CN103245601B - 一种测颗粒物浓度的方法及应用该方法的装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于大气颗粒物浓度测量的技术领域，具体则涉及一种基于PIV测速方式来测颗粒物浓度的方法及应用该方法的装置。其方法包括以下步骤：获取每个粒子的大小，形状以及体积，计算出每种粒子质量；已知流量和测量时间，计算得出总共采样空气体积；计算出待测的PM颗粒物浓度。该方法不但测算方便快捷，且计算精度均可得到有效保证。其装置包括颗粒物采样机构、滤带传送机构、β射线放射机构以及β射线接收测量机构；本装置还包括衰减控制部件和动力单元，衰减控制部件紧靠在β射线放射源的放射出口端；本装置还包括PIV单元。本装置使用安全可靠，其结构简单而实用，占地面积及维护效率都可以相应得到显著增强，而且测量精度较高。

Description

一种测颗粒物浓度的方法及应用该方法的装置

技术领域

本发明属于大气颗粒物浓度测量的技术领域，具体则涉及一种基于PIV测速方式来测颗粒物浓度的方法及应用该方法的装置。

背景技术

作为测定大气中微小颗粒状物质（Particulate Matter，以下简称PM）浓度的装置，其中有一类装置是将一定流量的大气作为试样气体连续地吸入采样管或大气导入管内，在设置于该采样管下游侧的收集区域用过滤带等的捕集装置连续地捕集前述试样气体中的PM，对所捕集的PM用β射线放射源（通常为C14放射源）照射β射线，由于C14放射源放射出的β射线照射到PM上时，β射线会被PM吸收从而导致β射线强度衰减，衰减后的β射线强度与PM相对密度呈对应关系，因此当C14放射源放射出的β射线能量恒定时，利用检测器检测透过PM的β射线强度，最终实现用β射线吸收方式测定捕集到的PM的浓度。

上述传统的基于β射线吸收法的可吸入颗粒物测量装置存在以下缺陷：其一，对β射线检测器的恢复时间要求比较高；其二，难以甚至不能控制β射线总辐射量对周围环境的影响，从而为周围技术人员及相关环境均产生不利隐患；其三，目前市场上的β射线法测算PM的检测设备，多只能针对PM2.5或PM10的其中一种实现自动测量，如若实现对于两者的同步同时测量，就必须另外安置一套专门的测算另一种PM浓度的测量机构，这往往导致其占地面积的过大化和维护操作的繁冗性，这都是在实际操作时应当尽量避免的；最重要的是，目前对于PM颗粒物浓度的测算方法过于单一，无非于上述几种。因此，如何寻求一种突破现有枷锁的，既能够确保环境安全，又可保证对于PM浓度的测量的宽范围和精确性的测量机构，乃为本领域技术人员所迫待解决的技术难题。

发明内容

本发明的首要目的在于提供一种基于PIV测速方式测颗粒物浓度的方法，该方法不但测算方便快捷，且计算精度均可得到有效保证。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种测颗粒物浓度的方法，其特征在于：包括以下步骤：

1）、任取颗粒采样机构在某一时刻通过PIV测量横截面的粒子图像，通过数字图像处理获取每个粒子的大小，形状以及体积，指定该地区气溶胶成分变换不大，干燥大气颗粒物物质密度不变，则通过以下公式计算出每种粒子的质量：

M_i=V_i·δ_i

其中：M_i为每种粒子的质量；

V_i为每个粒子的体积；

δ_i为干燥大气颗粒物物质密度。

2）、颗粒采样机构的流量是已知的，当测量时间一定时，通过以下公式计算得出总共采样的空气体积：

V=Q·T

其中：V为总共采样的空气体积；

Q为指定测量时间内的颗粒采样机构的流量；

T为测量时间。

3）、由上述每种粒子的质量以及总共采样的空气体积，就可以算出每个粒子的单位浓度：

δ=ΣM_i/V

δ也就是待测的PM颗粒物浓度。

上述方案的主要优点在于：突破了现有的传统技术枷锁，克服了如何以PIV检测单元测算出的粒子流速进而获取其浓度数值这一难题，另辟蹊径的依靠PIV类检测仪器本身可自行测算粒子流速的特点，在获取其流速并实际测算过程中，不仅能通过测算粒子速度而计算知道浓度，同时还能获取粒子数量，粒子大小及形状，从而可以根据粒子形状判断粒子来源，为PM的相关防治起到有利影响；该方法不但测算方便快捷，且计算精度均可得到有效保证。

本发明的另一个目的在于提供一种应用上述方法的装置，本装置使用安全可靠，其结构简单而使用，占地面积及维护效率都可以相应得到显著增强，而且测量精度较高。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种基于β射线和PIV法测颗粒物浓度的装置，本装置包括颗粒物采样机构、滤带传送机构、β射线放射机构以及β射线接收测量机构；所述颗粒物采样机构包括大气采样器以及气泵，所述气泵进气口与大气采样器出气口彼此顺延对接设置且滤带传送机构带体穿设于其对接面处布置；所述β射线放射机构包括β射线放射源；所述滤带传送机构包括滤带，滤带传送机构还包括用于承托滤带并使滤带在大气采样器出气口和β射线放射源放射出口之间往复移动的第一滤带轮和第二滤带轮，本装置还包括用于辅助测量颗粒物浓度的补偿机构，所述补偿机构包括厚度均匀连续变化的衰减控制部件，所述衰减控制部件紧靠在β射线放射源的放射出口端，所述补偿机构还包括驱动衰减控制部件动作以使得穿过衰减控制部件的β射线强度均匀连续变化的动力单元；本装置还包括布置于大气采样器出气口与滤带带面之间间隙处的用于测算已通过粒子流速的PIV单元，所述PIV单元的光路照射方向与待测粒子行进方向相交设置。

本发明的主要优点在于：

1）、本发明将衰减控制部件贴靠在β射线放射源射出口端，即相当于在β射线放射源的放射出口处设置了一个控制β射线放射强度的阀门，由于衰减控制部件的厚度均匀连续变化，而在均质材料中，在一定的厚度范围内，β射线强度的衰减量与入射射线强度和穿透物体的厚度成正比，因此若控制β射线的入射强度不变，则当衰减控制部件在动力单元的作用下动作时，β射线强度的衰减量也随之发生连续变化，从而穿过衰减控制部件的β射线强度也发生连续变化。

2）、本装置利用补偿机构降低了对盖革计数器死时间（第一次计数到下一次计数之间的时间间隔）的要求，从而降低了成本。通过控制β射线强度，减少了β射线放射源总辐射量对周围环境的影响；同时也降低了盖革计数器测量的动态范围，所以对PM浓度的测量范围广，测量精度较高。

3）、类似双通道的结构方式，可实现对于PM2.5及PM10浓度的同时在线监测和测量，其共用一个滤带的方式也保证了其整体结构的简化性，避免了传统的如若同时检测PM2.5及PM10浓度时必须采用两台仪器检测的缺陷，甚至可通过临时变换检测对象而对PM1、PM2.5以及PM10三者的任意两种颗粒物浓度进行在线测量；同时突破的传统技术枷锁，而另辟蹊径的通过PIV单元本身的结构特点，在实际测算过程中，不仅能依靠上述方法来通过测算粒子速度而计算知道浓度，同时还能相应获取粒子数量，粒子大小及形状，从而可以根据粒子形状判断粒子来源，为PM防治起到有利影响；其结构简单而使用，占地面积及维护效率都可以相应得到显著增强。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2为物质吸收β射线的原理示意图；

图3为某一时刻通过PIV单元测量其光路横截面的粒子图像；

图4为PIV测速技术的工作原理图。

具体实施方式

粒子图像测速技术（PIV）是一种瞬态流动平面二维流速场测试技术，其基本原理如图4所示，是选择具有良好流动跟随性和光散射性的微小示踪粒子播撒于流场中，然后用激光片光源(厚度约为1mm)把被测流场的某一测试平面照明，通过图像采集系统（如CDD相机等），分别记录下t1、t2时刻的流场粒子图像，经过数字图像处理，求出两次拍摄时间间隔内粒子的位移，即可算出速度场。然而，PIV技术时至今日虽然已经为较为成熟的粒子测速方式，但是对于应用于粒子浓度测算领域，尤其是应用于PM的颗粒物浓度测算中仍是没有先例的，关键就在于如何通过PIV检测单元测算出的粒子流速进而获取其浓度数值；本发明就采用了一种新的由PIV测速方法来简单获取PM颗粒物浓度的方式，其具体如下：

一种测颗粒物浓度的方法，包括以下步骤：

1）、任取颗粒采样机构在某一时刻通过PIV测量横截面的粒子图像，如图3所示，通过数字图像处理获取每个粒子的大小，形状以及体积，指定该地区气溶胶成分变换不大，干燥大气颗粒物物质密度不变，则通过以下公式计算出每种粒子的质量：

M_i=V_i·δ_i

其中：M_i为每种粒子的质量；

V_i为每个粒子的体积；

δ_i为干燥大气颗粒物物质密度。

2）、颗粒采样机构的流量是已知的，当测量时间一定时，通过以下公式计算得出总共采样的空气体积：

V=Q·T

其中：V为总共采样的空气体积；

Q为指定测量时间内的颗粒采样机构的流量；

T为测量时间。

3）、由上述每种粒子的质量M_i以及总的空气V，就可以算出每个粒子的单位浓度δ：

δ=ΣM_i/V

δ也就是待测的PM颗粒物浓度。

通过上述测算方式，突破了现有的传统技术枷锁，克服了如何以PIV检测单元测算出的粒子流速进而获取其浓度数值这一难题，通过现有仪器测算得出各基本参数，并另辟蹊径的依靠PIV类检测仪器本身可自行测算粒子流速的特点，在获取其流速并实际测算过程中，不仅能通过测算粒子速度而计算知道浓度，同时还能获取粒子数量，粒子大小及形状，从而可以根据粒子形状判断粒子来源，为PM的相关防治起到有利影响；该方法不但测算方便快捷，且计算精度均可得到有效保证。

由上述测算方法，显然的可以引申出对于PM颗粒物浓度测算的新的测算体系，如下所述的为本发明通过PIV技术和β射线法的混合测算模式，从而即可实现对于PM2.5及PM10浓度乃至PM1的同步在线测量，具体结构如下：

一种基于β射线和PIV法测颗粒物浓度的装置，本装置包括颗粒物采样机构、滤带传送机构、β射线放射机构以及β射线接收测量机构60；所述颗粒物采样机构包括大气采样器10以及气泵20，所述气泵20进气口与大气采样器10出气口彼此顺延对接设置且滤带传送机构带体穿设于其对接面处布置；所述β射线放射机构包括β射线放射源30；所述滤带传送机构包括滤带40，滤带传送机构还包括用于承托滤带40并使滤带40在大气采样器10出气口和β射线放射源30放射出口之间往复移动的第一滤带轮41和第二滤带轮42，本装置还包括用于辅助测量颗粒物浓度的补偿机构，所述补偿机构包括厚度均匀连续变化的衰减控制部件50，所述衰减控制部件50紧靠在β射线放射源30的放射出口端，所述补偿机构还包括驱动衰减控制部件50动作以使得穿过衰减控制部件50的β射线强度均匀连续变化的动力单元；本装置还包括布置于大气采样器10出气口与滤带40带面之间间隙处的用于测算已通过粒子流速的PIV单元60，所述PIV单元60的光路照射方向与待测粒子行进方向相交设置。

本发明具体结构如图1所示，这样，通过将衰减控制部件50贴靠在β射线放射源30放射出口端，即相当于在β射线放射源30的放射出口处设置了一个控制β射线放射强度的阀门，由于衰减控制部件50的厚度均匀连续变化，而在均质材料中，在一定的厚度范围内，β射线强度的衰减量与入射射线强度和穿透物体的厚度成正比；因此若控制β射线的入射强度不变，则当衰减控制部件50在动力单元的作用下动作时，β射线强度的衰减量也随之发生连续变化，从而穿过衰减控制部件的β射线强度也发生连续变化。此外，本装置通过动力单元以及可厚度均匀连续变化的衰减控制部件50的协同作用，从而起到了间接的控制β射线强度的作用，也就减少了β射线放射源30总辐射量对周围操作人员的影响，保证了环境安全，同时也降低了对盖革计数器死时间（第一次计数到下一次计数之间的时间间隔）的要求，从而降低了成本。通过控制β射线强度，减少了β射线放射源总辐射量对周围环境的影响；同时也降低了盖革计数器测量的动态范围，所以对PM浓度的测量范围广，测量精度较高。此外，依靠在大气采样器10出气口与滤带40带面之间间隙处，也即大气采样器10出气口的顺延段与滤带40的原始配合间隙处（或适当扩大该间隙而便于装置放入）设置PIV单元60，利用PIV（粒子图像测速技术）本身的瞬时无接触测量流场中一个截面上的速度分布的特性，采用与β射线补偿法共用的类似双通道的测量结构方式，即可实现对于PM2.5及PM10浓度的同时在线监测和测量，其共用一个滤带40的方式也保证了其整体结构的简化性，避免了传统的如若同时检测PM2.5及PM10浓度时必须采用两台仪器检测的缺陷，甚至可通过临时变换检测对象而对PM1、PM2.5以及PM10三者的任意两种颗粒物浓度进行在线测量；同时突破的传统技术枷锁，摒弃了传统测算PM颗粒物浓度比如采用如β射线法等基本方式，而另辟蹊径的通过PIV单元60本身的对于通过其流场粒子的高精度和高捕捉性，在实际测算过程中，不仅能通过测算其粒子速度而计算知道浓度，同时还能获取粒子数量，粒子大小及形状，从而可以根据粒子形状判断粒子来源，为PM2.5以及PM10的防治也起到更为有利的影响；其整体结构简单而实用，占地面积及维护效率都可以较之传统结构相应得到显著增强。

在实际计算时，由于受相机分辨率影响，PIV技术目前只能分辨出粒子直径在1um以上的空气粒子，也就是PM1以上的空气粒子。此处采用β射线来测量PM2.5以下的颗粒物浓度，这是目前通用做法；同时再通过先用PIV单元60测算和获取PM2.5-10之间的颗粒物浓度，结合采用用β射线所测量的PM2.5以下的颗粒物浓度，合起来后即为PM10以下的颗粒物浓度，也即最终同步获得PM2.5和PM10的两种区间范围的颗粒物浓度了，其彼此互为补偿，测算效果更佳。而对于PIV单元60的光路照射方向，此处优选为平行滤带40纸面方向布置，从而保证对于通过其流场的粒子的高效测算，以为其整体结构的有效稳定工作提供保证。

作为本发明的进一步优选方案，所述衰减控制部件50为金属制件；比如铝或者铜或者铁等常见的金属材质均可。当然，为确保其材质的均匀性和性能稳定性，亦可优选衰减控制部件50为耐腐蚀的不锈钢制件，不锈钢制件材料均匀，性能稳定且不易腐蚀，使用寿命较长，更能符合实际的生产加工以及使用需求；当然，实际选用时亦可采用其他类似特性材料，以实现能够导致β射线衰减功能为准。

进一步的，所述衰减控制部件50呈板状，且板状衰减控制部件50的与β射线放射源20的放射出口端相贴靠的一端为平面，与β射线放射源10的放射出口端相背离的一端为斜面；所述动力单元包括自上而下穿过衰减控制部件50、并与衰减控制部件50固定联接的轴部51，所述动力单元还包括驱动轴部51转动和/或平动的电机，其具体结构可参照图1-2所示。

对于衰减控制部件50的具体结构及操作模式，此处图示中给出两种实施结构，也即或采用电机M驱动轴部51转动，进而起到使衰减控制部件产生沿该轴部轴心的垂直β射线照射方向的垂直方向的转动动作，此时该轴部51也即形成了类似转轴结构；同样，此处亦可采用如图1所示的电机M驱动衰减控制部件沿β射线照射方向的垂直方向作往复直线动作，而所述衰减控制部件50外形呈楔形块状且该楔形块状衰减控制部件50的厚度变化为由其沿其动作方向渐厚或渐薄布置，从而依靠轴部51本身作为连接件的功用，最终起到连接电机与衰减控制部件50并最终实现β射线在其照射方向上的衰减目的。

更进一步的，所述衰减控制部件50的沿平行于轴部51轴线的平面上的投影为圆形，所述轴部51在圆形投影上的位置偏离该圆形的中心。换句话说，此处衰减控制部件50外形呈类似楔形板状的圆板部件，而轴部51则与衰减控制部件50整体形成偏心轮式结构，从而最终依靠轴部51的转动或平动而起到驱动衰减控制部件50产生厚薄变化的目的。

实际上，对于衰减控制部件50相对于β射线放射源10的动作关系，可视情况而定，而并不拘泥于采用前述的轴部51结构来实现衰减控制部件50的平动及转动操作；如采用楔形结构的衰减控制部件50，并使用如电磁伸缩或机械拖拉的方式以使衰减控制部件50产生直线方向上的往复动作，能实现衰减控制部件50的厚度在β射线放射源20照射路径上的厚度变化；而如采用热膨胀的方式，并使衰减控制部件50本身材质为热变形体，以通过加热升温或降温操作而使该衰减控制部件50产生感温后的厚度变化，同样也可实现前述的通过改变穿透的物体厚度而实现对于PM浓度的测量效果。

为便于读者理解，此处对于前述的穿透的物体厚度与PM浓度的数字对应及原理关系，作以下进一步说明：

此处考虑一束初始强度为I₀的单能电子束，当穿过厚度为d的物质时，强度减弱为I，其示意图见图3。

强度I随厚度d的增加而减小且服从指数规律，可表示为

可表示为

I＝I₀e^-μd       （1）

μ是该物质的线性吸收系数。

在本测量装置中，假设测试空白滤带时，强度为测试含有PM尘斑滤带时强度为通过补偿机构改变β射线穿过物体的厚度，使I₁＝I₂，即

$I_0{e}^{-{\mathrm{\μ}}_1{d}_1}=I_0{e}^{-({\mathrm{\μ}}_1{d}_2+{\mathrm{\μ}}_{m}M)}$

即： $-{\mathrm{\μ}}_1{d}_1=-({\mathrm{\μ}}_1{d}_2+{\mathrm{\μ}}_{m}M)$

则可以算出颗粒物浓度：

其中：μ₁为β射线对补偿机构衰减介质的线性吸收系数cm^-1

μ_m为β射线对尘斑的质量吸收系数cm²/g

d₁为测试空白滤带时补偿机构的厚度

d₂为测试含有PM尘斑时补偿机构的厚度

M为颗粒物的浓度，单位为g/cm²，根据滤带被探测面积和抽入空气的体积，可以换算成g/cm³，即单位体积空气中的颗粒物含量密度。

Claims (8)

1.一种测颗粒物浓度的方法，其特征在于：包括以下步骤： 

1)、任取颗粒采样机构在某一时刻通过PIV测量横截面的粒子图像，通过数字图像处理获取每个粒子的大小，形状以及体积，指定采样地区气溶胶成分变换不大，干燥大气颗粒物物质密度不变，则通过以下公式计算出每种粒子的质量： 

M_i＝V_i·δ_i

其中：M_i为每种粒子的质量； 

V_i为每个粒子的体积； 

δ_i为干燥大气颗粒物物质密度;

2)、颗粒采样机构的流量是已知的，当测量时间一定时，通过以下公式计算得出总共采样的空气体积： 

V＝Q·T 

其中：V为总共采样的空气体积； 

Q为指定测量时间内的颗粒采样机构的流量； 

T为测量时间。 

3)、由上述每种粒子的质量M_i以及总共采样的空气体积V，就可以算出每个粒子的单位浓度δ： 

δ＝ΣM_i/V 

δ也就是待测的PM颗粒物浓度。 

2.一种应用如权利要求1所述方法测颗粒物浓度的装置，包括颗粒物采样机构、滤带传送机构、β射线放射机构以及β射线接收测量机构；所述颗粒物采样机构包括大气采样器(10)以及气泵(20)，所述气泵(20)进气口与大气采样器(10)出气口彼此顺延对接设置且滤带传送机构带体穿设于其对接面处布置；所述β射线放射机构包括β射线放射源(30)；所述滤带传送机构包括滤带(40)，滤带传送机构还包括用于承托滤带(40)并使滤带(40)在大气采样器(10)出气口和β射线放射源(30)放射出口之间往复移动的第一滤带轮(41)和第二滤带轮(42)，其特征在于：本装置还包括用于辅助测量颗粒物 浓度的补偿机构，所述补偿机构包括厚度均匀连续变化的衰减控制部件(50)，所述衰减控制部件(50)紧靠在β射线放射源(30)的放射出口端，所述补偿机构还包括驱动衰减控制部件(50)动作以使得穿过衰减控制部件(50)的β射线强度均匀连续变化的动力单元； 

本装置还包括布置于大气采样器(10)出气口与滤带(40)带面之间间隙处的用于测算已通过粒子流速、大小及形状的PIV单元(60)，所述PIV单元(60)的光路照射方向与待测粒子行进方向相交设置。 

3.根据权利要求2所述的测颗粒物浓度的装置，其特征在于：所述PIV单元(60)的光路照射方向平行滤带(40)纸面方向布置。 

4.根据权利要求2或3所述的测颗粒物浓度的装置，其特征在于：所述衰减控制部件(50)为金属制件。 

5.根据权利要求4所述的测颗粒物浓度的装置，其特征在于：所述衰减控制部件(50)为耐腐蚀的不锈钢制件。 

6.根据权利要求2或3所述的测颗粒物浓度的装置，其特征在于：所述衰减控制部件(50)呈板状，且板状衰减控制部件(50)的与β射线放射源(30)的放射出口端相贴靠的一端为平面，与β射线放射源(30)的放射出口端相背离的一端为斜面。 

7.根据权利要求6所述的测颗粒物浓度的装置，其特征在于：所述动力单元包括自上而下穿过衰减控制部件(50)、并与衰减控制部件(50)固定联接的转轴(51)，所述动力单元还包括驱动转轴(51)转动和/或平动的电动机。 

8.根据权利要求6所述的测颗粒物浓度的装置，其特征在于：所述衰减控制部件(50)的沿平行于转轴(51)轴线的平面上的投影为圆形，所述转轴(51)在圆形投影上的位置偏离该圆形的中心。