CN108459177A - 一种测量空气流速及空气中颗粒物含量的方法及装置 - Google Patents

一种测量空气流速及空气中颗粒物含量的方法及装置 Download PDF

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Abstract

一种测量空气流速及空气中颗粒物含量的方法，包括如下步骤：步骤一、利用两个激光粒子计数器测量穿过同一通道内的空气中颗粒物，分别获得两个激光粒子计数器的输出函数；步骤二、根据步骤一中两个激光粒子计数器的输出函数，建立互相关函数，寻峰得到空气中颗粒物运动的延时估计值；步骤三、根据步骤二中的延时估计值，计算步骤一中通道内的风速；步骤四、根据步骤三中的风速，计算步骤一中通道内单位体积的空气颗粒物数量。

Description

一种测量空气流速及空气中颗粒物含量的方法及装置
技术领域
本发明涉及一种测量空气流速及空气中颗粒物含量的方法及装置，属于空气监测领域。
背景技术
现有技术中，风速监测的原理主要包括如下几种：热敏式风速测量、叶轮式风速测量、超声式风速测量、激光干涉式风速测量、压差法风速测量。热敏式风速测量的主要原理是对风速与热扩散特性之间的关系进行建模，通过对热扩散特性的测量得到风速的估计，如图1所示。叶轮式风速测量的主要原理是利用空气流动引起的叶轮转动对风速进行测量。超声式干涉仪风速测量的主要原理是利用超声在流体中的传播受流体流动影响的特点对风速进行测量。激光干涉式风速测量的主要原理是利用激光雷达测量由空气流动造成的多普勒效应，通过多普勒效应对风速进行计算。压差法风速测量的主要原理为利用气体在流动过程中产生的压差，根据连续方程、能量守恒方程式和气体状态方程来计算管道中气体的流速，主要有皮托管法等，如图2所示。上述测量风速的方法普遍存在设备复杂、功耗高、测量精度低、工作寿命短等问题，且除激光干涉法外均不可同时实现对空气中可吸入颗粒物和风速的同时测量。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种测量空气流速及空气中颗粒物含量的方法及装置，能够在低成本、低功耗和小体积的约束下实现对空气中可吸入颗粒物以及风速的同时测量。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：
一种测量空气流速及空气中颗粒物含量的方法，包括如下步骤：
步骤一、利用两个激光粒子计数器测量穿过同一通道内的空气中颗粒物，分别获得两个激光粒子计数器的输出函数；
步骤二、根据步骤一中两个激光粒子计数器的输出函数，建立互相关函数，寻峰得到空气中颗粒物运动的延时估计值；
步骤三、根据步骤二中的延时估计值，计算步骤一中通道内的风速；
步骤四、根据步骤三中的风速，计算步骤一中通道内单位体积的空气颗粒物数量。
上述测量空气流速及空气中颗粒物含量的方法，所述步骤一中第一激光粒子计数器的输出函数x1(t)和第二激光粒子计数器的输出函数x2(t)分为别为：
x1(t)＝s(t)+n1(t)
x2(t)＝s(t+τ)+n2(t)
其中，s(t)为第一激光粒子计数器测得的信号函数，n1(t)为第一激光粒子计数器内部的噪声函数；s(t+τ)为第二激光粒子计数器测得的信号函数，n2(t)为第二激光粒子计数器内部的噪声函数，t为时间，τ为延时。
上述测量空气流速及空气中颗粒物含量的方法，所述步骤二中的互相关函数Rx1/x2为：
Rx1/x2＝E{x1(t)x2(t)}
其中，E为……；当互相关函数Rx1/x2取得最大值时，τ的取值即为延时估计值τ0。
上述测量空气流速及空气中颗粒物含量的方法，所述步骤三中通道内的风速V为：
其中，d为两个激光粒子计数器之间的间距，τ0为延时估计值。
上述测量空气流速及空气中颗粒物含量的方法，所述步骤四中通道内单位体积的空气颗粒物数量n为：
其中，t为时间，N为t时间内第一激光粒子计数器或第二激光粒子计数器测量的空气颗粒物数量，S为通道的横截面积。
一种测量空气流速及空气中颗粒物含量的装置，包括气流通道、光陷阱、激光粒子计数器Ⅰ和激光粒子计数器Ⅱ；
所述气流通道用于被测空气流通；所述激光粒子计数器Ⅰ和激光粒子计数器Ⅱ分别用于测量穿过气流通道内两个截面的空气颗粒物数量；
所述气流通道为圆筒状黑体，激光粒子计数器Ⅰ、激光粒子计数器Ⅱ和光陷阱所在位置的黑体开设窗口；所述光陷阱用于吸收激光粒子计数器Ⅰ和激光粒子计数器Ⅱ发出的激光。
上述测量空气流速及空气中颗粒物含量的装置，所述激光粒子计数器Ⅰ包括激光发生器Ⅰ、光电转换器Ⅰ；所述激光粒子计数器Ⅱ包括激光发生器Ⅱ、光电转换器Ⅱ；所述光陷阱包括光陷阱Ⅰ和光陷阱Ⅱ；
所述激光发生器Ⅰ和光陷阱Ⅰ相对设置于气流通道的两侧；所述激光发生器Ⅱ和光陷阱Ⅱ相对设置于气流通道的两侧；
所述激光发生器Ⅰ、光电转换器Ⅰ和光陷阱Ⅰ在气流通道的同一个横截面内；所述激光发生器Ⅱ、光电转换器Ⅱ和光陷阱Ⅱ在气流通道的同一个横截面内。
上述测量空气流速及空气中颗粒物含量的装置，还包括遮光板；
所述遮光板包覆在气流通道的外部，光陷阱、激光粒子计数器Ⅰ、激光粒子计数器Ⅱ所在位置的遮光板开设窗口。
上述测量空气流速及空气中颗粒物含量的装置，所述光电转换器Ⅰ与激光发生器Ⅰ的夹角、光电转换器Ⅰ与光陷阱Ⅰ的夹角均为90°；所述光电转换器Ⅱ与激光发生器Ⅱ的夹角、光电转换器Ⅱ与光陷阱Ⅱ的夹角均为90°。
上述测量空气流速及空气中颗粒物含量的装置，所述激光粒子计数器Ⅰ还包括准直透镜Ⅰ和聚焦透镜Ⅰ；激光发生器Ⅰ输出的激光依次穿过准直透镜Ⅰ、聚焦透镜Ⅰ、气流通道；
所述激光粒子计数器Ⅱ还包括准直透镜Ⅱ和聚焦透镜Ⅱ；激光发生器Ⅱ输出的激光依次穿过准直透镜Ⅱ、聚焦透镜Ⅱ、气流通道。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
(1)本发明与热敏式风速测量相比，本方法可以同时对空气中可吸入颗粒物浓度进行测量，且与其精度相当；热敏式风速测量方法需要有一个恒温热源，因此其功耗较高，环境适应性较差。本方法不涉及热源，功耗较低，此外由于不存在热传递的过程，本方法的相应速度更快；
(2)本发明与叶轮式风速测量方法相比，本方法可以同时对空气中可吸入颗粒物浓度进行测量，且不涉及活动部件，寿命更长。另外由于叶轮式风速测量由于机械结构的动态相应问题，在低风速及高风速下精度较差，因此与其相比，本方法的测量精度更高，测量范围更宽；
(3)本发明与超声式风速测量方法相比，本方法可以同时对空气中可吸入颗粒物浓度进行测量且不涉及寿命较短的压电陶瓷片，因此寿命较长，并且功耗较低；
(4)本发明与激光干涉式风速测量方法相比，本方法成本及功耗低，设备简单；
(5)本发明与压差法风速测量方法相比，本方法可以同时对空气中可吸入颗粒物浓度进行测量，且动态响应更快，风速测量范围更宽，精度更高。
附图说明
图1为热敏式风速测量的原理图；
图2为皮托管法风速测量的原理图；
图3为激光粒子计数器的原理图；
图4为本发明的装置的原理图；
图5为两个激光粒子计数器的输出电脉冲信号；
图6为本发明方法的步骤流程图；
图7为本发明装置的组成示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。
本方法采用两个激光粒子计数器级联的方式实现对空气中的颗粒物和风速的同时测量。
激光粒子计数器利用颗粒物对激光的散射效应可以对空气中的颗粒物数量进行实时的统计，其原理如图3所示。
空气中的颗粒物对入射激光有散射作用，散射激光的强度与颗粒物的粒径有关，将含有颗粒物的空气从气流通道的采样口以稳定的气流流速V(即风速V)吸入，通过激光粒子计数器所在的气流通道横截面时，颗粒物受激光照射，散射出与粒径大小成一定比例的光脉冲信号，该信号由光电探测器进行收集并转换成相应的电脉冲信号，再通过前置放大器和多通道检测电脉冲信号进行计数，便可得知单位体积采样空气中的颗粒物数量。同时，电脉冲信号尖峰的幅度与粒子的粒径有关，通过对不同幅值的脉冲分别进行计数，可以得到单位体积采样空气中的不同粒径的颗粒物数量。单位体积的空气颗粒物数量n为：
其中，t为时间，N为t时间内第一激光粒子计数器或第二激光粒子计数器测量的空气颗粒物数量，r为光敏区的半径。
本发明设置相邻的两个激光粒子计数器，即两个相邻的监测面，通过监测颗粒物通过相邻两个激光粒子计数器所在平面的时间差，通过数学估计，可得气体流经两个监测面的空气流速V，即风速V。同时，在得到风速V的估计后便可以反代入激光粒子计数器的模型中得到单位体积采样空气中的不同粒径的颗粒物数量，其原理图如图4所示。相邻的两个激光粒子计数器的输出电脉冲信号如图5所示，其中横坐标轴为时间，纵坐标轴为幅度，实线和虚线分别为两个激光粒子计数器输出的电脉冲信号。
对两个激光粒子计数器的输出信号进行互相关运算，可以得到空气中颗粒物经过两个激光粒子计数器所在横截面的时间差Δt，进而得到风速(其中d为两个激光粒子计数器之间的距离)，时间差Δt即为延时τ。将风速V后代入单位体积的空气颗粒物数量n的表达式中，得到单位体积的空气颗粒物数量n。
本实施例中，两个激光粒子计数器的激光光源选用如下型号808nm-200mW-TO-18LaserDiode，其具体参数见表1。
表1
图6为本发明方法的步骤流程图，包括如下步骤：
步骤101、利用两个激光粒子计数器测量穿过同一通道内的空气中颗粒物，分别获得两个激光粒子计数器的输出函数。
具体的，第一激光粒子计数器的输出函数x1(t)和第二激光粒子计数器的输出函数x2(t)分为别为：
x1(t)＝s(t)+n1(t)
x2(t)＝s(t+τ)+n2(t)
其中，s(t)为第一激光粒子计数器测得的信号函数，n1(t)为第一激光粒子计数器内部的噪声函数；s(t+τ)为第二激光粒子计数器测得的信号函数，n2(t)为第二激光粒子计数器内部的噪声函数，t为时间，τ为延时。
步骤102、根据步骤101中两个激光粒子计数器的输出函数，建立互相关函数，寻峰得到空气中颗粒物运动的延时估计值。
具体的，互相关函数Rx1/x2为：
Rx1/x2＝E{x1(t)x2(t)}
＝E{[s(t)+n1(t)][s(t+τ)+n2(t)]}
其中，E为……；当互相关函数Rx1/x2取得最大值时，τ的取值即为延时估计值τ0。
步骤103、根据步骤102中的延时估计值，计算步骤101中通道内的风速。
具体的，风速V为：
其中，d为两个激光粒子计数器之间的间距，τ0为延时估计值。
步骤104、根据步骤103中的风速，计算步骤101中通道内单位体积的空气颗粒物数量。
具体的，通道内单位体积的空气颗粒物数量n为：
其中，t为时间，N为t时间内第一激光粒子计数器或第二激光粒子计数器测量的空气颗粒物数量，S为通道的横截面积；由于实际光通道有效面积与理论计算有差距，因此，对通道内单位体积的空气颗粒物数量n公式进行了修正，k为通道的横截面积的有效因子。
图7为本发明装置的组成示意图，包括气流通道、光陷阱、激光粒子计数器Ⅰ和激光粒子计数器Ⅱ、遮光板；激光粒子计数器Ⅰ包括激光发生器Ⅰ、光电转换器Ⅰ、准直透镜Ⅰ和聚焦透镜Ⅰ；激光粒子计数器Ⅱ包括激光发生器Ⅱ、光电转换器Ⅱ、准直透镜Ⅱ和聚焦透镜Ⅱ；光陷阱包括光陷阱Ⅰ和光陷阱Ⅱ。本实施例中的气流通道的横截面为圆形。
气流通道用于被测空气流通；激光粒子计数器Ⅰ和激光粒子计数器Ⅱ分别用于测量穿过气流通道内两个截面的空气颗粒物数量。
气流通道为圆筒状黑体，激光粒子计数器Ⅰ、激光粒子计数器Ⅱ和光陷阱所在位置的黑体开设窗口。
激光发生器Ⅰ和光陷阱Ⅰ相对设置于气流通道的两侧；激光发生器Ⅱ和光陷阱Ⅱ相对设置于气流通道的两侧。
激光发生器Ⅰ、光电转换器Ⅰ和光陷阱Ⅰ在气流通道的同一个横截面内；激光发生器Ⅱ、光电转换器Ⅱ和光陷阱Ⅱ在气流通道的同一个横截面内。激光发生器Ⅰ输出的激光依次穿过准直透镜Ⅰ、聚焦透镜Ⅰ、气流通道；激光发生器Ⅱ输出的激光依次穿过准直透镜Ⅱ、聚焦透镜Ⅱ、气流通道。光陷阱用于吸收激光粒子计数器Ⅰ和激光粒子计数器Ⅱ发出的激光。光电转换器Ⅰ与激光发生器Ⅰ的夹角、光电转换器Ⅰ与光陷阱Ⅰ的夹角均为90°；光电转换器Ⅱ与激光发生器Ⅱ的夹角、光电转换器Ⅱ与光陷阱Ⅱ的夹角均为90°。
遮光板包覆在气流通道的外部，光陷阱、激光粒子计数器Ⅰ、激光粒子计数器Ⅱ所在位置的遮光板开设窗口。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种测量空气流速及空气中颗粒物含量的方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、利用两个激光粒子计数器测量穿过同一通道内的空气中颗粒物，分别获得两个激光粒子计数器的输出函数；
步骤二、根据步骤一中两个激光粒子计数器的输出函数，建立互相关函数，寻峰得到空气中颗粒物运动的延时估计值；
步骤三、根据步骤二中的延时估计值，计算步骤一中通道内的风速；
步骤四、根据步骤三中的风速，计算步骤一中通道内单位体积的空气颗粒物数量。
2.根据权利要求所述的一种测量空气流速及空气中颗粒物含量的方法，其特征在于：所述步骤一中第一激光粒子计数器的输出函数x1(t)和第二激光粒子计数器的输出函数x2(t)分为别为：
x1(t)＝s(t)+n1(t)
x2(t)＝s(t+τ)+n2(t)
其中，s(t)为第一激光粒子计数器测得的信号函数，n1(t)为第一激光粒子计数器内部的噪声函数；s(t+τ)为第二激光粒子计数器测得的信号函数，n2(t)为第二激光粒子计数器内部的噪声函数，t为时间，τ为延时。
3.根据权利要求2所述的一种测量空气流速及空气中颗粒物含量的方法，其特征在于：所述步骤二中的互相关函数Rx1/x2为：
Rx1/x2＝E{x1(t)x2(t)}
其中，E为……；当互相关函数Rx1/x2取得最大值时，τ的取值即为延时估计值τ0。
4.根据权利要求1所述的一种测量空气流速及空气中颗粒物含量的方法，其特征在于：所述步骤三中通道内的风速V为：
其中，d为两个激光粒子计数器之间的间距，τ0为延时估计值。
5.根据权利要求1所述的一种测量空气流速及空气中颗粒物含量的方法，其特征在于：所述步骤四中通道内单位体积的空气颗粒物数量n为：
其中，t为时间，N为t时间内第一激光粒子计数器或第二激光粒子计数器测量的空气颗粒物数量，S为通道的横截面积。
6.一种测量空气流速及空气中颗粒物含量的装置，其特征在于：包括气流通道、光陷阱、激光粒子计数器Ⅰ和激光粒子计数器Ⅱ；
所述气流通道用于被测空气流通；所述激光粒子计数器Ⅰ和激光粒子计数器Ⅱ分别用于测量穿过气流通道内两个截面的空气颗粒物数量；
所述气流通道为圆筒状黑体，激光粒子计数器Ⅰ、激光粒子计数器Ⅱ和光陷阱所在位置的黑体开设窗口；所述光陷阱用于吸收激光粒子计数器Ⅰ和激光粒子计数器Ⅱ发出的激光。
7.根据权利要求6所述的一种测量空气流速及空气中颗粒物含量的装置，其特征在于：所述激光粒子计数器Ⅰ包括激光发生器Ⅰ、光电转换器Ⅰ；所述激光粒子计数器Ⅱ包括激光发生器Ⅱ、光电转换器Ⅱ；所述光陷阱包括光陷阱Ⅰ和光陷阱Ⅱ；
所述激光发生器Ⅰ和光陷阱Ⅰ相对设置于气流通道的两侧；所述激光发生器Ⅱ和光陷阱Ⅱ相对设置于气流通道的两侧；
所述激光发生器Ⅰ、光电转换器Ⅰ和光陷阱Ⅰ在气流通道的同一个横截面内；所述激光发生器Ⅱ、光电转换器Ⅱ和光陷阱Ⅱ在气流通道的同一个横截面内。
8.根据权利要求6所述的一种测量空气流速及空气中颗粒物含量的装置，其特征在于：还包括遮光板；
所述遮光板包覆在气流通道的外部，光陷阱、激光粒子计数器Ⅰ、激光粒子计数器Ⅱ所在位置的遮光板开设窗口。
9.根据权利要求7所述的一种测量空气流速及空气中颗粒物含量的装置，其特征在于：所述光电转换器Ⅰ与激光发生器Ⅰ的夹角、光电转换器Ⅰ与光陷阱Ⅰ的夹角均为90°；所述光电转换器Ⅱ与激光发生器Ⅱ的夹角、光电转换器Ⅱ与光陷阱Ⅱ的夹角均为90°。
10.根据权利要求7所述的一种测量空气流速及空气中颗粒物含量的装置，其特征在于：所述激光粒子计数器Ⅰ还包括准直透镜Ⅰ和聚焦透镜Ⅰ；激光发生器Ⅰ输出的激光依次穿过准直透镜Ⅰ、聚焦透镜Ⅰ、气流通道；
所述激光粒子计数器Ⅱ还包括准直透镜Ⅱ和聚焦透镜Ⅱ；激光发生器Ⅱ输出的激光依次穿过准直透镜Ⅱ、聚焦透镜Ⅱ、气流通道。
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