CN108709840B - 一种β射线颗粒物浓度监测仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种β射线颗粒物浓度监测仪，包括：竖直方向的采样管道、颗粒物切割器、采集与测量装置和滤带。采集与测量装置包括上采样体和下采样体，上采样体的内部设置有可转动的β采样柱，β采样柱上开设有采样孔和镶嵌有测量β源，下采样体具有检测传感器和可移动的压带装置。本发明的β射线颗粒物浓度监测仪，采用了新的采样与β射线测量结构，从采样入口到收集颗粒物的滤带，管道采用了垂直管道且保证滤带采样位与β射线测量位一致。本发明通过这种全新的结构改变，解决了β射线颗粒物浓度监测仪管道积尘和仪器系统误差问题，保证了仪器的测量数据准确度。

Description

一种β射线颗粒物浓度监测仪

技术领域

本发明涉及环境空气监测技术领域，具体涉及一种β射线颗粒物浓度监测仪，适用于对环境空气中存在的TSP、PM10、PM5、PM2.5、PM1等颗粒物浓度进行监测。

背景技术

目前，监测环境空气中颗粒物浓度的仪器中，常用的测量方法有光散射法、震荡天平法和β射线法。因此，市场上常见的有光散射法监测仪、震荡天平法监测仪和β射线法监测仪三大类。但是，这几种常见的监测仪器各有优缺点；光散射法监测仪容易受颗粒物的物理特性(如颜色、形状、体积大小等)而影响测量数据；震荡天平法监测仪结构复杂，价格高，维护成本相应也高；β射线法相对来说是最符合市场需求的监测仪器，不受颗粒物的物理特性影响，数据准确，且具有结构简单，维护成本低等特点。因此，β射线颗粒物浓度监测仪在市场中占有绝大部分的份额。

β射线颗粒物浓度监测仪，是通过在采样入口选配接入TSP、PM10、PM5、PM2.5、PM1等切割器，将切割后的颗粒物粒径大小样品，通过垂直采样管道，恒定流量采集到盘式滤带上；采样前后两次对滤带收集的颗粒物采样点位进行β射线的测量，采样前后通过检测传感器对β射线脉冲计数然后采用公式得出采集的颗粒物质量，再除以采集时抽气的气体体积，从而得出颗粒物的浓度。

颗粒物在采集过程中，由于颗粒物是具有一定的质量，会在非垂直管道因惯性而造成颗粒物的沉积。最早的β射线颗粒物监测仪为了保证直管道采样，采用采集样品与β射线测量在两个位置，缺点是需将采样完了的滤纸移动到β射线测量位，这样会造成移纸误差，而且结构复杂；现在市场上绝大部分β射线监测仪，为了保证采样位与β射线测量位置一致，将进入滤带采样点的采样管道改成圆弧弯曲，这样容易造成圆弧弯曲管道颗粒物的沉积，造成数据值偏低，而且需定期清洗管道，增加了仪器维护的成本。

发明内容

鉴于此，本发明的目的在于提供一种β射线颗粒物浓度监测仪，旨在克服传统β射线颗粒物浓度监测仪存在的因圆弧弯曲管道颗粒物沉积造成测量数据值偏低的缺陷以及解决当采集样品与β射线测量在两个位置时，存在的移纸误差的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采取的技术方案如下：

一种β射线颗粒物浓度监测仪，包括：竖直方向的采样管道；

颗粒物切割器，置于所述采样管道的入口处并与所述采样管道相连接；

采集与测量装置，通过所述采样管道与所述颗粒物切割器相连通，其中，所述采集与测量装置包括：上采样体和下采样体；

所述上采样体的内部设置有一可转动的β采样柱，所述β采样柱上开设有一垂直于β采样柱轴线的采样孔，所述采样孔为一通孔且该采样孔位置与所述上采样体上连接的采样管道的位置相对应，并且在开设有采样孔位置相对应的所述β采样柱的表面镶嵌有一测量β源，以达到在采样时通过旋转所述β采样柱使得采样孔垂直连通所述采样管道以及在测量时通过旋转所述β采样柱将所述测量β源的测量面旋转至采样时获得的采集样品的位置处，以形成在采样时和测量时，相对于滤带上采集样品的位置保持不变；

所述下采样体具有一检测传感器和一可移动的压带装置，所述检测传感器位于所述滤带的下方，用于在采样之前或测量时，在固定时间内对测量β源透过采集样品放射出的β射线通量进行计数；所述压带装置用于在检测过程中压紧或松开所述滤带；以及

滤带，置于所述上采样体、下采样体之间，并通过滤带盘对所述滤带进行移动。

较佳地，所述β采样柱的一端通过第一联轴器与第一电机相连，并在其所述β采样柱的两端分别设置有轴承。

更佳地，所述压带装置包括下筒、下筒座和凸轮驱动机构，所述下筒置于所述下筒座的上方且两者固结为一体，所述下筒座的内部为一中空部且下筒座的下端部具有一凸台，所述中空部与所述检测传感器相配合，同时，所述凸轮驱动机构包括一凸轮，所述凸轮与所述凸台保持接触，以通过凸轮的转动进而驱动其所述下筒座及下筒进行上下移动。

更佳地，所述凸轮驱动机构包括凸轮、凸轮轴、第二联轴器和第二电机，所述凸轮轴上安装有所述凸轮，且其凸轮轴的一端通过第二联轴器与所述第二电机相连。

更佳地，所述第一联轴器与所述β采样柱的连接位置处以及所述第二联轴器与所述凸轮轴的连接位置分别设置有一光栅片，并在所述光栅片的上方设置有光电开关，以精确定位所述β采样柱的旋转位置以及精确定位所述压带装置的移动位置。

较佳地，所述监测仪还包括有流量控制装置，所述流量控制装置包括有：流量孔板、真空泵和泵控制器，所述流量孔板通过所述采样管道分别与所述下采样体和所述真空泵相连通，另外，所述泵控制器控制所述真空泵以恒定流量对颗粒物进行采样。

较佳地，所述监测仪还包括有加热装置，所述加热装置包括加热器和室外温湿度传感器，所述加热器根据所述室外温湿度传感器检测的环境湿度对进入至所述采集与测量装置内的采样样品的温湿度控制在一恒定值。

更佳地，所述监测仪还包括有主控板，所述主控板分别与所述加热装置、检测传感器、流量孔板和真空泵相连接，用于实现对上述装置进行实时控制。

更佳地，所述颗粒物切割器为PM10、PM5、PM2.5、PM1.0中的一种或二种以上的切割器，另外，所述检测传感器为光电倍增管或盖革传感器中的任意一种。

更佳地，所述采样孔为垂直方向的通孔或锥形通孔中的一种。

本发明的有益效果：本发明涉及的β射线颗粒物浓度监测仪采用了从采样入口到收集颗粒物的滤纸，采样管道均为垂直管道，克服了传统β射线颗粒物浓度监测仪采用圆弧弯曲管道形成颗粒物沉积最终造成测量数据值偏低的缺陷；同时，本发明中涉及的采集与测量装置中采用上采样体与下采样体的组合结构，其中，上采样体采用了可转动的β采样柱，并在β采样柱上开设有采样孔以及镶嵌有测量β源，这种结构的设计能够达到在采样时通过旋转所述β采样柱使得采样孔垂直连通所述采样管道以及在测量时通过旋转所述β采样柱将所述测量β源的测量面旋转至采样时获得的采集样品的位置处，以形成在采样时和测量时，相对于滤带上采集样品的位置保持不变，解决了β射线颗粒物浓度监测仪仪器系统误差问题，保证了仪器的测量数据准确度；另外，本发明在采样和测量过程中，采用了下采样体上具有的可移动的压带装置，实现对滤带的压紧和松开，保持在测量时位置固定；此外，本发明通过光栅和光电开关的配合，可准确定位可转动的β采样柱的旋转位置以及精确定位可移动的压带装置的移动位置；与此同时，本发明在采集样品过程中，采用流量控制装置以恒定流量进行采集，保证采集后测量结果的准确性，而且本发明通过使用加热装置采样样品的温湿度控制在一恒定值；本发明为了实现对β射线颗粒物浓度监测仪实时控制，采用了具有控制功能的主控板，通过主控板可对各个部件实行快速控制。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明一种β射线颗粒物浓度监测仪的整机结构示意图；

图2是本发明中涉及的采集与测量装置的结构剖视图；

图3是图2中A-A的剖视图；

图4是图2中B-B的剖视图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

本发明的β射线颗粒物浓度监测仪是根据β射线吸收原理设计，β射线是一种高速电子流，它穿过物质和物质内部时，电子发生非弹性碰撞，其能量被部分吸收。当β射线源最大能量小于1Mev，穿透物质的质量较小，由于β射线源强度恒定，则被吸收量大小只与吸收物质的质量有关，而与吸收物质的物化特性如成分、粒度、分散度、形状、颜色等无关。所以它能直接测量质量浓度而不用进行任何的换算。

本发明的β射线颗粒物浓度监测仪的核心要点是：在采集样品通道中，通过一个旋转的圆柱来切换采样孔和测量β源的位置，保证在采样和测量时，相对于滤带上采集到的样品位置保持不变和从采样入口到收集颗粒物的滤带，管道是连通的垂直管道，通过这两点的改变，解决了β射线颗粒物浓度监测仪管道积尘和仪器系统误差问题。

基于上述的核心要点，为此设计出了本发明的一种β射线颗粒物浓度监测仪，下面将结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。

如图1-4所示，一种β射线颗粒物浓度监测仪，包括：竖直方向的采样管道100、颗粒物切割器200、采集与测量装置300和滤带400。

本发明中的颗粒物切割器200，置于所述采样管道100的入口处并与所述采样管道100相连接，本实施例中的颗粒物切割器为PM10、PM5、PM2.5、PM1.0中的一种或二种以上的切割器。

本发明中的采集与测量装置300，通过所述采样管道100与所述颗粒物切割器200相连通，其中，所述采集与测量装置300包括：上采样体301和下采样体302。

所述上采样体301的内部设置有一可转动的β采样柱303，所述β采样柱303上开设有一垂直于β采样柱303轴线的采样孔304，所述采样孔304为一通孔且该采样孔304位置与所述上采样体301上连接的采样管道100的位置相对应，并且在开设有采样孔304位置相对应的所述β采样柱303的表面镶嵌有一测量β源305，以达到在采样时通过旋转所述β采样柱303使得采样孔304垂直连通所述采样管道100以及在测量时通过旋转所述β采样柱303将所述测量β源305的测量面旋转至采样时获得的采集样品的位置处，以形成在采样时和测量时，相对于滤带400上采集样品的位置保持不变。本例中，所述采样孔304的形状为垂直方向的通孔或锥形通孔中的一种。

本例中，驱动其β采样柱303转动的电机装置，具体结构为：所述β采样柱303的一端通过第一联轴器308与第一电机309相连，并在其所述β采样柱303的两端分别设置有轴承。为了保持β采样柱303的稳定，在所述β采样柱303的一侧还设置了β采样柱座310。

本发明中β采样柱303的目的是切换采样孔和测量β源的位置，因此，β采样柱303的旋转位置由安装在所述第一联轴器308与所述β采样柱303的连接位置处的光栅片311和设置在光栅片311上方的光电开关312来控制，通过两者的配合，将精确定位所述β采样柱303的旋转位置。

所述下采样体302具有一检测传感器306和一可移动的压带装置307，所述检测传感器306位于所述滤带400的下方，用于在采样之前或测量时，在固定时间内对测量β源305透过采集样品放射出的β射线通量进行计数；本例中的检测传感器306优选为光电倍增管或盖革传感器中的任意一种。

所述压带装置307用于在检测过程中压紧或松开所述滤带400。本例中的所述压带装置307包括下筒313、下筒座314和凸轮驱动机构315，所述下筒313置于所述下筒座314的上方且两者固结为一体，所述下筒座314的内部为一中空部且下筒座314的下端部具有一凸台320，所述中空部与所述检测传感器306相配合，同时，所述凸轮驱动机构315包括一凸轮316，所述凸轮316与所述凸台320保持接触，以通过凸轮316的转动进而驱动其所述下筒座314及下筒313进行上下移动。

其中，所述凸轮驱动机构315包括凸轮316、凸轮轴317、第二联轴器318和第二电机319，所述凸轮轴317上安装有所述凸轮316，且其凸轮轴317的一端通过第二联轴器318与所述第二电机319相连。为了保持凸轮轴317的稳定，在其凸轮轴317上还安装了凸轮轴座321。

由于压带装置307的目的是在采集时和测量时需压紧滤带400，因此，压带装置307的移动位置由设置在所述第二联轴器318与所述凸轮轴317的连接位置处的光栅片311和设置在光栅片311上方的光电开关312来控制，以精确定位所述压带装置307的移动位置。

本发明中的滤带400，置于所述上采样体301、下采样体302之间，并通过滤带盘401对所述滤带400进行移动。

作为对上述监测仪的进一步改进，本发明为了保证在采集样品的过程中，能够以恒定流量对颗粒物进行采样，采用了流量控制装置500，所述流量控制装置包括有：流量孔板501、真空泵502和泵控制器503，所述流量孔板501通过所述采样管道100分别与所述下采样体302和所述真空泵502相连通，另外，所述泵控制器503控制所述真空泵502以恒定流量对颗粒物进行采样。

作为对上述监测仪的进一步改进，本发明为了在采样过程中，保持采集的样品的温湿度控制在一恒定值，采用了加热装置600，所述加热装置600包括加热器601和室外温湿度传感器602，所述加热器601根据所述室外温湿度传感器602检测的环境湿度对进入至所述采集与测量装置内的采样样品的温湿度控制在一恒定值。本例中，加热器601为加热杆。

作为对上述监测仪的进一步改进，本发明为了实现对上述的监测仪实时控制，采用了具有控制功能的主控板700，所述主控板700分别与所述加热装置600、检测传感器306、流量孔板501、真空泵502、第一电机309、第二电机319相连接，用于实现对上述装置进行实时控制。此外，所述主控板700还集成了显示屏701、数字输出模块702、无线发射天线703和GPRS模块704。

由此可见，本发明β射线颗粒物浓度监测仪的工作原理为：采样时，通过第一电机旋转β采样柱，使β采样柱中的采样孔垂直朝下，垂直的连接了上下采样气路，避免了弯曲管道积尘的产生；在采样之前或采样完成进行测量的时，通过第一电机的旋转β采样柱，将测量β源的测量面旋转到相对采集样品的位置，通过样品下端的光电倍增管，测量β源透过样品的放射电子的多少，最后通过公式得出样品的质量数据。

本发明β射线颗粒物浓度监测仪的操作流程为：采样前将下筒松开，滤带移动一个采样空白位后，下筒压紧，β采样柱切换到β源位，光电倍增管开始在固定时间内检测出空白滤带的计数值，再将β采样柱切换到采样位，通过真空泵恒定流量采集一定时间的颗粒物后，β采样柱再次切换到β源位，光电倍增管开始固定时间内检测采集样品后的滤带，通过两次测量的计数和仪器采样的气体体积得出采样的颗粒物浓度值。

上述中的采样位指的是：β采样柱的采样孔连通了采样管道；β源位指的是：β采样柱的测量β源的测量面旋转至采样时获得的采集样品的位置处。

以下为本发明测量过程中计算其颗粒物浓度的整个过程：

监测系统是以恒定的β射线源先后穿过空白滤膜和采集有颗粒物样品的滤膜，比较其吸收量的变化，便可求得颗粒物样品的质量Δm。若测量的时间相同，前后两次测量的总计数分别为N₁和N₂。

β射线穿过吸收物质后，其强度的衰减可由式(1)计算：

式中：

I——β源辐射穿过物质后的强度；

I₀——β源的辐射强度；

Δm_T——吸收物质单位面积总质量(mg/cm2)；

K——质量吸收系数。

光电倍增管是用来对β射线通量进行计数的，其计数频率的变化可表征β射线强度的变化，由式(2)计算：

当β射线穿过单位面积质量为Δm₀的清洁滤膜时，其计数频率由式(3)计算：

开始颗粒物采集，设收集在滤膜上的颗粒物重量为Δm时，吸收物质的总质量为Δm_T＝Δm₀+Δm,此时的计数频率由式(4)计算：

用光电倍增管进行计数，采样前后两次计数的时间相等，则两次计数的总数分别由式(5)和式(6)计算：

N₁＝f₁T_s..................................(5)

N₂＝f₂T_s..................................(6)

式中：

N₁，N₂——分别为光电倍增管对应清洁滤膜和采集有颗粒物滤膜时的计数累加值；

f₁，f₂——由式(3)和式(4)确定的计数管的计数频率；

T_S——计数管的计数时间，设置为120秒。

颗粒物的质量由式(7)计算：

式中：

S——采样斑点面积，cm2，其它参数说明同上述。

采样时，环境大气进入采样入口，流经滤膜时颗粒物沉积下来，在滤膜上形成一个面积为1cm2的样品尘斑。采样标况体积由式(8)计算：

式中：

V_nd——采气标况体积，L；

Q——采样泵的采气流量，L/min；

t——采气时间，min；

T_r——计前温度，℃；

B_a——现场环境大气压，kPa。

颗粒物浓度由式(9)计算：

式中：

C——颗粒物浓度，mg/m3；其它参数说明同上述。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种β射线颗粒物浓度监测仪，其特征在于，包括：竖直方向的采样管道；

颗粒物切割器，置于所述采样管道的入口处并与所述采样管道相连接；

采集与测量装置，通过所述采样管道与所述颗粒物切割器相连通，其中，所述采集与测量装置包括：上采样体和下采样体；

所述上采样体的内部设置有一可转动的β采样柱，所述β采样柱上开设有一垂直于β采样柱轴线的采样孔，所述采样孔为一通孔且该采样孔位置与所述上采样体上连接的采样管道的位置相对应，并且在开设有采样孔位置相对应的所述β采样柱的表面镶嵌有一测量β源，以达到在采样时通过旋转所述β采样柱使得采样孔垂直连通所述采样管道以及在测量时通过旋转所述β采样柱将所述测量β源的测量面旋转至采样时获得的采集样品的位置处，以形成在采样时和测量时，相对于滤带上采集样品的位置保持不变；

所述下采样体具有一检测传感器和一可移动的压带装置，所述检测传感器位于所述滤带的下方，用于在采样之前或测量时，在固定时间内对测量β源透过采集样品放射出的β射线通量进行计数；所述压带装置用于在检测过程中压紧或松开所述滤带；以及

滤带，置于所述上采样体、下采样体之间，并通过滤带盘对所述滤带进行移动；

所述β采样柱的一端通过第一联轴器与第一电机相连，并在其所述β采样柱的两端分别设置有轴承；

所述压带装置包括下筒、下筒座和凸轮驱动机构，所述下筒置于所述下筒座的上方且两者固结为一体，所述下筒座的内部为一中空部且下筒座的下端部具有一凸台，所述中空部与所述检测传感器相配合，同时，所述凸轮驱动机构包括一凸轮，所述凸轮与所述凸台保持接触，以通过凸轮的转动进而驱动其所述下筒座及下筒进行上下移动。

2.根据权利要求1所述的一种β射线颗粒物浓度监测仪，其特征在于，所述凸轮驱动机构包括凸轮、凸轮轴、第二联轴器和第二电机，所述凸轮轴上安装有所述凸轮，且其凸轮轴的一端通过第二联轴器与所述第二电机相连。

3.根据权利要求2所述的一种β射线颗粒物浓度监测仪，其特征在于，所述第一联轴器与所述β采样柱的连接位置处以及所述第二联轴器与所述凸轮轴的连接位置分别设置有一光栅片，并在所述光栅片的上方设置有光电开关，以精确定位所述β采样柱的旋转位置以及精确定位所述压带装置的移动位置。

4.根据权利要求1所述的一种β射线颗粒物浓度监测仪，其特征在于，所述监测仪还包括有流量控制装置，所述流量控制装置包括有：流量孔板、真空泵和泵控制器，所述流量孔板通过所述采样管道分别与所述下采样体和所述真空泵相连通，另外，所述泵控制器控制所述真空泵以恒定流量对颗粒物进行采样。

5.根据权利要求1所述的一种β射线颗粒物浓度监测仪，其特征在于，所述监测仪还包括有加热装置，所述加热装置包括加热器和室外温湿度传感器，所述加热器根据所述室外温湿度传感器检测的环境湿度对进入至所述采集与测量装置内的采样样品的温湿度控制在一恒定值。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的一种β射线颗粒物浓度监测仪，其特征在于，所述监测仪还包括有主控板，所述主控板分别与加热装置、检测传感器、流量孔板和真空泵相连接，用于实现对上述装置进行实时控制。

7.根据权利要求6所述的一种β射线颗粒物浓度监测仪，其特征在于，所述颗粒物切割器为PM10、PM5、PM2.5、PM1.0中的一种或二种以上的切割器，另外，所述检测传感器为光电倍增管或盖革传感器中的任意一种。

8.根据权利要求7所述的一种β射线颗粒物浓度监测仪，其特征在于，所述采样孔为垂直方向的通孔或锥形通孔中的一种。