[发明专利]交流耦合式电荷感应法粉尘浓度监测装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于环境监测仪器与在线监测仪器领域，涉及一种交流耦合式电荷感应法粉尘浓度监测装置和方法。

背景技术

粉尘是指悬浮在空气中粒径小于75μm的固体微粒，其不但污染大气，危害人体健康，并且具有爆炸危害。工业生产中产生的粉尘已经成为大气雾霾污染的主要来源之一，长期雾霾污染也会造成人群中心血管疾病，肺部疾病的发病率上升。此外，长期接触生产性粉尘的作业人员，会因长期吸入粉尘引发尘肺病。粉尘引发的爆炸也是工业生产场合的重大危害，近年来，各地粉尘爆炸事件报道较多，尤其以2014昆山市中荣金属制品有限公司粉尘爆炸造成的人员伤亡及经济损失最大。

工业生产中粉尘监测与治理也日益受到关注，粉尘在线实时检测为粉尘治理提供了依据，对作业场所的粉尘浓度及时有效地检测，能更好地掌握粉尘浓度状况，为有效地除尘和降尘提供重要的依据，对确保人身安全和提高环境质量发挥着极其重要的作用。目前常用的粉尘测量方法主要由电容法、压电晶体感应法、β射线法、光吸收或散射法以及振荡天平法等，这些方法往往需要进行采样预处理，包括过滤及吹扫装置，很难实现在线连续测量。

发明内容

为了克服上述缺陷，本发明提供一种交流耦合式电荷感应法粉尘浓度监测装置和方法，该交流耦合式电荷感应法粉尘浓度监测装置和方法避免了震动、水汽、探头粘附物对于测量结果的影响，扩大了仪器测量的动态范围及灵敏度。

本发明为了解决其技术问题所采用的技术方案一是：一种交流耦合式电荷感应法粉尘浓度监测装置，包括依次连接的测量探头、模拟信号调理电路、A/D采样电路、数字信号处理模块以及信号传输及控制模块，所述测量探头是用于感应粉尘造成的电荷量变化且输出电流信号的异型棒状电极。

作为本发明技术方案一的进一步改进，所述异型棒状电极包括棒状电极头部、电荷感应区以及绝缘保护区，所述绝缘保护区与棒状电极头部固定连接，所述电荷感应区插入至绝缘保护区内从而电荷感应区在轴向方向上露出于绝缘保护区的长度能够调节。

作为本发明技术方案一的进一步改进，所述绝缘保护区的实现方式是涂绝缘漆或覆盖保护套。

作为本发明技术方案一的进一步改进，所述模拟信号调理电路包括I/V转换电路、放大电路、滤波电路以及标准信号处理模块，所述I/V转换电路与棒状电极头部连接，用于将异型棒状电极输出的电流信号转化为电压信号，所述放大电路与 I/V转换电路连接，用于将电压信号放大，所述滤波电路与放大电路连接，用于滤除噪声以提取有效交流电压信号，所述标准信号处理模块与滤波电路连接，用于将有效交流电压信号进行放大及阻抗匹配处理成模拟电压信号。

作为本发明技术方案一的进一步改进，所述A/D采样电路用于将标准信号处理模块输出的模拟电压信号转化为数字电压信号。

作为本发明技术方案一的进一步改进，所述数字信号处理模块系通过小波分析法与自适应滤波算法分析提取数字电压信号中与粉尘浓度有关的有效信号。

作为本发明技术方案一的进一步改进，所述信号传输及控制模块包括蓝牙及Wi-Fi传输模块，用于及时将数据通过无线网络进行传输，还包括与单片机进行通讯的SPI模块及串口通讯模块，用于通过单片机或者PC进行控制。

本发明为了解决其技术问题所采用的技术方案二是：一种交流耦合式电荷感应法粉尘浓度监测方法，包括如下步骤：

步骤一，利用异型棒状电极探测粉尘，并输出电流信号；

步骤二：对电流信号进行I/V转换、放大、滤波、阻抗匹配一系列处理，从而转化为有效的模拟电压信号；

步骤三：对模拟电压信号进行A/D采样和转换处理为数字电压信号；

步骤四：通过小波分析方法将测量信号分解为不同频率分量，并根据粉尘交流信号特点，分析信号频率特性；

步骤五：根据噪声频率及幅度特征进行自适应滤波分析，从而提取与粉尘信号有关的特定频率信号；及

步骤六：建立数学模型，求得粉尘的浓度矩阵。

作为本发明技术方案二的进一步改进，所述小波信号分析方法中的将测量信号分解为不同频率信号，如下：

f(w)＝f₁(w₁)+f₂(w₂)+f₃(w₃)+…+f_n(w_n)

其中粉尘信号具有特定频率特性：