CN109238934A - 考虑滤膜形变的β射线衰减法颗粒物浓度监测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑滤膜形变的β射线衰减法颗粒物浓度监测方法及系统，该系统包括β射线衰减法颗粒物浓度测试仪、处理器和摄像机，摄像机拍摄滤膜发生变形后的图像并传输给处理器，处理器对滤膜进行采样点划分并获取采样点处的厚度并计算采样后滤膜的质量，处理器依据本发明的方法计算得到颗粒物浓度。本发明的监测系统结构简单，消除了滤膜发生形变而造成的测量误差，提高了测量结果的准确性。

Description

考虑滤膜形变的β射线衰减法颗粒物浓度监测方法及系统

技术领域

本发明涉及空气污染物监测技术领域，具体涉及一种考虑滤膜形变的β射线衰减法颗粒物浓度监测方法及系统。

背景技术

随着我国环保事业的不断发展，人们对大气颗粒物认识的逐步深入，固定污染源颗粒物浓度实时监测也终将成为必然。目前，颗粒物浓度的监测方法主要有光学法、β射线衰减法、电荷感应法以及微量振荡天平法等。针对燃煤电厂超低排放监测，光学法与电荷感应法具有实时连续监测的优势，然而光学法监测设备处于长期运行时，易发生光学窗口污染、仪器漂移等问题，需要后期频繁标定，电荷感应法测量结果的准确性受颗粒物的荷电性能以及环境温湿度变化的影响较大。较其它检测方法,β射线衰减法和微量振荡天平法检测原理直接反映了颗粒物本身的密度和质量，具有较高的准确性和稳定性，但实时性较差。

相对于微量振荡天平法，β射线衰减法具有维护量小、成本低的优点，以β射线衰减法作为标定方法的监测设备将更有利于在颗粒物监测领域的普及和推广。然而，在低浓度环境下测量时，β射线衰减法测量结果仍然具有较大的误差，如何优化β射线衰减法检测技术，实现颗粒物浓度的精确测量是亟需解决的技术问题。

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考虑滤膜形变的β射线衰减法颗粒物浓度监测方法及系统。

为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第一个方面，本发明提供了一种考虑滤膜形变的β射线衰减法颗粒物浓度监测方法，其包括如下步骤：

S1，采集β射线衰减法颗粒物浓度测试仪测试前的厚度，以及测试后不同位置的滤膜测试厚度与真实厚度的夹角，获得测试后滤膜发生变形后的采样厚度，其中，L₁为测试前滤膜的厚度，L_2i为测试后滤膜发生变形后的采样厚度，将测试后的滤膜分割为n个采样点，n为正整数，i为采样点，i为正整数且1≤i≤n，L₁/L_2i＝cosθ_i，θ_i为采样点i处测试厚度与真实厚度的夹角；

S2，假设放射源初始射线强度I₀保持不变，测量采样前后的β射线穿过滤膜后的强度I₁、I₂，

利用L₁、L_2i得到：

其中，I'_2i为滤膜发生变形后β射线穿过介质后的采样点i处的射线强度，I₁为测量采样前的β射线穿过滤膜后的强度，μ_m为被测物质的质量吸收系数，ρ为被测物质的密度；

S3，计算测量采样后的β射线穿过滤膜后的强度I₂，

S4，根据获得的滤膜厚度或滤膜质量计算厚度影响因子ε，采样前后滤膜增量公式为：

其中，m₁为采样前滤膜的质量、m₂为采样后滤膜与颗粒物质量之和，s为被测区域面积；

S5，计算得到颗粒物浓度：

所述V为采样流量。

本发明的监测方法利用影响因子ε对颗粒物浓度计算公式进行修正，提高测量结果的准确性，降低甚至消除滤膜发生形变而造成的测量误差。

为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第二个方面，本发明提供了一种利用考虑滤膜形变的β射线衰减法颗粒物浓度监测方法的监测系统，包括β射线衰减法颗粒物浓度测试仪、处理器和摄像机，所述摄像机拍摄滤膜发生变形后的图像并传输给处理器，所述处理器对滤膜进行采样点划分并获取采样点处的厚度并计算采样后滤膜的质量，处理器依据本发明的方法计算得到颗粒物浓度。

本发明的监测系统结构简单，消除了滤膜发生形变而造成的测量误差，提高了测量结果的准确性。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明一种优选实施方式中抽取零气前后β射线强度变化曲线；

图2是本发明一种优选实施方式中采样前后滤膜剖面示意图，其中，(a)为采样前的滤膜剖面示意图，(b)为采样后的滤膜剖面示意图，(c)为一个采样点的测试厚度采样值与真是厚度之间的关系图。

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。

β射线是原子核衰变所产生的具有强贯穿、弱电离能力的高能电子流，当一定能量的β射线穿过待测物质时，电子流将会与被测物质的原子或原子核发生相互作用，致使射线能量衰减。在现有技术中，β射线衰减法检测原理是基于射线穿过物质时的衰减特性，其能量衰减程度与放射源的能量、吸收体的组成有关，并服从指数分布规律，满足以下方程：

I＝I₀e^-μL (1)

其中，I₀与I分别为β射线穿过介质前后的射线强度；L为被测物质的厚度；μ为β射线透射物质时的线衰减系数。

其中，μ_m为被测物质的质量吸收系数；ρ为被测物质的密度；

将式(2)代入式(1)有：

其中，d_m＝Lρ，d_m为待测物质的质量厚度。故进一步可得：

其中，m为被测区域物质的质量；s为被测区域面积。假设放射源初始射线强度I₀保持不变，通过测量采样前后的β射线穿过滤膜后的强度I₁、I₂，并代入式(4)即可得到采样后滤膜的增量：

其中，m₁为采样前滤膜的质量、m₂为采样后滤膜与颗粒物质量之和。当已知采样流量V时，由式(5)可得采样气体中颗粒物浓度c，

采样过程中，β射线衰减法监测系统采样区的滤膜纸带在压紧装置和采样负压作用下将发生拉伸和弯曲变形。为研究滤膜因拉伸、弯曲变形对测量结果的影响，利用β射线衰减法颗粒物质量浓度监测设备对玻璃纤维卷式滤膜采样前后的射线强度进行了测试，并选取零气为采样气体以保证采样前后滤膜的质量增量近似为0，采样时间为30s，共进行20组实验，测试结果如图1所示。

由式(6)可知，同一滤膜在测量面积S不变的条件下，当采样前后滤膜的增量为0时，射线强度I₁、I₁′理应相等，这显然与实验结果相矛盾。为究其原因，对式(6)的推导过程进行分析，式子(1)-(6)的推导过程基于三个假设条件：①放射源强度I₀不变；②质量吸收系数μ_m不变；③采样前后滤膜的测试厚度不发生改变。作为β射线放射源的C₁₄，其半衰期为5730±40a，即可认为放射源强度I₀在测量过程是稳定不变的。而理论上，物质的质量吸收系数μ_m与其密度及物理状态无关，仅与吸收物质组成结构和放射源的能量有关，并可根据物质元素的吸收系数和质量组成分数计算，且元素的吸收系数同其作用面积及摩尔质量有关，计算公式如下：

式中，α为作用面积，与元素和射线的能量有关，射线能量越大，α越小，即射线能量越大，吸收系数越小；N_A为质量组成分数；M为摩尔质量。而且有关学者就质量吸收系数μ_m的影响因素进行了相关研究，研究结果表明当被测物质种类、射线源能量及射线源到滤膜之间的距离不变时，质量吸收系数μ_m不会因待测物质的厚度变化而发生变化。因此，假设条件①和②在实验过程中是成立的。然而，采样前后滤膜的真实厚度虽然未发生明显改变，但是其测试厚度却因受力变形发生了明显变化。

基于此分析，本发明提供了一种考虑滤膜形变的β射线衰减法颗粒物浓度监测方法，其包括如下步骤：

S1，采集β射线衰减法颗粒物浓度测试仪测试前的厚度，以及测试后不同位置的滤膜测试厚度与真实厚度的夹角，获得测试后滤膜发生变形后的采样厚度，其中，L₁为测试前滤膜的厚度，L_2i为测试后滤膜发生变形后的采样厚度，将测试后的滤膜分割为n个采样点，n为正整数，i为采样点，i为正整数且1≤i≤n。采样前、后滤膜的剖面示意图如图2所示，图中实线箭头表示β射线。由图2可知，采样前有效测试厚度为滤膜本身的真实厚度，而采样后因滤膜发生变形。

L₁/L_2i＝cosθ_i，θ_i为采样点i处测试厚度与真实厚度的夹角。

在本实施方式中，通过测量滤膜的变形角，反推滤膜厚度变化。具体厚度可通过但不限于以下方法得到：摄像机采集图像并将图像传输给处理器，如图2(c)所示，在图像中画出滤膜切线，得到滤膜切线的垂线和竖直线，处理器测出滤膜切线与水平线的夹角(即图中滤膜切线的垂线与竖直线的夹角)。

S2，假设放射源初始射线强度I₀保持不变，测量采样前后的β射线穿过滤膜后的强度I₁、I₂，

利用L₁、L_2i得到：

其中，I'_2i为滤膜发生变形后β射线穿过介质后的采样点i处的射线强度，I₁为测量采样前的β射线穿过滤膜后的强度，μ_m为被测物质的质量吸收系数，ρ为被测物质的密度。

由此可知，即使滤膜质量增量为0，采样前后射线强度却因采样负压作用下滤膜测试厚度的变化而有所变化，与实验结果相吻合。

S3，计算测量采样后的β射线穿过滤膜后的强度I₂，

S4，根据获得的滤膜厚度或滤膜质量计算厚度影响因子ε，采样前后滤膜增量公式为：

其中，m₁为采样前滤膜的质量、m₂为采样后滤膜与颗粒物质量之和，s为被测区域面积；

S5，计算得到颗粒物浓度：

所述V为采样流量。

在本实施方式中，要降低采样前后滤膜测试厚度变化引起的测量误差，引入厚度影响因子ε，可以根据滤膜厚度计算厚度影响因子ε，方法为：

由于不同的β射线法监测设备的负压设置、滤膜材质、气路设计及装置结构都存在差异性，因此，对于不同的监测设备其影响因子ε应分别计算。在β射线衰减法颗粒物浓度测试仪运行前，对采取不同流量、工艺及材料的β射线衰减法颗粒物浓度测试仪的影响因子ε进行求解。

在本发明另外的优选实施方式中，采样后滤膜测试厚度的变化将会导致穿过滤膜后射线强度发生改变，进而造成采样后滤膜质量的测量值与其真实值之间存在偏差，还可以根据滤膜质量计算厚度影响因子ε的方法为：

假设采样后滤膜质量的计算值为m′，m为采样前滤膜的质量；

在本实施方式中，可以采用现有的β射线法监测设备(β射线衰减法颗粒物浓度测试仪)，采样后滤膜的质量由β射线法监测设备测试并计算显示，具体原理和显示方法可见β射线法监测设备的说明及应用，在此不作赘述。

修正后的颗粒物浓度计算公式相对于现有计算公式在形式上略显复杂，然而在实际使用过程中，当放射源能量以及探测器与放射源之间距离恒定的条件下，射线强度I₀(放射源与探测器之间未放置滤膜时的射线强度)是稳定不变的，仅需在设备调试时对I₀进行测试，而在后期系统运行中，仍仅需测试滤膜采样前后的β射线强度值即可完成对颗粒物浓度的计算。

本发明还提供了一种考虑滤膜形变的β射线衰减法颗粒物浓度监测方法的监测系统，包括β射线衰减法颗粒物浓度测试仪、处理器、摄像机和测重装置，所述摄像机拍摄滤膜发生变形后的图像并传输给处理器，所述测重装置获取滤膜测试前后的质量并传输给处理器，所述处理器对滤膜进行采样点划分并获取采样点处的厚度，处理器依据本发明的方法计算得到颗粒物浓度。

本发明的监测方法利用影响因子ε对颗粒物浓度计算公式进行修正，提高测量结果的准确性，降低甚至消除滤膜发生形变而造成的测量误差。

本发明的监测系统结构简单，消除了滤膜发生形变而造成的测量误差，提高了测量结果的准确性。

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、结构、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、结构、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：在不脱离本发明的原理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 (5)

1.一种考虑滤膜形变的β射线衰减法颗粒物浓度监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1，采集β射线衰减法颗粒物浓度测试仪测试前的厚度，以及测试后不同位置的滤膜测试厚度与真实厚度的夹角，获得测试后滤膜发生变形后的采样厚度，其中，L₁为测试前滤膜的厚度，L_2i为测试后滤膜发生变形后的采样厚度，i为采样点，将测试后的滤膜分割为n个采样点，n为正整数，i为正整数且1≤i≤n，L₁/L_2i＝cosθ_i，θ_i为采样点i处测试厚度与真实厚度的夹角；

S2，假设放射源初始射线强度I₀保持不变，测量采样前后的β射线穿过滤膜后的强度I₁、I₂，

利用L₁、L_2i得到：

其中，I'_2i为滤膜发生变形后β射线穿过介质后的采样点i处的射线强度，I₁为测量采样前的β射线穿过滤膜后的强度，μ_m为被测物质的质量吸收系数，ρ为被测物质的密度；

S3，计算测量采样后的β射线穿过滤膜后的强度I₂，

S4，根据获得的滤膜厚度或滤膜质量计算厚度影响因子ε，采样前后滤膜增量公式为：

其中，m₁为采样前滤膜的质量、m₂为采样后滤膜与颗粒物质量之和，s为被测区域面积；

S5，计算得到颗粒物浓度：

所述V为采样流量。

2.根据权利要求1所述的考虑滤膜形变的β射线衰减法颗粒物浓度监测方法，其特征在于，根据滤膜厚度计算厚度影响因子ε的方法为：

3.根据权利要求1所述的考虑滤膜形变的β射线衰减法颗粒物浓度监测方法，其特征在于，根据滤膜质量计算厚度影响因子ε的方法为：

其中，采样后滤膜质量的计算值为m′，m为采样前滤膜的质量。

4.根据权利要求1至3之一所述的考虑滤膜形变的β射线衰减法颗粒物浓度监测方法，其特征在于，在β射线衰减法颗粒物浓度测试仪运行前，对采取不同流量、工艺及材料的β射线衰减法颗粒物浓度测试仪的影响因子ε进行求解。

5.一种利用权利要求1所述考虑滤膜形变的β射线衰减法颗粒物浓度监测方法的监测系统，包括β射线衰减法颗粒物浓度测试仪、处理器和摄像机，所述摄像机拍摄滤膜发生变形后的图像并传输给处理器，所述处理器对滤膜进行采样点划分并获取采样点处的厚度并计算采样后滤膜的质量，处理器依据权利要求1所述的方法计算得到颗粒物浓度。