[發(fā)明專利]交流耦合式電荷感應(yīng)法粉塵濃度監(jiān)測裝置及方法

在審

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• 申請日: 2017-08-22
• 公開（公告）號: CN107402173A
• 公開（公告）日: 2017-11-28
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李晨曦;張劍;龐峰
• 申請（專利權(quán)）人: 蘇州同陽科技發(fā)展有限公司
• 主分類號: G01N15/06
• 分類號: G01N15/06
• 代理公司: 昆山中際國創(chuàng)知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司32311
• 代理人: 盛建德

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于環(huán)境監(jiān)測儀器與在線監(jiān)測儀器領(lǐng)域，涉及一種交流耦合式電荷感應(yīng)法粉塵濃度監(jiān)測裝置和方法。

背景技術(shù)

粉塵是指懸浮在空氣中粒徑小于75μm的固體微粒，其不但污染大氣，危害人體健康，并且具有爆炸危害。工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的粉塵已經(jīng)成為大氣霧霾污染的主要來源之一，長期霧霾污染也會造成人群中心血管疾病，肺部疾病的發(fā)病率上升。此外，長期接觸生產(chǎn)性粉塵的作業(yè)人員，會因長期吸入粉塵引發(fā)塵肺病。粉塵引發(fā)的爆炸也是工業(yè)生產(chǎn)場合的重大危害，近年來，各地粉塵爆炸事件報道較多，尤其以2014昆山市中榮金屬制品有限公司粉塵爆炸造成的人員傷亡及經(jīng)濟(jì)損失最大。

工業(yè)生產(chǎn)中粉塵監(jiān)測與治理也日益受到關(guān)注，粉塵在線實時檢測為粉塵治理提供了依據(jù)，對作業(yè)場所的粉塵濃度及時有效地檢測，能更好地掌握粉塵濃度狀況，為有效地除塵和降塵提供重要的依據(jù)，對確保人身安全和提高環(huán)境質(zhì)量發(fā)揮著極其重要的作用。目前常用的粉塵測量方法主要由電容法、壓電晶體感應(yīng)法、β射線法、光吸收或散射法以及振蕩天平法等，這些方法往往需要進(jìn)行采樣預(yù)處理，包括過濾及吹掃裝置，很難實現(xiàn)在線連續(xù)測量。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服上述缺陷，本發(fā)明提供一種交流耦合式電荷感應(yīng)法粉塵濃度監(jiān)測裝置和方法，該交流耦合式電荷感應(yīng)法粉塵濃度監(jiān)測裝置和方法避免了震動、水汽、探頭粘附物對于測量結(jié)果的影響，擴(kuò)大了儀器測量的動態(tài)范圍及靈敏度。

本發(fā)明為了解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案一是：一種交流耦合式電荷感應(yīng)法粉塵濃度監(jiān)測裝置，包括依次連接的測量探頭、模擬信號調(diào)理電路、A/D采樣電路、數(shù)字信號處理模塊以及信號傳輸及控制模塊，所述測量探頭是用于感應(yīng)粉塵造成的電荷量變化且輸出電流信號的異型棒狀電極。

作為本發(fā)明技術(shù)方案一的進(jìn)一步改進(jìn)，所述異型棒狀電極包括棒狀電極頭部、電荷感應(yīng)區(qū)以及絕緣保護(hù)區(qū)，所述絕緣保護(hù)區(qū)與棒狀電極頭部固定連接，所述電荷感應(yīng)區(qū)插入至絕緣保護(hù)區(qū)內(nèi)從而電荷感應(yīng)區(qū)在軸向方向上露出于絕緣保護(hù)區(qū)的長度能夠調(diào)節(jié)。

作為本發(fā)明技術(shù)方案一的進(jìn)一步改進(jìn)，所述絕緣保護(hù)區(qū)的實現(xiàn)方式是涂絕緣漆或覆蓋保護(hù)套。

作為本發(fā)明技術(shù)方案一的進(jìn)一步改進(jìn)，所述模擬信號調(diào)理電路包括I/V轉(zhuǎn)換電路、放大電路、濾波電路以及標(biāo)準(zhǔn)信號處理模塊，所述I/V轉(zhuǎn)換電路與棒狀電極頭部連接，用于將異型棒狀電極輸出的電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，所述放大電路與 I/V轉(zhuǎn)換電路連接，用于將電壓信號放大，所述濾波電路與放大電路連接，用于濾除噪聲以提取有效交流電壓信號，所述標(biāo)準(zhǔn)信號處理模塊與濾波電路連接，用于將有效交流電壓信號進(jìn)行放大及阻抗匹配處理成模擬電壓信號。

作為本發(fā)明技術(shù)方案一的進(jìn)一步改進(jìn)，所述A/D采樣電路用于將標(biāo)準(zhǔn)信號處理模塊輸出的模擬電壓信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字電壓信號。

作為本發(fā)明技術(shù)方案一的進(jìn)一步改進(jìn)，所述數(shù)字信號處理模塊系通過小波分析法與自適應(yīng)濾波算法分析提取數(shù)字電壓信號中與粉塵濃度有關(guān)的有效信號。

作為本發(fā)明技術(shù)方案一的進(jìn)一步改進(jìn)，所述信號傳輸及控制模塊包括藍(lán)牙及Wi-Fi傳輸模塊，用于及時將數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，還包括與單片機(jī)進(jìn)行通訊的SPI模塊及串口通訊模塊，用于通過單片機(jī)或者PC進(jìn)行控制。

本發(fā)明為了解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案二是：一種交流耦合式電荷感應(yīng)法粉塵濃度監(jiān)測方法，包括如下步驟：

步驟一，利用異型棒狀電極探測粉塵，并輸出電流信號；

步驟二：對電流信號進(jìn)行I/V轉(zhuǎn)換、放大、濾波、阻抗匹配一系列處理，從而轉(zhuǎn)化為有效的模擬電壓信號；

步驟三：對模擬電壓信號進(jìn)行A/D采樣和轉(zhuǎn)換處理為數(shù)字電壓信號；

步驟四：通過小波分析方法將測量信號分解為不同頻率分量，并根據(jù)粉塵交流信號特點，分析信號頻率特性；

步驟五：根據(jù)噪聲頻率及幅度特征進(jìn)行自適應(yīng)濾波分析，從而提取與粉塵信號有關(guān)的特定頻率信號；及

步驟六：建立數(shù)學(xué)模型，求得粉塵的濃度矩陣。

作為本發(fā)明技術(shù)方案二的進(jìn)一步改進(jìn)，所述小波信號分析方法中的將測量信號分解為不同頻率信號，如下：

f(w)＝f₁(w₁)+f₂(w₂)+f₃(w₃)+…+f_n(w_n)

其中粉塵信號具有特定頻率特性：