CN107589054A - 一种基于β射线吸收的烟尘浓度检测机构、系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于β射线吸收的烟尘浓度检测机构、系统及方法，β射线采测一体机构使待测气体的采样和测试于同一机构内完成，简化了结构，加快了测试速度；本发明提供的一种基于β射线吸收的烟尘浓度检测系统，其使待测气体流经处的温度高于其内含的水蒸气的露点温度，可避免待测气体中水蒸气结露对烟尘检测精度的影响，通过设置温控模块、等速采样模块以及MCU处理器，能精确控制壳体内温度和确保采样流速和烟道内流速相等，极大提高了烟尘检测精度和速度，并将烟尘浓度显示于显示器上，MCU处理器可自动计算露点温度、流速和烟尘浓度，减少了人力投入。

Description

一种基于β射线吸收的烟尘浓度检测机构、系统及方法

技术领域

本发明涉及烟尘浓度检测领域，具体涉及一种基于β射线吸收的烟尘浓度检测机构、系统及方法。

背景技术

典型的烟尘包括燃煤锅炉排放的烟尘、钢铁企业的高炉烟尘、焦化企业的筛焦系统烟尘、烧结机的烟尘、石灰窑的烟尘和水泥工业烟尘等。烟尘对人体的危害表现在一是损伤粘膜、纤毛，引起炎症和增加气道阻力，持续不断的作用会导致慢性鼻咽炎或慢性气管炎；二是会在肺部沉积下来，还可直接进入血液到达人体各部位，此外其表面附着各种有害物质，一旦进入人体，会引发各种呼吸系统疾病。因此开展对烟尘浓度的直读检测，对于减小健康危害具有重要意义。

由于国内外的烟尘检测方法主要仍旧采用最可靠、最原始的称重法，其成本低、精度高，但滤膜采样前后需实验室烘干称重，人工换纸、取样和计算烟尘浓度，自动化程度低，不适合应用于直读检测，不能在现场得到烟尘浓度数据，就不能快速的为执法提供参考，也不能更好的保护排放场所的工作人员。现有技术中，提出了基于β射线吸收的烟尘浓度检测方法，利用抽气泵对待测气体进行恒流采样，经切割器分离后，待测气体中的颗粒物吸附在β射线源和盖革计数管(即GM接收器)之间的滤膜表面，采样前后盖革计数管计数值的变化反映了滤膜上吸附灰尘的质量，由此可以得到采样空气中烟尘颗粒物的质量浓度，该方法适用范围较广，能现场直读检测，人力投入小。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种基于β射线吸收的烟尘浓度检测机构、系统及方法，其检测精度高、速度快，能解决称重法检测烟尘浓度时自动化程度低，不适合现场直读检测的问题，填补了国内外烟尘浓度直读检测技术的空白。

为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第一个方面，本发明提供了一种β射线采测一体机构，包括由机构壳体围成的腔体和滤膜，所述滤膜设置在腔体内并将腔体分为进气腔和出气腔，在进气腔和出气腔对应的壳体上分别设置有进气孔和出气孔；在滤膜两侧对立设置β射线源和GM接收器，所述β射线源和GM接收器同轴线；所述β射线采测一体机构内工作的环境温度高于待测气体中水蒸气的露点温度。

在环境温度高于待测气体中水蒸气的露点温度时，待测气体中的水蒸气不会在β射线采测一体机构的内壁和滤膜上结露，不影响检测精度；待测气体从进气孔进入进气腔后，其含有的目标颗粒物被阻挡吸附在滤膜上，余下气体在外部负压作用下穿过滤膜进入出气腔并沿出气孔流出；在滤膜两侧对立设置β射线源和GM接收器，便于测试目标颗粒物吸附于滤膜前和后的β射线强度，并以此计算出待测气体中目标颗粒物的重量；该机构可完成待测气体中目标颗粒物的吸附和重量测试，吸附了颗粒物的滤膜不需要转移到其他机构进行烘干和测试，简化了结构，加快了测试速度，同时避免了尘样丢失的问题；为减小测量误差，β射线源和GM接收器可同轴线安装在该机构内。

为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第二个方面，本发明提供了一种基于β射线吸收的烟尘浓度检测系统，包括按待测气体流经顺序依次连接的采样枪、切割器、β射线采测一体机构和采样泵；还包括MCU处理器、显示器和加热元件；待测气体从切割器输出端流出后，从进气孔流入β射线采测一体机构，穿过滤膜后，从出气孔流出，待测气体中的颗粒物被阻挡吸附在滤膜上；所述加热元件使待测气体流经处的温度高于待测气体中的水蒸气的露点温度；所述MCU处理器分别与加热元件的控制端、采样泵的控制端和显示器连接，控制加热元件的开启、加热功率和关闭，控制采样泵的采样速度。

切割器对待测气体中大于目标颗粒的颗粒进行分离，目标颗粒从切割器排气口逃逸进入β射线采测一体机构；待测气体流经的采样枪、切割器、β射线采测一体机构和采样泵之间可通过气管连接；MCU处理器可选自带多路A/D输入接口、存储器、通用控制通讯接口和D/A转换输出接口等单元的器件；

因基于β射线吸收的烟尘浓度检测方法的精度易受待测气体中水蒸气在器壁和滤膜表面结露的影响，尤其待测气体是燃煤锅炉等排放的高温高湿气体时，影响更甚，为解决这个问题该检测系统中设置加热元件，可选为加热棒或电热膜等电控元件，使待测气体流经处的温度高于待测气体中的水蒸气的露点温度；为实现该目的，可有两种实现方式：方式一，加热元件分散布置或缠绕在采样枪、切割器、β射线采测一体机构以及其相互连接的连接部分上，连接部分可为气管，使待测气体从采样嘴到进入采样泵前的环境温度高于待测气体中的水蒸气的露点温度；方式二，在该烟尘浓度检测系统中设置一个壳体，壳体为导热性能良好的材质制成，将待测气体流经处的各机构和器件，如切割器和β射线采测一体机构等放置于壳体内，加热元件设置在壳体内或壳体上，通过热传导的方式，使壳体内的温度高于待测气体中的水蒸气的露点温度。

MCU处理器与加热元件的控制端连接，当测试开始时，开启加热元件进行加热，控制加热元件的加热功率进行壳体内温度迅速上升和稳定保持，当测试结束后，关闭加热元件；MCU处理器与采样泵的控制端连接，可控制采样泵的采样速度，实现对待测气体的等速采样，提高烟尘浓度检测的精度；MCU控制器与显示器连接，可将检测得到的烟尘浓度显示于显示器上，实现直读检测。

该烟尘浓度检测系统避免了待测气体中水蒸气结露的影响，无需烘干附着有颗粒物的滤膜，提高了烟尘浓度检测精度和速度；MCU处理器与β射线采测一体机构中的β射线源的控制端、GM接收器的控制端和GM接收器的信号输出端连接，能自动计算烟尘浓度，并将烟尘浓度显示于显示器上，实现直读检测，减少了人力投入。

为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第三个方面，提供了一种基于β射线吸收的烟尘浓度检测方法，包括如下步骤：

第一步：测量β射线穿过空白滤膜后的强度I₀；

MCU处理器控制β射线源和GM接收器测试滤膜吸附颗粒物前的β射线强度I₀，并将该值记录在自带的存储器中；

第二步：获取烟道内待测气体的湿度和温度，并据此控制待测气体流经处的环境温度，使待测气体中水蒸气不结露；

为了准确获得烟道内待测气体的湿度和温度，可将温度传感器和湿度传感器设置在采样枪处，由MCU处理器采集温度和湿度信息并计算出待测气体中水蒸气的露点温度t_d：

其中U为相对湿度，t为待测气体温度；据经验，待测气体流经处的温度比露点温度高5至10℃时，不结露效果较好；

为实现待测气体流经处的环境温度均高于露点温度，使水蒸气不结露，可在系统中设置加热元件，通过热传导方式使待测气体流经处的温度高于其内含的水蒸气的露点温度；为了准确获知待测气体流经处的温度和确保该温度高于露点温度，可在待测气体流经处设置温度传感器，数量为一个或一个以上，MCU处理器从温度传感器采集信息后，当低于露点温度时增加加热元件的加热功率，当高于露点温度时降低加热元件的加热功率；

第三步：获取烟道内排放气体流速并选择适用尺寸的采样嘴安装在采样枪上，控制采样泵的采样速度，使采样枪内待测气体流速与烟道内排放气体流速相等；同时对采样枪内待测气体的流量进行时间累积，获得待测气体体积；

根据目标颗粒的直径大小和实际应用场景，选择合适的切割器，当切割器选定后，其分离流量是固定的；由于烟尘的风速范围是5m/s～30m/s，需根据烟尘的实际流速，即烟道内排放气体流速，手动安装合适口径的采样嘴；可在采样枪平行位置处设置皮托管烟尘浓度测试机构，并将其输出端连接一个压差传感器，MCU处理器依据该压差传感器和采样枪处的湿度和温度信息，计算出烟道内的排放流速v_i，并根据v_i在采样枪上手动安装合适口径的采样嘴；可在β射线采测一体机构后连接一个孔板采样流速测试机构，在孔板采样流速测试机构的测试端连接另一压差传感器，由MCU处理器计算出孔板采样流速测试机构内的流量，即采样枪内实时采样流量，并根据采样嘴的尺寸换算得到实时的采样嘴的流速v_j，若v_i和v_j不相等，MCU处理器控制调节采样泵采样速度，直到v_i和v_j相等；另一方面，MCU处理器对采样枪内实时采样流量做时间积累，得到采样枪采集的待测气体体积V；

第四步：采用切割器对待测气体中的颗粒物进行分离；

可采用旋风切割器将待测气体中的目标颗粒，如PM10或PM2.5分离出来，目标颗粒随着待测气体从切割器的排气口逃逸并流入β射线采测一体机构被采样和测试；

第五步：让待测气体通过β射线采测一体机构，测量β射线穿过吸附有目标颗粒物的滤膜后的强度I₁；

待测气体从切割器的排气口流出且流入β射线采测一体机构后，其含有的目标颗粒被吸附附着在滤膜上，其余气体从β射线采测一体机构流出，MCU处理器控制β射线仪和GM接收器3测试滤膜吸附颗粒物后的β射线强度I₁，并将该值记录在自带存储器中；因β射线采测一体机构内工作的环境温度高于待测气体中水蒸气的露点温度，因此可避免水蒸气结露对检测精度的影响，同时无需等到滤膜烘干后测试β射线穿过附着目标颗粒物的滤膜后的强度，避免了因转移滤膜引入的尘样丢失问题，加快了测试速度；

第六步：根据I₀、I₁及采样枪采集的待测气体体积V计算待测气体中目标颗粒的浓度，获得烟尘浓度并在显示器上显示。

依据β射线吸收原理，一束β射线通过吸收物质时，其强度随吸收层厚度增加而逐渐衰弱，且服从指数衰减规律，即I₀和I₁满足如下公式关系：

其中，μ_m是质量吸收系数，t_m是滤膜上吸附的颗粒物的质量厚度,从上式推导得到：

因此得到待测气体的目标颗粒物质量浓度，即烟尘质量浓度为：

A为滤膜的有效面积，V为采样枪采集的待测气体体积；

将烟尘质量浓度显示于显示器上，实现对烟尘浓度的直读检测。

本发明一种基于β射线吸收的烟尘浓度检测机构、系统及方法的有益技术效果是：

本发明公开了一种基于β射线吸收的烟尘浓度检测机构、系统及方法，β射线采测一体机构使待测气体的采样和测试于同一机构内完成，简化了结构，加快了测试速度；本发明提供的一种基于β射线吸收的烟尘浓度检测系统，其使待测气体流经处的温度高于其内含的水蒸气的露点温度，可避免待测气体中水蒸气结露对烟尘检测精度的影响，通过设置温控模块、等速采样模块以及MCU处理器，能精确控制壳体内温度和确保采样流速和烟道内流速相等，极大提高了烟尘检测精度和速度，MCU处理器可自动计算露点温度、流速和烟尘浓度，并将烟尘浓度显示于显示器上，能现场直读检测，减少了人力投入。

附图说明

图1是本发明一个优选实施方式中β射线采测一体机构的结构示意图；

图2是本发明一个优选实施方式中基于β射线吸收的烟尘浓度检测系统结构示意图；

图3是本发明一个优选实施方式中基于β射线吸收的烟尘浓度检测系统结构A-A向局部剖视图；

图4是本发明一个优选实施方式中基于β射线吸收的烟尘浓度检测系统控制系统框图；

图5是本发明一个优选实施方式中孔板采样流速测试机构的结构示意图；

附图标记：

1β射线采测一体机构；101进气腔；102出气腔；103滤膜；104进气孔；105出气孔；106腔体；2β射线源；3 GM接收器；4采样枪；401采样嘴；5切割器；6采样泵；7 MCU处理器；8壳体；9加热元件；10温控模块；1001第一温度传感器；1002湿度传感器；1003温度传感器；11保温材料；12等速采样模块；1201皮托管烟尘浓度测试机构；1202第一压差传感器；1203孔板采样流速测试机构；1204第二压差传感器；13冷凝器；14干燥装置；15套管；16显示器；100轴体；200输入孔；300节流孔；400输出孔；500测试孔。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本发明提供了一种β射线采测一体机构1，结构示意图如图1所示，其包括由机构壳体围成的腔体106和滤膜103，滤膜103设置在腔体106内并将腔体106分为进气腔101和出气腔102，在进气腔101和出气腔102对应的壳体上分别设置有进气孔104和出气孔105；在滤膜103两侧对立设置β射线源2和GM接收器3，β射线源2和GM接收器3同轴线；β射线采测一体机构1内工作的环境温度高于待测气体中水蒸气的露点温度。

在本实施方式中，在环境温度高于待测气体中水蒸气的露点温度时，待测气体中的水蒸气不会在β射线采测一体机构1的内壁和滤膜103上结露，不影响检测精度；待测气体从进气孔104进入进气腔101后，其含有的目标颗粒物被阻挡吸附在滤膜103上，余下气体在外部负压作用下穿过滤膜103进入出气腔102并沿出气孔105流出；在滤膜103两侧对立设置β射线源2和GM接收器3，便于测试目标颗粒物吸附于滤膜103前和后的β射线强度，并以此计算出待测气体中目标颗粒物的重量；该机构可完成待测气体中目标颗粒物的吸附和重量测试，吸附了颗粒物的滤膜103不需要转移到其他机构进行烘干和测试，简化了结构，加快了测试速度，同时避免了尘样丢失的问题；为减小测量误差，β射线源2和GM接收器3可同轴线安装在该机构内。

如图2和4所示，本发明提供了一种基于β射线吸收的烟尘浓度检测系统，包括按待测气体流经顺序依次连接的采样枪4、切割器5、β射线采测一体机构1和采样泵6；还包括壳体8、MCU处理器7、显示器16和加热元件9；待测气体从切割器5输出端流出后，从进气孔104流入β射线采测一体机构1，穿过滤膜103后，从出气孔105流出，待测气体中的颗粒物被阻挡吸附在滤膜103上；加热元件9使待测气体流经处的温度高于待测气体中的水蒸气的露点温度；MCU处理器7分别与加热元件9的控制端、采样泵6的控制端和显示器16连接，控制加热元件9的开启、加热功率和关闭，控制采样泵6的采样速度。

在本实施方式中，切割器5对待测气体中大于目标颗粒的颗粒进行分离，目标颗粒从切割器5排气口逃逸进入β射线采测一体机构1；待测气体流经的采样枪4、切割器5、β射线采测一体机构1和采样泵6之间可通过气管连接；MCU处理器7可选自带多路A/D输入接口、存储器、通用控制通讯接口和D/A转换输出接口等单元的器件。

在本实施方式中，因基于β射线吸收的烟尘浓度检测方法的精度易受待测气体中水蒸气在器壁和滤膜103表面结露的影响，尤其待测气体是燃煤锅炉等排放的高温高湿气体时，影响更甚，为解决这个问题该检测系统中设置加热元件9，可选为加热棒或电热膜等电控元件，使待测气体流经处的温度高于待测气体中的水蒸气的露点温度；为实现该目的，可有两种实现方式：方式一，加热元件9分散布置或缠绕在采样枪4、切割器5、β射线采测一体机构1以及其相互连接的连接部分上，连接部分可为气管，使待测气体从采样嘴到进入采样泵前的环境温度高于待测气体中的水蒸气的露点温度；方式二，如图2所示，在该烟尘浓度检测系统中设置一个壳体8，壳体8为导热性能良好的材质制成，将待测气体流经处的各机构和器件，如切割器5和β射线采测一体机构1等放置于壳体5内，加热元件9设置在壳体8内或壳体8上，通过热传导的方式，使壳体8内的温度高于待测气体中的水蒸气的露点温度。

在本实施方式中，MCU处理器7与加热元件9的控制端连接，当测试开始时，开启加热元件9进行加热，控制加热元件9的加热功率进行壳体8内温度迅速上升和稳定保持，当测试结束后，关闭加热元件9；MCU处理器7与采样泵6的控制端连接，可控制采样泵6的采样速度，实现对待测气体的等速采样，提高烟尘浓度检测的精度；MCU控制器7与显示器16连接，将检测得到的烟尘浓度显示于显示器16上，实现直读检测。

在本实施方式中，该烟尘浓度检测系统避免了待测气体中水蒸气结露的影响，无需烘干附着有颗粒物的滤膜103，提高了烟尘浓度检测精度和速度；MCU处理器7与β射线采测一体机构1中的β射线源2的控制端、GM接收器3的控制端和GM接收器3的信号输出端连接，能自动计算烟尘浓度，并将烟尘浓度显示于显示器16上，实现直读检测，减少了人力投入。

在一种优选实施方式中，该系统还包括温控模块10，该模块包括第一温度传感器1001、湿度传感器1002和设置在待测气体流经处的一个或一个以上的温度传感器1003；第一温度传感器1001和湿度传感器1002设置在采样枪4处，用于测试烟道内排放气体的温度和湿度；温度传感器1003用于探测待测气体流经处的温度；MCU处理器7分别与第一温度传感器1001、湿度传感器1002和温度传感器1003连接，根据烟道内排放气体的温度和湿度，计算待测气体中水蒸气的露点温度，基于待测气体流经处的实际温度，控制加热元件9的加热功率，使待测气体流经处的温度在露点温度以上。

在本实施方式中，为使第一温度传感器1001和湿度传感器1002测试的烟道内排放气体的温度和湿度可近似为采样枪4采样点处的待测气体的温度和湿度，将上述两个传感器设置在采样枪4处，并且尽可能的靠近；MCU处理器7获取温度和湿度信息后，按照如下公式计算出待测气体中水蒸气的露点温度t_d：

其中U为相对湿度，t为待测气体温度；据经验值，待测气体流经处的温度比露点温度高5至10℃时，不结露效果较好；当待测气体流经处的实际温度低于露点温度时，MCU处理器7控制加热元件9增加加热功率，当待测气体流经处的实际温度高于露点温度时，控制减小加热元件9的加热功率或关闭加热元件9。

在本实施方式中，温度传感器1003分散布置，可布置在待测气体流经处各器件或者机构处，以及其相互连接的连接部分处。

在一种优选实施方式中，该系统还包括保温材料11，为减少热量损失，可在采样枪4、切割器5、β射线采测一体机构1以及其相互连接的连接部分之中的部分或者全部位置的外部包裹一层保温材料11，保温材料11可选用陶瓷纤维布。

在一种优选实施方式中，加热元件9由若干个加热单元组成，单个加热单元的控制端与MCU处理器7连接。根据系统结构的复杂程度，为使待测气体流经处的温度均匀和升温迅速，以及便于安装，加热元件9由若干个加热单元组成，加热单元的数量为一个或一个以上，分别安装在需要处，如采样枪4、切割器5、β射线采测一体机构1以及其相互连接的皮管处；MCU处理器7与单个加热单元的控制端连接，控制单个加热单元的开启、加热功率和关闭；加热元件9可选用电热膜或电热棒等。

在一种优选实施方式中，烟尘浓度检测系统还包括等速采样模块12，该模块包括皮托管烟尘浓度测试机构1201、第一压差传感器1202、孔板采样流速测试机构1203和第二压差传感器1204，皮托管烟尘浓度测试机构1201的输入端与采样枪4的输入端平行，输出端与第一压差传感器1202连接；孔板采样流速测试机构1203输入端与β射线采测一体机构1的出气孔105连接，测试端与第二压差传感器1204连接，输出端与采样泵6的输入端连接，测试采样枪4内待测气体的流速；MCU处理器7与第一压差传感器1202和第二压差传感器1204连接。

在本实施方式中，因采样枪4内气体流速大于或小于采样点处烟道内气体速度都将使采样结果与实际情况产生偏差，影响烟尘浓度检测精度；与采样枪4平行设置的皮托管烟尘浓度测试机构1201用于测试烟道内采样点处排放气体的流速，可采用S型皮托管，其输出端与第一压差传感器1202连接，MCU处理器7通过第一压差传感器1202、第一温度传感器1001和湿度传感器1002采集的信息，计算出烟道内气体流速，并根据该流速在采样枪4上手动安装合适口径的采样嘴401；为了准确测量采样枪4内气体流速，排除温度差对流速测量的干扰，孔板采样流速测试机构1203放置于壳体8内；MCU处理器7通过第二压差传感器1204采集的信息，计算出采样枪4内待测气体的流速，当其与烟道内气体流速不等时，MCU处理器7控制采样泵6调整采样速度，两个流速相等，以提高烟尘浓度的检测精度。

在本实施方式中，皮托管烟尘浓度测试机构1201与第一压差传感器1202的连接方式可为皮管连接；孔板采样流速测试机构1203分别与β射线采测一体机构1、第二压差传感器1204和采样泵6的连接方式可为皮管连接。

在一种优选实施方式中，如图5所示，孔板采样流速测试机构1203包括轴体100和贯穿轴体沿轴向依次开设的输入孔200、节流孔300和输出孔400，输入孔200和输出孔400的孔径相等且大于节流孔300的孔径，在轴体100上输入孔200处和输出孔400处沿径向分别开设测试孔500。在本实施方式中，孔板采样流速测试机构1203为一体结构，结构简单，并且便于与β射线采测一体机构1连接。

在一种优选实施方式中，该烟尘浓度系统还包括冷凝器13和干燥装置14，在待测气体流入采样泵6前依次通过冷凝器13和干燥装置14，过滤待测气体内含的水蒸气，以免损坏采样泵6。

在一种优选实施方式中，如附图3所示，采样枪4、皮托管烟尘浓度测试机构1201、第一温度传感器1001、湿度传感器1002套设于套管15内，以便皮托管烟尘浓度测试机构1201、第一温度传感器1001和湿度传感器1002的测试点与采样枪4的采样点近似为一个点；在套管15处设置有加热元件9，使待测气体中的水蒸气不结露，若加热元件9为电热膜，可缠绕在套管15外，若加热元件9为加热管，可捆绑在套外15上。

本发明还提供了一种基于β射线吸收的烟尘浓度检测方法，包括如下步骤：

第一步：测量β射线穿过空白滤膜后的强度I₀；

MCU处理器控制β射线源和GM接收器测试滤膜吸附颗粒物前的β射线强度I₀，并将该值记录在自带的存储器中；

第二步：获取烟道内待测气体的湿度和温度，并据此控制待测气体流经处的环境温度，使待测气体中水蒸气不结露；

为了准确获得烟道内待测气体的湿度和温度，可将温度传感器和湿度传感器设置在采样枪处，由MCU处理器采集温度和湿度信息并计算出待测气体中水蒸气的露点温度t_d：

其中U为相对湿度，t为待测气体温度；据经验值，待测气体流经处的温度比露点温度高5至10℃时，不结露效果较好；

为实现待测气体流经处的环境温度均高于露点温度，使水蒸气不结露，可在系统中设置加热元件，通过热传导方式使待测气体流经处的温度高于其内含的水蒸气的露点温度；为了准确获知待测气体流经处的温度和确保该温度高于露点温度，可在待测气体流经处设置温度传感器，数量为一个或一个以上，MCU处理器从温度传感器采集信息后，当低于露点温度时增加加热元件的加热功率，当高于露点温度时降低加热元件的加热功率；

第三步：获取烟道内排放气体流速并选择适用尺寸的采样嘴安装在采样枪上，控制采样泵的采样速度，使采样枪内待测气体流速与烟道内排放气体流速相等；同时对采样枪内待测气体的流量进行时间累积，获得待测气体体积；

根据目标颗粒的直径大小和实际应用场景，选择合适的切割器，当切割器选定后，其分离流量是固定的；由于烟尘的风速范围是5m/s～30m/s，需根据烟尘的实际流速，即烟道内排放气体流速，手动安装合适口径的采样嘴；可在采样枪平行位置处设置皮托管烟尘浓度测试机构，并将其输出端连接一个压差传感器，MCU处理器依据该压差传感器和采样枪处的湿度和温度信息，计算出烟道内的排放流速v_i，并根据v_i在采样枪上手动安装合适口径的采样嘴；可在β射线采测一体机构后连接一个孔板采样流速测试机构，在孔板采样流速测试机构的测试端连接另一压差传感器，由MCU处理器计算出孔板采样流速测试机构内的流量，即采样枪内实时采样流量，并根据采样嘴的尺寸换算得到实时的采样嘴的流速v_j，若v_i和v_j不相等，MCU处理器控制调节采样泵的采样速度，直到v_i和v_j相等；另一方面，MCU处理器对采样枪内实时采样流量做时间积累，得到采样枪采集的待测气体体积V；

第四步：采用切割器对待测气体中的颗粒物进行分离；

可采用旋风切割器将待测气体中的目标颗粒，如PM10或PM2.5分离出来，目标颗粒随着待测气体从切割器的排气口逃逸并流入β射线采测一体机构被采样和测试；

第五步：让待测气体通过β射线采测一体机构，测量β射线穿过吸附有目标颗粒物的滤膜后的强度I₁；

待测气体从切割器的排气口流出且流入β射线采测一体机构后，其含有的目标颗粒被吸附附着在滤膜上，其余气体从β射线采测一体机构流出，MCU处理器控制β射线仪和GM接收器3测试滤膜吸附颗粒物后的β射线强度I₁，并将该值记录在自带存储器中；因β射线采测一体机构所处环境的环境温度高于待测气体中水蒸气的露点温度，因此可避免水蒸气结露对检测精度的影响，同时无需等到滤膜烘干后测试β射线穿过附着目标颗粒物的滤膜后的强度，避免了因转移滤膜引入的尘样丢失问题，加快了测试速度；

第六步：根据I₀、I₁及采样枪采集的待测气体体积V计算待测气体中目标颗粒的浓度，获得烟尘浓度并在显示器上显示。

依据β射线吸收原理，一束β射线通过吸收物质时，其强度随吸收层厚度增加而逐渐衰弱，且服从指数衰减规律，即I₀和I₁满足如下公式关系：

其中，μ_m是质量吸收系数，t_m是滤膜上吸附的颗粒物的质量厚度,从上式推导得到：

因此得到待测气体的目标颗粒物质量浓度，即烟尘质量浓度为：

A为滤膜的有效面积，V为采样枪采集的待测气体体积；

将烟尘质量浓度显示于显示器上，实现对烟尘浓度的直读检测。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、机构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、机构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种β射线采测一体机构(1)，其特征在于，包括由机构壳体围成的腔体(106)和滤膜(103)，所述滤膜(103)设置在腔体(106)内并将腔体(106)分为进气腔(101)和出气腔(102)，在进气腔(101)和出气腔(102)对应的壳体上分别设置有进气孔(104)和出气孔(105)；在滤膜(103)两侧对立设置β射线源(2)和GM接收器(3)，所述β射线源(2)和GM接收器(3)同轴线；所述β射线采测一体机构(1)内工作的环境温度高于待测气体中水蒸气的露点温度。

2.一种利用权利要求1所述β射线采测一体机构的烟尘浓度检测系统，其特征在于，包括按待测气体流经顺序依次连接的采样枪(4)、切割器(5)、β射线采测一体机构(1)和采样泵(6)；还包括MCU处理器(7)、显示器(16)和加热元件(9)；

待测气体从切割器(5)输出端流出后，从进气孔(104)流入β射线采测一体机构(1)，穿过滤膜(103)后，从出气孔(105)流出，待测气体中的颗粒物被阻挡吸附在滤膜(103)上；所述加热元件(9)使待测气体流经处的温度高于待测气体中的水蒸气的露点温度；所述MCU处理器(7)分别与加热元件(9)的控制端、采样泵(6)的控制端和显示器(16)连接，控制加热元件(9)的开启、加热功率和关闭，控制采样泵(6)的采样速度。

3.如权利要求2所述的烟尘浓度检测系统，其特征在于，还包括温控模块(10)，所述温控模块(10)包括第一温度传感器(1001)、湿度传感器(1002)和设置在待测气体流经处的一个或一个以上的温度传感器(1003)，所述第一温度传感器(1001)和湿度传感器(1002)均设置在采样枪(4)处，用于测试烟道内排放气体的温度和湿度；所述温度传感器(1003)用于探测待测气体流经处的温度；所述MCU处理器(7)分别与第一温度传感器(1001)、湿度传感器(1002)和温度传感器(1003)连接，根据烟道内排放气体的温度和湿度，计算待测气体中水蒸气的露点温度，基于待测气体流经处的实际温度，控制加热元件(9)的加热功率，使待测气体流经处的温度在所述露点温度以上。

4.如权利要求2所述的烟尘浓度检测系统，其特征在于，还包括保温材料(11)，所述保温材料(11)包裹在采样枪(4)、切割器(5)、β射线采测一体机构(1)以及其相互连接的连接部分之中的部分或者全部位置的外部。

5.如权利要求2所述的烟尘浓度检测系统，其特征在于，所述加热元件(9)由若干个加热单元组成，单个加热单元的控制端与MCU处理器(7)连接。

6.如权利要求2所述的烟尘浓度检测系统，其特征在于，还包括等速采样模块(12)，所述等速采样模块(12)包括皮托管烟尘浓度测试机构(1201)、第一压差传感器(1202)、孔板采样流速测试机构(1203)和第二压差传感器(1204)，所述皮托管烟尘浓度测试机构(1201)的输入端与采样枪(4)的输入端平行，输出端与第一压差传感器(1202)连接；所述孔板采样流速测试机构(1203)输入端与β射线采测一体机构(1)的出气孔(105)连接，测试端与第二压差传感器(1204)连接，输出端与采样泵(6)的输入端连接，测试采样枪(4)内待测气体的流速；所述MCU处理器(7)分别与第一压差传感器(1202)和第二压差传感器(1204)连接。

7.如权利要求6所述的烟尘浓度检测系统，其特征在于，所述孔板采样流速测试机构(1203)包括轴体(100)和贯穿轴体沿轴向依次开设的输入孔(200)、节流孔(300)和输出孔(400)，所述输入孔(200)和输出孔(400)的孔径相等且大于节流孔(300)的孔径，在轴体(100)上输入孔(200)处和输出孔(400)处沿径向分别开设测试孔(500)。

8.如权利要求2所述的烟尘浓度检测系统，其特征在于，还包括冷凝器(13)和干燥装置(14)，在待测气体流入采样泵(6)前依次通过冷凝器(13)和干燥装置(14)，过滤待测气体内含的水蒸气。

9.如权利要求2所述的烟尘浓度检测系统，其特征在于，所述采样枪(4)、皮托管烟尘浓度测试机构(1201)、第一温度传感器(1001)和湿度传感器(1002)套设于套管(15)内，在套管(15)处设置有加热元件(9)，使待测气体中的水蒸气不结露。

10.一种基于β射线的烟尘浓度检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步：测量β射线穿过空白滤膜后的强度I₀；

第二步：获取烟道内待测气体的湿度和温度，并据此控制待测气体流经处的环境温度，使待测气体中水蒸气不结露；

第三步：获取烟道内排放气体流速并选择适用尺寸的采样嘴安装在采样枪上，控制采样泵的采样速度，使采样枪内待测气体流速与烟道内排放气体流速相等；同时对采样枪内待测气体的流量进行时间累积，获得待测气体体积；

第四步：采用切割器对待测气体中的颗粒物进行分离；

第五步：让待测气体通过β射线采测一体机构，测量β射线穿过吸附有目标颗粒物的滤膜后的强度I₁；

第六步：根据I₀、I₁及采样枪内待测气体体积计算待测气体中目标颗粒颗的浓度，获得烟尘浓度并在显示器上显示。