
    6.1 论文总结第66-67页
    6.2 研究展望第67-69页
参考文献第69-73页
致谢第73-74页
攻读硕士期间研究成果第74页
作者简介第74页
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