在线测量排放烟道和风动输送管道中固体颗粒物的质量流量，对提高生产力、改

善产品质量、减少颗粒物排放和提高生产过程效率都起到关键性的作用，但行业内一

致认为测量气流中的颗粒物是一项技术上的挑战。30 多年的实践证明，在上述工业过

程中，颗粒物静电感应测尘技术是一种测量固体颗粒物的流动状况的可靠、经济、实

用的方法。

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。

基本原理 基本原理

在夹带颗粒物的气流中，当颗粒与探头碰撞时，颗粒和探头间会发生电荷传递

（即摩擦起电）。气流中的颗粒自身也带有一定净电荷，当颗粒经过探头附近时，探

头上也会产生感应电荷（即静电感应）

当一个颗粒与探头碰撞时，电荷转递量的多少取决于颗粒的物理和化学性质（如

大小、电化学势等）以及速度。空间分部的颗粒物与探头碰撞的综合结果是在探头上

产生的微小电流信号，信号的强度与一定时间内碰撞探头的颗粒数量成正比。在探头

附近，颗粒通常不是均匀分布的，同时它们的流动速度也在平均速度上下浮动；所以

“碰撞”电流信号的强度也是在某一均值附近浮动。

当一个颗粒掠过探头时，感应电荷量的多少取决于探头的形状、探头和粒子之间

的径向距离、颗粒所带的净电荷量以及其轴向速度。当颗粒通过在探头所在的管道截

面时，如果将其所带的电荷当作一个脉冲信号，而由感应电荷在探头上的生成的电流

信号则是这个感应系统的脉冲响应。这样探头和它周围的空间形成了一个信号过滤器，

即“空间过滤效应”。当随机分布的颗粒掠过探头时，得到的感应电流信号则是原始

随机信号经过滤后的结果，其中包含关于颗粒流动和信号过滤器本身的重要信息

在理想状况下，我们可以假设颗粒物是均匀随机分布的。利用泊松分布模型、颗

粒物电荷迁移模型、以及移动电荷静电感应模型，对于插入式杆状探头可以得出：

1. 经过探头的电流的直流信号强度与颗粒物浓度成正比，与颗粒物飞行速度（近

似为气流速度）的 3次方成正比；

2. 经过探头的电流的交流信号功率与颗粒物浓度成正比，与颗粒物飞行速度（近

似为气流速度）成正比；

3. 交流信号的特征频率与颗粒物飞行速度（近似为气流速度）成正比。如图 3、

图 4 的模拟结果所示，单一颗粒物所产生的特征频率还与颗粒物与探头的径向

距离有关，但在颗粒物空间分布函数固定的条件下，交流信号的特征频率与颗

粒物飞行速度成正比。

在工业气体管道中，由于雷诺数通常大于 5000，气体在管道中的流动在湍流区。

湍流中的漩涡使得颗粒物流速和空间位置分布都不均匀，从而影响到感应电流信号。

模拟计算表明，漩涡的“离心力”可以使旋涡中心和旋涡边界的颗粒物浓度相差可达

25 倍，而漩涡的的大小可以大到管径的尺度，小到几毫米的柯尔莫哥洛夫尺度，其特

征信号涵盖了较宽的频率范围，而其功率在不同频率分布又是不同的。所以静电感应

的“激励”信号从理想状态下泊松分布的白色噪音变成了湍流特征信号。

图 6 颗粒物静电感应原始信号的频域特征：左侧为小管径、环形嵌入式探头在微弱湍流条件下

的实测结果，其特征与理想状况的模拟结果十分相似；右侧为大管径、杆状插入式探头在强烈

湍流条件下的实测结果，其特征包括了明显的湍流因素

由于感应电流信号和湍流引起的电荷迁移信号的直流部分均为零，测量到的信号

的直流部分即为一段时间内信号的平均值，上述理想状态下的结论 1 还是适用的。而

测量值的交流部分是电荷迁移电流信号的波动、感应电流信号和湍流特征的信号的综

合结果，其功率很大程度受到湍流的影响，所以上述理想状态下的结论 2 需要根据实

际流动状况作出修正。

结合理论模拟计算和实验及现场数据，可以得出更符合实际工况的结论：

1. 经过探头的电流的直流信号强度与颗粒物浓度成正比，与颗粒物飞行速度（近

似为气流速度）的 3次方成正比；

2. 大部分颗粒物静电感应信号的交流部分是在电荷感应的“空间过滤效应”带通

范围内，根据流速和探头几何形状不同，这个范围在几十赫兹到最高上千赫兹；

3. 交流信号的低频部分（电荷感应的“空间过滤效应”通过频率之下）主要是由

湍流引起的颗粒物分布不均造成的电荷迁移信号的波动；

4. 交流信号的中频部分主要由电荷感应信号组成，可以看作湍流特征信号通过

“空间过滤效应”调制的结果；

5. 经过探头的电流的交流信号功率与颗粒物浓度是增函数关系，与颗粒物飞行速

度（近似为气流速度）增函数关系，但具体参数由流动状况决定；

6. 在特定工况下，交流信号的特征频率与颗粒物飞行速度（近似为气流速度）近

似成正比关系。

性能优良的颗粒物静电感应粉尘测量仪器应该尽量充分地应用上述基本原理，得

到准确的测量结果。

技术回顾 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。

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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 10 9 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。

图 7 中所示的多极放大的技术原理是现阶段大部分颗粒物静电感应仪器厂家依旧

采用的核心技术。其中，输入放大器 2 是一个跨阻抗放大器，其放大倍数为可调的

0.1mV/pA 到 40mV/pA，其低通截至频率为 100Hz。电阻电容（RC）滤波器 3 起到了

交流耦合的作用，其低端截至频率为 1Hz。（ 在一些厂家的实现中，不采用交流耦合

来隔绝直流信号，而采用补偿温飘的方法来保留直流信号，这也是模拟信号处理技术

领域里直流、交流两大派系的主要不同 ）。二级放大器 4 是一个可调电压放大器，其

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放大倍数在二到五倍之间，其低通截至频率为 10Hz。图中虚线以右的部分可以和探头

分开，布置在另外的外壳里，中间由导线连接。压差放大器 100 用来抑制长距离导线

上的共模干扰，其低通截至频率为 10Hz。低通滤波放大器 102 的截至频率依旧为

10Hz，其二阶特性对高频信号有更好的抑制。电阻电容（RC）滤波器 102 高通截至频

率为 1Hz，用于消除前几级放大器产生的漂移。整流器 103 把交流信号取绝对值，然

后由均值滤波器和输出放大器提供稳定的电压输出。4~20 毫安输出电路 105 和报警电

路 106满足了现场仪表的基本功能需要。

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“暴力”计算（利用优化算法，对超量采样的数据进行循环计算

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“暴力”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

当采样频率大大超过了“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：

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“暴力”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

当采样频率大大超过了“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 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

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颗粒物静电感应探头的本质坚固性，采样系统也可以大大简化，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，这些指标大大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。

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