CN112198098A - 一种基于β射线法的颗粒物浓度检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于β射线法的颗粒物浓度检测装置，包括总装板、采样机构、移动检测机构、纸带压紧机构、导向轮和纸带采样点检测机构，通过导向轮对纸带导向以保持水平；采样机构用于压紧纸带并抽气采样，纸带采样点检测机构实现纸带上采样点的移动检测；移动检测机构用以实现检测位和采样位的位置切换，包括线性模组、移动座以及检测元件，移动座一侧固定在线性模组上，检测元件设置在移动座的另一侧；本方案逆向思维设计提出纸带和采样机构不动，而检测机构移动的连续自动监测方案，并结合隔热设计及加装纸带压紧机构，显著提高颗粒物浓度的检测的准确性，尤其适用于长时间运行的在线仪器上，对于检测精度的提升具有显著优势。

Description

一种基于β射线法的颗粒物浓度检测装置

技术领域

本发明涉及颗粒物浓度检测领域，具体涉及一种基于β射线法的颗粒物浓度检测装置。

背景技术

目前，在β射线法监测大气颗粒物浓度的方法中，有两种检测方式，即采样和检测处于同一工位(原位)和采样检测分离开来(异位)。原位检测方法结构简单，不会由于纸带移动的定位误差影响检测结果，但采样时温度变化会对光电倍增管(β射线探测器)的数据采集带来影响，导致测量的数据不能准确反映环境的真实情况；而异位检测多采用电机带动纸带在采样位及检测位之间来回移动实现颗粒物的采集及浓度的检测，往往实现起来结构比较复杂。

比如，对于异位检测来说，申请号为201510747918.7的发明专利公开了设有等步长纸带输送传动机构的大气颗粒物监测仪，申请号为201910159959.2的发明专利公开的提高烟气颗粒物β射线检测精度的滤纸带传动装置与方法，在这两个方案中，除去放纸轮和收纸轮外，还分别有三到四个导向轮，不仅纸带安装不方便且不易装正，加工成本也高；另外，异位检测方式受限于纸带的柔性特性及张紧程度，很难准确的对采样点及检测点之间进行精确定位，不可避免的导致空白纸带误差，对检测结果会有很大影响。

另外，申请公布号为【CN108152181A】的发明专利公开了一种走纸机构整体移动式双工位颗粒物监测装置，单次采样纸带不是通过收纸轮、放纸轮旋转而左右移动，而是压紧机构和检测机构固定在总装板上，收纸轮、放纸轮、导向轮和纸带安装在另一块移动板上整体通过直线导轨和滚珠丝杠的配合而实现采样和检测之间的切换。虽然该方案纸带定位相对准确，但依然无法克服纸带本身伸缩对检测的影响。

发明内容

本发明针对现有异位检测无法克服纸带本身伸缩对检测的影响，提供一种新型的基于β射线法的颗粒物浓度检测装置，通过移动检测机构的移动实现采样点及检测点之间位置的切换，定位准确、安装方便，克服在单个测量周期内纸带伸缩对检测的不利影响，可有效提升检测数据准确度。

本发明是采用以下的技术方案实现的：一种基于β射线法的颗粒物浓度检测装置，包括总装板及设置在总装板上的采样机构、移动检测机构、收纸机构、放纸机构、导向轮和纸带采样点检测机构，收纸机构和放纸机构设置在总装板的底部两侧，收纸机构和放纸机构之间缠绕有纸带，并通过导向轮导向；所述采样机构位于纸带的上方，用于压紧纸带并抽气采样，纸带采样点检测机构设置在总装板的背面，实现纸带上采样点的移动检测；

所述移动检测机构用以实现检测位和采样位的位置切换，并对纸带上检测点检测后复位，包括线性模组、移动座以及检测元件，所述检测单元包括β射线放射源和β射线探测器，且β射线放射源和β射线探测器相对分布于纸带的上下两侧，移动座一侧固定在线性模组上，检测元件设置在移动座的另一侧，且检测元件和线性模组位于总装板的两侧，通过线性模组驱动检测元件移动到达检测位，移动座位于总装板前侧部分开设有出气孔A，出气孔A的下方连接一出气管，用于抽气采样时与采样机构的进气压头对接。

进一步的，所述线性模组包括驱动电机、丝杠和滑块，驱动电机通过丝杆与滑块连接，驱动电机转动带动滑块左右移动，移动座固定在滑块上。

进一步的，所述采样机构包括固定座，固定座固定设置在总装板上，固定座上设置有进气压头、压紧弹簧、挡块和压紧驱动电机，压紧弹簧和挡块套设在进气压头上，压紧驱动电机与进气压头之间通过偏心联轴器连接，压紧驱动电机转动时，进气压头在偏心联轴器和压紧弹簧的共同作用下上下运动，当进气压头移动到下工位时压紧纸带，此时进气压头和出气管连通。

进一步的，所述总装板上还设置有纸带压紧机构，纸带压紧机构设置在纸带的两端，用于压紧纸带，保证在单个测量周期内，纸带始终处于相同的张紧状态，为了检测的准确性，需要纸带在移动过程中保证一定的张紧，所以放纸机构需增加特定的阻尼，起到拉紧纸带作用，这样纸带在移动过程中就会被拉长，如果不加纸带压紧机构，由于初值与终值测量时检测时间间隔很长，纸带会进行收缩，这样终值检测和初值检测的纸带状态会不同，就会影响颗粒物浓度的真实性，压紧机构包括压紧轮和压紧支撑板，纸带穿过压紧轮和压紧支撑板之间。

进一步的，所述压紧轮采用弹性材料，压紧支撑板采用刚性材料，保证纸带能被均匀压合，保证纸带不收缩。

进一步的，所述移动座上还固定设置有一检测板，检测板上开设有两个距离为t的检测槽S1和S2，此距离t与移动座上出气口A的中心到探测器中心的距离相等，此时需保证采样机构的进气压头和移动检测机构的出气孔位置重合，利用固定在托板上的检测开关，可实现对检测机构的位置限定。

进一步的，所述导向轮包括左右两个，其中一个导向轮与纸带采样点检测机构相连，纸带采样点检测机构用于检测一次采样后纸带运动到下一个采样点处之间的距离，纸带采样点检测机构包括检测盘和检测开关，检测盘上开有均匀布置的若干长条槽，检测盘通过细轴同总装板前面的导向轮连接，保证不会相对转动，通过计算导向轮直径，可确定转过一定角度后纸带水平移动的距离，通过检测开关检测发讯，可确定纸带移动到下一斑点处。

进一步的，所述收纸机构和放纸机构左右分布于导向轮的下方，收纸机构包括收纸驱动电机和收纸轮，纸带缠绕在收纸轮上，通过收纸驱动电机转动带动纸带向左移动；放纸机构包括放纸轮、放纸轮轴和阻尼器，纸带向左移动时带动放纸轮转动，且放纸轮和放纸轮轴相对固定，通过阻尼器的阻力，使放纸轮与放纸轮轴有合适的转动阻力，保证纸带处于较为理想的状态，既不会拉断，也不至于太松影响检测结果。

进一步的，所述检测元件设置在出气孔A一侧，且检测元件与出气孔A位置处的移动板之间存在间隙，通过隔开一定距离安装进一步降低温度对检测元件的影响。

进一步的，所述β射线探测器外面安装有探测器固定座，阻断β探测器与周围环境空气的直接接触，可以减少温度变化对探测器检测的影响。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

(1)纸带为柔性材料，纸带移动必然导致伸缩影响初值和终值检测时的本底一致性，本方案克服传统思维限制，创新检测思路，通过移动检测机构的移动代替纸带移动，通过线性模组带动整个检测机构移动，代替纸带的移动，克服在单个测量周期内纸带伸缩对检测的不利影响，并通过检测槽的位置检测保证采样和检测的重合性；

(2)由于β射线探测器受温度变化影响导致检测不稳定，本方案采用的异位测量方式在出气孔A一侧隔开一定距离后再安装加放射源和探测器，通过隔热处理能有效保证β射线探测器工作时的稳定性，且探测器外面设置固定座，保证探测器的稳定性，有效降低温度变化引起的不稳定；

(3)在单次检测过程中压紧轮压紧纸带，保证不会由于纸带自身伸缩影响检测带来的误差；

本方案中，采样和检测分离，不仅降低温度对光电倍增管的影响，通过刚性的机械运动实现采样点及检测点之间位置的切换，定位也更加准确，安装方便，可有效提升检测数据准确度，更真实反映环境实际情况；

附图说明

图1为本发明所述检测装置的正面视角轴侧结构示意图；

图2为本发明实施例所述检测装置背面视角轴侧结构示意图；

图3为图1中正面主视结构示意图；

图4为图2中背面后视结构示意图；

图5为本发明实施例采样机构的主视结构示意图；

图6为本发明实施例采样机构的侧视结构示意图；

图7为本发明实施例移动检测机构的结构示意图；

图8为采样机构与移动检测机构的初始位置定位示意图；

图9为本发明实施例采样上工位状态结构示意图；

图10为本发明实施例采样下工位状态结构示意图。

具体实施方式

为了能够更加清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。需要说明的是，本实施例中所说的“左右”等位置关系以图1所示方向为准，在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开的具体实施例。

本实施例针对颗粒物浓度监测仪纸带从采样到检测位置移动导致纸带伸缩对初值终值检测的影响和纸带易断裂的问题，提出一种纸带和采样机构不动，检测机构移动的连续自动监测方案，并结合隔热设计及纸带压紧机构，显著提高颗粒物浓度的检测的准确性，尤其适用于长时间运行的在线仪器上。

具体的，如图1-4所示，所述检测装置包括总装板1以及设置在总装板1上的采样机构2、移动检测机构3、纸带压紧机构4、导向轮5，收纸机构6、放纸机构7和纸带采样点检测机构9，收纸机构6和放纸机构7之间设置纸带8，总装板1固定在箱体里；

所述采样机构2通过螺钉固定在总装板1上端中间位置，用于压紧纸带并抽气采样，采样机构2的上端连接有采样头和DHS动态加热系统，以对采样空气进行预处理，如图5和图6所示，所述采样机构2包括固定座21、进气压头22、压紧弹簧23、挡块24、压紧驱动电机25、偏心联轴器26和出气管27，压紧驱动电机25与进气压头22之间通过偏心联轴器26连接，压紧弹簧23和挡块24套设在进气压头22上，当压紧驱动电机25转动时，进气压头22在偏心联轴器26和压紧弹簧23的共同作用下上下运动；当进气压头22移动到下工位(图10)时压紧纸带，此时进气压头22和出气管27连通，出气管27后端连接气泵，当气泵工作时，采样头和切割器的切割使含有符合PM10或PM2.5规定粒径的样品气体进入采样机构2，通过纸带使颗粒物富集完成样品采集。

如图7和图8所示，移动检测机构3的目的是通过线性模组带动检测元件到达采样位，并对纸带上富集斑点进行检测后复位，移动检测机构3通过托板37设置在总装板1上，托板37上方固定线性模组，线性模组驱动电机301通过丝杆302与滑块303连接，线性模组驱动电机301转动带动滑块303左右移动，移动座31固定在滑块303上，移动座31位于总装板1前面部分开有出气孔A，用于抽气采样时与进气压头22对接，出气孔A一侧隔开一定距离后安装有β射线放射源32和β射线探测器33，其中β射线放射源32和β射线探测器33相对分布于纸带两侧，β射线放射源32位于纸带8的上方，β射线探测器33位于纸带8的下方，β射线探测器33外面安装有探测器固定座34，以阻断β探测器与周围环境空气的直接接触，可以减少温度变化对探测器检测的影响。另外，继续参考图7，移动座31上还设置有检测板35，检测板35上开有两个距离为t的检测槽S1和检测槽S2，此距离t同移动座31上出气口A的中心到探测器33的中心的距离相同，此时需保证采样机构的进气压头和移动检测机构的出气孔位置重合，利用固定在托板37上的检测开关36，可实现对检测机构的位置限定。

本实施例采用工艺孔定位的方式确定进气压头和出气孔的重合安装方式，具体的，如图8所示，固定座21和移动座31特定位置上分别对应的开设相同大小的两个定位孔，其中固定座21上的孔距进气压头中心的距离和移动座31上的孔距出气口中心的距离相同，开始时左右调整移动座位置，直到导柱310能同时穿过固定座21和移动座31上的对应孔则说明进气压头和出气孔位置重合；从而后续依靠移动座的左右移动及检测板上检测槽的位置检测可实现采样和检测位置之间的可靠转换。传统的采样与检测都是通过限位轮处安装编码器实现对纸带移动距离的控制(通过纸带移动带动编码器旋转从而计算纸带从检测位置前进到采样位置，然后再纸带反向运动到检测位置，中间都是靠编码器控制的)，但受限于纸带的特性，缠绕在导向轮处部分必然出现纸带弯折，如果拉紧力不够还可能出现纸带和导向轮发生打滑现象，从而增加纸带空白误差，利用本方案中移动检测机构从根本上避免这些影响，稳定性和可靠性更高。

检测槽的设置(间接测量采样点、检测点之间距离)充分利用空间关系，既不影响美观，还能达到精准测量的目的。具体可用光电开关检测位置相较编码器测量，也大大节约了成本。另外，采样过程中需对环境空气进行动态加热，保证相对湿度调整到所要求的范围内，此时气流温度必定会使移动座温度升高，从而影响探测器检测的稳定性，所以有必要采取一定的隔热措施保证测量的准确性，所以对加工移动座对采样和检测间进行了割断处理，尽可能减少温度变化对探测器稳定性的影响。

为了检测的准确性，需要纸带在移动过程中保证一定的张紧，所以放纸机构需增加特定的阻尼，起到拉紧纸带作用，这样纸带在移动过程中就会被拉长，如果不加纸带压紧机构，由于初值与终值测量时检测时间间隔很长，纸带会进行收缩，这样终值检测和初值检测的纸带状态会不同，就会影响颗粒物浓度的真实性。如图1和图3所示，纸带压紧机构4的作用在于压紧纸带，保证在单个测量周期内，纸带始终处于相同的张紧状态。所述压紧机构4包括压紧轮41和压紧支撑板42，纸带8穿过压紧轮41和压紧支撑板42之间，压紧轮41为弹性材料，下面压紧支撑板42为刚性材料(图3)，这样能保证纸带能被均匀压合，保证纸带不收缩。

导向轮5分为左右两个，其中右边导向轮后方连接纸带采样点检测机构9，导向轮5的作用是保证纸带8保持水平，并且与β射线放射源32和β射线探测器33保持特定的垂直距离，保证每次测量纸带8处于相同的工况。

收纸机构6和放纸机构7左右分布于导向轮5的下方，收纸机构6包括收纸驱动电机62和收纸轮61(图3和图4)，纸带8缠绕在收纸轮61上，通过收纸驱动电机62转动带动纸带向左移动；放纸机构7包括放纸轮71、放纸轮轴72和阻尼器73，纸带8向左移动时带动放纸轮转动。其中放纸轮71和放纸轮轴72相对固定，通过阻尼器73的阻力，使放纸轮71与放纸轮轴72有合适的转动阻力，保证纸带处于较为理想的状态，既不会拉断，也不至于太松影响检测结果。

纸带采样点检测机构9用来检测一次采样后纸带运动到下一个采样点处之间的距离，检测盘91通过细轴同总装板1前面的导向轮连接，保证不会相对转动，检测盘91上开有均匀布置的若干长条槽，通过计算导向轮直径，可确定转过一定角度后纸带水平移动的距离。通过检测开关92检测发讯，可确定纸带移动到下一斑点处。

下面结合具体的动作过程对本实施例所述的检测装置的原理进行详细的说明，具体如下：

当检测开始时，β射线放射源32和β射线探测器33处于采样机构2正下方，此时进气压头在压紧驱动电机25的作用下处于上工位(图9)，纸带8处于β射线放射源32下方处为初始空白，β射线探测器33对纸带状态进行初始值检测，检测一段时间t1后，移动检测机构3后方的线性模组驱动电机301动作，丝杆302带动滑块303及固定在其上方所有连接的移动座31、β射线放射源32、β射线探测器33、检测板35等向进气压头右侧移动(从正面看)，具体移动距离通过检测开关36对检测板35上检测槽进行控制，需要说明的是必须保证检测板35上两个检测槽之间的距离与压紧轴中心到β射线探测器33中心的距离相等，如此才能确保采样和检测时纸带8上的斑点位置一致。移动到位时，进气压头下方正对好移动座31上的出气口，此时压紧驱动电机25动作，进气压头与挡块24在压紧弹簧23的作用下下移，直至压紧纸带8(图10)。

接下来抽气采样，移动座31位于后方的出气管27与气泵相连，气泵工作进行颗粒物采集，当抽气过程进行一定时间t2后，一定量的颗粒物就会富集在纸带8上，此时完成采样。压紧驱动电机25转动，直到进气压头运动到上工位后停止，此时移动检测机构3后方的线性模组驱动电机301动作，丝杆302带动滑块303及固定在其上方所有连接的移动座31、β射线放射源32、β射线探测器33、检测板35等向进气压头侧移动，进行采样后检测(终值检测)。当移动到位后，检测与初始状态相同的时间t1后，结束检测，通过前后计数值变化，即可按照公式计算出颗粒物的质量，结合抽气t2时间内的气体体积就可算出此次采样的颗粒物浓度，在这个测量周期内纸带压紧机构4的压紧轮始终处于压紧纸带的状态。

连续采集时，当一次采样完成后，纸带压紧机构的压紧轮抬起，收纸机构6处收纸驱动电机62动作，纸带会向左移动，导向轮5随纸带移动而转动，当检测盘91随着导向轮转动一定角度后，检测开关92发讯，收纸驱动电机62停止转动，接着纸带压紧机构4的压紧轮压紧纸带，进入下一次的检测，如此循环。

另外，需要说明的是，本实施例中压紧纸带机构也可以直接压紧在导向轮上，也可压紧轮在下，支撑板在上；为了起到更好的隔热效果，移动座可以直接用导热性能差的材料；而且采样机构同检测机构也可作为一体，同时由线性模组带动左右移动；采样机构和检测机构初始位置确定也可以在总装板上开孔，固定座和压紧座分别通过与总装板定位保证进气压头和出气孔的重合。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于β射线法的颗粒物浓度检测装置，包括总装板(1)以及设置在总装板(1)上的采样机构(2)、收纸机构(6)、放纸机构(7)和纸带采样点检测机构(9)，收纸机构(6)和放纸机构(7)设置在总装板(1)的底部两侧，收纸机构(6)和放纸机构(7)之间缠绕有纸带(8)，采样机构(2)位于纸带(8)的上方，用于压紧纸带(8)并抽气采样，纸带采样点检测机构(9)设置在总装板(1)的背面，实现纸带(8)上采样点的移动检测，其特征在于：还包括设置在总装板(1)上的移动检测机构(3)；

所述移动检测机构(3)包括线性模组、移动座(31)以及检测元件，所述检测单元包括β射线放射源(32)和β射线探测器(33)，β射线放射源(32)和β射线探测器(33)相对分布于纸带(8)的上下两侧，移动座(31)一侧固定在线性模组上，检测元件设置在移动座的另一侧，且检测元件和线性模组位于总装板(1)的两侧，通过线性模组驱动检测元件移动到达检测位；移动座(31)位于总装板(1)前侧部分开设有出气孔A，出气孔A的下方连接一出气管(27)，用于抽气采样时与采样机构(2)的进气压头(22)对接。

2.根据权利要求1所述的基于β射线法的颗粒物浓度检测装置，其特征在于：所述线性模组包括驱动电机(301)、丝杠(302)和滑块(303)，驱动电机(301)通过丝杆(302)与滑块(303)连接，驱动电机(301)转动带动滑块(303)左右移动，移动座(31)固定在滑块(303)上。

3.根据权利要求1所述的基于β射线法的颗粒物浓度检测装置，其特征在于：所述采样机构(2)包括固定座(21)，固定座(21)固定设置在总装板(1)上，固定座(21)上设置有进气压头(22)、压紧弹簧(23)、挡块(24)和压紧驱动电机(25)，压紧弹簧(23)和挡块(24)套设在进气压头(22)上，压紧驱动电机(25)与进气压头(22)之间通过偏心联轴器(26)连接，压紧驱动电机(25)转动时，进气压头(22)在偏心联轴器(26)和压紧弹簧(23)的共同作用下上下运动。

4.根据权利要求1所述的基于β射线法的颗粒物浓度检测装置，其特征在于：所述总装板(1)上还设置有纸带压紧机构(4)，纸带压紧机构(4)设置在纸带(8)的两端，纸带压紧机构(4)包括压紧轮(41)和压紧支撑板(42)，纸带(8)穿过压紧轮(41)和压紧支撑板(42)之间。

5.根据权利要求4所述的基于β射线法的颗粒物浓度检测装置，其特征在于：所述压紧轮(41)采用弹性材料，压紧支撑板(42)采用刚性材料。

6.根据权利要求1所述的基于β射线法的颗粒物浓度检测装置，其特征在于：所述移动座(31)上还固定设置有一检测板(35)，检测板(35)上开设有两个距离为t的检测槽S1和S2，此距离t与移动座(31)上出气口A的中心到探测器(33)中心的距离相等。

7.根据权利要求1所述的基于β射线法的颗粒物浓度检测装置，其特征在于：所述总装板(1)上还设置有导向轮(5)，纸带(8)通过导向轮(5)导向，导向轮(5)包括左右两个，其中一个导向轮(5)与纸带采样点检测机构(9)相连，纸带采样点检测机构(9)包括检测盘(91)和检测开关(92)，检测盘(91)上开有均匀布置的若干长条槽，检测盘(91)通过细轴同导向轮(5)连接。

8.根据权利要求7所述的基于β射线法的颗粒物浓度检测装置，其特征在于：所述收纸机构(6)和放纸机构(7)左右分布于导向轮(5)的下方，收纸机构(6)包括收纸驱动电机(62)和收纸轮(61)，纸带(8)缠绕在收纸轮(61)上，通过收纸驱动电机(62)转动带动纸带向左移动；放纸机构(7)包括放纸轮(71)、放纸轮轴(72)和阻尼器(73)，纸带(8)向左移动时带动放纸轮转动，且放纸轮(71)和放纸轮轴(72)相对固定。

9.根据权利要求1所述的基于β射线法的颗粒物浓度检测装置，其特征在于：所述检测元件设置在出气孔A一侧，且检测元件与出气孔A位置处的移动板(31)之间存在间隙。

10.根据权利要求9所述的基于β射线法的颗粒物浓度检测装置，其特征在于：所述β射线探测器(33)外面安装有探测器固定座(34)。

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