新一代静电粉尘仪介绍

颗粒物静电感应测尘技术 1970 年代末首先运用到颗粒物排放监测领域的。从最初
简单的基于模拟电路的独立式除尘器泄漏检测仪，到采用了 DSP 芯片和数字信号处理
算法的颗粒物流量/浓度仪，此项技术随着对颗粒物静电感应原理和气固两相流体力学
的更深入的理解而逐步完善起来，并被应用到越来越多的工业领域当中。
在 1995 年，一个里程碑式的事件是 USEPA（美国环保署）颁布了二次熔铅行业
的 MACT（最可行控制技术）标准，在这个标准中，第一次要求了在除尘器的运行中
使用颗粒物静电感应粉尘监测系统。这代表了 USEPA 首次官方承认并推荐颗粒物静电
感应技术，自此之后，这项技术陆续出现在其他的一些 USEPA 与除尘器有关的排放标
准当中。
技术回顾
从 20 世纪 70 年代末直到 21 世纪初，静电感应颗粒物测量设备的核心技术都是基
于多极模拟放大原理的，即使后期的设备增加了微处理器使有的仪器有了数字显示、
数字通讯和其它智能功能，但原始信号处理的部分都是基于模拟电路技术的。
Page 4 of 9
wdu理想的颗粒物静电感应处理电路应该既有良好的直流和交流性能：在直流性能方
面，在整个探测范围内，需要有最小的偏移和漂移，并应有尽量线性的增益；在交流
性能方面，需要有足够的带宽以覆盖要测量的频率范围，并应有较高的信噪比。然而
设计制造现实中的颗粒物静电感应仪器需要解决一系列的技术难点：颗粒物静电感应
信号非常弱，通常在 10-12 到 10-9 安培的范围。要检测到如此小的电流信号，需要极高
倍放大倍率（约 109的增益）才能得到可计量的信号。所有的模拟电子元件都有偏移、
漂移和热噪，所有这些干扰都会和信号本身一起被放大，如果没有适当的补偿或隔离，
干扰就可能大到把真正的信号掩盖的程度，并使电路饱和；同时在使用传统的电子元
件的电路中，大幅增益又会限制电路的带宽，使其只能探测到直流信号和十几赫兹的
低频交流信号。所以在模拟电路技术阶段，制造出稳定的颗粒物静电感应仪器有不小
的挑战。下面以一个典型的采用模拟信号处理技术的颗粒物静电感应仪器为例，分析
这类仪器的局限性。

由以上的分析可以看出，传统的以多级模拟放大为核心技术的颗粒物静电感应仪
器有以下特征：
 对选择带宽内的信号无差别放大，并且作为仪表最终输出的基准，这样：
o 仪表无法分辨各种电磁干扰
o 仪表无法分辨探头故障如污染状况
 有限的信号带宽：
o 对于交流耦合的设备，通常的处理信号范围为 1Hz~10Hz 的低频区，仪
表隔离了有用的直流信号，而只监测信号频率范围内最弱、最容易受湍
流影响的区域
o 对于直流耦合的设备，通常的处理带宽为直流~4Hz，仪表虽然监测了直
流信号，但无法处理更高频率的有效信息
 无法实现有效的电气隔离，探头和前端电路及邻近管道无法形成独立的电位参
比体系：
o 仪表容易受到接地回路干扰，例如附近大型用电设备
o 仪表容易受到信号线、电源线上耦合的干扰
o 这也是此类仪表在不同工况、不同现场性能表现不稳定的根本原因之一
 对信号特征无具体分析，无法判断流动状况，从而无法对信号进行必要修正，
从而使输出受到流动状况的影响，得不到准确的测量结果
从基于多极模拟放大原理的颗粒物静电感应仪器的特点和局限性来看，此类仪器在大
部分工况下，作为灵敏的粉尘泄漏监测设备是合格的，但很难达到精确定量测量的标
准。
技术进步
随着近微处理器和数字信号处理技术的发展，颗粒物静电感应技术也进入了数字
时代。正如同雷达这种二战中发明的技术一样，从最初简单的回波放大到现代的相控
阵技术，数字信号处理使雷达得到的信息量、抗干扰能力、精度和稳定性有了本质的
飞跃。本世纪初，随着高精度、高速度模数转换器的推广，含尘气体流动的流体力学
模型的应用，统计模型和信号处理算法的开发，以及算法的优化和低成本的计算硬件
（DSP、FPGA）使“bao li”计算（利用优化算法，对超量采样的数据进行循环计算，
Page 6 of 9
wduPage 7 of 9
wdu
从而得出综合的结果）成为可能，新一代的以数字信号处理为核心技术的颗粒物静电
感应仪器也随着现场应用的增多而成熟起来。
基于数字信号处理的颗粒物静电感应仪器的特征为：
 完全独立的前端测量电路，由电气隔离与设备其它部分分开，使探头、前端测
量电路和周围管道形成独立的参比体系，从而消除来自于电源、信号线和接地
回路的干扰
 前端测量电路连续的漂移跟踪与偏差消除技术，在合理的温度范围内（工业级：
-40C~85C）根本上消除放大器漂移的影响
 模拟电路部分不对信号进行任何处理，只对原始信号缓冲或适度放大，保留足
够原始信号带宽，从而使为后台算法保留更多的流体的信息
 在信号链内，尽早把信号进行模数转换，然后运用统计和数字算法对信号进行
处理
 对直流信号和交流信号分别处理，根据工况设定计算基准，通常使用直流或交
流信号强度作为基准
 通过对交流信号特征频率或上下游探头信号的相关性分析估算流速，从而补偿
流速变化对基准信号的影响，使输出信号只成为颗粒物浓度的函数
 通过对多路信号相关性进行分析，从而消除出现在任意频率的电磁干扰，尤其
是空间电磁干扰
 利用“bao li”计算对超量采样的数据进行分析，以消除湍流等因素造成的随机
噪音影响
 通过对直流信号和交流信号特征的比较，判断探头污染等故障状况
当采样频率**超过了“空间过滤效应”的范围时，处理完整的颗粒物流动信息
便成为可能。通过在一个样本中上千个数据点进行处理，数字信号处理器可对信号进
行多种统计及频谱分析，交相关算法也可以被用来进行精确的颗粒流速测量。多种模
型和算法在实验室和现场得到验证，在必要时利用离线的数据分析软件来调教到特定
工况的最佳效果。
所以基于数字信号处理技术的颗粒物静电感应仪器有更好地稳定性和可重复性，
而这正是定量测量可标定性的基础。与传统的设备相比，基于数字信号处理技术的设
备还有以下优点：
总结
颗粒物静电感应理论的发展得益于电子技术的进步，如果没有足够带宽的高精度
采样电路，很多模型和算法也无法得到验证；而通过理论分析的到的信号特征也指导
优化最终设备中采样电路的设计。设备的实时嵌入系统中的算法也需要合理成本的计
算硬件才得以实现。颗粒物静电感应领域实际上经历了一场革新，但行业内的大多数
公司并没有脱离多年来延续下来的模拟放大的核心技术，而仅仅做有限的改动（见前
文引用的，2013 年批准的美国专利 8375766B2）。由于使用模拟放大技术的公司依旧
占有大部分的市场份额，广大用户对颗粒物静电感应技术的认识也停留在上个世纪。
只要满足性能要求，美国和欧盟的环境监管机构对粉尘排放测量设备的技术原理
并没有硬性规定。颗粒物静电感原理与光学原理的粉尘测量设备相比，各有其使用特
性和优化的适用场合，但颗粒物静电感应粉尘浓度/流量测量仪具有更灵敏、更可靠、
更经济而且几乎免维护的优点。除了颗粒浓度/流量以外，光学原理的粉尘测量仪和静
电感应原理的粉尘测量仪均受其他因素的影响，所以在作定量测量前，这两类仪器都
需要用已知属性的颗粒在稳定的流动下做标定，对每一个监测点来说，实际的颗粒性
质和流动状况不尽相同，所以两类仪器都需要进行实地标定。
不同于光学仪器，颗粒物静电感应测量仪器不须要使用干净、仔细校正的镜头来
测量光线，而使用简单、坚固并且几乎免维护的探头来测量颗粒物的流动情况；可以
配备不同形式的探头，以适合安装在各种有正确接地和屏蔽的管道和集尘器上。颗粒
物静电感应仪器基本上不用担心探头上的粉尘堆积影响，并可以在高温的烟道里检测
有磨蚀性或潮湿（非冷凝）的颗粒物。即使在结露，需要安装采样系统的场合，由于颗粒物静电感应探头的本质坚固性，采样系统也可以**简化，只包括抽取和加热等
组件。
颗粒物静电感应仪器可检测浓度低至 0.01 mg/m3 的粉尘，可对粉尘流量/浓度的变
化在一秒之内做出响应，这些指标**低于任何排放标准规定的上限。因为其高敏感
度和快速响应时间，颗粒物静电感应仪器经常被用于除尘器的维护、性能检验和早期
泄漏预警和泄漏定位。
新一代的颗粒物静电感应监测仪器能更好地定量测量颗粒的浓度、流量和流速，
更不易受各种干扰的影响，除了用于传统的排放监测，还被应用于更重要的生产控制
领域中，如气动传输线上的流动测量、含尘气体流速测量和开放空间粉尘监测等。而
工业界对这个技术接受程度也会随着产品的实际应用而增加。

文件有些图片上传不了，需要完整的文章的给我发邮件 26183744@qq.com  

谢谢分享