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
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）。 图1 碰撞电流的产生
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。
图2 感应电流的产生
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。
图3 颗粒物在离探头5厘米的距离以15米/秒速度飞过时，产生信号的功率谱
图4 颗粒物在离探头1厘米的距离以30米/秒速度飞过时，产生信号的功率谱
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噪音变成了湍流特征信号。
图5 实测管道中颗粒物静电感应原始信号
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；压差显示仪
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
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。
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。
图7：典型的采用交流耦合多级模拟放大核心技术的颗粒物静电感应仪器的原理图（引用美国
专利8375766B2 ）
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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