CN103234879A - 一种基于交变电场电荷感应的粉尘浓度监测装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于交变电场电荷感应的粉尘浓度监测装置与方法，属于粉尘浓度检测技术领域；该监测装置包括用于探测粉尘的电场传感器、信号放大电路、滤波电路、信号采集与处理单元、驱动电路、核心处理单元和显示装置；所述电场传感器包括两块相对设置的电极板，在其上加有低频交流电场，在电极板上设置有用于输出电压信号的导线，输出的电压信号经过信号放大电路放大后进入滤波电路，信号经过滤波处理后进入信号采集与处理单元，经过采集处理的信号被传送至核心处理单元，核心处理单元对该信号进行分析处理得到粉尘浓度，并将浓度值传送至显示装置进行显示；该监测装置和方法简单易行，在降低装置制造成本的同时能够保证监测结果的准确性。

Description

一种基于交变电场电荷感应的粉尘浓度监测装置与方法

技术领域

本发明属于粉尘浓度检测技术领域，涉及一种基于交变电场电荷感应的粉尘浓度监测装置与方法。

背景技术

粉尘是指悬浮在空气中的固体微粒，粉尘过多会对环境和人体健康造成严重的危害，尤其是在人类生活和工作环境中，生产性粉尘是人类健康的天敌，是诱发多种疾病的主要原因，因此，如何对工作、生活环境中的粉尘浓度进行准确检测是关系到人们的身体健康和工作顺利进行的关键性工作。

目前国内外研究了多种测量粉尘浓度的方法,如过滤称重法、β射线法、压电晶体感应法、光学法、超声波法、电荷感应法和电容法等。其中称重法是最基本的测量方法,但其不能用于粉尘浓度的连续监测；β射线法虽然测量准确,但它需要对粉尘进行采样后对比测量,很难实现粉尘浓度的在线监测；压电晶体感应法适用于地面上粉尘浓度较低的场合,且要求操作人员具有一定的经验,从而影响了它的推广使用；超声波法、微波法测量粉尘浓度正处于试验研究阶段。光学法易受测量物影响，且测量容易使光学系统受污染,需要经常进行标定，维护量大；电荷感应受风速影响较大，且仪器价格昂贵。

因此，针对目前的情况，急需一种成本低廉、准确度高且能够对现场环境进行实时粉尘浓度检测的方法和装置。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于交变电场电荷感应的粉尘浓度监测装置与方法，采用本监测装置和方法能够及时有效地对作业场所的粉尘浓度进行监测,并且更好的掌握粉尘浓度状况，使人身安全得以保障和环境质量得以提高。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明提供了一种基于交变电场电荷感应的粉尘浓度监测装置，包括用于探测粉尘的电场传感器、信号放大电路、滤波电路、信号采集与处理单元、驱动电路、核心处理单元和显示装置；所述电场传感器包括两块相对设置的电极板，在其上加有低频交流电场，在电极板上设置有用于输出电压信号的导线，输出的电压信号经过信号放大电路放大后进入滤波电路，信号经过滤波处理后进入信号采集与处理单元，经过采集处理的信号被传送至核心处理单元，核心处理单元对该信号进行分析处理得到粉尘浓度，并将浓度值传送至显示装置进行显示。

进一步，所述电场传感器采用半圆柱形电场传感器，其两块电极板为相对设置的两块半圆形的金属薄板，两块电极板分别固定在圆形管道的内壁，该圆形管道作为绝缘屏蔽层，电极板与圆形管道内壁之间填充有电介质。

进一步，所述电极板采用紫铜材料制成，其长度为50cm，直径为10cm，厚度为1mm，两电极板间的间隙圆心角为1°—2°。

进一步，所述圆形管道采用空心橡胶圆柱，其厚度为1.5—2cm；所述电介质采用介电系数恒定且能耐高压的材料，其厚度为2—3cm。

进一步，所述粉尘浓度监测装置还包括报警装置。

进一步，所述核心处理单元采用单片机。

本发明还提供了一种基于交变电场电荷感应的粉尘浓度监测方法，包括以下步骤：步骤一：利用电场传感器探测粉尘，并输出电压信号；步骤二：对电压信号进行放大滤波处理；步骤三：对信号进行采集和转换处理，并将信号送入处理器进行计算分析；步骤四：根据步骤三中的计算分析结果进行显示和报警。

进一步，步骤一中所述的电场传感器采用半圆柱形电场传感器，其两块电极板为相对设置的两块半圆形的金属薄板，两块电极板分别固定在圆形管道的内壁，该圆形管道作为绝缘屏蔽层，电极板与圆形管道内壁之间填充有电介质。

进一步，所述电极板采用紫铜材料制成，其长度为50cm，直径为10cm，厚度为1mm，两电极板间的间隙圆心角为1°—2°。

进一步，步骤三中所述的处理器采用单片机。

本发明的有益效果在于：本发明所述的粉尘浓度监测装置结构简单，易于实施，在降低装置制造成本的同时能够保证监测结果的准确性，该装置和方法能够及时有效地对作业场所的粉尘浓度进行监测,并且更好的掌握粉尘浓度状况，使人身安全得以保障和环境质量得以提高。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明所述监测装置的结构示意图；

图2为一种电场传感器示意图；

图3为本发明所述监测装置的结构框图；

图4为本发明所述监测方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

图1为本发明所述监测装置的结构示意图，如图所示，基于交变电场电荷感应的粉尘浓度监测装置，包括用于探测粉尘的电场传感器、信号放大电路、滤波电路、信号采集与处理单元、驱动电路、核心处理单元和显示装置；所述电场传感器包括两块相对设置的电极板，在其上加有低频交流电场，在电极板上设置有用于输出电压信号的导线，输出的电压信号经过信号放大电路放大后进入滤波电路，信号经过滤波处理后进入信号采集与处理单元，经过采集处理的信号被传送至核心处理单元，核心处理单元对该信号进行分析处理得到粉尘浓度，并将浓度值传送至显示装置进行显示。

在本发明中，采用电场传感器对粉尘进行探测，在需要对粉尘浓度进行监测的场所，在需要进行监测的区域安置若干电场传感器，在本实施例中，电场传感器采用半圆柱形电场传感器，其两块电极板为相对设置的两块半圆形的金属薄板，两块电极板分别固定在圆形管道的内壁，该圆形管道作为绝缘屏蔽层，电极板与圆形管道内壁之间填充有电介质。

半圆柱型传感器加上交变电场后，半圆柱电极板上的表面电荷量与中心处的电场强度成正比：

Q＝K·E   （1）

其中：K为比例系数；Q为电荷量；E为电场强度；

这些感应电荷将在传感器的固有电容C_X上产生一个微小的电压为：

$U_X=\frac{Q}{C_X}---\left(2\right)$

代入式(1)可得：

$U_x=\frac{K\·E}{C_x}---\left(3\right)$

又由实验数据分析可以得出传感器的固有电容C_X与粉尘浓度ρ成正比，并运用数学归纳法可以导出公式：

C_x＝ε·ρ   (4)

ρ是粉尘浓度，ε是一个比例常数，可以实验取得；

（4）代入（3）可得：

$\mathrm{\ρ}=\frac{K\·E}{\mathrm{\ϵ}\·U_x}---\left(5\right)$

通过测量固有电容上的电压U_X就可以得到ρ，这就是电场传感器测量的基本原理。

在本实施例中，电极板采用紫铜材料制成，其长度为50cm，直径为10cm，厚度为1mm，两电极板间的间隙圆心角为1°—2°。圆形管道采用空心橡胶圆柱，其厚度为1.5—2cm；所述电介质采用介电系数恒定且能耐高压的材料，其厚度为2—3cm。

当有粉尘通过电场传感器时，传感器的电极板间的电容会发生改变，从而两电极板间的电压发生改变；电极板间的电压信号通过导线输出，输出的电压信号首先经过信号放大电路和滤波电路进行放大滤波，经过放大滤波处理后的信号进入信号采集与处理单元，经过采集和模数转换处理后被送入至核心处理单元，在本实施例中核心处理单元采用单片机，单片机对数据进行采样，对采集到的数据求平均值,然后将得到的电压平均值导入推导出的计算公式（5）进行计算，获得粉尘浓度实测值，同时，单片机将得到的浓度值进行输出显示，以使工作人员实时了解现场粉尘浓度情况。

作为本实施例的进一步改进，本监测装置还包括有报警装置，当现场粉尘浓度达到预设的警戒值时，单片机控制报警装置进行报警，以便提醒工作人员注意险情。

本发明提供的一种基于交变电场电荷感应的粉尘浓度监测方法，包括以下步骤：步骤一：利用电场传感器探测粉尘，并输出电压信号；步骤二：对电压信号进行放大滤波处理；步骤三：对信号进行采集和转换处理，并将信号送入处理器进行计算分析；步骤四：根据步骤三中的计算分析结果进行显示和报警。

步骤一中的电场传感器采用半圆柱形电场传感器，其两块电极板为相对设置的两块半圆形的金属薄板，两块电极板分别固定在圆形管道的内壁，该圆形管道作为绝缘屏蔽层，电极板与圆形管道内壁之间填充有电介质；其电极板采用紫铜材料制成，其长度为50cm，直径为10cm，厚度为1mm，两电极板间的间隙圆心角为1°—2°。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种基于交变电场电荷感应的粉尘浓度监测装置，其特征在于：包括用于探测粉尘的电场传感器、信号放大电路、滤波电路、信号采集与处理单元、驱动电路、核心处理单元和显示装置；

所述电场传感器包括两块相对设置的电极板，在其上加有低频交流电场，在电极板上设置有用于输出电压信号的导线，输出的电压信号经过信号放大电路放大后进入滤波电路，信号经过滤波处理后进入信号采集与处理单元，经过采集处理的信号被传送至核心处理单元，核心处理单元对该信号进行分析处理得到粉尘浓度，并将浓度值传送至显示装置进行显示。

2.根据权利要求1所述的基于交变电场电荷感应的粉尘浓度监测装置，其特征在于：所述电场传感器采用半圆柱形电场传感器，其两块电极板为相对设置的两块半圆形的金属薄板，两块电极板分别固定在圆形管道的内壁，该圆形管道作为绝缘屏蔽层，电极板与圆形管道内壁之间填充有电介质。

3.根据权利要求2所述的基于交变电场电荷感应的粉尘浓度监测装置，其特征在于：所述电极板采用紫铜材料制成，其长度为50cm，直径为10cm，厚度为1mm，两电极板间的间隙圆心角为1°—2°。

4.根据权利要求3所述的基于交变电场电荷感应的粉尘浓度监测装置，其特征在于：所述圆形管道采用空心橡胶圆柱，其厚度为1.5—2cm；所述电介质采用介电系数恒定且能耐高压的材料，其厚度为2—3cm。

5.根据权利要求1所述的基于交变电场电荷感应的粉尘浓度监测装置，其特征在于：所述粉尘浓度监测装置还包括报警装置。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的基于交变电场电荷感应的粉尘浓度监测装置，其特征在于：所述核心处理单元采用单片机。

7.一种基于交变电场电荷感应的粉尘浓度监测方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：利用电场传感器探测粉尘，并输出电压信号；

步骤二：对电压信号进行放大滤波处理；

步骤三：对信号进行采集和转换处理，并将信号送入处理器进行计算分析；

步骤四：根据步骤三中的计算分析结果进行显示和报警。

8.根据权利要求7所述的基于交变电场电荷感应的粉尘浓度监测方法，其特征在于：步骤一中所述的电场传感器采用半圆柱形电场传感器，其两块电极板为相对设置的两块半圆形的金属薄板，两块电极板分别固定在圆形管道的内壁，该圆形管道作为绝缘屏蔽层，电极板与圆形管道内壁之间填充有电介质。

9.根据权利要求8所述的基于交变电场电荷感应的粉尘浓度监测方法，其特征在于：所述电极板采用紫铜材料制成，其长度为50cm，直径为10cm，厚度为1mm，两电极板间的间隙圆心角为1°—2°。

10.根据权利要求7至9中任一项所述的基于交变电场电荷感应的粉尘浓度监测方法，其特征在于：步骤三中所述的处理器采用单片机。

Images