CN109991137A - 基于α放射源的小型离子收集式粉尘监测装置 - Google Patents

基于α放射源的小型离子收集式粉尘监测装置 Download PDF

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CN109991137A CN201910261543.1A CN201910261543A CN109991137A CN 109991137 A CN109991137 A CN 109991137A CN 201910261543 A CN201910261543 A CN 201910261543A CN 109991137 A CN109991137 A CN 109991137A
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曹伯堂
曹洪伯
王金鹏
葛良
张炳玉
王明媚
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Abstract

本发明提供基于α放射源的小型离子收集式粉尘监测装置，包括传感系统，利用管状用于吸引空气并对空气中的粉尘含量进行测量，包括进气段和出气段，及位于中间的电场段，在电场段的轴心线上布置有阴极丝，圆周内侧壁上布置有吸收壁；测量系统，为所述阴极丝提供指定负压，同时测量所述阴极丝的负压变化量；数据处理系统，接收所述负压变化值，计算所述阴极丝输出的电压(感应电流)，得到测试场所粉尘浓度与感应电流的线性关系，进而得出当前测试场所的粉尘浓度值。本发明是将放射性同位素特性和离子收集式传感器技术有机结合，形成一种新型工作场所生产性粉尘监测传感系统，该传感系统具有非常高的灵敏度，1μm粒径粉尘测量下限约为0.1mg/m3。

Description

基于α放射源的小型离子收集式粉尘监测装置
技术领域
本发明涉及环境粉尘测量领域，特别涉及一种基于α放射源实时测量粉尘 浓度的离子收集式粉尘小型监测装置。
背景技术
粉尘是悬浮在空气中的固体微粒，高浓度粉尘会引起近地表空间温度的持 续升高，是导致地球“温室效应”的环境因素，也是造成我国环境污染、工作 和居住场所生态恶化的主因之一。
工作场所广泛存在的粉尘会诱发多种职业性疾病，劳动者在职业活动中， 被动吸入过量呼吸性粉尘会严重危害身体健康，最终发展为不可逆的职业性矽 肺和尘肺病，丧失劳动能力，加重社会和家庭负担；此外，生产性粉尘浓度进 一步升高，还存在引发爆炸的可能性，严重威胁工矿企业生产安全。
目前，较为成熟的粉尘监测技术包括：滤膜称重法、光散射和吸收法、声 学法、压电震动法、β射线质量吸收法等。现对这几类方法的技术原理分析如 下：
(1)滤膜称重法：这是目前粉尘监测所采用的最普遍方法，基本原理是 利用抽气泵抽取工作场所空气，将粉尘颗粒浓集在滤膜上，称量采样前后滤膜 质量差值而推算出工作场所的粉尘浓度水平。
(2)光散射和吸收法：光吸收法是利用激光器产生入射光照射到分光器， 分光器将入射光分为强度相等的两束光，一束作为信号光束照射测量区，然后 进入光电探测器，另一束作为参考光束，直接进入光电探测器，由于粉尘的吸 收和散射作用，前者光强变弱，则比较两者信号差值进行定量分析。
光散射法由固态光源发射经脉冲调制器调制的近红外线或激光平行光束， 向测定对象照射，粉尘颗粒对光所在方向散射，散射的光被聚焦到检测器检测， 放大输出电压或电流信号，在一定范围内信号与粉尘浓度成比例。根据接收器 与光源所成角度的大小可分为前散射、边散射和后散射。
(3)声学法：在粉尘待测区域内放置检测声源和接收器，当检测声源震 动穿透待测粉尘区域时受到固体颗粒的阻碍而造成声能值损失，此时声源声能 损失值与粉尘颗粒浓度含量有对应的函数关系，进而可以获得测量信号。
(4)压电震动法：采用两块相同的压电晶体(石英晶体谐振器)，一块晶体 用于参考对比，另一块作为测量装置被安置采样室内。在位于待测区域的采样 室内放置滤带，当被测粉尘通过滤带时，会被吸附在滤带上，从而引起其本身 质量的变化，引起采样室内压电晶体振动频率的改变，振动频率的变化量与粉 尘浓度呈线性关系，测量得到粉尘的质量浓度。
(5)β射线质量吸收法：当射线穿过测试区域时，与粉尘颗粒发生吸收 和散射等相互作用，射线束强度的衰减程度与粉尘颗粒浓度具有e指数函数关 系。射线吸收法的测量动态范围很广，在大多数的光谱范围内都可以测量，并 且具有测量精确度高和灵敏度高等优点，通常使用β放射性同位素。
在上述方法中，滤膜称重法为达到标准给出的等速采样要求，需调节抽气 泵控制采样流量(采样流量与场所实际气体流量、流场分布可比拟)，测量结 果是长时间累积后的平均值，不能反映场所粉尘浓度的实时变化。采样获得的 滤膜样品需在实验室进行分析处理，属于离线测量方式，存在滞后效应。这一 技术与工作场所实时、连续监测的要求差异很大，虽为现在广泛采用的标准方 法，但其现场应用受到方法原理限制。
光散射和光吸收法虽然具有较高灵敏度，可以实现在线测量，但测定准确 度受光源单色性偏离、粉尘粒径大小及其形貌、分布状况、介质不均匀性以及 测定物颜色等多因素作用，长期测量结果可靠性不高，难以满足连续测量的要 求。一般情况下，该方法仅适用低浓度粉尘(环境水平)、高浓度气固两相流 测量，粉尘浓度变化大、成份复杂粉尘环境中，颗粒质点间易相互作用而导致 测量对象物理和化学性质发生改变，引起测量结果失真，因而不适用于工作场 所粉尘监测。
声学法是利用声能损失值来测量粉尘浓度，含尘气流速度与压强、湿度、 温度的变化以及粉尘粒径分散度差异等都会影响测量结果的准确性，测量结果 不可靠。
压电震动法每次测量时均需要对压电晶体上所沉积的粉尘颗粒进行清除， 以便获得较为可靠的结果。因此，操作复杂且自动化程度低，且不适合实时在 线、长时间的粉尘浓度监测。
β射线质量吸收法因其固有特性，需选用适宜的β放射源，并合理设置辐 射场分布。从技术角度出发，采用较高活度和较高射线能量的辐射源项，灵敏 度高的辐射探测系统，对有效提高监测结果准确性和可靠性具有决定意义，但 同时也为系统能够满足辐射防护要求提出了较为苛刻的实现条件。另外，以该 方法目前所达到的常规技术水平，仪器设备相对精密笨重，维护管理的成本较 高，尚不能符合对工作场所粉尘监测所迫切需要的，分布式采样测量发展趋势 的要求。同时，复杂使用条件下，涉及较为大量放射源项的辐射防护管理也存 在一定实际困难(例如：多数据通道集成处理分析，可能在粉尘分布不均匀、浓度变化差异大的场所内需采用多套监测系统，即需配置多枚放射源)。因此， β射线质量吸收法在如何兼顾结果可靠性和工作场所辐射防护，平衡两者矛盾 关系方面，受到现场实际应用条件的很大限制，使用范围有限。另一方面，绝 大多数基于β射线质量吸收法原理的粉尘监测仪表仍需要使用滤膜或类似样 品(包括人工或自动换样系统)进行测试，受到方法灵敏度限制，无论是主动 式方式(采用大流量抽气泵将改变原有含尘空气流场，破坏工作场所内粉尘颗 粒的自然分布状态，与现场实际符合性较差，属于非低速采样技术)或是被动 式累积方式(测试期间结果的平均值，无法反映粉尘浓度的瞬时动态变化，不 能进行峰值实时监测)，均不是现实意义上的实时在线测量方式。
综上所述，工作场所条件不同，粉尘浓度随生产情况的变化差异性显著， 一般情况下，劳动者接触粉尘危害的频次、时长和微观劳动工作状态难以准确 掌握，常规的抽样检测(年度检测、评价检测、日常检测等)获得数据与劳动 者接触粉尘危害的实际水平存在很大差异，尚无法依靠数据，较为准确的评估 粉尘引起的工作场所职业危害风险程度，并指导采取适宜而及时的防治措施。 如何实现工作场所粉尘浓度水平数据的实时、长期连续采集及在线科学分析， 已逐渐成为粉尘监测技术发展的重点和难点。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于α放射源实时测量粉尘浓度的离子收集式 粉尘小型监测装置。
特别地，本发明提供基于α放射源的小型离子收集式粉尘监测装置，包括 传感系统，利用管状用于吸引空气并对空气中的粉尘含量进行测量，包括对进 入的空气利用α放射源进行电离的进气段，排出空气的出气段，和一端与所述 进气段连接另一端与出气段连接的电场段，在所述电场段的轴心线上布置有吸 收正离子的阴极丝，圆周内侧壁上布置有吸收负电子的吸收壁；
测量系统，为所述阴极丝提供指定负压，同时测量所述阴极丝的负压变化 量；
数据处理系统，接收所述负压变化值，并根据所述探测腔内荷电尘粒在电 场力和所述抽气泵形成的空气曳力复合作用下向相反极性的电极运动量，计算 所述阴极丝输出的电压(感应电流)，得到测试场所粉尘浓度与感应电流的线 性关系，进而得出当前测试场所的粉尘浓度值。
在本发明的一个实施方式中，所述电场段与所述进气段和所述出气段为活 动螺纹连接，在所述电场段的两端口分别垂直安装有穿过圆心的固定杆，所述 高压阴极丝的两端分别固定在两端的固定杆上。
在本发明的一个实施方式中，所述壳体的两端分别为圆锥形的收缩结构。
在本发明的一个实施方式中，所述进气段、电场段和出气段长度比为1：1： 1，所述传感器的总重低于100g，所述壳体的体积为Ф1.0～5.0cm×5.0～15.0cm。
在本发明的一个实施方式中，所述α放射源以阵列方式设置在所述壳体的 进气段的内表面。
在本发明的一个实施方式中，所述α放射源总活度为1×105～1×106Bq， 所述阴极丝Ф为0.01～0.1mm的金属材质，所述阴极丝上加载的负高压为 0～2260V，输出端连接有1～20G的电阻。
在本发明的一个实施方式中，所述出气段的端口连接有抽气泵，所述抽气 泵的抽取流量速度≤1L/min。
在本发明的一个实施方式中，所述测量系统包括外接电压的初级绕组，与 所述阴极丝连接的高级绕组，调节所述初级绕组输出至所述高级绕组电压的整 流变压器，以及接收所述整流变压器输出的电压及所述阴极丝变化电压的测量 绕组，所述测量绕组将测量的结果输送至所述数据处理系统。
在本发明的一个实施方式中，所述阴极丝输出的电压算法如下：
其中，Qe为电荷数，Q为电荷饱和值，M为倍增因子，N为带正电荷粉 尘粒子数目，q为粉尘粒子的荷正电量；
倍增因子的M的计算方式如下：
其中，ΔU是进入电晕场的正离子相继2次碰撞中所获得的电场能量，k 表示能产生倍增的最低外加电场强度E/Σn值，Σn为粉尘粒径、荷质比等有关 参数而引入的常量，nc为粉尘浓度，mg/m3，ΔU和k值通过实验对某一特定分 布带电粉尘测量的M和U关系曲线得到，U外加电压，a阴极丝半径，b收集 极半径。
本发明是将放射性同位素特性和离子收集式传感器技术有机结合，形成一 种新型工作场所生产性粉尘监测传感系统，该传感系统具有非常高的灵敏度， 1μm粒径粉尘测量下限约为0.1mg/m3。测量对象的选择性强，应用范围广泛， 适用于不同分散度和不同类型粉尘浓度的监测。整个传感系统可实现小型化， 探头总重不超过100g，几何体积为Ф1.0～5.0cm×5.0～15.0cm。安装方便灵活， 操作简易。可实现分布式设置，采集数据集线式处理。采用低活度α放射源作 为核心部件，能够符合我国辐射防护标准的相关要求，有效降低辐射防护负担 和管理成本，不造成生态环境污染。
还可实现在线监测，数据实时处理。测量系统工作于低速采样模式，较为 准确反映工作场所粉尘自然分布及浓度变化，适应多种工作方式(如时间加权 平均浓度容许值PC-TWA或短时间暴露浓度限值STEL等)，可为粉尘危害 防治提供关键支撑数据。
附图说明
图1是本发明一个实施方式的粉尘监测系统连接示意图；
图2是本发明一个实施方式的传感系统结构示意图；
图3是本发明一个实施方式的测量系统结构示意图；
图4是带正电荷粉尘粒子在电场段中的运动示意图；
图5是静态条件下随加载电压(0～2010V)变化的输出信号示意图；
图6是随外加电场强度变化的感应电流信号输出值示意图；
图7是粉尘浓度与感应电流的线性关系；
图8是本发明一个实施方式中滤膜重量法与传感器方法测量数据对比示意 图；
图9是本发明一个实施方式中数据传输过程示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明一个实施方式提供一种基于α放射源的小型离子收集 式粉尘监测系统，包括吸收外部粉尘的传感系统，测量传感系统变化的测量系 统，接收测量系统的数据并计算粉尘含量的数据处理系统。
如图2所示，该传感系统1包括空心的测量管，测量管的两端为收缩的锥 形，测量管的内部依次分为进气段2、电场段3和出气段4，这三者的长度比 为1：1：1，传感系统1的总重低于100g，测量管的体积为Ф1.0～5.0cm× 5.0～15.0cm。
在进气段2内，α放射源21以阵列方式设置在测量管内圆周表面，以对 进入的空气进行电离，空气被电离后产生大量正负离子，形成低密度非平衡的 空间等离子体。
电场段3的两端分别以垂直轴心线的方式安装一根固定杆，在两根固定杆 的中心系有与电场段3的轴心线重合以收集正离子的阴极丝31，电场段3的内 圆周表面覆盖有收集负离子的收集极32；荷电尘粒在电场力和抽气泵形成的空 气曳力(惯性力)复合作用下向相反极性的电极运动，尘粒漂移接近阴极丝31 和收集极32时，感生电荷形成的电流被收集处理，最终向测量系统输出电压 信号。
出气段4用于排出处理后的空气，同时在出口端设置有抽气泵，以使空气 能够由进气段进入测量管。
如图3所示，测量系统主要是由整流变压器ZB及其初级绕组W1、阴极 高压绕组W2和测量绕组W3电路组成；初级绕组电路接入工频电压380V， 提供了测量系统功率和功耗需求。高压绕组的收集极与地相连，通过高压硅整 流桥式电路(GZL)供给传感系统所需负高压，阴极丝31连接其负高压输出 端。测量绕组与高压绕组共用接地端，在结构上保证了测量绕组与高压绕组数 据具有耦合性。测量绕组是将输出信号进行桥式整流(ZL)后，接入磁电式直 流电压表获取支路电压信号。桥式整流电路的主要作用是利用高压硅二极管 (或整流二极管)将交变电流整形后形成直流高压，同时，防止逆电流对测量 电路的损坏。磁电式直流电压表和熔断电阻是测量绕组电路主要组成部分。
数据处理系统通过场所粉尘浓度与感应电流输出信号的线性关系，取电压 值作为输出信号，即可推算得到粉尘浓度，其具体计算的过程如下：
1.粉尘粒子荷电和粒数参数关系：
确定对测试场所粉尘分散度实际测量结果，符合罗森-拉姆格分布(偏倚函 数)。
2.静电场物理机制分析：
忽略重力和流场紊流影响，进入静电场内的荷电粉尘(带电粒子)运动分 为：
A)荷电粉尘粒子(带电粒子)具有水平初速度分量V0(平行于阴极丝和 收集极)和垂直初速度V⊥(垂直于阴极丝和收集极)组成的合速度，粉尘粒 子在水平方向以速度V0作匀速直线运动；
B)带电粒子受到垂直于阴极丝恒定静电场力的作用，在垂直方向作均加 速直线运动，其加速度可表示为式(1)。
其中，q为粉尘粒子所带电荷量，单位mC；U为静电压，单位V；d为阴 极丝和收集极间的距离，单位cm；m为粉尘粒子的重量，单位g；
则，粉尘粒子在垂直方向的合速度为式(2)：
因此，带电粉尘粒子在垂直方向的速度决定于空气曳力(惯性力)和静电 场(电场力)的共同作用，带正电荷的粉尘粒子以合速度VΣ做阴极丝向心运 动。带正电荷粉尘粒子在电场段32内的运动示意图如图4所示。
C)负高压阴极丝附近空间积聚正电荷，形成本征电场(电晕场)，场强 为Er，本征电场强度可表示为式(3)；
式中：r为轴上某点离球中心点的径向距离，单位cm。N为带正电荷粉尘 粒子数目，q为粉尘粒子的荷正电量，单位mC。
总电场强度为静电场强E与本征电场强度Er之和，E与Er处于同一数量 级水平或阴极丝发射电子数达到临界值时，阴极丝的附近发生辉光放电，并形 成正电荷积累(电晕场)，即为本征电场。本征电场的存在加强了正电荷与阴 极丝之间的电场强度，同时减弱了指向接地极(收集极)的电场强度。
带电粉尘粒子在静电场中漂移速度逐渐加快，最终将进入电晕场。随高压 逐渐变大，静电场强度不断增强，可将静电场内离子漂移和作用的过程分为3 个区域。
I区称为复合区，外加电压U很小，离子漂移速率很小，荷电尘粒的自由 扩散复合效应起主要作用，电极上收集到正离子数非常少，电晕场内的电离碰 撞作用不剧烈，感应电荷数(感应电流)也很小。
II区称为饱和区，外加电压到某一定值时，复合效应被抑制，进入静电场 的全部粉尘粒子(电子、离子)被收集达到饱和，电荷饱和值Q＝qN，这一区 域也称为坪区，坪区部分随外加高压增加，感应电荷(感应电流)的增长并不 明显。
III区称为正比区，外加电压升高超过某一定值U后，离子进入电晕场区 域，外加电场和本征电场使电子和离子获得足够能量，产生多次次级电离过程 并引起次级离子产生，因而收集到的总电荷量大于饱和值，电极上收集到的电 荷数为Qe＝M·qN，随着外加电压进一步升高，倍增因子M值变大，正比放大 感应电荷数Qe(感应电流)，逐渐强化电离放电。传感器主要工作在这一区域。
此时，可将传感器探头视为一个可变电容，则有输出电压信号表述为式(4)：
3.正比区倍增放大M值与外加电压U的定量关系；
带电粉尘粒子分别向阳极和阴极漂移，荷正(负)电粉尘粒子漂移越接近 阴极(阳极)，电场越大，离子迁移速率越高。当其到达某一距离(平均自由 程)内时，电离碰撞概率极大，离子由电场中获得的能量，足以与气体分子发 生多次电离碰撞，即产生更多的新离子对，不断增殖的结果将产生大量电子和 正离子。此时，外加电场强度处于正比区域，则发生雪崩倍增，输出电压信号 呈指数增加，迅速升高至饱和电压，此时，本征电场强度可达100kV～400kV/cm 水平。参考静电场作用的Diethorn公式，并引入非平衡等离子体折合电场理论， 可将传感器的倍增关系表述为式(5)；
ΔU是进入电晕场的正离子相继2次碰撞中所获得的电场能量，k表示能产 生倍增的最低外加电场强度E/Σn值，Σn为粉尘粒径、荷质比等有关参数而引 入的常量。nc为粉尘浓度，mg/m3。通过实验对某一特定分布带电粉尘测量的 M和U关系曲线，可定出ΔU和k值。M为倍增因子，U外加电压，a阴极丝 半径，b收集极半径。
对电场段32的分析可以看出，正离子漂移到电晕场内才能发生倍增放大， 则每个离子都经历着相同倍增过程，与最初其进入静电场的位置无关，从而可 得到与产生位置无关的倍增饱和值幅度信号。
本实施方式的传感系统具有非常高的灵敏度，1μm粒径粉尘测量下限约 为0.1mg/m3。测量对象的选择性强，应用范围广泛，适用于不同分散度和不 同类型粉尘浓度的监测。整个传感系统可实现小型化，探头总重不超过100g， 几何体积为Ф1.0～5.0cm×5.0～15.0cm。安装方便灵活，操作简易。可实现分布 式设置，采集数据集线式处理。采用低活度α放射源作为核心部件，能够符合 我国辐射防护标准的相关要求，有效降低辐射防护负担和管理成本，不造成生 态环境污染。
可实现在线监测，数据实时处理。测量系统工作于低速采样模式，较为准 确反映工作场所粉尘自然分布及浓度变化，适应多种工作方式(如时间加权平 均浓度容许值PC-TWA或短时间暴露浓度限值STEL等)，可为粉尘危害防 治提供关键支撑数据。
以下以具体实施例对本发明的实施方案做进一步的说明。
(1)静态测试
放射源发射的粒子电离周围空气产生自由电子、正离子，同时存在着正离 子与电子、负离子复合的动态逆过程。实验室微尘环境下(未接入预分离系统) 进行本底测试，离子对通过自由扩散至收集电场区(第二区)，由菲克第一定 律可知，在单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面积的扩散物质流量(称 为扩散通量，用J表示)与该截面处的浓度梯度成正比，即浓度梯度越大，扩 散通量越大；
式中,D称为扩散系数(m2/s)，C为扩散物质(组元)的体积浓度(原子数/m3或kg/m3)，dC/dx为浓度梯度，"–"号表示扩散方向为浓度梯度的反方向，即扩 散组元由高浓度区向低浓度区扩散。线管式传感器内部布置总活度为 1×105～1×106Bq的α放射源，中心阴极丝Ф为0.01～0.2mm金属材质，上游进 气口段长为5cm，电场段长6cm，下游出气口段长5cm。中心阴极丝上加载 0～2260V负高压，输出端接0.1～20G电阻取电压值作为输出信号。静态条件下， 电压值随加载负高压变化曲线如图5所示。
对图5结果分析可以看出，加载负压较小时，离子所受电场力也较小，离 子复合效应较为显著，单位时间内收集离子数较少，在0～1500V范围内输出电 压(信号)变化不大。加载负压超过1600V时，电场不断增强，离子复合减弱， 迁移速率增加，单位时间收集离子数量增大，加载负高压在1600V以上时，输 出电压值增加，2040V时输出电压均值为6.5V左右。
(2)低流速抽气(本底)测试
本底微尘环境(未接入预分离系统)，低流速抽气时，出气口端连接隔膜 气泵以≤1L/min流量缓慢抽气。随高压增加，抽气引起对流加乘作用逐渐明显， 测试得到的输出电压变化见表1。本底空气中微细尘(粒径小于0.1μm)荷电 后，通过扩散和对流运动到达粉尘收集电场区域，负高压为1960V时，达到饱 和输出值10.8V。
表1低速抽气时，随加载电压(1260～1985V)变化的输出信号
静态测试的结果说明，微细尘(小于0.1μm)对实验结果的影响很大。粉 尘粒子粒径变小，粒数近似有3次方增长关系，即粒径0.25μm粉尘粒数，约 为粒径2.5μm粉尘粒数的(2.5/0.25)3＝1000倍。经估算，若微细尘无控制进 入荷电区域，其荷电总量占比将超过92％，严重影响呼吸性粉尘饱和荷电效率 和测量结果准确性。因此在采样之前，应对微细尘进行预分离。
(3)呼吸性粉尘测试
根据《工作场所空气中粉尘的测定第2部分：呼吸性粉尘浓度》GBZ/T 192.2-2007的要求，粉尘浓度测量预分离应达到对粉尘空气动力学直径分布均 在7.07μm以下，且对空气动力学直径5μm粉尘采集效率为50％。对某场所矿 石转载点(采样点)的粉尘浓度进行传统滤膜方式测量，为满足采样粉尘粒径 分布符合要求，采用旋风分离装置进行预分离，同时采用所研制传感器进行同 时测量。随高压变化传感器输出感应电流的信号输出如图6所示。
从图6可以看出，当外加电场强度为2.6kV/cm时，具有符合性良好的伏 安V-I关系，对应的感应电流值为y＝94.4×e0.31×2.6≈2.1×103fA，说明可以选 择2.6kV/cm作为测量采用的外加电场强度。预分离系统控制可进入传感器的 粉尘粒子主要分布在呼吸性粉尘范围，采用隔膜泵抽气提供粉尘粒子进入传感 器的惯性力。流量为0.4L/min时，估计荷电尘粒最大流速约为3cm/s，流速范 围约为1～3cm/s。获的测试结果见表2。
表2呼吸性粉尘浓度测试结果单位：pA
场所粉尘浓度mg/m<sup>3</sup> 0.12 2.78 3.33 7.61 11.41
感应电流pA 2.19E3 2.30E4 3.63E4 8.37E4 1.07E5
根据表2，可获得场所粉尘浓度与感应电流输出信号的线性关系，见图7， 输出端接0.1～20G电阻，取电压值作为输出信号，即可推算得到粉尘浓度。
(4)不同场所粉尘浓度测量实验结果
为验证本发明所设计研制的传感器系统性能，选取了几类典型的工作场所， 对其粉尘浓度进行了对比实验。对比实验采用了滤膜重量法(简称重量法)和 传感器系统(简称传感器法)。实验数据见表3及表4。
表3工作场所粉尘浓度测量数据I
表4工作场所粉尘浓度测量数据II
(5)实时在线监测验证
同时对某一场所进行粉尘浓度测量(滤膜重量法和传感器法)。滤膜重量 方法在工作时长1小时内(累积15分钟，即900s一个计数)，而采用传感器 可测量得到360个数据(每秒一个计数1n/10s)，在数据的全面性和连续性上， 传感器法有绝对优势。滤膜重量法因其方法原理，无法测量粉尘浓度峰值，因 此连续测量更科学、有效。实验中传统滤膜重量法获得的最高浓度为1.69mg/m3， 传感器法获得的最高浓度为1.79mg/m3，显示出明显的技术优势，见图8。
本实施方式中，测量系统将采收的数据发送至数据处理系统或远程数据接 收中心，可实现一个数据处理系统同时控制和管理多个传感系统，如图9所示。 在测量场所还可通过相应的传感器获取测量场的温度、湿度、空气流量等参数， 以为数据处理系统的分析提供更充分的支持，数据处理系统在测量到某个传感 系统所在位置的粉尘超出标准时，还可通过测量系统或传感系统向外界发送报 警信号。
至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的 多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本 发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因 此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (9)

1.基于α放射源的小型离子收集式粉尘监测装置，其特征在于，包括：
传感系统，利用管状用于吸引空气并对空气中的粉尘含量进行测量，包括对进入的空气利用α放射源进行电离的进气段，排出空气的出气段，和一端与所述进气段连接另一端与出气段连接的电场段，在所述电场段的轴心线上布置有吸收正离子的阴极丝，圆周内侧壁上布置有吸收负电子的吸收壁；
测量系统，为所述阴极丝提供指定负压，同时测量所述阴极丝的负压变化量；
数据处理系统，接收所述负压变化值，并根据所述探测腔内荷电尘粒在电场力和所述抽气泵形成的空气曳力复合作用下向相反极性的电极运动量，计算所述阴极丝输出的电压(感应电流)，得到测试场所粉尘浓度与感应电流的线性关系，进而得出当前测试场所的粉尘浓度值。
2.根据权利要求1所述的小型离子收集式粉尘监测装置，其特征在于，
所述电场段与所述进气段和所述出气段为活动螺纹连接，在所述电场段的两端口分别垂直安装有穿过圆心的固定杆，所述高压阴极丝的两端分别固定在两端的固定杆上。
3.根据权利要求2所述的小型离子收集式粉尘监测装置，其特征在于，
所述壳体的两端分别为圆锥形的收缩结构。
4.根据权利要求2所述的小型离子收集式粉尘监测装置，其特征在于，
所述进气段、电场段和出气段长度比为1：1：1，所述传感器的总重低于100g，所述壳体的体积为Ф1.0～5.0cm×5.0～15.0cm。
5.根据权利要求1所述的小型离子收集式粉尘监测装置，其特征在于，
所述α放射源以阵列方式设置在所述壳体的进气段的内表面。
6.根据权利要求5所述的小型离子收集式粉尘监测装置，其特征在于，
所述α放射源总活度为1×105～1×106Bq，所述阴极丝Ф为0.01～0.1mm的金属材质，所述阴极丝上加载的负高压为0～2260V，输出端连接有1～20G的电阻。
7.根据权利要求1所述的小型离子收集式粉尘监测装置，其特征在于，
所述出气段的端口连接有抽气泵，所述抽气泵的抽取流量速度≤1L/min。
8.根据权利要求1所述的小型离子收集式粉尘监测装置，其特征在于，
所述测量系统包括外接电压的初级绕组，与所述阴极丝连接的高级绕组，调节所述初级绕组输出至所述高级绕组电压的整流变压器，以及接收所述整流变压器输出的电压及所述阴极丝变化电压的测量绕组，所述测量绕组将测量的结果输送至所述数据处理系统。
9.根据权利要求1所述的小型离子收集式粉尘监测装置，其特征在于，
所述阴极丝输出的电压算法如下：
其中，Qe为电荷数，Q为电荷饱和值，M为倍增因子，N为带正电荷粉尘粒子数目，q为粉尘粒子的荷正电量；
倍增因子的M的计算方式如下：
其中，ΔU是进入电晕场的正离子相继2次碰撞中所获得的电场能量，k表示能产生倍增的最低外加电场强度E/Σn值，Σn为粉尘粒径、荷质比等有关参数而引入的常量，nc为粉尘浓度，mg/m3，ΔU和k值通过实验对某一特定分布带电粉尘测量的M和U关系曲线得到，U外加电压，a阴极丝半径，b收集极半径。
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Citations (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1233915A (zh) * 1968-07-02 1971-06-03
US4373375A (en) * 1980-12-19 1983-02-15 General Electric Company Hydrogen sensor
CN1147089A (zh) * 1995-10-04 1997-04-09 戴戈 β射线吸收型烟、尘传感器
DE10110156A1 (de) * 2001-03-02 2002-09-19 Ulrich Riebel Verfahren zur Verdünnung von Aerosolen bei der Messung der Aerosolkonzentration und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
JP2002365264A (ja) * 2001-06-11 2002-12-18 Riken Keiki Co Ltd イオン化式ガス感知器
CN2530265Y (zh) * 2002-01-17 2003-01-08 戴戈 射线电离型烟、尘传感器
CN1837778A (zh) * 2006-04-25 2006-09-27 何宗彦 现场检测气溶胶粒子浓度的方法及其检测仪
US20080169417A1 (en) * 2006-05-11 2008-07-17 Massachusetts Institute Of Technology Compact high performance chemical detector
CN201488936U (zh) * 2009-07-02 2010-05-26 煤炭科学研究总院常州自动化研究院 一种粉尘浓度传感器
JP2010271063A (ja) * 2009-05-19 2010-12-02 Riken Keiki Co Ltd イオン化式ガスセンサおよびガス検知システム
CN104570038A (zh) * 2014-12-30 2015-04-29 中国原子能科学研究院 一种快速测量氡浓度的方法及装置
CN104792676A (zh) * 2015-04-27 2015-07-22 无锡信大气象传感网科技有限公司 采用电离法测量空气纳米级颗粒浓度的方法
CN104880393A (zh) * 2015-07-01 2015-09-02 重庆大学 一种测量特定场所pm2.5的装置及方法
CN105629285A (zh) * 2016-01-19 2016-06-01 中国计量科学研究院 一种多丝正比计数器
CN206135706U (zh) * 2016-09-22 2017-04-26 四川万康节能环保科技有限公司 一种基于倍压整流滤波的负离子发生器电源
CN107607448A (zh) * 2017-08-21 2018-01-19 黑龙江科技大学 一种基于电荷感应的低浓度粉尘浓度检测方法
CN107607447A (zh) * 2017-08-21 2018-01-19 黑龙江科技大学 一种精确测量低浓度粉尘浓度的装置和方法
CN211013928U (zh) * 2019-04-02 2020-07-14 霸州市地海云天环保科技有限公司 基于α放射源的小型离子收集式粉尘监测装置

Patent Citations (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1233915A (zh) * 1968-07-02 1971-06-03
US4373375A (en) * 1980-12-19 1983-02-15 General Electric Company Hydrogen sensor
CN1147089A (zh) * 1995-10-04 1997-04-09 戴戈 β射线吸收型烟、尘传感器
DE10110156A1 (de) * 2001-03-02 2002-09-19 Ulrich Riebel Verfahren zur Verdünnung von Aerosolen bei der Messung der Aerosolkonzentration und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
JP2002365264A (ja) * 2001-06-11 2002-12-18 Riken Keiki Co Ltd イオン化式ガス感知器
CN2530265Y (zh) * 2002-01-17 2003-01-08 戴戈 射线电离型烟、尘传感器
CN1837778A (zh) * 2006-04-25 2006-09-27 何宗彦 现场检测气溶胶粒子浓度的方法及其检测仪
US20080169417A1 (en) * 2006-05-11 2008-07-17 Massachusetts Institute Of Technology Compact high performance chemical detector
JP2010271063A (ja) * 2009-05-19 2010-12-02 Riken Keiki Co Ltd イオン化式ガスセンサおよびガス検知システム
CN201488936U (zh) * 2009-07-02 2010-05-26 煤炭科学研究总院常州自动化研究院 一种粉尘浓度传感器
CN104570038A (zh) * 2014-12-30 2015-04-29 中国原子能科学研究院 一种快速测量氡浓度的方法及装置
CN104792676A (zh) * 2015-04-27 2015-07-22 无锡信大气象传感网科技有限公司 采用电离法测量空气纳米级颗粒浓度的方法
CN104880393A (zh) * 2015-07-01 2015-09-02 重庆大学 一种测量特定场所pm2.5的装置及方法
CN105629285A (zh) * 2016-01-19 2016-06-01 中国计量科学研究院 一种多丝正比计数器
CN206135706U (zh) * 2016-09-22 2017-04-26 四川万康节能环保科技有限公司 一种基于倍压整流滤波的负离子发生器电源
CN107607448A (zh) * 2017-08-21 2018-01-19 黑龙江科技大学 一种基于电荷感应的低浓度粉尘浓度检测方法
CN107607447A (zh) * 2017-08-21 2018-01-19 黑龙江科技大学 一种精确测量低浓度粉尘浓度的装置和方法
CN211013928U (zh) * 2019-04-02 2020-07-14 霸州市地海云天环保科技有限公司 基于α放射源的小型离子收集式粉尘监测装置

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