CN108426926A - 一种基于介质损耗角正切值对微塑料进行检测识别的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于介质损耗角正切值对微塑料进行检测识别的装置，其包括输入电源，输入电源的输出端分别与试样电路一端和标准电路一端连接，位于试样电路的上方设置有加料器；试样电路另一端和标准电路另一端均连接至数据采集存储模块输入端，且另一端均接地；数据采集存储模块输出端与数据处理模块连接；由数据采集存储模块检测试样电路和标准电路上的电压和电流值传输至数据处理模块，并将进行存储；数据处理模块对接收到的数据进行信号转换，并处理得到被测微塑料的介质损耗角正切值，实现对微塑料的识别检测。本发明能减少现有方法的不确定性，保证识别结果的准确性，能广泛在环境监测及环境介质中微塑料的识别检测技术领域中应用。

Description

一种基于介质损耗角正切值对微塑料进行检测识别的装置

技术领域

本发明涉及一种环境监测及环境介质中微塑料的识别检测技术领域，特别是关于一种基于介质损耗角正切值对微塑料进行检测识别的装置。

背景技术

塑料材料自发明以来，由于其良好的性能，得到了人们广泛的应用。但是，被废弃的塑料产品，会长时间积累在环境中，受物理、化学作用破碎成小的塑料碎片，而且能够进行远距离迁移，一部分塑料废弃物在风力、降水、河流流动等作用下进入海洋环境，经阳光辐射、生物侵蚀、潮汐和海浪冲刷等物理作用下破碎成更小的碎片。目前，人们把这些尺寸大小在1nm至5mm的塑料材质纤维、颗粒和碎片定义为微塑料。微塑料在海洋环境中广泛分布，由于其较大的比表面积，更易吸附有机污染物和重金属。同时，微塑料容易被海洋生物摄取，造成危害。微塑料正逐渐作为一种新型的环境污染物引起人们广泛的关注。

开展微塑料的污染状况研究，需要对环境介质中微塑料的存在进行检测，而且后续的研究需要对微塑料进行定性分析，以获取微塑料污染的具体信息。目前国内外就塑料种类判别的方法主要有传统物化法和新型无损检测法，传统方法根据外观、密度、燃烧以及溶解度特性对塑料种类加以判别，使用的方法有外观判别法、密度判别法、溶解度法、热解法、燃烧判别、双重热分析法，这些方法存在不同的缺点，导致难以大量推行。微塑料的新型定性分析主要有扫描电镜、电子显微镜扫描、红外光谱、拉曼光谱、热解吸气相色谱-质谱等，这些设备适用于室内分析，普遍存在分析成本较高，分析环境条件要求较高的问题，难以用于采样现场的快速检测。

塑料组成单体种类、加工工艺和添加剂成分及含量不同，对应其性能特征有着明显的差异。在电特性方面，主要以介电常数和介质损耗角正切两个参数来表示。

常见的塑料的介电参数如下：

从表中可以看出，不同塑料的介电常数差别不是很大，但不同塑料的介质损耗角正切却相差较大，有的甚至差别一个量级。因此，如何利用介质损耗角正切的差别对微塑料进行识别，将成为非常有效的手段。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于介质损耗角正切值对微塑料进行检测识别的装置，其大大减少了传统鉴别方法的不确定性，能有效保证识别结果的准确性，检测效率较高。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种基于介质损耗角正切值对微塑料进行检测识别的装置，其特征在于：该装置包括输入电源、加料器、试样电路、标准电路、数据采集存储模块和数据处理模块；所述输入电源的输出端分别与所述试样电路一端和标准电路一端连接，位于所述试样电路的上方设置有所述加料器；所述试样电路另一端和标准电路另一端均连接至所述数据采集存储模块输入端，且所述试样电路另一端和标准电路另一端均接地；所述数据采集存储模块输出端与所述数据处理模块连接；由所述数据采集存储模块检测所述试样电路和标准电路上的电压和电流值传输至所述数据处理模块，并将进行存储；所述数据处理模块对接收到的数据进行信号转换，并处理得到被测微塑料的介质损耗角正切值，实现对微塑料的识别检测。

进一步，所述试样电路和标准电路均包括由两极板构成的电容器和电阻；所述电容器中的一极板与所述电源输出端连接，另一极板与所述电阻一端连接；所述电阻另一端与所述数据采集存储模块连接，并接地。

进一步，所述试样电路中，所述加料器位于两极板之间正上方，所述加料器通过现有控制设备控制其释放物料和加料频率，使单个物料依次进入所述试样电路中的两极板之间；所述数据采集存储模块和数据处理模块采集存储加在单个物料上的电压信号和通过微塑料的电流信号，然后对电压、电流数据进行处理，计算出待测微塑料颗粒的介质损耗角正切值，通过与现有历史实验数据对比，确定微塑料颗粒的种类和数量。

进一步，所述数据采集存储模块包括电流表、电压表和存储器；所述数据处理模块包括现有前置处理电路和数据处理器，所述数据处理器采用计算机或单片机。

进一步，所述待测微塑料颗粒的介质损耗角正切值计算方法为：通过电流表和电压表获得被测微塑料颗粒的电压信号U和电流信号I，经前置预处理电路转化后送至数据处理器，然后通过数据处理器得到电流电压之间的相位差△Φ，从而得到tanδ的测量值：

式中，δ为介质损耗角；a_i1为第1次电流信号谐波分量的余弦部幅值，a_u1为第1次电压信号谐波分量的余弦部幅值；b_u1为第1次电压信号谐波的正弦部幅值，b_i1为第1次电流信号谐波的正弦部幅值。

进一步，所述a_i1，a_u1，b_i1，b_u1分别由下式得到：

假如在一个基波周期T内，取采样间隔为：

对电流和电压采样，一周期得到一组离散的采集值f(t_k)，k＝0，1，2……N-1，则a_i1，a_u1，b_i1，b_u1分别为：

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明将微塑料颗粒的识别过程简化为电路电压和电流的测定，大大减少了传统鉴别方法的不确定性，抗干扰能力强。2、本发明可进行多次重复试验，保证识别结果的准确性。3、本发明测量快速简便，装置结构简单，可用于室外环境的测量。4、本发明操作简单，装置成本低，适用范围广，有利于进一步推广。5、本发明采用的介质损耗角正切的测量是一个灵敏度较高的试验方法，广泛应用绝缘材料优劣的鉴别等方面。故通过测量介质损耗角正切，与之前的实验数据进行比对，就能够对微塑料的种类进行识别。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明提供一种基于介质损耗角正切值对微塑料进行检测识别的装置，其包括输入电源1、加料器2、试样电路3、标准电路4、数据采集存储模块5和数据处理模块6。输入电源1的输出端分别与试样电路3一端和标准电路4一端连接，位于试样电路3的上方设置有加料器2。试样电路3另一端和标准电路4另一端均连接至数据采集存储模块5输入端，且试样电路3另一端和标准电路4另一端均接地；数据采集存储模块5输出端与数据处理模块6连接。由数据采集存储模块5检测试样电路3和标准电路4上的电压和电流值传输至数据处理模块6，并进行存储；数据处理模块6对接收到的数据进行信号转换，并处理得到被测微塑料的介质损耗角正切值，实现对微塑料的识别检测。

上述实施例中，电源1带有变压器，其最大输出电压值10kv，可通过变压器输出控制来调节后续电路的电压。

在一个优选的实施例中，试样电路3与标准电路4结构相同，均包括由两极板构成的电容器和电阻。电容器中的一极板与电源1输出端连接，另一极板与电阻一端连接；电阻另一端与数据采集存储模块5连接，并接地。

上述实施例中，在试样电路3中，加料器2位于两极板之间正上方，加料器2通过现有控制设备控制其释放物料和加料频率，使单个物料依次进入试样电路3中的两极板之间。并由数据采集存储模块5和数据处理模块6采集存储加在微塑料(即单个物料)上的电压信号和通过微塑料的电流信号，然后对电压、电流数据进行处理，计算出待测微塑料颗粒的介质损耗角正切值，通过与现有历史实验数据对比，确定微塑料颗粒的种类和数量，达到检测识别的目的。

上述各实施例中，数据采集存储模块5包括电流表、电压表和存储器；数据处理模块6包括现有前置处理电路和数据处理器等，数据处理器可以采用计算机或单片机等现有设备。

其中，待测微塑料颗粒的介质损耗角正切值计算方法为：通过电流表和电压表获得被测微塑料颗粒的电压信号U和电流信号I，经前置预处理电路转化后送至数据处理器，然后通过数据处理器得到电流电压之间的相位差△Φ，从而得到tanδ的测量值。

设f(t)是一个基波频率为f₀的周期性变量，那么该周期性变量可以用傅氏级数表示为：

式中，a₀为直流分量；a_n为第n次谐波的余弦部的幅值，b_n为第n次谐波的正弦部的幅值；t表示时间；A_n表示第n次谐波的幅值；表示第n次谐波的初相位。

由于在实际检测过程中，电压表和电流表获取的是施加在绝缘上的电压和电流信号，电压信号表示为U(t)，电流信号表示为I(t)：

式中，f₀为基波频率；a_i0为电流信号的直流分量，a_u0为电压信号的直流分量；A_uk为电压信号k次谐波幅值，A_ik为电流信号k次谐波幅值；为电压信号k次谐波的初相位，为电流信号k次谐波的初相位；a_uk为电压信号k次谐波分量的余弦部幅值，a_ik为电流信号k次谐波分量的余弦部幅值；b_uk为电压信号k次谐波的正弦部幅值，b_ik为电流信号k次谐波的正弦部幅值。

其中：

那么介质损耗角δ为：

第1次电流信号谐波分量的余弦部幅值a_i1，第1次电压信号谐波分量的余弦部幅值a_u1，第1次电流信号谐波的正弦部幅值b_i1，第1次电压信号谐波的正弦部幅值b_u1的计算方法为：

假如在一个基波周期T内，取采样间隔为：

对电流和电压采样，一周期得到一组离散的采集值f(t_k)，k＝0，1，2……N-1，则a_i1，a_u1，b_i1，b_u1可由以下公式求出：

式中，N表示采样次数；U(k)表示第k次采样的电压；I(k)表示第k次采样的电流；

故，只要由计算机求出u(t)和I(t)的基波的余弦部和正弦部的幅值，就可以得到对应于基波的tanδ,得到微塑料的介质损耗角正切值。

下面通过实施例对本发明的技术方案及效果作进一步说明。以下实施例中，优选参数为：加料器2以预先设定的固定频率释放塑料颗粒，在完成一次测试之后将旧物料收集，并释放新的测试物料。电源1的电压为220v～10kv，频率为50～10kHz。标准电路4的参数，等值电阻和等值电容都可以进行替换.

实施例：将聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、ABS标准塑料颗粒分别进行电容测量，记录相应的电压和电流，计算出每种塑料对应的介质的介电常数，重复测试三次，取平均值，作为参考。

1)将10g聚乙烯，5g聚氯乙烯，5g聚丙烯塑料颗粒进行混合，称取1g混合物料进行识别，重复三次试验，将实验数据与参考值进行比对，确定塑料颗粒的种类，最后成功识别三种塑料颗粒，整体识别率达94％。

2)将10g沙子和10g聚乙烯塑料颗粒进行混合，称取1g混合物料进行识别，重复试验三次，成功鉴别聚乙烯和沙子。

3)将采集的沉积物样品进行测试，重复试验3次，鉴别出聚乙烯塑料、聚氯乙烯塑料盒聚丙烯塑料。

上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (6)

1.一种基于介质损耗角正切值对微塑料进行检测识别的装置，其特征在于：该装置包括输入电源、加料器、试样电路、标准电路、数据采集存储模块和数据处理模块；所述输入电源的输出端分别与所述试样电路一端和标准电路一端连接，位于所述试样电路的上方设置有所述加料器；所述试样电路另一端和标准电路另一端均连接至所述数据采集存储模块输入端，且所述试样电路另一端和标准电路另一端均接地；所述数据采集存储模块输出端与所述数据处理模块连接；由所述数据采集存储模块检测所述试样电路和标准电路上的电压和电流值传输至所述数据处理模块，并将进行存储；所述数据处理模块对接收到的数据进行信号转换，并处理得到被测微塑料的介质损耗角正切值，实现对微塑料的识别检测。

2.如权利要求1所述装置，其特征在于：所述试样电路和标准电路均包括由两极板构成的电容器和电阻；所述电容器中的一极板与所述电源输出端连接，另一极板与所述电阻一端连接；所述电阻另一端与所述数据采集存储模块连接，并接地。

3.如权利要求2所述装置，其特征在于：所述试样电路中，所述加料器位于两极板之间正上方，所述加料器通过现有控制设备控制其释放物料和加料频率，使单个物料依次进入所述试样电路中的两极板之间；所述数据采集存储模块和数据处理模块采集存储加在单个物料上的电压信号和通过微塑料的电流信号，然后对电压、电流数据进行处理，计算出待测微塑料颗粒的介质损耗角正切值，通过与现有历史实验数据对比，确定微塑料颗粒的种类和数量。

4.如权利要求3所述装置，其特征在于：所述数据采集存储模块包括电流表、电压表和存储器；所述数据处理模块包括现有前置处理电路和数据处理器，所述数据处理器采用计算机或单片机。

5.如权利要求4所述装置，其特征在于：所述待测微塑料颗粒的介质损耗角正切值计算方法为：通过电流表和电压表获得被测微塑料颗粒的电压信号U和电流信号I，经前置预处理电路转化后送至数据处理器，然后通过数据处理器得到电流电压之间的相位差△Φ，从而得到tanδ的测量值：

式中，δ为介质损耗角；a_i1为第1次电流信号谐波分量的余弦部幅值，a_u1为第1次电压信号谐波分量的余弦部幅值；b_u1为第1次电压信号谐波的正弦部幅值，b_i1为第1次电流信号谐波的正弦部幅值。

6.如权利要求5所述装置，其特征在于：所述a_i1，a_u1，b_i1，b_u1分别由下式得到：

假如在一个基波周期T内，取采样间隔为：

对电流和电压采样，一周期得到一组离散的采集值f(t_k)，k＝0，1，2……N-1，则a_i1，a_u1，b_i1，b_u1分别为：