專利名稱:塵埃濃度檢測裝置的制造方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種塵埃濃度檢測裝置。塵埃濃度檢測裝置可以包括電場發(fā)生器，用于在待測氣體中產生電場以將所述待測氣體離子化；電信號測量模塊，連接到所述電場發(fā)生器，用于測量所述電場所在的回路中電信號的變化；以及處理器，接收所述電信號，用于分析電信號的變化，從而得到待測氣體中塵埃的質量濃度值。
【專利說明】
塵埃濃度檢測裝置
技術領域
[0001] 本實用新型屬于空氣質量檢測技術領域，更具體地設及一種塵埃濃度檢測裝置。
【背景技術】
[0002] 塵埃濃度檢測主要是檢測環(huán)境空氣中的塵埃濃度?？諝馕廴?，又稱為大氣污染，按 照國際標準化組織（ISO)的定義，空氣污染通常是指由于人類活動或自然過程引起某些物 質進入大氣中，呈現出足夠的濃度，達到足夠的時間，并因此危害了人類的舒適、健康和福 利或環(huán)境的現象。
[0003] PM2.5是懸浮在空氣里直徑小于2.5微米的顆粒物。與較粗的大氣顆粒物相比， PM2.5粒徑小，面積大，活性強，易附帶有毒、有害物質，例如重金屬、微生物等，且在大氣中 的停留時間長、輸送距離遠，因而對大氣環(huán)境質量的影響尤為明顯。
[0004] PM2.5的附著力很強，而人體的生理結構對PM2.5沒有任何過濾、阻攔能力，過高的 PM2.5濃度可對人體的呼吸系統、屯、血管系統、生殖系統及血液系統造成嚴重危害。實現 PM2.5濃度的準確、實時、便捷檢測，W提醒民眾的日常外出活動，是具有重大意義的民生工 作。

【發(fā)明內容】

[0005] 為了 了解、評價作業(yè)場所空氣中塵埃對工人健康的危害狀況，研究改善防塵技術 措施W及評價防塵措施的效果。都需要對塵埃濃度進行測定。塵埃濃度的表示方法有質量 法和數量法兩種。質量塵埃濃度為單位體積空氣中塵埃的質量，Wmg/m3表示。數量塵埃濃 度的表示方法為單位體積空氣中塵埃顆粒數目，Wn/m3表示。
[0006] 60年代W前，很多國家的塵埃最高容許濃度采用數量濃度表示，只有我國、蘇聯等 國采用質量濃度表示。后來，由于發(fā)現秒肺病的進展與懸浮塵埃的質量濃度密切相關，70年 代后，英、美、日等國進入了數量濃度與質量濃度并用階段，各國逐漸向質量濃度發(fā)展。數量 塵埃濃度較易測得而質量塵埃濃度的測定卻較難實現。
[0007] 本申請?zhí)峁┝艘环N塵埃濃度檢測裝置，能夠測量待測氣體中塵埃的質量濃度值。 [000引根據本實用新型的一方面，提供了一種塵埃濃度檢測裝置，包括電場發(fā)生器，用于 在待測氣體中產生電場W將所述待測氣體離子化；電信號測量模塊，連接到所述電場發(fā)生 器，用于測量所述電場所在的回路中電信號的變化；W及處理器，接收所述電信號，用于分 析電信號的變化，從而得到待測氣體中塵埃的質量濃度值。
[0009] 在一個實施例中，該電場發(fā)生器包括高壓發(fā)生器和設置在所述待測氣體中的電 極，所述電極與高壓發(fā)生器的兩端相連接，所述電場發(fā)生器用于釋放電子。
[0010] 在一個實施例中，該電信號包括電流、電壓W及電容中的至少一種。
[0011] 在一個實施例中，該電信號測量模塊包括串聯在該回路中的電阻。
[0012] 在一個實施例中，該電場發(fā)生器還包括W下至少一項:濾波模塊，用于對所述電信 號進行濾波W濾去所述電信號中的噪聲信號;放大模塊，用于放大所述電信號的變化;A/D 轉換模塊，用于將所述電信號從模擬信號轉換成數字信號，其中，所述處理器對所述數字信 號進行分析。
[0013] 在一個實施例中，該電場發(fā)生器包括間隔預定距離的電極，電極的間距是可調節(jié) 的。
[0014] 在一個實施例中，該塵埃濃度檢測裝置，還設置有過濾層，用于濾除所述待測氣體 中預定直徑范圍的顆粒物。
[0015] 在一個實施例中，該塵埃濃度檢測裝置，還設置有絕緣層和/或屏蔽層，該絕緣層 用于將所述電場與外界進行絕緣，該屏蔽層用于將所述電場相對于外界進行屏蔽。
[0016] 在一個實施例中，該過濾層被構造成濾除直徑大于2.5微米的顆粒物。
[0017] 在一個實施例中，該塵埃濃度檢測裝置，還包括無線通信模塊，該無線通信模塊接 收由所述處理器分析得出的質量濃度信號，并將該質量濃度信號發(fā)送給遠程的服務器或便 攜式移動客戶端。
[0018] 根據本實用新型的塵埃濃度檢測裝置，能自動采集并直接測定塵埃質量濃度，裝 置小型化功耗低、輕量便攜，更具低成本，可在民用或商用領域大規(guī)模生產使用。
【附圖說明】

[0019] 通過參考附圖會更加清楚地理解本實用新型的特征和優(yōu)點，附圖是示意性的而不 應理解為對本實用新型進行任何限制，在附圖中：
[0020] 圖1示出根據本實用新型的塵埃濃度檢測裝置的一個實施例的結構框圖；
[0021] 圖2示出根據本實用新型的塵埃濃度檢測方法的一個實施例的流程圖；
[0022] 圖3示出根據本實用新型的塵埃濃度檢測裝置的一個實施例的結構示意圖；
[0023] 圖4示出根據本實用新型的帶電粒子在電場中的運動軌跡的一個實施例的示意 圖；
[0024] 圖5示出根據本實用新型的電場發(fā)生器的一個實施例的結構簡圖。
【具體實施方式】
[0025] 下面將詳細描述本實用新型的各個方面的特征和示例性實施例。在下面的詳細描 述中，提出了許多具體細節(jié)，W便提供對本實用新型的全面理解。但是，對于本領域技術人 員來說很明顯的是，本實用新型可W在不需要運些具體細節(jié)中的一些細節(jié)的情況下實施。 下面對實施例的描述僅僅是為了通過示出本實用新型的示例來提供對本實用新型的更好 的理解。本實用新型決不限于下面所提出的任何具體配置和方法，而是在不脫離本實用新 型的精神的前提下覆蓋了元素、部件和算法的任何修改、替換和改進。在附圖和下面的描述 中，沒有示出公知的結構和技術，W便避免對本實用新型造成不必要的模糊。
[0026] 下面結合附圖，詳細描述根據本實用新型實施例的塵埃濃度檢測裝置和塵埃濃度 檢測方法。
[0027] 圖1示出了根據一種實施例，塵埃濃度檢測裝置的結構框圖。根據該實施例，一種 塵埃濃度檢測裝置可W包括電場發(fā)生器110，用于在待測氣體中產生電場;電信號測量模塊 120,連接到該電場發(fā)生器110,用于測量該電場所在的回路中電信號的變化；W及處理器 130,連接到該電信號測量模塊120,用于分析電信號的變化，從而得到待測氣體中塵埃的質 量濃度值。在一種實施例中，電場發(fā)生器可W由12V DC電源供電。
[0028] 圖2示出的一種實施例，塵埃濃度檢測方法的流程圖。如圖2所示，在步驟S201，在 待測氣體中產生電場W將該待測氣體離子化。在S202中，測量電場所在的回路中電信號的 變化。在S203,分析電信號的變化W獲得待測氣體中塵埃的質量濃度值。在一個示例中，要 測量的電信號可W是電流或電壓。
[0029] 在一個實施例中，電場可W由與高壓發(fā)生器相連接的電極產生，高壓發(fā)生器將高 壓輸出至電極兩端，考慮到安全性還可W在高壓發(fā)生器中設置過壓保護W及過流保護電 路。電極可W采用碳纖維、石墨、金屬等材料。在本申請中，"高壓"指的是足W使待測氣體離 子化(例如，將待測氣體離子化產生大量電子)的電壓，例如可W是50V至10,000V之間的電 壓。
[0030] 在一個實施例中，該方法還包括對待測氣體進行過濾W濾去預定直徑范圍的顆粒 物，例如可W從待測氣體中濾去直徑大于2.5微米的顆粒物，用W檢測例如PM2.5的質量濃 度。
[0031] 在一個實施例中，測量電場回路的電信號的變化值的步驟還可W對信號進行濾 波，過濾噪聲，降低噪聲干擾。例如采用低通濾波，剔除高頻干擾。根據噪聲水平，也可W不 進行過濾。
[0032] 在一個實施例中，測量電場回路的電信號的變化值的步驟包括可W將回路電信號 放大，例如可W采用分壓偏置放大電路，去除無塵埃情況下測量電路中的原始電信號影響， 放大塵埃質量濃度引起的電信號變化。
[0033] 在一個實施例中，測量電場回路的電信號的變化值的步驟包括可W將回路電信號 進行A/D轉換。
[0034] 在一個實施例中，該回路包括串聯在其中的電阻，測量電阻兩端的電壓或通過該 電阻的電流，計算得到空氣中塵埃的質量濃度。
[0035] 回路中的電信號與塵埃顆粒物濃度值存在如下函數關系：
[0036] 當不存在微小顆粒時，電極兩端的電荷量姑和電流I測的表達式為：
[0037]
[00；3 引
[0039] 當存在微小顆粒，通過電阻的電流和電壓可表達為：
[0040]
[0041]
[0042]
[0043] 其中，Q電為電極兩端的電荷量;喃巧電阻兩端的電壓;R測為串聯在回路中的電阻 值;U為電極兩端電壓;k為設定的經驗常數，可根據實測數據進行設定;d為電極距離;S為電 化 極兩端的面積;EO為真空絕對介電常數;e電為相對介電常數變化；.....1;..為相對介電常數變化 dt 率;P為待測氣體密度，并且通過空氣密度表，結合當前氣壓W及溫度可確定當前標準空氣 密度值，可W采用待測氣體密度減去當前標準空氣密度得出待測塵埃顆粒物的質量濃度。
[0044] 圖3示出了根據一種實施例，帶電粒子在電場中的運動軌跡的一個實施例的示意 圖。圖4示出了根據一種實施例，塵埃濃度檢測裝置的結構示意圖。如圖3和圖4所示：電場發(fā) 生器包括高壓發(fā)生器301和電極，該電極與高壓發(fā)生器301相連，該電場發(fā)生器用于在待測 氣體中釋放電子，并可W釋放大量電子，大量電子從電極的負極向正極運動，可W使所述電 場發(fā)生器和電極形成一個閉合的回路。該高壓發(fā)生器301產生的電壓范圍例如可W設定為 50V-10000V。在一種實施例中，高壓發(fā)生器301可W產生大小為3800V的負電壓。通過閉合回 路，電子將在電場作用下遷移至電極另一端。遷移過程中，電子會吸附在空氣中的塵埃顆粒 物上，從而使得空氣中的塵埃顆粒物成為帶電粒子，并且在電場的作用力下進行遷移，導致 電子遷移過程額外做功，電子遷移增加塵埃顆粒遷移所耗費的電能，對比無塵埃顆粒物情 況下，有塵埃顆粒物的情況會導致塵埃顆粒物遷移增加電子遷移所耗費的電能，而導致回 路中電信號的變化。該電信號可W包括電流、電壓W及電容中的至少一種。例如待測氣體中 塵埃質量濃度升高會導致回路中電流值減小。
[0045] 在一種實施例中，該高壓電場可W設置兩個極板，極板與極板之間的待測氣體共 同形成了一個電容，該電容中的待測氣體塵埃顆粒物的變化會導致該電容的介電常數的變 化，通過測量電容值，結合介電常數與待測氣體濃度關系，可W分析得到塵埃顆粒物質量濃 度。
[0046] 在一種實施例中，該電信號測量模塊302包括串聯在該回路中的電阻，通過該電阻 可W將回路電流變化轉換為直接可測量的電壓變化。通過測量該電阻的電流或電阻兩端的 電壓可W計算出待測氣體的密度，進而得到待測氣體中塵埃顆粒的對應質量濃度。閉合回 路電流下降，塵埃顆粒物質量濃度的大小影響回路電流。通過在閉合回路上測量回路電流 變化，從而獲得空氣中塵埃物質量濃度值。電阻值根據電場電壓的范圍會有所不同，在一種 實施例中，高壓發(fā)生器301可W產生大小為3800V的負電壓，精密電阻的阻值可W選擇為IM Q。
[0047] 在一種實施例中，電信號測量模塊302還可W包括放大模塊304,放大由塵埃濃度 變化引起的電信號變化，例如可W采用分壓偏置放大電路，去除無塵埃情況下電信號測量 模塊302電路中的原始電信號影響，放大塵埃質量濃度引起的電信號變化，從而提高裝置的 靈敏度。在一種實施例中，高壓發(fā)生器301可W產生大小為3800V的負電壓，精密電阻的阻值 可W選擇為IMQ，放大模塊304的放大倍數可W選擇為50倍。
[0048] 在一種實施例中，電信號測量模塊302還可W包括A/D轉換模塊305,例如模擬信號 可W經A/D轉換模塊305采樣并轉換為數字信號，將數字信號輸入至處理器306進行分析計 算。
[0049] 在一種實施例中，電信號測量模塊302還可W包括濾波模塊303,可W在放大模塊 304之前設置濾波模塊303，過濾噪聲，降低噪聲干擾。例如采用低通濾波，剔除高頻干擾。在 一種實施例中，高壓發(fā)生器301可W產生大小為3800V的負電壓，精密電阻的阻值可W選擇 為IMQ，放大模塊304的放大倍數可W選擇為50倍，A/D轉換器的采樣模信號采樣頻率可W 為IOOHz時，濾波模塊303可W選擇能夠剔除100化W上高頻干擾的低通濾波器。根據噪聲水 平，也可W不進行過濾。
[0050] 在一種實施例中，處理器用于通過測得的電阻兩端的電壓Uii計算得到通過該電阻 的電流I測，并基于電極兩端的電荷量Q電，電極兩端電壓U，電極距離d，電極兩端的面積S，真 空絕對介電常數e〇,相對介電常數變化峭，相對介電常數變化率^1-，計算得到待測氣體的 熱 密度，從而獲得待測氣體的塵埃的質量濃度。
[0051] 本領域技術人員可W理解，處理器可W使用軟件、硬件和/或固件的方式來實現。 例如，在一種實施例中，處理器可W在信息處理設備中通過程序指令來實現，運些程序指令 可W被存儲在該信息處理設備的非易失性存儲器中，并且在由該信息處理設備的一個或多 個處理器執(zhí)行時使該信息處理設備實現相應的放大模塊304、濾波模塊303、A/D轉換模塊 305W及計算模塊。運些程序指令可W被包含在W源代碼、目標代碼、中間代碼等形式存在 并能夠W編譯或解釋方式執(zhí)行的可執(zhí)行文件或APP中。在另一種實施例中，處理器可W由硬 連線電路實現，其中的放大模塊304、濾波模塊303、A/D轉換模塊305W及處理器可W是彼此 分立并連接的電路，也可W集成在一起。
[0052] 在一種實施例中，該塵埃濃度檢測裝置可W包括檢測電路和處理器306,該檢測電 路可W包括高壓發(fā)生器301、電信號測量模塊302、濾波模塊303、放大模塊304W及A/D轉換 模塊305,該信號測量模塊302測得的信號經過濾波模塊303、放大模塊304W及A/D轉換模塊 305進行處理，處理后的數字信號經處理器306分析從而得到塵埃的質量濃度。
[0053] 根據一個實施例，塵埃濃度檢測裝置，還設置有過濾層，用于濾除預定直徑范圍的 顆粒物，可W使塵埃濃度檢測裝置只對特定直徑范圍的顆粒物的濃度進行檢查。
[0054] 根據一個實施例，還設置有絕緣層和/或屏蔽層，該絕緣層用于將該電場與外界進 行絕緣，該屏蔽層用于將該電場與外界進行屏蔽。
[0055] 圖5示出根據一個實施例，電場發(fā)生器的結構簡圖。該電場發(fā)生器包括電極501，電 極501被設置在可透氣的殼體內。外界的空氣可W通過殼體與殼體內部的電極501相接觸， 運里的電極501可W是碳纖維材料也可W是金屬針等。該殼體設有絕緣層502和/或屏蔽層 503,該絕緣層用于將所述電場與外界進行絕緣，該屏蔽層用于將該電場相對于外界進行屏 蔽。例如，運里的絕緣層502和屏蔽層503可W設置在殼體內也可W設置在殼體內，也可W同 時設置也可W單獨地設置，運種設置方式可W是粘結，卡嵌等方式設置在殼體上，也可W是 擠包、繞包等方式設置在殼體外部。
[0056] 在一中實施例中，殼體部分可W設置為圓柱形，最外層可W為銅材料，作為電磁屏 蔽層503;里層可W采用塑料材質，作為絕緣層502;在圓柱體上可W分布打上小孔，例如小 孔可W是直徑為1.5mm的小圓孔，作為空氣進入通道。
[0057] 在一個實施例中，電極501設置有過濾層，用于濾除預定直徑范圍的顆粒物，例如 濾層被構造成過濾掉直徑大于2.5微米的顆粒物，運種細顆粒物又稱PM2.5。細顆粒物指環(huán) 境空氣中空氣動力學當量直徑小于等于2.5微米的顆粒物。它能較長時間懸浮于空氣中，其 在空氣中含量濃度越高，就代表空氣污染越嚴重。雖然PM2.5只是地球大氣成分中含量很少 的組分，但它對空氣質量和能見度等有重要的影響。與較粗的大氣顆粒物相比，PM2.5粒徑 小，面積大，活性強，易附帶有毒、有害物質，例如重金屬、微生物等，且在大氣中的停留時間 長、輸送距離遠，因而對人體健康和大氣環(huán)境質量的影響更大。運樣便能用來檢測PM2.5的 質量濃度值。過濾層可W是濾紙、聚苯乙締的微濾膜等。過濾層可W設置在殼體內也可W設 置在殼體外，運種設置方式可W是粘結，卡嵌等方式設置在殼體上，也可W是擠包、繞包等 方式設置在殼體外部。
[0058] 在一個實施例中，該電場發(fā)生器可W包括間隔預定距離的電極，運里的電極的間 距是可調節(jié)的。每個電極501可W設置有尖端，且兩端間距有一定的要求，須防止擊穿和保 證靈敏度。
[0059] 在一種實施例中，電極501設置在殼體的兩端，電極501尖端間距可W通過調節(jié)部 件進行調節(jié)，例如可W通過螺紋可調電極501尖端的距離。
[0060] 在一個實施例中，例如高壓發(fā)生器301可W產生大小為3800V的負電壓，精密電阻 的阻值可W選擇為IMQ，兩個電極501尖端間距可W設置為7mm。在一個實施例中，塵埃濃度 檢測裝置可W通過至少一個通信模塊(可W是有線通信模塊或者無線通信模塊)實現與至 少一個其他網元之間的通信連接，該無線通信模塊接收由該處理器分析得出的質量濃度信 號，并將該質量濃度信號發(fā)送給遠程的服務器或便攜式移動客戶端，例如可W通過藍牙模 塊，將測得的塵埃顆粒物濃度值實時上傳至遠端服務器或便攜式移動客戶端，實時顯示共 享數據，同樣可W采用紅外、無線網絡等無線通信模塊起到類似的通信效果。
[0061 ]應當注意，在權利要求中，單詞"包含"或"包括"并不排除存在未列在權利要求中 的元件或組件。位于元件或組件之前的冠詞"一"或"一個"也并不排除存在多個運樣的元件 或組件的情況。
[0062]此外，還應當注意，本說明書中使用的語言主要是為了可讀性和教導的目的而選 擇的，而不是為了解釋或者限定本實用新型的主題而選擇的。因此，在不偏離所附權利要求 書的范圍和精神的情況下，對于本技術領域的普通技術人員來說許多修改和變更都是顯而 易見的。關于本實用新型的范圍，說明書中所做的描述都是說明性的，而非限制性的，本實 用新型的范圍由所附權利要求書限定。
【主權項】
1. 一種塵埃濃度檢測裝置，其特征是，包括： 電場發(fā)生器，用于在待測氣體中產生電場以將所述待測氣體離子化； 電信號測量模塊，連接到所述電場發(fā)生器，用于測量所述電場所在的回路中電信號的 變化；以及 處理器，接收所述電信號，用于分析電信號的變化，從而得到待測氣體中塵埃的質量濃 度值。2. 如權利要求1所述的塵埃濃度檢測裝置，其特征是，所述電場發(fā)生器包括： 電極，所述電極設置在所述待測氣體中；以及 高壓發(fā)生器，所述高壓發(fā)生器連接到所述電極， 其中，所述電極在所述高壓發(fā)生器提供的高壓下釋放電子。3. 如權利要求1所述的塵埃濃度檢測裝置，其特征是，所述電信號包括電流、電壓以及 電容中的至少一種。4. 如權利要求1所述的塵埃濃度檢測裝置，其特征是，所述電信號測量模塊包括串聯在 所述回路中的電阻。5. 如權利要求1所述的塵埃濃度檢測裝置，其特征是，還包括以下至少一項： 濾波模塊，用于對所述電信號進行濾波以濾去所述電信號中的噪聲信號； 放大模塊，用于放大所述電信號的變化； A/D轉換模塊，用于將所述電信號從模擬信號轉換成數字信號， 其中，所述處理器對所述數字信號進行分析。6. 如權利要求1所述的塵埃濃度檢測裝置，其特征是，所述電場發(fā)生器包括間隔預定距 離的電極，所述電極的間距是可調節(jié)的。7. 如權利要求1所述的塵埃濃度檢測裝置，其特征是，還設置有過濾層，用于濾除所述 待測氣體中預定直徑范圍的顆粒物。8. 如權利要求1所述的塵埃濃度檢測裝置，其特征是，還設置有絕緣層和/或屏蔽層，所 述絕緣層用于將所述電場與外界進行絕緣，所述屏蔽層用于將所述電場相對于外界進行屏 蔽。9. 如權利要求7所述的塵埃濃度檢測裝置，其特征是，所述過濾層被構造成濾除直徑大 于2.5微米的顆粒物。10. 如權利要求1所述的塵埃濃度檢測裝置，其特征是，還包括無線通信模塊，所述無線 通信模塊接收由所述處理器分析得出的質量濃度信號，并將所述質量濃度信號發(fā)送給遠程 的服務器或便攜式移動客戶端。
【文檔編號】G01N27/00GK205719880SQ201620346222
【公開日】2016年11月23日
【申請日】2016年4月22日
【發(fā)明人】聶泳忠, 林梅英
【申請人】西人馬（廈門）科技有限公司