CN109164024A - 一种基于声表面波技术的大气颗粒物测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于声表面波技术的大气颗粒物测量装置及方法。测量装置包括：冲击式分级采样单元、声表面波传感器、流量控制单元和控制与运算单元；冲击式分级采样单元将大气中不同粒径的颗粒物进行分离；声表面波传感器用于采集分离后的不同粒径的颗粒物；流量控制单元用于获得通过气体的体积；流量控制单元与所述控制运算单元连接，控制运算单元根据流量控制单元计算参数控制风速的流量，同时采集声表面波传感器信号并计算出不同粒径颗粒物质量，根据所述粒径颗粒物的质量计算出大气中不同粒径的体积浓度或质量浓度。本发明实现了大气颗粒物的粒径切割与采集的一体化；同时实现了使用声表面波传感器对颗粒物质量的直接测量，提高颗粒物质量检测的精度。

Description

一种基于声表面波技术的大气颗粒物测量装置及方法

技术领域

本发明涉及大气颗粒物测量领域，特别是涉及一种基于声表面波技术的大气颗粒物测量装置及方法。

背景技术

现有技术中关于大气颗粒物测量的技术包括采用光散射法、β射线法和微振荡天平法。

光散射法基于光散射原理。当光束入射到颗粒上时，将向空间四周散射，光的各个散射参数与颗粒的粒径密切相关，为颗粒物的测量提供了一个尺度。

β射线仪则是利用Beta射线衰减的原理，环境空气由采样泵吸入采样管，经过滤膜后排出，颗粒物沉淀在滤膜上，当β射线通过沉积有颗粒物的滤膜时，β射线的能量衰减，通过对衰减量的测定计算出颗粒物的浓度。

微量振荡天平法是在质量传感器内使用一个振荡空心锥形管，在其振荡端安装可更换的滤膜，振荡频率取决于锥形管特征和质量。当采样气流通过滤膜，其中的颗粒物沉积在滤膜上，滤膜的质量变化导致振荡频率的变化，通过振荡频率的变化计算出沉积在滤膜上的颗粒物的质量，再根据流量、现场环境温度和气压计算出该时段颗粒物的质量浓度。

光散射法的测量精度低，β射线法和微振荡天平法对应产品的体积大、价格昂贵并且维护成本高，很难得到大量的推广和应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够精确测量大气中不同粒径颗粒物的浓度的基于声表面波技术的大气颗粒物测量装置及方法。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于声表面波技术的大气颗粒物测量装置。所述测量装置包括：冲击式分级采样单元、声表面波传感器、流量控制器和控制运算单元；

所述冲击式分级采样单元将大气中不同粒径的颗粒物进行分离；

所述声表面波传感器用于采集分离后的不同粒径颗粒物的质量；

所述流量控制单元用于获得通过的气体体积；所述流量控制单元与所述控制运算单元连接，

所述控制运算单元根据流量控制单元计算参数控制风速的流量，同时采集声表面波传感器信号并计算出不同粒径颗粒物质量，根据所述粒径颗粒物的质量计算出大气中不同粒径的体积浓度或质量浓度。

可选的，所述冲击式分级采样单元包括：腔体、通气孔板、传感器板、滤膜；载带颗粒物的气流进入所述腔体后，由于受到所述通气孔板的阻挡作曲线运动；分离不同粒径的颗粒物。

可选的，所述流量控制器包括：气体流量传感器、零点校准单元、开启度控制单元、比例阀数字预处理单元、脉冲宽度调整、PWM脉冲生成单元、比例阀。

可选的，所述流量控制器还包括：数字滤波单元，用于对所述当前气体流量信号进行数字滤波。

可选的，所述气体流量传感器的工作频率根据测量分辨率确定。

为了实现上述目的，本发明还提供了如下方案：

一种基于声表面波技术的大气颗粒物测量方法，所述测量方法包括：

获取多个所述声表面波传感器的中心频率；

计算对应的表面颗粒物质量；

通过所述流量控制单元产生固定流量的空气气流，所述空气气流经过所述冲击式分级采样单元；

由于空气中的不同粒径颗粒物的惯性不同，颗粒物按设定的粒径分别被切割出来，并收集在多个所述声表面波传感器的表面；

多个所述声表面波传感器收集到颗粒物之后，工作频率发生偏移；

计算空气中颗粒物中的粒径颗粒物的浓度，所述浓度具体为体积浓度或质量浓度。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供了一种基于声表面波技术的大气颗粒物测量装置及方法，采用数字式气体流量传感器读取气体流量信号，减少了信号采集部分的模拟电路，在提高电路可靠性的同时，减少了电路的复杂度，通过对气路通道进行设计，减小了气体在控制器内的流通路径，从而减少了控制器对气体的阻力和干扰。提高了大气颗粒物的测量精度，将大气颗粒物的粒径切割和测量集成在一起，减少了大气颗粒物测量器具的体积。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种基于表面波技术的多级大气颗粒物测量装置的结构框图；

图2为本发明提供的一种基于表面波技术的多级大气颗粒物测量装置中冲击式分级采样单元的结构图；

图3为本发明提供的一种基于表面波技术的多级大气颗粒物测量装置中气体流量控制单元的结构图；

图4为本发明提供的一种基于表面波技术的多级大气颗粒物测量方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种能够精确测量大气中不同粒径颗粒物的浓度的基于声表面波技术的大气颗粒物测量装置及方法。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

一种基于声表面波技术的大气颗粒物测量装置。所述测量装置包括：冲击式分级采样单元、声表面波传感器、流量控制器和控制运算单元；

所述冲击式分级采样单元将大气中不同粒径的颗粒物进行分离；

所述声表面波传感器用于采集分离后的不同粒径颗粒物的质量；

所述流量控制单元用于获得通过的气体体积；所述流量控制单元与所述控制运算单元连接，

所述控制运算单元根据流量控制单元计算参数控制风速的流量，同时采集声表面波传感器信号并计算出不同粒径颗粒物质量，根据所述粒径颗粒物的质量计算出大气中不同粒径的体积浓度或质量浓度。

所述冲击式分级采样单元包括：腔体、通气孔板、传感器板、滤膜；载带颗粒物的气流进入所述腔体后，由于受到所述通气孔板的阻挡作曲线运动；分离不同粒径的颗粒物；在筒体内分层设置,利用惯性冲击原理，按照空气动力学特征，载带颗粒物的气流进入腔体后，由于受到通气孔板的阻挡作曲线运动。当气流发生转弯时，气流中所有颗粒物因其惯性作用，都有在原有方向上保持直线运动的趋势。这种直线运动一直要保持到出射速度为零时才停止。然后颗粒物才有可能跟随气流偏转。同样的线速度下，颗粒物粒径越大，前冲的距离也就越大，也就是其截至距离也就越大。截至距离大到一定程度的颗粒物，即粒径大到一定程度的颗粒物，才有可能一直冲到传感器板上，粒径小的则被滤膜采集。依此原理，冲击式采样单元将大气中不同粒径颗粒物，进行分离与收集。

所述声表面波传感器，采用延迟型声表面波芯片构成。此种延迟型声表面波芯片利用其叉指结构电路产生沿传感器表面传播的瑞利波，此波在两个叉指换能器之间振荡，其振荡频率稳定性高，且对颗粒物采集反应灵敏度高。依据所述冲击式分级采样单元的尺寸设计声表面波芯片的敏感区大小。用于测量所述冲击式分级采样单元收集到的不同粒径颗粒物的质量。

所述流量控制单元，由气体流量传感器、零点校准单元、开启度控制单元、比例阀数字预处理单元、脉冲宽度调整单元、PWM脉冲生成单元、比例阀构成。气体流量传感器采集现时气体的流量信息，通过控制PWM脉冲波的脉冲宽度来控制比例阀的开启度，此闭环控制用于精确控制流经所述测量系统空气的质量流量。其中，零点校准单元用于校准流量的初始值；比例阀数字预处理单元和开启度控制单元一起用于控制比例阀的开启度，进而控制流经测量系统空气的质量流量；PWM脉冲生成单元和脉冲宽度调整单元是通过调整PWM脉冲波的宽度来调整比例阀的开启度。

所述流量控制器包括：气体流量传感器、零点校准单元、开启度控制单元、比例阀数字预处理单元、脉冲宽度调整、PWM脉冲生成单元、比例阀。

可选的，所述流量控制器还包括：数字滤波单元，用于对所述当前气体流量信号进行数字滤波。

所述控制与运算单元，由采集声表面波传感器中心频率、计算传感器表面颗粒物质量、产生固定流量的空气、分级采样单元按粒径收集颗粒物、探测声表面波传感器工作频率、重新计算传感器表面颗粒物质量、推算出固定流量气体中不同粒径的颗粒物含量步骤构成,用于控制系统工作周期并对工作时长进行定时；用于计算一定时间dT内经所述流量控制单元的空气标况体积V；用于计算一定时间根据所述声表面波传感器的不同时间dT内各种粒径颗粒物的质量差dQn；用于根据所述空气的标况体积V和所述各种粒径颗粒物质量差dQn计算空气中不同粒径颗粒物的体积浓度Cvn或质量浓度Cmn。

所述基于声表面波技术的多级大气颗粒物测量装置还包括自动零点校准单元，所述声表面波传感器还用于在所述流量控制器关闭且气路通道内部气体稳定时，获取各个粒径颗粒物的原始质量值。

所述气体流量控制系统还包括数字滤波单元，用于对所述当前气体流量信号进行数字滤波。

所述气体流量传感器的工作频率根据测量分辨率确定。

为了实现上述目的，本发明还提供了如下方案：

一种基于声表面波技术的大气颗粒物测量方法，所述测量方法包括：

获取多个所述声表面波传感器的中心频率；

计算对应的表面颗粒物质量；

通过所述流量控制单元产生一固定流量的空气气流，所述空气气流经过所述冲击式分级采样单元；

由于空气中的不同粒径颗粒物的惯性不同，颗粒物按设定的粒径分别被切割出来，并收集在多个所述声表面波传感器的表面；

多个所述声表面波传感器收集到颗粒物之后，工作频率发生偏移；

控制运算单元从系统启动工作时刻开始定时一个工作时间T(分钟)，定时时间T到点后，控制运算单元再次读取每一个声表面波的工作频率以及对应的表面颗粒物质量，并计算前后的质量差Mn(ug)。由于空气流量固定，既H(SLM)，其中Mn既某一粒径颗粒物的质量，如粒径1颗粒物质量为M1，粒径2颗粒物质量M2。其中粒径的粒度分布可由冲击式分级采样单元通过机械尺寸来设定。控制与运算单元首先计算流经系统的空气总量Vl＝H×T，其中Vl的单位是升(L)，将其转换成单位为立方米的V＝Vl/10³(M³)；

计算空气中颗粒物中的粒径颗粒物的质量浓度。如图1所示，本发明一种基于声表面波技术的多级大气颗粒物测量装置,由冲击式分级采样单元101、声表面波传感器102，流量控制单元103、控制与运算单元104组成。

如图2所示，冲击式分级采样单元,由腔体200、通气孔板201、传感器板202、滤膜203构成,在筒体内分层设置,

如图3所示，气体流量控制单元,由气体流量传感器300、零点校准单元301、开启度控制单元302、比例阀数字预处理单元303、脉冲宽度调整单元304、PWM脉冲生成单元305、比例阀306构成,

如图4所示，控制与运算单元的流程图,

本发明的一种基于声表面波技术的多级大气颗粒物测量方法:

步骤1：控制与运算单元采集每一个声表面波传感器的中心频率；

步骤2：计算其对应的表面颗粒物质量；

步骤3：通过流量控制单元产生固定流量H(单位SLM)的空气气流，空气气流经过冲击式分级采样单元；

步骤4：由于空气中的不同粒径颗粒物的惯性不同，颗粒物按设定的粒径分别被切割出来，并收集在不同的声表面波传感器的表面；

步骤5：每一个声表面波传感器收集到颗粒物之后，工作频率发生会发生偏移；

步骤6：控制运算单元从系统启动工作时刻开始定时一个工作时间T(分钟)，定时时间T到点后，控制运算单元再次读取每一个声表面波的工作频率以及对应的表面颗粒物质量，并计算前后的质量差Mn(ug)。由于空气流量固定，既H(SLM)，其中Mn既某一粒径颗粒物的质量，如粒径1颗粒物质量为M1，粒径2颗粒物质量M2。其中粒径的粒度分布可由冲击式分级采样单元通过机械尺寸来设定。控制与运算单元首先计算流经系统的空气总量Vl＝H×T，其中Vl的单位是升(L)，将其转换成单位为立方米的V＝Vl/10³(M³)；

步骤7：计算空气中颗粒物某一粒径颗粒物的质量浓度(标况)Cmn＝Mn/V。

本发明通过采用数字式气体流量传感器读取气体流量信号，减少信号采集部分的模拟电路，在提高电路可靠性的同时，减少了电路的复杂度；通过对气路通道进行设计，减小气体在控制器内的流通路径，从而减少控制器对气体的阻力和干扰。

本发明的软件设计采用嵌入式实时操作系统(RTOS)，在满足大运算量的同时，能够保障各种控制任务的实时性要求。将周期性的计算任务和各种控制任务通过操作系统的调度，可以实现各个任务的并行运行。

本发明通过自动零点校准技术，在每一个测量周期控制系统将流量控制器关闭，等待一段时间(如3秒)，控制系统的气路通道内部气体稳定后，读取声表面波传感器的原始值，并以此原始值为颗粒物质量零值。

本发明区别于现有技术的有益效果：

本发明通过采用数字式气体流量传感器读取气体流量信号，减少信号采集部分的模拟电路，在提高电路可靠性的同时，减少了电路的复杂度；通过对气路通道进行设计，减小气体在控制器内的流通路径，从而减少控制器对气体的阻力和干扰。

本发明的软件设计采用嵌入式实时操作系统(RTOS)，在满足大运算量的同时，能够保障各种控制任务的实时性要求。将周期性的计算任务和各种控制任务通过操作系统的调度，可以实现各个任务的并行运行。

本发明通过自动零点校准技术，在每一个测量周期控制系统将流量控制器关闭，等待一段时间(如3秒)，控制系统的气路通道内部气体稳定后，读取声表面波传感器的原始值，并以此原始值为颗粒物质量零值。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种基于声表面波技术的大气颗粒物测量装置，其特征在于，所述测量装置包括：冲击式分级采样单元、声表面波传感器、流量控制器和控制运算单元；

所述冲击式分级采样单元将大气中不同粒径的颗粒物进行分离；

所述声表面波传感器用于采集分离后的不同粒径颗粒物的质量；

所述流量控制单元用于获得通过的气体体积；所述流量控制单元与所述控制运算单元连接，

所述控制运算单元根据流量控制单元计算参数控制风速的流量，同时采集声表面波传感器信号并计算出不同粒径颗粒物质量，根据所述粒径颗粒物的质量计算出大气中不同粒径的体积浓度或质量浓度。

2.根据权利要求1所述的一种基于声表面波技术的大气颗粒物测量装置，其特征在于，所述冲击式分级采样单元包括：腔体、通气孔板、传感器板、滤膜；载带颗粒物的气流进入所述腔体后，由于受到所述通气孔板的阻挡作曲线运动；分离不同粒径的颗粒物。

3.根据权利要求1所述的一种基于声表面波技术的大气颗粒物测量装置，其特征在于，所述流量控制器包括：气体流量传感器、零点校准单元、开启度控制单元、比例阀数字预处理单元、脉冲宽度调整、PWM脉冲生成单元、比例阀。

4.根据权利要求1所述的一种基于声表面波技术的大气颗粒物测量装置，其特征在于，所述流量控制器还包括：数字滤波单元，用于对所述当前气体流量信号进行数字滤波。

5.根据权利要求3所述的一种基于声表面波技术的大气颗粒物测量装置，其特征在于，所述气体流量传感器的工作频率根据测量分辨率确定。

6.一种基于声表面波技术的大气颗粒物测量方法，其特征在于，所述测量方法包括：

获取多个所述声表面波传感器的中心频率；

计算对应的表面颗粒物质量；

通过所述流量控制单元产生固定流量的空气气流，所述空气气流经过所述冲击式分级采样单元；

由于空气中的不同粒径颗粒物的惯性不同，颗粒物按设定的粒径分别被切割出来，并收集在多个所述声表面波传感器的表面；

多个所述声表面波传感器收集到颗粒物之后，工作频率发生偏移；

计算空气中颗粒物中的粒径颗粒物的浓度，所述浓度具体为体积浓度或质量浓度。