（检测技术与自动化装置专业论文）粉体静电在线监控系统设计.pdf

北京化工大学硬士学位论文 粉体静电在线监控系统设计 摘要 石化行业甲，粉体静电放电会引发火灾、爆炸等事故，因此，粉体处 理作业过程中带电量的有效实时在线监控，一直是静电研究领域十分关注 的前沿课题。 本文设计了适用于石化企业粉体输送现场的粉体静电在线监控系统 文中主要介绍了粉体静电的测量原理、监控系统的整体构成、工作原理及 监控功能的实现等。该监控系统由现场的定容式粉体静电监测仪和控制室 内的监控机两部分组成，其中，粉体静电在线监测仪的设计包括管道旁路 中法拉第筒结构的定容电荷室的机械结构设计及实现粉体静电采样的信 号调理电路和数据采集、通信电路的设计。上位机采用组态王作为监控软 件，设计了相应的监控界面，并依据m o d b u s 协议，控制粉体静电监测仪 进行采样，以荷质比方式实现粉体静电电荷的实时、在线、远程监测和控 制。该监测系统弥补了手动方式监测粉体静电电量的不便以及监测其它静 电参数时精度不高的缺点，能有效地避免石化行业中的燃烧、爆炸等重大 事故的发生。并且比用d c s 系统或其它国外组态软件花费低，具有非常 好的应用前景。 多次的粉体静电采样实验表明，粉体静电在线监测仪对于经过定长管 道下落的粉体静电采样信号波形具有较好的重复性，表明本监控系统方案 是可行的，具有一定的推广意义。 北京化工丈学硬士学位论文 关键词；粉体静电，在线监测，m o d b u s 协议，荷质比，组态王 n 北京化工大学硕士学位论文 d e s i g n d i go fo n - l i n e 剐哐a s u l u n gs y s t e mf o r e l e c t r o s t a t i cc 曰滔j l g eo fp a r t i c l e s a b s t r a c t 1 1 托e l e c t r o s t a t i cd i s c h a r g eo fp a r t i c l e si np e t r o c h e m i c a li n d u s t r y 锄 i n i t i a t et h eb m 卫i n g s ，e x p l o s i o n sa n do t h e rf a t a la c c i d e n t s s o ，t h ee f f e c t i v e , r e a l - t i m ea n do n - l m ed c t c c t i o 咀o fd c c t r o s t a t i cc h a , 苫eo fp a n i c l e , i nt h e p r o c e s so f p a r t i c l e sd i s p o s a li st h ea d v a n c e dt a s kw h i c hh a sa t t r a c t e dt h em o s t a t t e n t i o n s d e s i g n i n go fo n - l i n em e a s u r i n gs y s t e mf o re l e c t r o s t a t i cc h a r g eo f p a r t i c l e sw 弱i n t r o d u c e di nt l d sp a p e rw h i c hi ss u i t a b l ef o rt h ep n e u m a t i c t r a n s p o r ti np e t r o c h e m i c a li n d u s t r y 硼托m e a s u r e m e n tt h e o r yo fe l e c t r o s t a t i c c h a r g ef o rp a r t i c l e s ，t h es y s t e m sw h o l es t r u c t u r e , w o r k i n gp r i n c i p l ea n dt h e r e a l i z a t i o no f c o n t r o l l i n gf u n c t i o na n ds oo nw e l ei n 咖c i l l c e di nt h i sp a p e r i t w a sc o m p o s e do ft h ef i x e d - c a p a c i t ym e a s u r i n gi n s t r u m e n tf o rd e c t r o s t a t i c c h a r g eo f p a r t i c l e si nt h es c e n e , a l o n gw i t ht h em o n i t o ri nt h ec o n t r o l l i n gr o o m t h ed e s i g n i n go fm e a s u r i n gi n s t r u m e n tf o re l e c t r o s t a t i cc h a r g eo fp a r t i c l e s c o n t a i n saf i x e d - - c a p a c i t yc h a r g ec h a m b e rw h i c ha d o p t sf a r a d a yp a i ls t r u e t u l m o u n t c di nt h eb y p a s so ft h ep i p e l i n e , s i g n a lo b s e r v a t i o nc i r c u i t , d a t a c o l l e c t i n ga n dc o m m u n i c a t i o nc i r c u i tw h i c hc a nr e a l i z et h es a m p l i n g k i n g v i e ww a su s e da ss u p e r v i s i o ns o f t w a r e id e s i g na l lt h ec o n t r o l l i n gi n t e r f a c e s , t h es a m p l i n g sw e l eo b t a i n e db ym e a n so fc h a r g ed e n s i t yo fm a s st h r o u g h c o n t r o l l i n gt h em e a s u r i n gi n s t r u m e n tf o rd e c t r o s t a t i cc h a r g eo f p a r t i c l e sb a s e d o nm o d b u sp r o t o c 0 1 皿er e a l - t i m e , o n - l i n e ，l o n gd i s t a n c em e a s u r e m e n ta n d c o n t r o l l i n go fe l e c t r o s t a t i cc h a r g eo fp a r t i c l e sc a l lb er e a l i z e d 1 1 坞m e a s u r i n g s y s t e mc a nr e m e d yt h es h o r t a g eo fi n c o n v e n i e n to fm a n u a lo p e r a t i o n sf o r m e a s u r i n ge l e c t r o s t a t i cc h a r g eo fp a r t i c l e s ，i tc a l lb ee f f e c t i v ei na v o i d i n gt h e h a p p e n so fb u m i n g s ，e x p l o s i o n sa n do t h e rf a t a la c c i d e n t si np e t r o c h e m i c a l m 北泉化工大学硬士学位论文 i n d u s t r y w h a t sm o r e , i t c o s t sl e s st h a nt h od c ss y s t e ma n do t h e r c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ea b r o a d a sy o uc a ns ，i tw i l lh a v eag o o da p p l i c a t i o n p r o s p e c t t h et i m ea f t e rt i m es a m p l i n gt e s to fe l e c t r o s t a t i cd i s c h a r g eo f p a r t i c l e s s h o w st h a t ，t h em e a s u r i n gi n s t r u m e n tf o re l e c t r o s t a t i cc h a r g eo fp a r t i c l e sh a s g o o dr e p e t i t i o no fs a m p l i n gs i g n a lo fp a r t i c l e sw h e nt h ew h e r e a b o u t sp i p e l i n e h a st h ef i x e dl e n g t h i ti n d i c a t e st h a tt h i sc o n t r o l l i n gs y s t e mi sf e a s i b l ea n di t h a sc e r t a i ne x t e n d i n gs i g n i f i c a n c e k e yw o r d s ：e l e c t r o s t a t i c c h a r g eo fp a r t i c l e s ，o n - l i n em e a s u r e m e n t ， m o d h u sp r o t o c o l ，c h a r g ed e n s i t yo f m a s s ，k i n gv i e w 北京化工大学硕士学位论文 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 作者签名：至互j 垂日期：三堕! ：兰 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的 规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京 化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件 和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部 或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学 位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在一年解密后适用本授 权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 作者签名：垂! 盈垂日期： 2 u o r 7 、| 、21 导师签名： 垃雏囡 日期： 缸生2 ：厶兰= 北京化工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 粉体静电检测技术对石化企业的重要意义 随着全球工业化进程的加快，生产粉尘、粉末和颗粒状物质的粉体工业迅猛发展 改革开放二十多年来，我国粉体工业生产规模迅速扩大，发展速度前所未有以石油 化工行业聚烯烃粉体生产为例，1 9 8 2 年全国年产量不足1 0 0 万吨，1 9 8 9 年则突破了 2 0 0 万吨大关。1 9 9 6 年年产量达到3 2 0 万吨近年来，我国合成树脂和塑料年产量仍 然保持2 0 的增长速度煤炭、冶金、纺织，粮食等其他行业涉及粉体工业的生产规 模亦以年产量增长速度超过1 5 的态势呈规模化发展趋势与此同时，粉体工业生产 中引起的爆炸和燃烧事故也迅速增多如哈尔滨亚麻厂粉尘爆炸事故，广东新港粮食 储仓粉体爆炸事故均发生在2 0 世纪年代初期据统计资料分析，随着我国经济发 展速度的加快，粉体爆炸与燃烧事故越来越频繁n 上述粉体灾害事故和其发展态 势引起了人们的极大关注，对我国经济发展和社会稳定造成了较大的影响，我国政府 和有关行业主管部门及相关的研究单位对此类灾害事故高度重视这些因素对促进和一 加强我国粉体工业防灾技术研究工作，对防粉体灾害技术的应用推广，以及进一步落 实企业的专项整改与治理措施等方面都起到了积极的推动作用 统计资料显示嘲，粉体工业灾害事故与粉体静电密切相关从一组引起粉体灾害 事故( 粉尘爆炸) 的点火源数据统计百分比分析可知：由热表面引爆的占3 8 7 1 ，由明 火引爆的占3 2 2 6 ，由静电与电气火花引爆的占1 6 1 3 ，其他因素引爆的占1 2 9 0 由此可见，在粉体工业生产过程中，由于静电与电气火花引起粉尘爆炸事故的比倒是 比较大的，其中静电的危害已到了必须引起人们高度重视的程度事实上，在人类 现代生产和生活活动中，静电存在的范围很广。静电在给我们带来极大便利的同时( 如 静电复印、静电除尘、静电喷涂、静电成像、静电生物效应和纳米材料制备等) ，也 给人类社会带来了各种各样的麻烦甚至引发灾难性事故正因为静电事故遍及矿业、 冶金、石油化工、纺织、医药、粮食加工与储运、交通运输、航天航空、通讯与军工 等行业，所以对静电灾害与防护技术的研究一直是现代社会关注的热点课题之一嘲 从我国石油化工行业近几年来4 0 起聚烯烃粉体料仓的燃爆事故统计资料可知”， 这4 0 起粉体料仓燃爆事故的点火源，基本可以认定是粉体自身的静电放电火花事实 上有关高分子聚合粉体的静电危险性研究，尤其是粉体气力输送和粉体大料仓的防静 电危害问题是近二十年来国际范围内静电防灾研究领域中的热门课题之一“”聚合 物粉体绝缘程度很高，生产过程中粉体的起电量可达1 0 - 7 - 1 0 。c 培。静电泄漏缓 慢，生产过程中的粉体往往会积聚很高的电荷。这种静电的积聚会给粉体生产带来两 北京化工大学硬士学位论文 类危害：一类是带电粉体粒子之间，粒子与管壁，容器之间的静电力作用，给生产带 来各种障碍与危害；另一类是电荷的积累能够产生很强的静电场，从而导致各种类型 的静电放电发生，或引起火灾和爆炸事故，或引起人体电击事故而导致二次事故发生 因此，粉体处理作业过程中带电量的有效实时在线监控，一直是静电研究领域十分关 注的前沿课题机棚。 1 2 粉体静电检测技术的发展及现状 在众多的静电研究课题中，由于粉体静电灾害问题涉及专业面广。致灾过程复杂， 模拟实验难度大，费用高等原因。所以相对于现代静电研究的其他领域而言，粉体静 电灾害的研究在其起电机理、致灾条件和防范对策等方面相对滞后“哪虽然粉体静 电防灾领域需要研究解决的问题很多，但自2 0 世纪5 0 年代以来，这方面的研究进展 一直不大，其研究水平远远落后于液体防静电灾害等技术研究，与实际要求存在较大 的差距。然而从m a u r e r ( 1 9 7 9 年) 报道了粉体大料仓堆表面放电现象之后，以瑞士c i 2 b a 公司和英国南开普敦大学为中心，在国际上迅速形成了一个以粉体工业生产实两；尺度 的粉体静电放电问题为研究对象的研究热点，并进一步提出了一些与生产过程密切相 关的防静电规范或建议与此同时，德国、瑞士、挪威、波兰及前苏联等欧洲防爆委 员会成员国，以及我国、日本、美国等国的相关部门和研究单位，也相继开展了超细 粉尘和非标准条件下的燃烧与爆炸实验，静电场分析计算及其起电、放电等理论与实 验研究工作。这些研究工作极大地丰富了人们对粉体静电危险性的认识，特别是与工 业控制和安全评价有关的粉体静电研究结果，对粉体工业安全生产具有十分重要的意 义和指导作用”。 有关粉体状物质的静电参数( 电阻率p 、介电常数8 、电位u 、电场强度e 及电荷 密度q 等) 的实验室测量，从理论分析到测试方法都比较成熟，有些测试方法和具备 防爆条件的测量仪表也已经直接应用于实际生产场所的粉体静电参数的数据测试 “。”1 近年来，人们可以在工业尺度的大型粉体模拟装置上设置粉体静电试验，方便、 高效地测试粉体静电参数，便利开发、试用防粉体静电灾害的技术和产品，这为进一 步深入研究与解决粉体静电问题提供了实验手段上的保证。相关科研单位研究开发的 非接触式管道粉体静电电荷密度测量仪，在完善防爆设计后即可应用于粉体工业输送 与储运系统的粉体静电监测。粉体、聚合物电荷空间分布的测量方法研究也有了较好 的研究结果。几十年来，人们已经积累了大量的有关粉体方面的静电参数，从相关的 基本静电参数到实际生产中不同性质的粉体起电参数都比较全面“” 粉体作业中起电量的监测，一直是静电研究领域和工业控制领域十分关注的课 题。工业粉体静电控制技术进展的迟缓，在一定程度上与落后的粉体静电监测技术的 制约和影响有关。和石油静电测量技术相比，它的技术难度不仅与粉体带电的不均匀 2 北京化工大学硬士学位论文 性和测量环境的恶劣性有关，也与评价粉体静电放电相关参数有关静电电压和静电 电场是静电测量中应用最为普遍的物理量，但它们不但是物料电荷的函数，也与物料 “静电电容”等相关条件有关( 即v = q c ) ，不能直接反映粉体带电电荷量的绝对值 易造成较大的测量误差；无论是料仓静电的危险评价还是粉体静电消除器消电效率 的监测，最具代表性的是粉体进入料仓的镜像电流或物料单位质量的电荷量( 即荷质 比) 因此，荷质比的测量对于预防静电放电事故具有重要意义谭凤贵教授设计的 d q j - 2 粉体静电监测器采用的是定容式法拉第筒原理，测量参数是荷质比，具有操作 简单，测量重复性好，精度高等特点缺点是它采用的是手动方式，不宣用于实时监 控系统 1 3 粉体静电检测的主要方法 静电测量主要包括静电参数的测量和材料或物体电气性能参数的测量静电参数 包括电位、电场强度、电荷量、荷质比、电流、静电能量等；材料或物体的电气参数 包括粉体比电阻、电阻率、介电常数、电容、时间常数和最小点火能量等瞻“ 1 粉体静电电位( 电压) 测量 电位是与电荷成正比的物理量，电位的高低相对地反映出物体带电的程度由于 它能为粉体静电防护提供定量数据，而且静电电压的测量较其他静电参数的测量易于 实现，故获得了广泛的应用静电电压的测量通常是利用静电电压表，包括接触式和 非接触式静电电压表此外，在工程上，场强计由于精度高、线性好获广泛应用、 粉体静电位测量原理如图l 所示测量时，将金属探针l 伸入粉体输送管路内部， 它和管壁之问利用聚四氟乙烯等物质进行良好的绝缘探针l 和集电板2 之间用导线连 接，使集电板与管路内粉体物料等电位由探头3 和指示仪表4 组成的测量系统可测得 集电板上的电位伽 j - t u l 鼍蕾计2 4 1 , 1 麓，- 位囊矗i 馨 - 静刮酾撒蠢 掂t 宣斛_ 她 图1 1 粉体物科静电电位测量原理图 f 培x - it h e o r y d r a w i n go f m e a s u r i n ge l e c t r o s t a t i cv o l t a g eo f i m t i c l e s 3 托泉化工夫攀艟士学位论文 在生产繁l 建雳瑷璐，采震霉接继式投袭装溺鐾髂袭覆熬黪奄霞是十分霍要静涂 去封闭的容器、管道以及不易插入探头又光法避免其间存在带电体的部位，对于一般 的带电物体，都可以使用菲接触式仪表测燕其静电像。这种监测包括经常性监测、临 辩控蓝涎、逡麓毪篮溯。 2 静电电量的测量 戆电电纛楚反浃携俸豢电耩嚣最本爱豹殇理垂乏一。若豢瞧傣失一令导髂，粼赁 带电荷全部集中于物体表面上，而且表面上各点的电位相等，放对于导体带电时电量 的测量，可遇过接触式静电电压袭先测出其静电电压，然后按照基本关系式q = c u 计 算融带毫蠢q 诧蔻，c 蓬为带亳导体对缝电容q 轻仪表输入电容g 之帮若该两 个电容均为融知，则电曩的测量实际上变为静电电聪的测量，并可通过适当标定，在 静奄电压测爨仪表上纛攘标出蔽溯电量的数篷；妇荣竣涮带电体对遮彀鸯q 无法硗 定，可增大仪表输入电容c ，使得q q ，从而使q 的影响可忽略不计，予怒认 为q = g u 鉴于静电电量的测爨是在静电电压测量基础上进行的，所以同样要求电 嚣仪表兵鸯褰篷瓣输入瞧疆淤减多湃量谟麓。 3 粉体比电阻的测量 粉体比魄阻指单位体积的耪体所具有的电阻。粉俸比电阻怒粉体绝缘性鼹的鬟要 袭征， 甄是表明粉体静电性能的瀵要物理麓。 粉体比电阻的测爨方法最常用的有探针法、二电极法、兰电极法和同心圆筒法四 静，箕基本强淫垮秀欧姆定霉。羚俸邃毫辍戆溺量终暴与试群蘩辩戆形获、大套秘壤 积密度有关，与湿度和容器或电极的表面污染状况若系也很大 4 魄阻与电黻率测量 电隧i 静夭小与物体的形获、尺寸耜关，所致，电阻酶大小并不钷完黛表示掇物体 本身的导电性质。电臌率常用来作为物体本身导电性能的表征，因为它不受物体形状 与足寸豹裁终，瑟只由物俸本身瓣静类蘩内零结捣黪毪决定。电疆率瞧明毫阻系数， 物质的电阻系数在数值上等于用该种物质做的长l m 、截面积为l m m 2 的姆线在温度为 2 0 时的电隰值。 在静电防护领域，毫隧率分为俸积邀辍率纛表瑟毫疆率。钫俸鑫摩擦和接皴、分 离都可在其袭面产生静电荷对于高电阻率的物体，其上的静电荷中和绒泄漏的时间 缀长，因露後物俸长时阕带电；瓣予低电隧率戆切俸，其上静彀棼会缀抉缝澄漏中秘， 使物体不易带电。因此，研究静电防护时，测量物质的电阻率，对于静电的控制意义 非常现实。 1 4 静电测量和试骏的特点 静电测鬣与一般的强电或弱电测量楣鞠：，存在菜些固有的特点，只有把握这臻特 4 北京化工大学确士学位论文 点，才能选择好适宜的测试仪器。制定出合适的试验方法和程序，得出比较准确的结 果静电测量具有下列特点： 1 对测量仪器仪表的绝缘程度要求高 一般而言，静电带电往往是在诸如橡胶、塑料、化纤等高分子绝缘材料的制品上 比较显著。静电测量中涉及的材料对象，其绝缘电阻往往很高，有的甚至达到 l o 协一l o 加q 在这些高电阻物体上，电荷因难于泄漏而很容易形成静电荷的积聚 静电的产生是与物体间的接触分离、摩擦或剥离等瞬间行为联系在一起的，放静电带 电的“电源”远不像流电情况那样可持续地给物体提供大量的电荷因此，在静电带 电的情况下，物体的带电量和存储的静电能量通常是很小的，静电电流一般为微微安 培或微安培级 此外，由于物体的等效电容很小，放按照公式u = q i c ，带电体仍可呈现很高的 静电位在一般工艺生产中，静电位常达数百伏至数千伏，有的甚至高达数万伏至数 十万伏 正因为静电的电量很小，所以在测试过程中即使有少量电荷从带电体流入测试仪 表或泄漏掉，都会造成很大的测量误差 2 静电测量受各种环境条件的影响显著 静电测量受各种环境条件的影响较之普通的强电或弱电测量来得大，而且显著的 多这是因为，不但环境温度、湿度对物体的带电现象及测量结果有重要的影响，而 且被测对象周围的其他物体的带电状态、形状尺寸、相互配置也都会对测量对象的静 电参数产生复杂的影响；同时，在不同测试场所和条件下，外界能量如压力、光和电 磁场等，对测量结果也将产生不同程度的影响。 a 温度、湿度的影响 一般来说，绝缘体的表面电阻随温度和湿度的上升而降低，其原因主要在于杂质 离子迁移率的增加及表面吸附水的作用，这些因素加快了电荷泄漏的速度其中，湿 度的影响比温度的影响明显的多因此，进行静电测量，空气湿度的变化必然引起有 关参数发生变化，故测量过程中必须重视温、湿度条件的变化，除做好记录以供分析 外，凡要求较高时需对温、湿度测量条件加以控制 b 周围其他物体的影响 由于被测对象不可能孤立地存在，它总是处于其他物体包围的环境中，所以其带 电状态必然会受到周围事物的影响，这是进行静电测量时必须考虑的因素作为操作 者的人体，是首先要考虑的因素之一人体的带电极性、电位水平、电荷量、放电能 量等是影响静电测量结果的因素之一 c 环境力学条件的影响 进行静电参数测量时，众多的环境力学条件也会对被测物体的带电状况的测试结 果发生影响，其中，气压、相互摩擦状况的影响是不容忽视的 5 北京化工大学硕士学位论文 3 静电测量结果的复现性差 各种静电测量中常会出现同一物体的同一静电参数在进行多次测量时，所得结果 可能有较大差异，并且往往是各次测量的间隔越长，其结果差异也越大这就是说， 静电测量的复现性较其他( 强电或弱电) 测量都差静电测量中这种比较差的复现性， 从本质上说。是由于静电带电现象的复杂性所决定的此外，使用不同方法也会产生 悬殊的结果，而且，静电测量中经常涉及的塑料、橡胶、织物等绝缘带电物体，其表 面电位分布均匀性差，必须进行多点反复测量，才能比较接近地反映其带电情况 至于现场测量结果的复现性，还直接受到现场条件( 除气候条件外，还有电磁环 境、物体配置等) 的影响，被测物体的带电状况是周围环境中各种因素作用的综合结 果因此。被测物体的带窀状态实际上是与周围环境条件联系在一起的，并且随时处 于变动之中，复现性差是很难避免的 1 5 本课题的研究目的及意义 石油化工行业的粉体物辩在风送进仓作业过程中，由于频繁地发生物料与管壁、 容器壁之间以及粉体物料粒子彼此之间的接触和再分离，里现明显的带电过程带电 的物料不仅会粘结成块或吸附管壁，直接影响产品质量和风送效率；而且随着静电的 积聚，极易引发料仓粉体的燃烧和爆炸因此，及时准确地监测粉体静电量，就成为 了静电研究和工业控制领域十分关注的前沿课题。工业粉体静电监测技术的难度不仅 与粉体带电的不均匀性和测量环境的恶劣性有关，也与评价粉体静电放电相关参数的 特殊性有关。 粉体静电参数主要有静电电压、静电电场、荷质比等等】目前常见的静电监控 系统绝大部分是通过监测静电电压和静电电场强弱来间接反映粉体电荷量的大小，由 于前者与物料电荷及物辩“静电电容”等相关条件有关( u = q c ) 。后者则与测量点 的位置、背景条件及测量系统的附加电容等有关。这类方法因不能直接反映粉体带电 电荷量的绝对值，易造成较大的测量误差，给静电荷的预测和评估带来困难，并直接 影响对静电荷的有效控制和高效消除；荷质比( 即质量电荷密度，用q m 表示) 指的 是单位质量的物质所带的电荷量，是粉体带电程度的一个重要表征参量。当荷质比超 过极限值时，每一粉体粒子的表面电场强度足以使周围的大气电离，将会引起粉体静 电放电因此，荷质比的测量对于预防静电放电事故具有重要意义噙。蕊1 。谭风贵教授 设计的d q j - 2 粉体静电监测器采用的就是测量荷质比的方式，d q j 2 粉体静电监测器虽 然克服了测量静电电压和电场精度不高的不足，具有结构简单、计量准确、监测方便 等优点，但由于它采用的是手动方式，给现场工作人员的操作造成了不便，不宜用于 实时监控系统。本文所设计的粉体静电在线监控系统，测量参数也是荷质比，它由 现场的定容式粉体静电监测仪和控制室内的监控机两部分组成。采用组态王作为监控 6 北京化工大学硬士学位论文 软件，依据m o d b u s 协议，控制粉体静电监测仪进行采样，通过监控软件实现粉体静 电电荷的实时、在线、远程监铡和控制该监测系统弥补了手动方式监测粉体静电电 量的不便，并且具有较好的重复性 i 6 创新点 本文所设计的粉体静电在线监控系统，测量的参数是荷质比，这种方法比直接测 量静电电压和静电电场的方法具有更高的精度它将现场的定容式粉体静电在线监测 仪与控制室内的组态王监控软件有机的结合起来依据组态王能支持m o d b u s 协议以 及m o d b m 协议是工业控制器上的标准通信协议的特点，通过编程能实现粉体静电的 实时、在线、远程检测和控制它具有直观演示现场工作情况、测量精确、操作简单 等特点，弥补了用手动方式监测粉体静电电量的不便以及监测其它静电参数时精度不 高的缺点，并且比用d c s 系统或其它国外的组态软件花费低，具有非常好的应用前 景刎 此外，粉体静电在线监测仪的设计也是创新点之一它包括管道旁路中法拉第筒 结构的定容电荷室的机械结构设计及实现粉体静电采样的信号调理电路的设计利用 的是定容式法拉第筒原理，即在管道旁路中放置法拉第筒结构的定容电荷室通过控 制安装在定容电荷室下面的电磁阀，实现对粉体的在线采样通过建立粉体荷质比和 静电监测仪输出电压之间的关系，实现对粉体荷质比的直接测量 在粉体静电在线监控系统中，静电消除器的使用，可以有效地对静电电量进行消 除，减少燃爆事故的发生，保证企业的安全生产 7 北京化工大学碗士学位论文 第二章粉体静电的测量原理 2 1 粉体介质的起电原理 2 1 1 粉体静电的产生 粉体是固体的一种特殊形态，粉体带电是工业静电的一个重要方面粉体介质由 分散性颗粒组成，在生产和输送过程中，要发生研磨、搅拌、以及高速运动粉体介 质在这些生产工序中将因为粉体颗粒与颗粒之间、粉体颗粒与管道内壁之间发生摩 擦、接触、碰撞等现象而产生静电粉体静电电压可高达几千至几万伏哪 与大块的固体材料相比，粉体本身有分散性和悬浮性两大特点分散性是指固体 物质由原来结构紧密的一个整块变成结构松散、分布均匀的很多小颗粒，从而使粉体 表面积比相同材料、相同重量的整块固体的表面积要大很多倍粉体介质的悬浮性是 指在粉体加工和处理过程中，一般都采用压缩空气作为动力，这样在整个过程中，使 它不论在气体或绝缘液体中悬浮时，粉体颗粒与大地总是绝缘的。 2 1 2 影响粉体静电测量的主要因素 在气力输送过程中，处于快速流动或抖动、振动等运动状态下的粉体与管路、器 壁之阀的摩擦、碰撞、分离，以及粉体自身颗粒之间的相互摩擦、碰撞、分离、固体 断裂等，使粉体带上了相当数量的静电，这是粉体起电的机理。“蜘。影响气流输送粉 体带电量多少的因素很多，如下所述： ( 1 ) 粉体材质的影响 当管道与粉体材料相同时，产生的静电很少，由于粉体中正负电荷的总量大致相 等，整个粉体的净带电量是很小的；而当材质不同时，则能产生大量静电当管道由 金属材料制成时，静电产生量与金属材质种类关系不大；但是当管道及粉体均由绝缘 材料制成时，材料性质对静电影响显著，甚至能改变被测量的静电电荷的符号。 ( 输送距离的影响 粉体在管道中输送距离越远，粉体颗粒之间、颗粒与管道内壁之间碰撞次数越多。 粉体表面上带电量越多，使粉体的总电量也随着增加。与此同时，碰撞次数的增加， 导致已带电的颗粒放电机会的增加，这是和粉体颗粒带电过程相反的过程最后，当 输送距离增加到一定值时，在同一时间内产生和泄漏的电荷量相等，粉体的带电量达 到一个饱和值实验指出，粉体物质的带电量随输送时间按指数规律变化 ( 3 ) 运动速度的影响 北京化工大学硬士学位论文 运动速度是指粉体输送速度或搅拌速度速度越快，粉体颗粒之间、颗粒与管壁 之间单位时间内的摩擦、碰撞次数增多，同时每个颗粒一次碰撞、摩擦越剧烈，因此 产生的静电越多，达到饱和所需的时间就越少在气力输送工艺中，如果气流速度高 达每秒数米至每秒数十米，就能很快达到静电饱和状态如果按长度计算，达到静电 饱和的距离一般不超过数米所以在进行测量时要选好测量地点，一般选择距管道转 弯处大于5 d ( d 为管道直径) 的直径部位进行测量 ( 4 ) 粒径对粉体带电量的影响 粉体物质颗粒越大。每个粒子所带的平均电荷量越多在实际工艺过程中，在同 一气体流量下，在相同重量的粉体中，粒径大的颗粒数远小于粒径小的颗粒数其中 包含粒径小的颗粒数日多，接触面积越大所以在实际输送过程中，小粒子越多，带 电效果越明显 ( 5 ) 时间影响 粉体在管道中输送或者在容器中搅拌时间越长对整体来讲，表明粉体颗粒与器壁 之间的碰撞次数越多，其表面上带有的静电量也增多对每个颗粒来讲发生摩擦和碰 撞的次数增多，其表面上带有的静电量也增多但同时也增加了带电粒子的放电机会， 所以最终表现出来的结果是静电带电趋于平衡，即开始时随输送时间或者搅拌时间的 增加，静电产生量也不断增多，但经过一段时间后便趋于饱和所以在进行粉体静电 测量时，要在粉体带电量趋于饱和时再测 2 2 静电荷质比的测量 质量电荷密度指物质的单位质量所带的电荷量，也叫荷质比质量电荷密度常用 以表示某些形态的物质( 例如粉体) 的带电程度。质量电荷密度以q l m 表示，此处的 m 为质量，质量电荷密度的单位为肛堙粉体质量电荷密度是粉体带电程度的一个 重要表征参量。当物体种类确定后，粉体质量电荷密度与气固比( 即单位体积空气中 悬浮的粉体质量数) 和粉体在管路中的流动速度相关物料的质量电荷密度不能超过 极限值，否则每一粉体粒子的表面电场强度足以使周围的大气电离，将会引起粉体静 电放电为此，粉体质量电荷密度的测量对于预防静电放电事故具有重要意义 质量电荷密度的测量原理和方法是，将粉体物料样品从管路中取出，倒入法拉第 筒内，测量其所带的电荷量，然后根据参数定义公式以= q i m 计算出物料的质量电 荷密度。该参数一般以肛堙( 微库千克) 作为计量单位 这种测量方法原理上可行，但在实际测量操作过程中，由于粉体吸湿性强，导致 物料增重，操作过程中电荷泄漏损失等，测得的数值往往比实际值偏小改进的方法 是在管道旁路中放置一个微型法拉第筒，通过导线( 导线与管壁绝缘) 引出后使用静 电电压计直接测出粉体物料的电量，再进行质量电荷密度计算 9 北京化工大学硕士学位论文 2 3 本章小结 本章介绍了粉体起静电的原理，主要是由于粉体与管路、器壁之间以及粉体自身 颗粒之间的相互摩擦、碰撞等，及影响粉体静电测量的主要因素如材质、时间、速度、 距离等，并给出了测量粉体静电的最佳方式即测量粉体静电荷质比 1 0 北京化工大学硬士学位论文 第三章粉体静电在线监控系统设计 3 1 监控系统的构成 粉体静电在线监控系统主要有现场测量仪表和远程监控两部分组成嘶蝴现场测 量仪表主要使用定容式粉体静电监测仪它采用定容式法拉第筒原理，即在管道旁路 中放置了相互绝缘套接的双筒结构的定容电荷室通过旁路在伸进主管道部分采用倾 斜切面来获取物料由于切面很小，不至于影响主管道中物料的畅通在定容电荷室 的下方装有电磁阀，静电监测仪的结构图如图3 i 所示 e l l l 2 ；纽【j i 多 j i 卜 惫 l 疵砌 圈3 - 1 静电监测仪的结构图 f 毡占lm e c h a n i s md e s i g n i n gf o ro n - l i n em e a s u r i n gi n s l r m n e n t 其中，1 法兰管，2 一回流管，3 电磁阀，4 定容电荷室，5 引流管。 静电监测仪通过绝缘导线连接到定容电荷室的内壁，通过内部信号调理电路把电 荷转换成电压信号，供后续电路采样在风送物料过程中，因为定容电荷室的体积一 定，当物料确定时，电荷室就能采集到一定质量的带电物料，根据法拉第筒原理，可 以直接检测出粉体的荷质比( 单位a c 船) ，具有检测方便、操作简单、测量重复性 好、精度高等特点。 远程监测功能由控制室内工控机实现，通过组态王监控软件控制静电监测仪组 态软件对粉体静电监测仪采集的静电电荷量信号经过处理后，进行动态显示，实时监 控、数据报表打印、粉体静电电压超限报警等。从而实现对工业粉体静电的有效监测， 方便了操作人员，保证了生产安全监控系统整体组成框图如图3 - 2 所示 北京化工大学硕士学位论文 圈3 - 2 监控系统整体组成框图 f l g 3 - 2a 饵墙删o n f r a m eo f m e a s u r i n g s y s t e m 3 2 监控系统的工作过程设计 粉体静电在线监控系统的工作过程如下：正常情况下，电磁阀保持打开状态。监 控室内的组态王监控软件定时发送测量命令，通过r s - 4 8 5 通信总线送到静电监测仪： 静电监测仪接收到测量命令后，输出一个“关”信号来控制电磁阀关闭，采样粉体 由于静电监测仪的信号调理电路中有一积分电路，因此，可以根据积分信号的饱和与 否来判断粉体是否充满法拉第简，进而把采样结果回传给监控机然后，静电监测仪 根据接收的信息计算荷质比旦荷质比超过报警极限，发出消静电命令，启动静电 消除器工作，实现对粉体静电的消除。监控系统的信号流图如图3 3 所示 静电 呀i电，i 碉鍪玎1 神玎丽 皇堕；捌! 竺! ! 富习圭竺銎 1 2 心i i 旦竺 电磁阀il 静电消除器 北京化工大学硕士学位论文 图3 - 3 粉体静电在线监控系统信号流图 f k 3 _ 3 d g 岫l f l o w 缸r t h e o n - l i n e m e e s m j o g s y s t c m o f e k 曲d 咖t i c c h a l 弘o f p 矾湖一 3 3 监控系统功能设计 利用组态王6 5 完成监控界面的开发操作人员通过组态王可以实时监测粉体静 电监测仪所采集的数据，根据数据和趋势曲线判断整个生产的运行情况 在控制室内，监测系统界面由若干个画面组成主要有主控画面、报警和事件画 面、实时和历史趋势曲线画面、实时和历史数据报表画面及数据库查询画面等通过 建立数据词典、调用相应控件、写入命令语言等步骤实现上述功能的设计在每个监 控画面中，都设有页眉、页脚，页眉主要表明了每个监控画面的用途及操作日期和时 间，页脚则设置了多个按钮，便于操作人员需要时切换到相应的操作画面 3 4 本章小结 本章设计了粉体静电在线监控系统的构成，它由现场测量仪表和远程监控两部分 组成现场仪表指的是粉体静电在线监测仪，控制室内为装有组态王监控软件的上位 机介绍了该系统的组成框图和信号流程图，并进一步设计了粉体静电在线监控系统 的工作过程及各种监控功能的实现。 1 3 北京化工大学硕士学位论文 第四章粉体静电在线监测仪设计 4 1 粉体静电监测仪的机械结构设计 粉体静电监测仪的整体结构图及其简要说明如下： 圈4 - 1 整体结构图 f i g 4 - 1s u u c t u r a ld r a w i n go f m e a s u r i n gm a c h i n e l - 法兰管，2 回流管，3 电磁阀，4 一测量组件i ，5 测量组件3 ，6 - 测量组件2 ，7 - 测量组件4 ，8 - 测量组件5 ，9 连接件，l o 夹具，“引流管。 整体机械结构图如图4 1 所示，主要由主管道、旁路管道、定容电荷室、电磁阀 等构成。管道材质都是不锈钢，绝缘材料采用的都是聚四氟乙烯。主管道的高度为 4 0 c m ，直径为1 0 c m 旁路管道直径为2 5 c r a 。定容电荷室( 法拉第筒结构) 的容积 为2 0 0 c m ，其内筒直径为2 5 c r n ，商度为4 c m ，外筒直径为3 5 c r a ，两者之间用聚四 氟乙烯进行绝缘。 1 4 北京化工大学硕士学位论文 通过旁路在伸进主管道部分采用倾斜切面，来获取物料由于切面很小，不至于 影响主管道中物料的畅通在定容电荷室的下方装有电磁阀，用于控制采、放粉体物 料旁路中，定容电荷室和电磁阀部分构成一个整体，可以从上下夹具处取下，便于 在现场维护电磁阀通过在定容电荷室上开个小孔，通过螺丝从内筒引出测量信号( 该 螺丝只与内筒接触，与外筒绝缘) ，用专用信号线将螺丝和测量电路连接在一起，可 以实现测量信号的有效获取 4 2 粉体静电监测仪电路设计 4 2 t 信号调理电路的设计原刚 设计制作适合检测静电电荷量的信号调理电路是粉体静电在线监测仪设计的主 要任务之一娜韧由于静电电荷变化量非常小，一般在1 0 4 c l o - ，c 之间，因此必须 研制高精度的电荷检测电路，该电路应具有很高的分辨率、极低的时温漂移、较强的 抗杂散电容干扰和外电场干扰的能力，这些都是在信号调理电路设计时要考虑的特 别是在实际的石化企业现场环境中，外界电场和磁场干扰的影响对于静电电荷的检测 更是设计的难点“” 静电电荷的测试不同于一般的电学量测试，由于静电能量小，引入测试仪器的同 时将对原来的静电场分布产生较大的影响，而且粉体静电在线监测仪检测到的静电电 荷量很小，所以在测试过程中，即使有少量电荷泄漏掉，也会造成很大的测量误差 因此，为降低测试仪器对被测场的影响，防止测量过程中静电电荷的泄漏，这就要求 测试设备具有很小的输入( 藕合) 电容和极高的输入电阻( 一般不低于l o ”q ) 此外， 由于静电起电过程是一个起电与泄漏相平衡的动态过程，要求测试设备既能澳j 试静态 信号，又能测试动态信号，必须具有较宽的通频带，通常要求在o - l 虹i z 之间 此外，静电电荷的测量受环境条件的影响较之普通的强电或弱电测量要显著得多 蛳“1 ，这是因为，不但环境温度、湿度对静电测量结果有重要影响，而且静电电极周 围的其它物体的带电状态、形状尺寸、相互配置也都会对静电参数的测量产生复杂的 影响，同时在不同的测试场所和条件下，外界能量如压力、光和电磁场等，对测量结 果也将会产生不同程度的影响。 考虑到石化企业粉体作业的实际情况，为防止周围环境的电磁场干扰，粉体静电 在线监测仪的测量电极及其引线需要加屏蔽罩，测量引线需采用同轴屏蔽电缆信号 调理电路本身也需要进行屏蔽，测量引线与电路之间的距离应尽可能的短，以减少极 闻分布电容藕合所引起的电荷泄漏。 综合以上的设计思路，设计了静电监测仪信号调理电路，并且在电路调试的过程 中针对发现的问题不断地进行改进，使电路性能得到了显著地提高静电监测仪信号 1