Présentation du nouvel appareil de mesure des poussières électrostatiques

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La technologie de détection de la poussière par induction électrostatique des particules a été utilisée pour la première fois à la fin des années 1970 dans le domaine de la surveillance des émissions de particules. Allant des premiers détecteurs de fuites autonomes, simples et basés sur des circuits analogiques, aux instruments de mesure du débit/concentration de particules utilisant des puces DSP et des algorithmes de traitement numérique des signaux, cette technologie s’est progressivement perfectionnée grâce à une meilleure compréhension des principes d’induction électrostatique des particules ainsi que de la mécanique des fluides dans les flux biphasiques gaz-solide, et elle est aujourd’hui appliquée dans un nombre croissant de domaines industriels. En 1995, un événement marquant a été l’établissement par la USEPA (Agence américaine pour la protection de l’environnement) des normes MACT (Technologies de contrôle les plus appropriées) pour l’industrie de la fusion secondaire du plomb. Ces normes ont exigé pour la première fois l’utilisation de systèmes de surveillance des particules par induction électrostatique lors du fonctionnement des filtres à poussière. Cela représente la première fois que la USEPA reconnaît officiellement et recommande la technologie d’induction électrostatique pour les particules ; depuis lors, cette technologie est apparue progressivement dans d’autres normes de l’USEPA relatives aux émissions des filtres à poussière. Aperçu technique : De la fin des années 1970 jusqu’au début du XXIe siècle, la technologie de base des appareils de mesure des particules par induction électrostatique reposait sur le principe d’amplification analogique multipolaire. Même si les appareils ultérieurs ont intégré des microprocesseurs, offrant ainsi des affichages numériques, une communication numérique et d’autres fonctions intelligentes, le traitement du signal initial restait basé sur la technologie des circuits analogiques. Page 4 sur 9 : Le circuit de traitement par induction électrostatique des particules idéal pour le WDU doit présenter de bonnes performances en courant continu et en courant alternatif : en ce qui concerne les performances en courant continu, il faut un décalage et une dérive minimaux sur toute la plage de détection, ainsi qu’un gain aussi linéaire que possible ； En termes de performance de communication, il est nécessaire d’avoir une bande passante suffisante pour couvrir la plage de fréquences à mesurer, ainsi qu’un rapport signal/bruit élevé. Cependant, la conception et la fabrication d’instruments de détection par induction électrostatique des particules dans la réalité nécessitent de surmonter une série de difficultés techniques : le signal d’induction électrostatique des particules est très faible, se situant généralement dans la plage de 10⁻¹² à 10⁻⁹ ampères. Pour détecter un signal de courant aussi faible, il est nécessaire d’utiliser un facteur d’amplification extrêmement élevé (un gain d’environ 10⁹) afin d’obtenir un signal mesurable. Tous les composants électroniques analogiques présentent un décalage, une dérive et du bruit thermique ; tous ces parasites sont amplifiés avec le signal lui-même. En l’absence d’une compensation ou d’un isolation adéquates, les parasites peuvent devenir si importants qu’ils masquent le vrai signal, entraînant ainsi la saturation du circuit ； En même temps, dans les circuits utilisant des composants électroniques traditionnels, une augmentation importante du gain limite la bande passante du circuit, le rendant capable de détecter uniquement des signaux en courant continu et des signaux alternatifs à basse fréquence de l’ordre de quelques dizaines de hertz. Ainsi, à l’étape de la technologie des circuits analogiques, il y a un défi non négligeable à relever pour fabriquer des instruments d’induction électrostatique de particules stables. Ci-dessous, à l’aide d’un instrument typique de détection par induction électrostatique des particules utilisant des techniques de traitement du signal analogique, nous analysons les limites de ce type d’instrument. D’après l’analyse ci-dessus, on peut constater que les instruments de détection par induction électrostatique des particules, basés sur la technologie traditionnelle d’amplification analogique à plusieurs étages, présentent les caractéristiques suivantes :
 Amplification sans distinction des signaux dans la bande de fréquences choisie, qui sert de référence pour la sortie finale de l’instrument ; par conséquent :
o L’instrument ne peut pas distinguer les différentes interférences électromagnétiques ;
o L’instrument ne peut pas détecter les pannes de la sonde, telles que sa contamination.
 Bande passante limitée du signal :
o Pour les équipements couplés en courant alternatif, la plage de traitement habituelle des signaux se situe dans la zone de basses fréquences de 1 Hz à 10 Hz ; l’instrument isole les signaux en courant continu utiles et ne surveille que la zone la plus faible et la plus sensible aux turbulences au sein de la plage de fréquence du signal.
o Pour les équipements couplés en courant continu, la bande passante habituelle va du courant continu à 4 Hz ; bien que l’instrument surveille les signaux en courant continu, il ne peut pas traiter les informations utiles à des fréquences plus élevées.
 Impossibilité d’assurer une isolation électrique efficace : la sonde, les circuits frontaux et les tuyaux adjacents ne peuvent pas former un système de référence de potentiel indépendant ;
o L’instrument est susceptible d’être perturbé par les circuits de terre, par exemple en raison de gros appareils électriques à proximité ;
o L’instrument est également sujet aux interférences couplées sur les lignes de signal et les lignes d’alimentation ;
c’est aussi l’une des raisons fondamentales de la stabilité insuffisante de ces instruments dans différentes conditions opérationnelles et sur différents sites.
 Aucune analyse spécifique des caractéristiques du signal : il n’est pas possible de déterminer l’état du flux, ce qui empêche d’apporter les corrections nécessaires au signal, affectant ainsi la sortie et rendant les résultats de mesure imprecis.
Compte tenu des caractéristiques et des limites des instruments de détection par induction électrostatique des particules basés sur le principe d’amplification analogique à plusieurs étages, ces instruments sont suffisants en tant qu’équipements sensibles pour la détection des fuites de poussière dans la plupart des conditions opérationnelles, mais il leur est difficile d’atteindre les normes de mesure quantitative précise. Progrès technologiques : Avec le développement des microprocesseurs et des technologies de traitement du signal numérique, la technologie d’induction électrostatique des particules est également entrée dans l’ère numérique. Tout comme la technologie du radar, inventée pendant la Seconde Guerre mondiale, qui est passée de simples amplificateurs d’écho à la technologie moderne à faisceau contrôlé, le traitement numérique des signaux a permis une amélioration fondamentale de la quantité d’informations obtenues par le radar, ainsi que de sa résistance aux interférences, de sa précision et de sa stabilité. Au début de ce siècle, avec la diffusion de convertisseurs analogique-numérique à haute précision et à haute vitesse, l’application de modèles hydrodynamiques pour le flux de gaz poussiéreux, le développement de modèles statistiques et d’algorithmes de traitement du signal, ainsi que l’optimisation des algorithmes et l’apparition d’équipements de calcul à faible coût (DSP, FPGA), le calcul « bao li » (utilisation d’algorithmes optimisés pour effectuer des calculs itératifs sur des données sur-samplées, afin d’obtenir un résultat global) est devenu possible. De nouvelles générations d’instruments de détection par induction électrostatique des particules, reposant sur la technologie de traitement du signal numérique, se sont également affinées grâce à une utilisation accrue sur le terrain. Les caractéristiques des instruments de détection par induction électrostatique des particules basés sur le traitement du signal numérique sont les suivantes :
 Un circuit de mesure frontale entièrement indépendant, séparé des autres parties de l’appareil par isolation électrique, permettant à la sonde, au circuit de mesure frontale et aux tuyaux environnants de former un système de référence indépendant, éliminant ainsi les interférences provenant de la source d’alimentation, des lignes de signal et des circuits de terre.
 Une technologie de suivi continu de la dérive du circuit de mesure frontale et d’élimination des écarts, qui élimine fondamentalement l’effet de la dérive de l’amplificateur dans une plage de température raisonnable (niveau industriel : -40 °C à 85 °C).
 La partie du circuit analogique ne traite pas le signal de manière alguna, se contentant de le tamponner ou de l’amplifier légèrement, afin de conserver une largeur de bande suffisante du signal original, permettant ainsi de préserver davantage d’informations sur le fluide pour les algorithmes en arrière-plan.
 Dans la chaîne de signal, la conversion analogique-numérique du signal est effectuée le plus tôt possible, puis le signal est traité à l’aide d’algorithmes statistiques et numériques.
 Les signaux en courant continu et en courant alternatif sont traités séparément ; une référence de calcul est définie en fonction des conditions opérationnelles, généralement en utilisant l’intensité du signal en courant continu ou alternatif comme référence.
 La vitesse du flux est estimée par analyse de la fréquence caractéristique du signal en courant alternatif ou de la corrélation entre les signaux des sondes en amont et en aval, compensant ainsi l’impact des variations de vitesse sur le signal de référence, de sorte que le signal de sortie ne dépende que de la concentration en particules.
 L’analyse de la corrélation entre plusieurs signaux permet d’éliminer les interférences électromagnétiques à n’importe quelle fréquence, en particulier les interférences électromagnétiques spatiales.
 L’analyse des données issues d’un suréchantillonnage est effectuée à l’aide du calcul « bao li », afin d’éliminer l’effet du bruit aléatoire causé par des facteurs tels que la turbulence.
 En comparant les caractéristiques des signaux en courant continu et en courant alternatif, on peut détecter des pannes telles que la contamination de la sonde. Lorsque la fréquence d’échantillonnage dépasse la portée de l’« effet de filtrage spatial », il devient possible de traiter de manière complète les informations relatives au flux de particules. En traitant des milliers de points de données dans un échantillon, le processeur de signal numérique peut effectuer diverses analyses statistiques et spectrales ; les algorithmes de corrélation croisée peuvent également être utilisés pour mesurer avec précision la vitesse du flux de particules. De nombreux modèles et algorithmes ont été testés en laboratoire et sur le terrain, et le logiciel d’analyse de données hors ligne est utilisé si nécessaire pour les ajuster afin d’obtenir les meilleurs résultats dans des conditions spécifiques. Ainsi, les instruments d’induction électrostatique des particules basés sur la technologie de traitement du signal numérique offrent une meilleure stabilité et reproductibilité, ce qui constitue justement la base de la calibrabilité des mesures quantitatives. Par rapport aux équipements traditionnels, les équipements basés sur la technologie de traitement du signal numérique présentent également les avantages suivants : En résumé, le développement de la théorie de l’induction électrostatique des particules bénéficie des progrès de la technologie électronique ; sans des circuits d’échantillonnage à haute précision disposant d’une large bande passante suffisante, de nombreux modèles et algorithmes ne pourraient pas non plus être validés ； Les caractéristiques du signal obtenues par l’analyse théorique guident également l’optimisation de la conception du circuit d’échantillonnage dans le dispositif final. Les algorithmes permettant l’intégration en temps réel des équipements dans les systèmes nécessitent également un calcul des coûts raisonnables pour que le matériel correspondant puisse être mis en œuvre. Le domaine de l’induction électrostatique des particules a en fait connu une révolution, mais la plupart des entreprises du secteur n’ont pas abandonné la technologie clé d’amplification par simulation, en usage depuis des années, se contentant de modifications limitées (voir le brevet américain 8375766B2 approuvé en 2013, cité précédemment). Comme les entreprises utilisant la technologie d’amplification analogique occupent encore la majeure partie du marché, la connaissance des technologies d’induction électrostatique pour les particules par le grand public reste limitée à celui du siècle dernier. Tant que les exigences de performance sont remplies, les autorités de réglementation environnementale des États-Unis et de l’UE ne imposent pas de règles strictes concernant le principe technique des équipements de mesure des émissions de poussières. Par rapport aux appareils de mesure de la poussière basés sur les principes optiques, les dispositifs de mesure de la concentration/débit de poussière par induction électrostatique des particules présentent leurs propres caractéristiques d’utilisation et domaines d’application optimisés. Cependant, ces instruments offrent l’avantage d’être plus sensibles, plus fiables, plus économiques et presque sans entretien. Outre la concentration/débit des particules, les capteurs de poussière fonctionnant selon le principe optique et ceux fonctionnant selon le principe d’induction électrostatique sont tous deux influencés par d’autres facteurs. Par conséquent, avant de réaliser des mesures quantitatives, ces deux types d’instruments doivent être étalonnés à l’aide de particules aux propriétés connues dans un flux stable. Pour chaque point de surveillance, les caractéristiques réelles des particules et les conditions de flux varient, ce qui exige une étalonnage sur site pour les deux types d’instruments. Contrairement aux instruments optiques, les appareils de mesure par induction électrostatique des particules n’ont pas besoin d’objectifs propres et soigneusement calibrés pour mesurer la lumière ; ils utilisent plutôt des capteurs simples, robustes et presque sans entretien pour mesurer le flux des particules ； Il est possible d’équiper des sondes de différentes formes, afin qu’elles puissent être installées sur divers tuyaux et collecteurs correctement mis à la terre et blindés. Les instruments de détection des particules par induction électrostatique ne doivent pas craindre l’accumulation de poussière sur la sonde et peuvent détecter des particules abrasives ou humides (non condensées) dans des canalisations à haute température. Même en cas de condensation et lorsqu’il est nécessaire d’installer un système de prélèvement, la robustesse intrinsèque des capteurs à induction électrostatique pour les particules permet de **simplifier le système de prélèvement, qui ne comprend que des composants tels que l’aspiration et le chauffage.** Les instruments de détection par induction électrostatique des particules peuvent détecter des poussières à une concentration allant jusqu’à 0,01 mg/m3, et réagir aux variations du débit/concentration de poussière en l’espace d’une seconde ; ces valeurs sont **inférieures aux limites maximales fixées par tous les standards d’émission. En raison de leur haute sensibilité et de leurs temps de réponse rapides, les instruments d’induction électrostatique pour les particules sont fréquemment utilisés pour la maintenance des filtres à poussière, le contrôle de leur performance, ainsi que pour la détection précoce des fuites et leur localisation. La nouvelle génération d’instruments de surveillance par induction électrostatique des particules permet une mesure plus précise de la concentration, du débit et de la vitesse de flux des particules, et est moins susceptible d’être affectée par diverses perturbations. En plus d’être utilisés pour la surveillance traditionnelle des émissions, ils sont également employés dans des domaines de contrôle de production plus importants, tels que la mesure du flux dans les lignes de transport pneumatique, la mesure de la vitesse de flux des gaz contenant des poussières, ainsi que la surveillance de la poussière dans les espaces ouverts. De plus, l’acceptation de cette technologie par l’industrie augmentera également avec les applications pratiques des produits.