CN107884322A - 一种消除颗粒物的化学组分影响的动态校准方法及监测仪 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种消除颗粒物的化学组分影响的动态校准方法及监测仪，其方法包括：采集环境参数和被测量颗粒物的质量浓度值；建立转换模型；根据测量环境确定转换系数，所述转换系数包括化学组分、温度和湿度对质量浓度影响的转换系数；通过所述转换模型对所述质量浓度值进行动态校准，获取校准后的质量浓度；本发明通过在转换模型可以针对不同环境化学组分、温湿度变化对颗粒物转换测量的影响实现动态校准，有效的解决颗粒物传感器在受环境化学组分和温湿度影响的情况下，测量出的空气中的颗粒物质量浓度不准确的问题，本发明能够克服化学组分和温湿度所带来的影响，提高测量的适应性和准确度。
Description
技术领域
本发明涉及环境检测领域，尤其涉及一种消除颗粒物的化学组分影响的动态校准方法及监测仪。
背景技术
随着工业化进程脚步的加快，空气污染已经成为我国必须要面对的严峻问题，其中颗粒物在环境空气中持续的时间很长，对人体健康和大气能见度影响都很大。一些颗粒物来自污染源的直接排放，比如烟囱与车辆。另一些则是由环境空气中硫氧化物、氮氧化物、挥发性有机化合物及其它化合物互相作用形成的细小颗粒物，它们的化学和物理组成依地点、气候、一年中的季节不同而变化很大。
随着技术的发展，颗粒物监测方法也越来越多，有光电转换法、β射线法、压电晶体法过滤称重法等方法，然而这些方法都需要解决好温湿度的影响，特别在室外使用时。颗粒物在温度或湿度改变的情况下，会因颗粒物失水或吸水而导致颗粒物的大小发生变化，导致监测仪测量过程中出现较大的偏差，然而，在监测仪进气前端增加加热除湿装置来消除温湿度影响，具有成本高，功耗大、控制要求高等缺点。目前，行业标准通过将光散射式颗粒检测仪测量值，CPM(计数/分)转换为质量浓度值，但是只适用于一般公共场所，质量浓度转换系数值通过多个有效样品进行平均得来，而这些采样地点是一些特定的室内环境场所得到的，这显然是不足的，室内室外的空气环境中，空气的化学组分(包括大量的矿质氧化物、可溶性硫酸盐、硝酸盐、有机酸等)具有很大的差异，对颗粒物质量和体积大小造成的影响也不一样，而按照几种特定的温湿度测量环境来计算，必然会造成误差，因此，需要一种新的技术手段，能够克服化学组分、温湿度所带来的影响，提高测量的适应性和准确度。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明提供一种消除颗粒物的化学组分影响的动态校准方法及监测仪，以解决上述技术问题。
本发明提供的消除颗粒物的化学组分影响的动态校准方法：
采集环境参数和被测量颗粒物的质量浓度值；
建立转换模型；
根据测量环境确定转换系数，所述转换系数包括化学组分、温度和湿度对质量浓度影响的转换系数；
通过所述转换模型对所述质量浓度值进行动态校准，获取校准后的质量浓度。
进一步，所述转换模型为：
Mc＝Kx*Cx+KT*T+KRH*RH+B
Mx＝Kenv*Mc
其中，
Cx为采集的被测量颗粒物的质量浓度值；
Kx为测量环境下对Cx质量浓度影响的修正系数；
KT为在测量环境下温度对Cx质量浓度影响的温度转换系数；
KRH为在测量环境下湿度对Cx质量浓度影响的湿度转换系数；
Mc为在测量环境下温湿度对测量过程影响补偿后的目标质量浓度
Kenv为测量环境下化学组分对测量过程影响的环境转换系数；
Mx为在测量环境下化学组分对Mc补偿后的目标质量浓度
T为测量环境下的温度值，单位℃；
RH为测量环境下的相对湿度值；
B为在测量环境下光散射颗粒物监测仪对温湿度影响的基底值。
进一步，测量待测环境的温度值和相对湿度值，通过三参数回归法获取测量环境下对Cx质量浓度影响的转换修正系数、温度对Cx质量浓度影响的温度转换系数、湿度对Cx质量浓度影响的湿度转换系数以及测量环境下光散射颗粒物监测仪对温湿度影响的基底值，通过单参数回归法获取测量环境下化学组分对测量过程影响的环境转换系数，根据转换系数获取校准后的质量浓度。
进一步，预先在待测测量环境中进行长时间采样测量，实时记录测量的质量浓度Cx、实时温度以及实时相对湿度，根据记录数据通过转换模型Mc＝Kx*Cx+KT*T+KRH*RH+B进行拟合回归，获取待测测量环境下对Cx质量浓度影响的修正系数、温度对Cx质量浓度影响的温度转换系数、湿度对Cx质量浓度影响的湿度转换系数以及光散射监测仪对温湿度影响的基底值；
在被测化学组分环境中，根据多次实时记录的测量质量浓度Mc和标准质量浓度Mx，通过Mx＝Kenv*Mc+B转换关系进行拟合回归，获取测量环境下化学组分对测量过程影响的环境转换系数。
本发明还提供一种消除颗粒物的化学组分影响的动态校准监测仪，包括：
采集单元，用于采集环境参数和颗粒物感应信号，所述环境参数包括被测环境的温度和湿度；
处理单元，用于对采集的数据进行处理，并建立转换模型；
中央运算控制单元，用于计算被测量颗粒物的质量浓度值；
动态校准单元，用于根据测量环境确定转换系数，通过所述转换模型对所述质量浓度值进行动态校准，获取校准后的质量浓度，所述转换系数包括化学组分、温度和湿度对质量浓度影响的转换系数。
进一步，所述转换模型为：
Mc＝Kx*Cx+KT*T+KRH*RH+B
Mx＝Kenv*Mc
其中，
Cx为采集的被测量颗粒物的质量浓度值；
Kx为测量环境下对Cx质量浓度影响的修正系数；
KT为在测量环境下温度对Cx质量浓度影响的温度转换系数；
KRH为在测量环境下湿度对Cx质量浓度影响的湿度转换系数；
Mc为在测量环境下温湿度对测量过程影响补偿后的目标质量浓度
Kenv为测量环境下化学组分对测量过程影响的环境转换系数；
Mx为在测量环境下化学组分对Mc补偿后的目标质量浓度
T为测量环境下的温度值，单位℃；
RH为测量环境下的相对湿度值；
B为在测量环境下光散射颗粒物监测仪对温湿度影响的基底值。
进一步，还包括：
人机交互单元，用于设定质量浓度类型和环境参数；
显示单元，用于显示测量结果和测量参数。
进一步，采集单元预先在被选测量环境中进行长时间采样测量，实时记录测量的质量浓度、基准质量浓度、实时温度以及实时相对湿度，动态校准单元根据记录数据通过转换模型进行拟合回归，获取转换系数。
本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序：该程序被处理器执行时实现上述方法中任一项所述方法。
本发明的有益效果：本发明中的消除颗粒物的化学组分影响的动态校准方法及监测仪，通过在转换模型可以针对不同环境化学组分、温湿度变化对颗粒物转换测量的影响实现动态校准，有效的解决颗粒物传感器在受环境化学组分和温湿度影响的情况下，测量出的空气中的颗粒物质量浓度不准确的问题，本发明能够克服化学组分和温湿度所带来的影响，提高测量的适应性和准确度。
附图说明
图1是本发明实施例中的消除颗粒物的化学组分影响的动态校准方法的原理示意图。
图2是本发明实施例中的质量浓度转换流程图。
图3是本发明实施例中的消除颗粒物的化学组分影响的动态校准监测仪的结构示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
本实施例中的消除颗粒物的化学组分影响的动态校准方法，包括：
采集环境参数和被测量颗粒物的质量浓度值；
建立转换模型；
根据测量环境确定转换系数，所述转换系数包括温度和湿度对质量浓度影响的转换系数；
通过所述转换模型对所述质量浓度值进行动态校准，获取校准后的质量浓度。
如图1所示，在本实施例中，转换模型为：
Mc＝Kx*Cx+KT*T+KRH*RH+B
Mx＝Kenv*Mc
其中，
Cx为采集的被测量颗粒物的质量浓度值；
Kx为测量环境下对Cx质量浓度影响的修正系数；
KT为在测量环境下温度对Cx质量浓度影响的温度转换系数；
KRH为在测量环境下湿度对Cx质量浓度影响的湿度转换系数；
Mc为在测量环境下温湿度对测量过程影响补偿后的目标质量浓度
Kenv为测量环境下化学组分对测量过程影响的环境转换系数；
Mx为在测量环境下化学组分对Mc补偿后的目标质量浓度
T为测量环境下的温度值，单位℃；
RH为测量环境下的相对湿度值；
B为在测量环境下光散射颗粒物监测仪对温湿度影响的基底值。
通过转换模型将颗粒物粒子数浓度转换为质量浓度的化学组分动态校准模型确定位，在本实施例中，首先需要对转换系数进行标定，预先在待测测量环境中进行长时间采样测量，实时记录测量的质量浓度、校准后的质量浓度、实时温度以及实时相对湿度，根据记录数据通过转换模型进行拟合回归，获取转换系数，根据测量环境确定转换系数Kenv、Kx、KT、KRH、B的值后，再根据转换模型计算出目标质量浓度值。优选地，在所选的测量环境中，使用光散射型颗粒物监测仪和颗粒物质量浓度测量仪进行长时间多次的温湿度对照测量，并记录光散射型颗粒物监测仪的质量浓度Cx值(包含PM10或PM2.5)，颗粒物质量浓度测量仪的质量浓度Mc(包含PM10或PM2.5)、环境温度T值，环境相对湿度RH值，通过对照测量结果，将记录的数据按照转换模型Mc＝Kx*Cx+KT*T+KRH*RH+B进行拟合回归，即可得到所选测量环境下的转换参数Kx、KT、KRH的值以及B值。在本实施例中，对转换参数Kenv的值以单参回归法确定，将光散射型颗粒物监测仪置于需要测量的化学组分环境中，通过对一定时间内附近标准质控设备或国控站设备的颗粒物监测仪数据进行多次对照测量，并记录质控设备或国控站的颗粒物质量浓度值Mx、光散射型监测仪的颗粒物质量浓度值Mc，通过对照测量结果，将记录的数据按照转换模型Mx＝Kenv*Mc+B进行拟合回归，使用单参数回归法，即可得到所处测量环境下化学组分测量的转换参数Kenv的值，根据转换参数Kx、KT、KRH、Kenv确定转换模型关系式Mx＝Kenv*(Kx*Cx+KT*T+KRH*RH+B)+B。
如图2所示，在本实施例中，根据转换系数确定最终的转换关系Mx＝Kenv*(Kx*Cx+KT*T+KRH*RH+B)+B，计算出目标质量浓度值，完成基于温湿度变化的动态校准，如表1所示，根据表1的数据可以看出，结合本转换模型，可以有效的解决温湿度对监测仪测量质量浓度C的影响，将原始最大误差37％降到了转换后的最大误差7.75％。本实施例可以有效的解决颗粒物传感器在受环境化学组分、温湿度影响的情况下，能够准确的测量出空气中的颗粒物质量浓度，给环保部门的环境治理提供一个准确的参考数据。
表1
相应地，本实施例还提供一种消除颗粒物的化学组分影响的动态校准监测仪，包括：
采集单元，用于采集环境参数和颗粒物感应信号，所述环境参数包括被测环境的温度和湿度；
处理单元，用于对采集的数据进行处理，并建立转换模型；
中央运算控制单元，用于计算被测量颗粒物的质量浓度值；
动态校准单元，用于根据测量环境确定转换系数，通过所述转换模型对所述质量浓度值进行动态校准，获取校准后的质量浓度，所述转换系数包括化学组分、温度和湿度对质量浓度影响的转换系数；
人机交互单元，用于设定质量浓度类型和环境参数；
显示单元，用于显示测量结果和测量参数。
本实施例中的转换模型为：
Mc＝Kx*Cx+KT*T+KRH*RH+B
Mx＝Kenv*Mc其中，
Cx为采集的被测量颗粒物的质量浓度值；
Kx为测量环境下对Cx质量浓度影响的修正系数；
KT为在测量环境下温度对Cx质量浓度影响的温度转换系数；
KRH为在测量环境下湿度对Cx质量浓度影响的湿度转换系数；
Mc为在测量环境下温湿度对测量过程影响补偿后的目标质量浓度
Kenv为测量环境下化学组分对测量过程影响的环境转换系数；
Mx为在测量环境下化学组分对Mc补偿后的目标质量浓度
T为测量环境下的温度值，单位℃；
RH为测量环境下的相对湿度值；
B为在测量环境下光散射颗粒物监测仪对温湿度影响的基底值。
采集单元预先在被选测量环境中进行长时间采样测量，实时记录测量的质量浓度、基准质量浓度、实时温度以及实时相对湿度，根据记录数据通过转换模型进行拟合回归，获取转换系数。
在本实施例中，采集单元采用温度传感器、湿度传感器和光散射式颗粒物传感器；显示单元为显示屏；人机交互单元可以采用按键或触摸屏，用户通过人机交互单元设定好环境参数等信息，启动测量之后，空气中颗粒物通过监测仪壳体的进风口进入光散射式颗粒物传感单元，对颗粒物产生感应信号，处理单元将采集单元产生的感应信号进行处理，由中央运算控制单元进行信号采集，处理得到颗粒物质量浓度，在经过动态校准单元，实现质量浓度的转换，得到目标质量浓度，再通过显示单元显示出来，本实施例中的动态校准单元主要包括包括处理器、存储器、收发器和通信接口，存储器和通信接口与处理器和收发器连接并完成相互间的通信，存储器用于存储计算机程序，通信接口用于进行通信，处理器和收发器用于运行计算机程序，使监测仪执行如上动态校准方法的各个步骤。
在本实施例中，存储器可能包含随机存取存储器(RandomAccessMemory，简称RAM)，也可能还包括非易失性存储器(non-volatilememory)，例如至少一个磁盘存储器。
上述的处理器可以是通用处理器，包括中央处理器(CentralProcessingUnit，简称CPU)、网络处理器(NetworkProcessor，简称NP)等；还可以是数字信号处理器(DigitalSignalProcessing，简称DSP)、专用集成电路(ApplicationSpecificIntegratedCircuit，简称ASIC)、现场可编程门阵列(Field－ProgrammableGateArray，简称FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。
另外，本实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现本实施例中的任一项方法。
本实施例中的计算机可读存储介质，本领域普通技术人员可以理解：实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过计算机程序相关的硬件来完成。前述的计算机程序可以存储于一计算机可读存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (9)
1.一种消除颗粒物的化学组分影响的动态校准方法，其特征在于，包括：
采集环境参数和被测量颗粒物的质量浓度值；
建立转换模型；
根据测量环境确定转换系数，所述转换系数包括化学组分、温度和湿度对质量浓度影响的转换系数；
通过所述转换模型对所述质量浓度值进行动态校准，获取校准后的质量浓度。
2.根据权利要求1所述的消除颗粒物的化学组分影响的动态校准方法，其特征在于，所述转换模型为：
Mc＝Kx*Cx+KT*T+KRH*RH+B
Mx＝Kenv*Mc
其中，
Cx为采集的被测量颗粒物的质量浓度值；
Kx为测量环境下对Cx质量浓度影响的修正系数；
KT为在测量环境下温度对Cx质量浓度影响的温度转换系数；
KRH为在测量环境下湿度对Cx质量浓度影响的湿度转换系数；
Mc为在测量环境下温湿度对测量过程影响补偿后的目标质量浓度；
Kenv为测量环境下化学组分对测量过程影响的环境转换系数；
Mx为在测量环境下化学组分对Mc补偿后的目标质量浓度
T为测量环境下的温度值，单位℃；
RH为测量环境下的相对湿度值；
B为在测量环境下光散射颗粒物监测仪对温湿度影响的基底值。
3.根据权利要求2所述的消除颗粒物的化学组分影响的动态校准方法，其特征在于，测量待测环境的温度值和相对湿度值，通过三参数回归法获取测量环境下对Cx质量浓度影响的修正系数、温度对Cx质量浓度影响的温度转换系数、湿度对Cx质量浓度影响的湿度转换系数以及测量环境下光散射颗粒物监测仪对温湿度影响的基底值，通过单参数回归法获取测量环境下化学组分对测量过程影响的环境转换系数，根据转换系数获取校准后的质量浓度。
4.根据权利要求3所述的消除颗粒物的化学组分影响的动态校准方法，其特征在于，预先在待测测量环境中进行采样测量，实时记录测量的质量浓度Cx、实时温度以及实时相对湿度，根据记录数据通过所述转换模型进行拟合回归，获取待测测量环境下对Cx质量浓度影响的修正系数、温度对Cx质量浓度影响的温度转换系数、湿度对Cx质量浓度影响的湿度转换系数以及光散射监测仪对温湿度影响的基底值；
在被测化学组分环境中，根据多次实时记录的测量质量浓度Mc和标准质量浓度Mx，通过Mx＝Kenv*Mc+B转换关系进行拟合回归，获取测量环境下化学组分对测量过程影响的环境转换系数。
5.一种消除颗粒物的化学组分影响的动态校准监测仪，其特征在于，包括：
采集单元，用于采集环境参数和颗粒物感应信号，所述环境参数包括被测环境的温度和湿度；
处理单元，用于对采集的数据进行处理，并建立转换模型；
中央运算控制单元，用于计算被测量颗粒物的质量浓度值；
动态校准单元，用于根据测量环境确定转换系数，通过所述转换模型对所述质量浓度值进行动态校准，获取校准后的质量浓度，所述转换系数包括化学组分、温度和湿度对质量浓度影响的转换系数。
6.根据权利要求5所述的消除颗粒物的化学组分影响的动态校准监测仪，其特征在于，所述转换模型为：
Mc＝Kx*Cx+KT*T+KRH*RH+B
Mx＝Kenv*Mc
其中，
Cx为采集的被测量颗粒物的质量浓度值；
Kx为测量环境下对Cx质量浓度影响的修正系数；
KT为在测量环境下温度对Cx质量浓度影响的温度转换系数；
KRH为在测量环境下湿度对Cx质量浓度影响的湿度转换系数；
Mc为在测量环境下温湿度对测量过程影响补偿后的目标质量浓度
Kenv为测量环境下化学组分对测量过程影响的环境转换系数；
Mx为在测量环境下化学组分对Mc补偿后的目标质量浓度
T为测量环境下的温度值，单位℃；
RH为测量环境下的相对湿度值；
B为在测量环境下光散射颗粒物监测仪对温湿度影响的基底值。
7.根据权利要求6所述的消除颗粒物的化学组分影响的动态校准监测仪，其特征在于，还包括：
人机交互单元，用于设定质量浓度类型和环境参数；
显示单元，用于显示测量结果和测量参数。
8.根据权利要求7所述的消除颗粒物的化学组分影响的动态校准监测仪，其特征在于，采集单元预先在被选测量环境中进行长时间采样测量，实时记录测量的质量浓度、基准质量浓度、实时温度以及实时相对湿度，动态校准单元根据记录数据通过转换模型进行拟合回归，获取转换系数。
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于：该程序被处理器执行时实现权利要求1至8中任一项所述方法。
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