[发明专利]粉尘浓度在线监测系统及测试方法

权利要求书

1.一种粉尘浓度在线监测系统，其特征在于：包括气体采集区、电晕效应区、荷电尘粒沉积区、压电效应区、控制输出区以及电源；所述气体采集区包括气体采集泵和恒流控制器，所述气体采集泵的进气端与进气管相连，出气端与电晕效应区相连；所述电晕效应区包括一气体通道，该气体通道具有一收口段，在该收口段处竖直设有两电晕线，两电晕线分别与第一调压器的正负极相连，且两电晕线从气体通道的上下两侧伸入气体通道内，该气体通道的一端与气体采集泵相连，另一端与荷电尘粒沉积区相连；所述荷电尘粒沉积区包括一气体检测箱，所述气体检测箱的顶部和底部分别水平设有一由压电材料制成的电极板，其中，上方电极板与第二调压器的负极相连，下方电极板与第二调压器的正极相连，该气体检测箱的一端与气体通道相连，另一端经电动截止阀后与排气管道相连；所述电源为气体采集区、电晕效应区、荷电尘粒沉积区、压电效应区以及控制输出区供电，其中，所述电源经第一电源驱动开关恒流控制器和气体采集泵电连，经第二电源驱动开关与第一调压器和第二调压器电连，经第三电源驱动开关与电动截止阀电连；

所述压电效应区包括两压电压片，两压电压片分别与在两电极板相向的面相连，并将电极板覆盖；所述压电压片的两侧面通过导线与差压检测电路相连，通过两差压检测电路检测两压电压片的电压，并将检测到的电压信号经放大电路后输送至控制输出区；

所述控制输出区包括单片机、时钟模块、存储模块、显示模块、控制模块以及信号输出模块，所述时钟模块、存储模块、显示模块、控制模块以及信号输出模块均与单片机相连；所述放大电路与单片机相连，同时，该单片机同时与第一电源驱动开关、第二电源驱动开关和第三电源驱动开关相连。

2.根据权利要求1所述的粉尘浓度在线监测系统，其特征在于：所述电极板由石墨电极制成，压电压片由压电陶瓷制成。

3.根据权利要求1所述的粉尘浓度在线监测系统，其特征在于：所述控制模块为红外控制模块；所述信号输出模块为wifi无线收发模块。

4.一种粉尘浓度测试方法，其特征在于：利用上述任一权力要求所述的粉尘浓度在线监测系统，其具体测试步骤如下：

1)、通过控制模块启动控制输出区，单片机发出第一电源驱动开关驱动信号，使得电源经恒流控制器后给气体采集泵供电；此时，气体采集泵启动，将含有粉尘的空气吸入，并将这部分空气排至电晕效应区；

2)、单片机同步发出第二电源驱动开关驱动信号，使电源给第一调压器供电，通过第一调压器调节两电晕线的供电电压，使两电晕线之间的电场强度达到20kv/cm或者发生电晕为止；从而使从气体通道的收口段穿过的粉尘在电晕效应下发生极化，并发生荷电效应形成带有负电荷的粒子；

3)、电源给第一调压器供电的同时给第二调压器供电，通过第二调压器调整两电极板的供电电压，使两电极板构成外电场，其中，上方电极板接第二调压器附近形成负电极板，下方电极板接第二调压器正极形成正电极板；此时，从电晕效应区过来的荷电尘粒在电场力作用下正电荷吸附到负电极上，负电荷吸附到正电极上；

4)、通过两差压检测电路分别检测两压电压片的电压：

吸附电荷前：正电极板上的压电压片和负电极板上的压电压片的电势为均0；

正电极板吸附电荷后，其所受电场力和重力的综合作用力：F₁＝Q₁×E+m₁g

压电效应使正电极板上的压电压片产生新的正电势U₀₁，此时正电极板上压电压片的电势值为U₀₁；

负电极板吸附电荷后，其所电场力和重力的综合作用力：F₂＝Q₂×E-m₂g；

压电效应使压负电极板上的电压片产生新的正电势U₀₂，此时负电极上压电陶瓷的电势值为U₀₂；

式中：F₁表示施加在正电极上的综合作用力，F₂表示施加在负电极上的综合作用力，E表示两个电极之间的电场强度，Q₁表示负电荷的总电荷量，Q₂表示正电荷的总电荷量，m₁g表示带负电荷粉尘粒子的总重力，m₂g表示带正电荷粉尘粒子的总重力；

5)、将差压检测电路采集到的信号放大后传输至单片机，通过单片机处理得到粉尘浓度，并将粉尘浓度通过显示模块显示，通过存储模块存储；同时，通过信号输出模块将粉尘浓度进行传输，以供终端查阅使用；

单片机处理过程：建立粉尘质量换算模型：

粉尘在电晕区带电量为：

qp=(1+2×ϵ-1ϵ+2)R2E×π×Knet1+π×Knet;]]>

其中，q_p为粉尘的带电量，ε为颗粒介电常数，R为颗粒半径，E为电场强度，n为电场中离子浓度，K为电子迁移率，t为粉尘颗粒在电场中的停留时间；e为基本电荷电量；

依据粉尘粒径能够换算成粉尘体积，配合粉尘密度能够粉尘荷电量与粉尘质量的关系，结合粉尘质量计算公式：可知粉尘的带电量q_p与粉尘质量m的关系：

qp=(1+2×ϵ-1ϵ+2)(3m4π)23E×π×Knet1+π×Knet;]]>

此时，正电极板的综合压力F₁＝Q₁×E+m₁g，Q₁为粉尘带的负电荷电量，等于q_p；负电极板上沉积粉尘质量m₁等于粉尘质量m：

正电极板上压电压片的电势为：

U01=d33K33×((1+2×ϵ-1ϵ+2)(3m4π)23E2×π×Knet1+π×Knet+m1×g);]]>

式中：d₃₃为压电常数，d₃₃＝Q/F,k₃₃为比例常数，Q＝k₃₃×U,U为差压检测电路检测到的脉冲电压；U₀₁为差压检测电路测试的正电极板上压电压片的电压变化值，从而能够反应出压电压片上增加的粉尘质量m₂：

同理，负电极板上综合压力F₂＝Q₂×E-m₂g，Q₂为粉尘带的正电荷电量，等于q_p；负电极板上沉积粉尘质量m2等于粉尘质量m：

负电极板上压电压片的电势为：

U01=d33K33×((1+2×ϵ-1ϵ+2)(3m4π)23E2×π×Knet1+π×Knet-m2×g)]]>

差压检测电路测试的负电极板上压电压片的电压变化值U₀₂，从而能够反应出压电压片上增加的粉尘质量m₂；

通过迭代运算，最终得到m₁、m₂；

最后，建立粉尘浓度换算模型，得到粉尘浓度C：

C＝(m₁+m₂)×g/V；

式中：V表示气体采集泵工作时采集的空气体积；

6)、差压检测电路完成信号采集转换后，单片机再次发出第一电源驱动开关驱动信号，使气体采集泵再次工作；并停止发出第二电源驱动开关驱动信号，使第二电源驱动开关关闭；同时发出第三电源驱动开关驱动信号，使电源给截止阀供电，截止阀此时由关闭状态转为打开，从而将粉尘通过排气管排出，实现检测系统的自动清洗；

7)、完成清洗过程后，单片机停止发出第一电源驱动开关驱动信号和第三电源驱动开关驱动信号，使气体采集泵关闭，同时截止阀自动回到关闭状态；从而使检测系统回到待用状态。

5.根据权利要求4所述的粉尘浓度测试方法，其特征在于：所述第一电源驱动开关驱动信号、第二电源驱动开关驱动信号以及第三电源驱动开关驱动信号的发出、停止均由时钟模块控制。