粉尘浓度信号处理装置及其信号处理方法

技术领域

本发明有关一种粉尘浓度信号处理装置及其信号处理方法，尤指一种可降低杂讯影响的粉尘浓度信号处理装置及其信号处理方法。

背景技术

按，所谓总悬浮粒子浓度指单位体积空气中的粉尘含量。在对于厂房或其它较要求总悬浮粒子浓度排放规范，特别是排放到外部环境的情况下，有环保法规等要求。为了测量其数据是否符合标准，必须通过一定的标定程序及相关的测量设备为之，才能建立厂房设备在排烟道上安装的测量不确定度与计量准确度。

传统的光学式测量安装于排烟道，是采用光学吸收(Light Absorption)或散射(Light Scattering)原理，检测排烟到一端的光发射源与另一端的接收源的信号，作为校准。然而由于在排烟道中往往会有杂物(例如但不限于树叶、纸屑、蒸气、飞灰等)入侵，造成光学路径上杂讯信号高于真实粉尘浓度信号，必须维护设备的频率必须以”小时”，重复校准，才能得到可靠的基准测量。

此外，排烟道的几何形状因子差异(圆形截面、方形截面)，以及上游下游各种制动元件(阀件、节流阀、孔口版等)，其流场分布与压力差异，往往会造成排烟道内的器流不平均，容易产生流体涡流(Vortex Shedding)的状况。因此，判读装置所收到的信号，参杂太多的即时杂讯，导致难以准确的判读精确的粉尘浓度。所以，如何设计出一种可降低杂讯影响的粉尘浓度信号处理装置，以及即时信号处理方法，改善排烟道涡流产生的杂讯影响，提供较为精确校正的粉尘浓度，乃为本案创作人所欲行研究的一大课题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种可降低杂讯影响的粉尘浓度信号处理方法，以克服现有技术的问题。因此，本发明粉尘浓度信号处理方法，是对粉尘浓度计的检测信号进行信号分析而计算出粉尘浓度，且粉尘浓度信号处理方法包括下列步骤：(a)对检测信号进行取样而计算多个特征值，且基于该些特征值判断检测信号的信号类型。(b)基于该些特征值选择特定运算法，且该些特征值通过特定运算法计算出粉尘浓度估算值。(c)对粉尘浓度估算值进行校正补偿而获得粉尘浓度精确值。(d)对粉尘浓度精确值进行数值转换，以提供特定数据格式的粉尘浓度。

为了解决上述问题，本发明提供一种可降低杂讯影响的粉尘浓度信号处理装置，以克服现有技术的问题。因此，本发明粉尘浓度信号处理装置对粉尘浓度计的检测信号进行取样而计算粉尘浓度，且粉尘浓度信号处理装置包括特征处理模块、运算模块、校正补偿模块及数值转换模块。特征处理模块对检测信号进行取样而计算多个特征值，且基于该些特征值判断检测信号的信号类型。运算模块基于该些特征值选择特定运算法，且该些特征值通过特定运算法计算出粉尘浓度估算值。校正补偿模块对粉尘浓度估算值进行校正补偿而获得粉尘浓度精确值。数值转换模块对粉尘浓度精确值进行数值转换，以提供特定数据格式的粉尘浓度。

本发明的主要目的及功效在于，提供排烟道总悬浮粒子(TSP,Total SuspendedParticulates)浓度标定信号处理方法，其包含非同步信号的线上取样特征与处理方法，对于流体涡流的变化响应，软件信号的取样频率、信号做小波滤波或移动平均等处理，以达成改善排烟道涡流产生的杂讯影响，且提供较为精确的粉尘浓度的功效。

为了能更进一步了解本发明为达成预定目的所采取的技术、手段及功效，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，相信本发明的目的、特征与特点，当可由此得一深入且具体的了解，然而所附图式仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制者。

附图说明

图1为本发明粉尘监控设备实施方式的示意图；

图2为本发明感测电路的电路方块示意图；

图3为本发明粉尘浓度信号处理装置的电路方块示意图；

图4A为本发明粉尘连续排放的特征示意图；

图4B为本发明粉尘间歇性排放的特征示意图；

图5为本发明滤波单元滤波波形示意图；

图6为本发明校正测试曲线示意图；

图7为本发明数值转换模块的电路方块图；

图8为本发明测量范围曲线示意图；及

图9为本发明粉尘浓度信号处理方法的方法流程图。

其中，附图标记：

100…粉尘监控设备

1…粉尘浓度计

12…探棒

14…感测电路

142…放大电路

142-1…电荷放大器

142-2…可程序放大器

144…滤波电路

146…模拟/数字转换器

2…粉尘浓度信号处理装置

22…特征处理模块

222…取样单元

224…特征计算单元

226…类型判断单元

228…滤波单元

24…运算模块

242…第一运算单元

244…第二运算单元

26…校正补偿模块

262…校正单元

264…补偿单元

28…数值转换模块

282…输出处理单元

284…格式转换单元

284-1…显示转换单元

284-2…模拟转换单元

284-3…阈值比较单元

284-4…RS485转换单元

200…排烟道

A、B…点位

D…粉尘

Cd…粉尘浓度

Sa…放大信号

Sf…滤波信号

Sd…检测信号

Vs…取样值

Es…特征值

Cc…粉尘浓度估算值

Ccv…粉尘浓度校正值

Ce…粉尘浓度精确值

C1～C6…曲线

Fd…显示输出格式

Fa…模拟输出格式

Fr…继电器输出格式

Frs…RS485输出格式

(S100)～(S280)…步骤

具体实施方式

兹有关本发明的技术内容及详细说明，配合图式说明如下：

请参阅图1为本发明粉尘监控设备实施方式的示意图。粉尘监控设备100包括粉尘浓度计1与粉尘浓度信号处理装置2，且粉尘浓度计1耦接粉尘浓度信号处理装置2。排烟道200具有特定风速(例如但不限于3米、40米等风速)由A点往B点的方向吹动，以将空气中的粉尘D由A点吹至B点。粉尘浓度计1包括探棒12与感测电路14，且探棒12插设于排烟道200。其中，探棒12插入排烟道200的深度以1/3～2/3的排烟道截面直径为较佳。当粉尘D(带电粒子)与探棒12接触、撞击或摩擦时，在探棒12上会产生电荷。因此，可通过感测电路14与粉尘浓度信号处理装置2将感应的电荷进行滤波、放大、分析及处理等程序，即可获得粉尘浓度Cd。

进一步而言，由于风往探棒12吹时，实体的探棒12会对流体产生干扰，容易产生悬浮粒子分布不均或涡流现象，容易使所检测到的信号失真或产生不必要的杂讯(例如粉尘D反复接触、撞击或摩擦探棒12或悬浮粒子恰巧绕过探棒12的状况)。因此本发明的主要目的及功效在于，提供排烟道总悬浮粒子浓度标定信号处理方法，其包含非同步信号的线上取样特征与处理方法，对于流体涡流(Vortex Shedding)的变化响应，软件信号的取样频率、信号做小波滤波或移动平均等处理，可调整1秒至24小时做平均后再输出，以改善排烟道涡流产生的杂讯影响，且提供较为精确的粉尘浓度Cd。

请参阅图2为本发明感测电路的电路方块示意图，复配合参阅图1。感测电路14主要由硬件电路所组成，且包括放大电路142、滤波电路144及模拟/数字转换器146。放大电路142耦接探棒12，且将探棒12上所产生电荷(交流反应，主要是因应悬浮粒子的多寡产生振幅的变化)放大为放大信号Sa。放大电路142可以包括电荷放大器142-1与可程序放大器142-2，且电荷放大器142-1耦接可程序放大器142-2。电荷放大器142-1主要是对探棒12上所产生电荷进行信号放大以及初阶的滤波，且可程序放大器142-2具有良好的信号杂讯(S/N)比，以特别针对所需要的信号进行放大，降低杂讯的影响。滤波电路144耦接可程序放大器142-2，且将放大信号Sa滤波为滤波信号Sf。滤波电路144可以使用三阶以上的滤波器衰减率，每倍频从原本衰减6dB提升到18dB以上，以提高信号杂讯比。其中，滤波电路144较佳的还增加了50-60Hz的滤波能力，改善一般供电造成的幅射干扰影响。模拟/数字转换器146耦接滤波电路144，且将滤波信号Sf转换为检测信号Sd。值得一提，于本发明的一实施例中，上述感测电路14的内部结构，仅为众多感测电路14的其中一种，并不以此为限。因此，举凡可用以感测悬浮粒子而相应的产生检测信号Sd的感测电路14，皆应包含在本实施例的范畴当中。

请参阅图3为本发明粉尘浓度信号处理装置的电路方块示意图，复配合参阅图1～2。粉尘浓度信号处理装置2可以为微控制器(MCU)等具有数据处理功能的控制器，但不排除部分可以使用硬件电路所组成具有相同功能的实体控制电路(例如但不限于由比较器、放大器及逻辑闸所组成的电路)。粉尘浓度信号处理装置2包括特征处理模块22、运算模块24、校正补偿模块26及数值转换模块28，且上述模块可以由软件程序所组成，或者由部分软件搭配部分硬件所组成。特征处理模块22耦接模拟/数字转换器146而接收检测信号Sd，以对检测信号Sd进行取样而计算多个特征值Es，且基于这些特征值Es判断检测信号Sd的信号类型。

具体地，特征处理模块22会基于预设的取样率来对检测信号Sd进行取样，合适的取样率范围在10Hz～10kHz为较佳，尤其又以100Hz为最佳。具体地，若取样太低，则撷取的信号因时间间隔太久，除了会漏补捉实际排烟道200中瞬间发生粉尘提高的情形，还会造成即时性降低、误差变大等状况。若取样太高，则会将排烟道200中乱流产生的特征都取样到，粉尘浓度信号处理装置2会无法去判断出哪些信号是真实的或是因乱流造成的。因此，使用合适的取样率，可以排除取样到排烟道200内部乱流的特征，也有足够的取样信号进行信号的分析。

特征处理模块22包括取样单元222、特征计算单元224及类型判断单元226，且还可以选择性的包括滤波单元228。取样单元222耦接模拟/数字转换器146，且对检测信号Sd进行取样而提供多个取样值Vs。特征计算单元224耦接取样单元222，且基于取样值Vs计算特征值Es。具体地，粉尘浓度信号处理装置2可以预设特定的单位时间(例如但不限于1秒)，特征计算单元224分别计算每个单位时间中的取样值Vs来获得一个特征值Es，以于连续的单位时间(例如但不限于1分钟、1小时等)形成多个特征值Es。其中，特征计算单元224包括平均值计算法、均方根值计算法、标准差计算法及峰对峰值计算法，且其公式如下：

平均值计算法如式1所示：

均方根值计算法如式2所示：

标准差计算法如式3～4所示：

峰对峰值计算法如式5所示：

Vpp＝[阵列A(最大值)]-[阵列A(最小值)]…(5)

特征计算单元224可基于取样值Vs的态样(例如但不限于，最大值与最小值较为明显可选择峰对峰值计算法及/或标准差计算法)，选择平均值计算法、该均方根值计算法、该标准差计算法及该峰对峰值计算法的至少其中之一将取样值Vs计算为特征值Es。

类型判断单元226耦接特征计算单元224，且基于特征值Es的特征判断取样值Vs属于粉尘连续排放或粉尘间歇性排放。具体地，如图4A与4B所示分别为粉尘连续排放或粉尘间歇性排放的特征示意图。粉尘连续排放通常会出现在例如但不限于，火力发电厂、垃圾焚化厂、造纸等连续燃烧排放粉尘场所，粉尘的排放通常是连续性的，仅有在设备不工作时会暂时的降低粉尘浓度。反之，粉尘间歇性排放通常会出现在工厂等场所，粉尘的排放通常是非连续性的，仅有在例如但不限于，大宗物料(塑化、粮食、混凝土、铁沙)车辆废气排放、或施工时等状况，粉尘浓度才会飙高。

另外一方面，滤波单元228耦接取样单元222与特征计算单元224之间，且基于取样值Vs的杂讯大小，选择性的对该些取样值Vs进行滤波。具体地，如图5所示为滤波单元滤波波形示意图。当取样值Vs所构成的波形如曲线C1所示时，代表即便经过感测电路14的实体电路滤波后，仍然有高频谐波。因此，滤波单元228主要以小波滤波法，对曲线C1分别进行一至五阶的滤波而分别产生C2～C6的曲线。小波滤波法主要是用标准差的方式，将曲线C1上的高频谐波滤除，预估将取三阶小波滤波法做为上限值(即曲线C4)。若进行太多阶的滤波，则曲线将会失真(如曲线C5～C6所示)。然而，若是经过感测电路14的实体电路滤波后，高频谐波较少，甚至是未有高频谐波时(即感测电路14的功能较好)，则可以不需要另行使用滤波单元228对取样值Vs所构成的波形如曲线进行滤波。

运算模块24耦接类型判断单元226，且基于特征值Es属于粉尘连续排放或粉尘间歇性排放(即信号类型)选择特定运算法，使特征值Es通过特定运算法计算出粉尘浓度估算值Cc。具体地，运算模块24包括第一运算单元242与第二运算单元244，且第一运算单元242与第二运算单元244耦接类型判断单元226。当特征值Es属于粉尘连续排放时，第一运算单元242提供加权移动平均运算，以通过加权移动平均运算将特征值Es计算为粉尘浓度估算值Cc。其中，类型判断单元226例如但不限于，可以基于特征值Es属于粉尘连续排放或粉尘间歇性排放(即信号类型)提供相应的代码给运算模块24，以使运算模块24可以选择第一运算单元242或第二运算单元244进行后续的运算。加权移动平均运算如式6～7所示：

F

其中，F

经计算结果为(8*0.05)+(11*0.05)+(15*0.15)+(12*0.25)+(10*0.5)＝11.2，11.2即经计算后所获得的粉尘浓度估算值Cc。

当特征值Es属于粉尘间歇性排放时，第二运算单元244提供积分运算，以通过积分运算将特征值Es计算为粉尘浓度估算值Cc。积分运算如式8所示：

i

其中，i

校正补偿模块26耦接第一运算单元242与第二运算单元244，且对粉尘浓度估算值Cc进行校正补偿而获得粉尘浓度精确值Ce。具体地，校正补偿模块26包括校正单元262与补偿单元264，校正单元262耦接第一运算单元242与第二运算单元244，且补偿单元264耦接校正单元262。校正单元262通过校正常数值对粉尘浓度估算值Cc进行计算而获得粉尘浓度校正值Ccv。进一步而言，如图6所示为校正测试曲线图。校正单元262通过多点校正做内差法来计算粉尘浓度校正值Ccv，主要是校正单元262于实际运作前，预先于测试环境(例如但不限于，标准实验室)进行校正测试而获得校正常数值，其公式如下式9所示：

校正后可取得(x1,y1)与(x2,y2)的标定点，区间的范围为类线性的特性，将校正后的标定点代入公式9，取得校正常数值x代表粉尘浓度估算值Cc，其为校正单元262实际运作时所计算出的实际值(单位是V)，代入上述公式就可以转成校正后的粉尘浓度值(即为粉尘浓度校正值Ccv，单位是mg/m

补偿单元264通过环境常数值对粉尘浓度校正值Ccv进行计算而获得粉尘浓度精确值Ce，具体地为补偿单元264基于测试环境与实际运作环境的环境差异来设定环境常数值。例如但不限于，实际运作的环境只要与测试环境(即标准实验室)相同，代表K

K

K

K

通过上述公式所取得的环境常数值与粉尘浓度校正值Ccv进行计算，即可获得粉尘浓度精确值Ce。

配合参阅图7为本发明数值转换模块的电路方块图。数值转换模块28耦接补偿单元264，且对粉尘浓度精确值Ce进行数值转换，以提供特定数据格式且较为精确的粉尘浓度Cd。具体而言，数值转换模块28包括输出处理单元282与格式转换单元284。输出处理单元282耦接补偿单元264，且格式转换单元284耦接输出处理单元282。输出处理单元282包括粉尘浓度百分比(％)显示公式计算与输出电流信号公式计算，且格式转换单元284通过格式转换，可提供显示输出格式Fd的尘浓度精确值Ce、模拟输出格式Fa的尘浓度精确值Ce、继电器输出格式Fr的尘浓度精确值Ce或RS485输出格式Frs的尘浓度精确值Ce。数值转换模块28通过上述二者计算，再通过特定数据格式的数据转换，将尘浓度精确值Ce转换为特定格式的粉尘浓度Cd。值得一提，由于本发明的运算模块24可以利用加权移动平均运算或积分运算对一段特定时段(例如但不限于当前时间至先前12小时之间的时段)的粉尘浓度进行计算，因此粉尘浓度信号处理装置2可以提供非同步输出的粉尘浓度Cd。

具体地，粉尘浓度百分比(％)显示公式计算依设定的测量范围做计算(例如0.1～A mg/m

格式转换单元284可包括显示转换单元284-1、模拟转换单元284-2、阈值比较单元284-3及RS485转换单元284-4，且上述四种不同的转换单元耦接输出处理单元282与后端所耦接的装置(例如但不限于LCM屏幕、电脑、继电器等)。显示转换单元284-1将输出处理单元282所转换出的数值转换为显示输出格式Fd的粉尘浓度Cd，以提供较为精确的粉尘浓度Cd给液晶模块(LCM)显示。模拟转换单元284-2将输出处理单元282所转换出的数值转换为模拟输出格式Fa的粉尘浓度Cd，以提供较为精确的粉尘浓度Cd给后端的装置。其中，模拟转换单元284-2主要将数值转换为4mA～20mA的模拟输出电流信号。

阈值比较单元284-3将输出处理单元282所转换出的数值转换为继电器输出格式Fr的粉尘浓度Cd，以提供较为精确的粉尘浓度Cd给继电器去做导通/关断。即当粉尘浓度Cd大于阈值，则继电器作动而表示粉尘浓度Cd过高，反之则继电器不作动而表示粉尘浓度Cd未超标。RS485转换单元284-4将输出处理单元282所转换出的数值转换为RS485输出格式Frs的粉尘浓度Cd，以提供较为精确的粉尘浓度Cd给后端的装置。值得一提，于本发明的一实施例中，数值转换模块28可输出的格式并不限定必须要上述四种，依实际需求可取上述四种的其中之一种输出，亦或是额外加入其他种的输出格式。此外，上述的四种输出方式除了可提供非同步的粉尘浓度Cd外，还可以提供当下即时的粉尘浓度Cd，使使用者可以直观的知悉当下的数值与非同步的数值差异。

请参阅图9为本发明粉尘浓度信号处理方法的方法流程图，复配合参阅图1～8。粉尘浓度信号处理方法主要是对粉尘浓度计1的检测信号Sd进行取样而计算较为精确的粉尘浓度Cd，以改善排烟道涡流产生的杂讯影响。具体地，粉尘浓度信号处理方法包括，对检测信号进行取样(S100)。利用较佳的实施方式为，特征处理模块22会基于预设的取样率来对检测信号Sd进行取样，且合适的取样率范围在10Hz～10kHz为较佳，尤其又以100Hz为最佳。然后，是否进行滤波(S120)。当结果为”是”时，对取样值进行滤波(S140)。较佳的实施方式为，利用滤波单元228主要以小波滤波法，对取样值Vs所构成的曲线C1进行(一至五阶)的滤波，以曲线C1上的高频谐波滤除。当结果为”否”时，则基于取样值来计算特征值(S160)。较佳的实施方式为，利用粉尘浓度信号处理装置2预设特定的单位时间(例如但不限于1秒)，再利用特征计算单元224分别计算每个单位时间中的取样值Vs来获得一个特征值Es，以于连续的单位时间(例如但不限于1分钟、1小时等)形成多个特征值Es。其中，若高频谐波较少，甚至是未有高频谐波时，则步骤(S120)～(S140)可以省略。

然后，判断排放类型(S180)。较佳的实施方式为，利用类型判断单元226基于特征值Es的特征判断取样值Vs属于粉尘连续排放或粉尘间歇性排放。然后，提供加权移动平均运算(S200)。较佳的实施方式为，当取样值Vs属于粉尘连续排放时，通过第一运算单元242提供加权移动平均运算，以通过加权移动平均运算将特征值Es计算为粉尘浓度估算值Cc。然后，提供积分运算(S220)。较佳的实施方式为，当取样值Vs属于粉尘间歇性排放时，通过第二运算单元2442提供加积分运算，以通过积分运算将特征值Es计算为粉尘浓度估算值Cc。

然后，对粉尘浓度估算值进行校正(S240)。较佳的实施方式为，利用校正单元262通过多点校正做内差法来计算粉尘浓度校正值Ccv。主要是在实际运作前，粉尘浓度信号处理装置2预先于测试环境(例如但不限于，标准实验室)进行校正测试而获得校正常数值，然后再利用校正常数值与粉尘浓度估算值Cc计算粉尘浓度校正值Ccv。然后，对粉尘浓度校正值进行补偿(S260)。较佳的实施方式为，利用补偿单元264通过环境常数值对粉尘浓度校正值Ccv进行计算，以获得粉尘浓度精确值Ce。具体地，补偿单元264基于测试环境与实际运作环境的环境差异来设定环境常数值，且环境常数值与粉尘浓度校正值Ccv进行计算，即可获得粉尘浓度精确值Ce。

最后，进行数值转换而获得粉尘浓度(S280)。较佳的实施方式为，利用数值转换模块28对粉尘浓度精确值Ce进行计算与格式的转换，以将尘浓度精确值Ce转换为特定格式的粉尘浓度Cd。其中，数值转换模块28至少可将粉尘浓度精确值Ce转换为显示输出格式Fd、模拟输出格式Fa、继电器输出格式Fr或RS485输出格式Frs的至少其中之一。值得一提，于本发明的一实施例中，上述的流程并非仅能使用图3所出示的模块来达成，举凡可达成相同功能的模块/电路/程序等，皆应包含在本实施例的范畴当中。

以上所述，仅为本发明较佳具体实施例的详细说明与图式，惟本发明的特征并不局限于此，并非用以限制本发明，本发明的所有范围应以下述的申请专利范围为准，凡合于本发明申请专利范围的精神与其类似变化的实施例，皆应包含于本发明的范畴中，任何熟悉该项技艺者在本发明的领域内，可轻易思及的变化或修饰皆可涵盖在以下本案的专利范围。