Знакомство с новым поколением приборов для измерения статической пыли

Thread Content

Технология измерения пыли с использованием электростатического воздействия на частицы впервые была применена в конце 1970-х годов в области мониторинга выбросов частиц. От первоначальных простых устройств для обнаружения утечек, основанных на аналоговых схемах, до устройств для измерения потока/концентрации частиц, использующих процессоры DSP и алгоритмы цифровой обработки сигналов, эта технология постепенно совершенствовалась благодаря более глубокому пониманию принципов статического электрического взаимодействия частиц и законов гидродинамики газо-твердотельных потоков. Она находит применение в все большем числе промышленных областей. В 1995 году произошло важное событие: Агентство по охране окружающей среды США (USEPA) утвердило стандарт MACT для отрасли вторичной переработки свинца. В этом стандарте впервые было предусмотрено использование систем мониторинга частиц пыли с применением электростатического метода для контроля за работой устройств для удаления пыли. Это означает, что USEPA впервые официально признала и рекомендовала технологию электростатического воздействия на частицы пыли. С тех пор эта технология постепенно стала использоваться в других стандартах USEPA, касающихся выбросов от фильтров пыли. Обзор технологий. С конца 1970-х годов до начала 2000-х годов основной принцип работы оборудования для измерения частиц под действием электростатического поля заключался в использовании многополярных аналоговых усилителей. Хотя позже в такое оборудование были добавлены микропроцессоры, что позволило получить цифровую индикацию, возможность цифровой связи и другие интеллектуальные функции, процесс обработки первичных сигналов по-прежнему осуществлялся с использованием аналоговых схем. Страница 4 из 9. Идеальная схема электростатической обработки частиц должна обеспечивать хорошие характеристики как при постоянном, так и при переменном токе. Что касается характеристик при постоянном токе, то на всем диапазоне измерений необходимо минимальное смещение и дрейф показаний, а коэффициент усиления должен быть максимально линейным ； Что касается характеристик передачи данных, то необходима достаточная пропускная способность для охвата диапазона частот, подлежащих измерению, а также высокое соотношение сигнала к шуму. Однако для проектирования и создания приборов для измерения электростатического поля частиц в реальных условиях необходимо преодолеть ряд технических сложностей: сигналы, связанные с электростатическим полем частиц, очень слабые, обычно они находятся в диапазоне от 10^-12 до 10^-9 ампер. Для обнаружения столь малых сигналов тока требуется чрезвычайно высокий коэффициент усиления (приблизительно усиление 10^9), чтобы получить измеримый сигнал. У всех аналоговых электронных компонентов существуют такие факторы, как смещение, дрифт и тепловой шум. Все эти помехи усиливаются вместе с самим сигналом. Если не применять соответствующую компенсацию или изоляцию, помехи могут стать настолько сильными, что затмят настоящий сигнал, что приведет к насыщению цепи ； В то же время в схемах, использующих традиционные электронные компоненты, высокий коэффициент усиления ограничивает частотный диапазон схемы, в результате чего она может обнаруживать только постоянные сигналы и низкочастотные переменные сигналы с частотой около десяти герц. Поэтому на этапе технологии аналоговых схем существуют немалые трудности при создании устройств для статического зарядирования частиц. Ниже приводится пример типичного прибора для измерения статического заряда частиц, использующего технологии обработки аналоговых сигналов, с целью анализа ограничений таких устройств. Из вышеизложенного анализа следует, что традиционные устройства для измерения статического электрического поля частиц, основанные на принципе многоступенчатого аналогового усиления, обладают следующими характеристиками:
 Они усиливают сигналы в выбранном диапазоне частот без различий, и этот сигнал служит основой для вывода данных с прибора. В результате прибор не может различать различные электромагнитные помехи, а также не может выявлять неисправности датчика, такие как его загрязнение.
 Ограниченный диапазон частот сигнала: у устройств с переменным замыканием диапазон обработки сигналов обычно составляет от 1 Гц до 10 Гц – это низкочастотный диапазон. Прибор игнорирует полезные постоянные сигналы, фиксируя лишь те сигналы, которые находятся в самом слабом диапазоне частот и наиболее подвержены воздействию турбулентности. У устройств с постоянным замыканием диапазон обработки составляет от постоянной частоты до 4 Гц; прибор может фиксировать постоянные сигналы, но не может обрабатывать информацию более высоких частот.
 Невозможность обеспечить эффективную электрическую изоляцию: датчик, передняя часть цепи и соседние трубопроводы не могут формировать независимую систему потенциалов. В результате прибор легко подвержен воздействию помех от заземленных устройств, а также от сигналов, идущих по кабелям питания. Это также является одной из причин нестабильной работы таких приборов в различных условиях.
 Отсутствие возможности анализа характеристик сигнала; невозможно определить состояние потока, что делает невозможным необходимую коррекцию сигнала. В результате выводимые данные зависят от состояния потока, что приводит к неточным результатам измерений.
Учитывая характеристики и ограничения устройств для измерения статического электрического поля частиц, основанных на принципе многоступенчатого аналогового усиления, можно сказать, что в большинстве случаев такие устройства подходят в качестве чувствительных устройств для контроля за утечками пыли. Однако они вряд ли могут обеспечить точные количественные измерения. Технологический прогресс: с развитием микропроцессоров и технологий обработки цифровых сигналов технология статического воздействия на частицы также вошла в цифровую эпоху. Как и в случае с радаром — технологией, изобретенной во время Второй мировой войны, — цифровая обработка сигналов позволила существенно улучшить количество информации, получаемой с помощью радара, его способность к противодействию помехам, точность и стабильность. Это произошло благодаря развитию от простого усиления эха до современных технологий фазированных массивов. В начале этого века, благодаря распространению прецизионных и высокоскоростных преобразователей аналогово-цифровых сигналов, использованию гидродинамических моделей для описания движения газов, содержащих частицы пыли, разработке статистических моделей и алгоритмов обработки сигналов, а также оптимизации этих алгоритмов и появлению дешевого вычислительного оборудования (DSP, FPGA), стало возможным использование специальных алгоритмов для обработки данных, полученных в результате чрезмерной дискретизации. Это позволяет получать комплексные результаты. Новое поколение устройств для измерения электростатического поля частиц пыли, основанных на технологиях цифровой обработки сигналов, также совершенствуется по мере увеличения их применения на практике. Характеристики устройства для измерения статического электрического поля частиц на основе обработки цифровых сигналов:
 Полностью независимая схема измерения на входе, изолированная от остальных компонентов устройства с помощью электрической изоляции. Это позволяет преобразовать датчик, схему измерения и окружающие трубопроводы в отдельную систему сравнения, тем самым устраняя помехи, исходящие от источника питания, линий передачи сигналов и заземляющих контуров.
 Технология постоянного отслеживания смещений в схеме измерения и их устранения, что позволяет полностью устранить влияние смещений усилителя в допустимом диапазоне температур (промышленный диапазон: –40°C до 85°C).
 Аналоговая часть схемы не выполняет никакой обработки сигнала; она лишь буферизует или слегка усиливает исходный сигнал, сохраняя достаточную ширину полосы пропускания сигнала. Это позволяет сохранить больше информации о состоянии жидкости для последующей обработки алгоритмами.
 Внутри цепи передачи сигналов происходит как можно более ранняя преобразование сигнала в цифровой формат, после чего сигнал обрабатывается с использованием статистических и цифровых алгоритмов.
 Прямоугольные и переменные сигналы обрабатываются отдельно; для определения базовых значений используется интенсивность прямоугольного или переменного сигнала.
 Скорость потока оценивается путем анализа характеристических частот переменного сигнала или корреляции сигналов с датчиков, расположенных выше и ниже по трубопроводу. Это позволяет компенсировать влияние изменений скорости потока на базовый сигнал, так что выходной сигнал будет зависеть только от концентрации частиц.
 Путем анализа корреляции между несколькими сигналами устраняются электромагнитные помехи любой частоты, особенно те, которые возникают в пространстве.
 Для анализа данных, полученных в результате чрезмерной выборки, используется метод «bao li», что позволяет устранить влияние случайного шума, вызванного турбулентностью и другими факторами.
 Путем сравнения характеристик прямоугольных и переменных сигналов можно определить наличие повреждений датчика и других неисправностей. Когда частота выборки превышает пределы «эффекта пространственной фильтрации», становится возможным полная обработка информации о движении частиц. Обрабатывая тысячи точек данных в одном образце, цифровой процессор может выполнять различные статистические и спектральные анализы сигналов; кроме того, алгоритмы взаимной корреляции могут использоваться для точного измерения скорости потока частиц. Различные модели и алгоритмы были проверены в лабораторных условиях и на практике; при необходимости для достижения оптимальной эффективности в конкретных условиях используется программное обеспечение для анализа данных в автономном режиме. Поэтому приборы для измерения статического электрического заряда частиц, основанные на технологиях обработки цифровых сигналов, обладают более высокой стабильностью и воспроизводимостью, что и является основой для калибровки количественных измерений. По сравнению с традиционным оборудованием, у оборудования, основанного на технологиях обработки цифровых сигналов, есть следующие преимущества: В заключение можно сказать, что развитие теории статического электрического поля частиц способствовало прогрессу в области электронных технологий. Без высокоточных схем сэмплирования с достаточной пропускной способностью многие модели и алгоритмы не могут быть проверены ； Характеристики сигнала, полученные в результате теоретического анализа, также служат ориентиром для оптимизации проектирования схемы дискретизации в конечном устройстве. Алгоритмы для реального времени встраивания в оборудование также требуют расчета разумных затрат на аппаратное обеспечение для их реализации. В области электростатического воздействия на частицы произошли значительные инновации, однако большинство компаний в этой отрасли не отказались от традиционных методов аналогового усиления, используемых на протяжении многих лет, а внесли лишь ограниченные изменения (см. цитируемую выше американскую патентную заявку № 8375766B2, утвержденную в 2013 году). Поскольку компании, использующие технологию аналогового усиления, по-прежнему занимают большую долю рынка, знания широкой аудитории о технологии электростатического воздействия на частицы остаются на уровне прошлого века. При соблюдении требований к эффективности американские и европейские органы по регулированию окружающей среды не устанавливают строгих требований к техническим принципам работы оборудования для измерения выбросов пыли. По сравнению с устройствами для измерения концентрации/потока пыли, основанными на оптических принципах, устройства для измерения концентрации пыли с использованием принципа электростатического воздействия на частицы имеют свои особенности применения и сферы использования. Однако они обладают преимуществами в виде более высокой чувствительности, надежности, экономичности, а также практически не требуют технического обслуживания. Помимо концентрации/потока частиц, приборы для измерения пыли, работающие на основе оптических принципов, а также приборы, использующие принцип электростатической индукции, подвержены влиянию других факторов. Поэтому перед проведением количественных измерений оба типа приборов требуют калибровки с использованием частиц с известными характеристиками в условиях стабильного потока. У каждой точки мониторинга свои особенности качества частиц и состояния потока, поэтому оба типа приборов требуют калибровки непосредственно на месте. В отличие от оптических приборов, приборы для измерения электростатического воздействия частиц не требуют использования чистых и тщательно настроенных линз для измерения света; вместо этого они используют простые, надежные и практически не требующие обслуживания датчики для измерения движения частиц ； Можно использовать датчики различных типов, чтобы их можно было устанавливать на различные трубопроводы и устройства для сбора пыли, обеспеченные надлежащей заземлённостью и экранированием. У приборов для измерения статического электричества частиц в основном не возникает проблем с накоплением пыли на датчиках, и они могут использоваться для обнаружения абразивных или влажных (неконденсирующихся) частиц в высокотемпературных дымоходах. Даже в ситуациях, когда происходит конденсат и требуется установка системы отбора проб, благодаря высокой надежности датчиков, определяющих наличие частиц под действием электростатического поля, систему отбора проб можно **упростить, ограничившись такими компонентами, как устройства для отбора проб и нагрева». Приборы для измерения статического электрического поля частиц способны обнаруживать пыль в концентрации до 0,01 мг/м³. Они могут реагировать на изменения потока/концентрации пыли в течение одной секунды. Эти показатели **ниже предусмотренных любыми стандартами на выбросы лимитов**. Благодаря высокой чувствительности и быстрому времени реакции, устройства для измерения статического электричества частиц часто используются для технического обслуживания фильтров от пыли, проверки их работоспособности, а также для раннего выявления и определения места утечек. Новое поколение приборов для измерения электростатического поля частиц позволяет более точно определять концентрацию, расход и скорость потока частиц. Кроме того, такие приборы менее подвержены влиянию различных факторов, мешающих измерениям. Помимо использования в традиционном контроле за уровнем выбросов, они применяются и в более важных областях производственного контроля – например, для измерения скорости потока газов с частицами пыли, а также для контроля уровня пыли в открытых пространствах. А степень принятия этой технологии в промышленности также будет расти по мере её фактического применения в продуктах.