CN113109225A - 一种cpc粒子计数器中死区时间的校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明的一种CPC粒子计数器中死区时间的校正方法，通过产生标准颗粒物浓度，使用已标定设备如高精度CPC或者法拉第杯静电计FCE和被测仪器，同时测量该浓度气体，基于泊松分布产生τ_d和C_m之间的关系，并对其进行二阶指数衰减曲线拟合，最终通过仪器测量的原始浓度，产生反推实际浓度的过程。本发明的方法，只需在后端数据处理软件中对浓度数据进行处理，改造方法简单，成本低廉，适用于绝大部分市面所售CPC仪器及已在使用中老旧型号CPC仪器。

Description

一种CPC粒子计数器中死区时间的校正方法

技术领域

本发明涉及冷凝粒子计数器技术领域，具体涉及一种CPC粒子计数器中死区时间的校正方法。

背景技术

冷凝粒子计数器(Condensation Particle Counters,CPC)是一种实时测量空气中粒子数浓度的仪器。目前市面上主流CPC厂商，如TSI、AIRMODUS生产的CPC产品，粒子数浓度的获取是通过光学计数系统来实现。光学计数系统主要采用“脉冲计数模式”，即在单位时间内，粒子依次通过光学感应区，产生的后向成散射光信号，在光电检测器上产生连续的单粒子脉冲信号，通过对该单粒子信号的计数即可实现空气中粒子数浓度的测量。

但是该方法会存在以下现象，当一个以上的粒子同时进入光传感区域，光电检测器不能区别单粒子和多粒子，也就是说光学计数系统会把多粒子当成单粒子脉冲去计数。此现象被称为粒子重叠，粒子重叠会导致单粒子计数系统的测量值低于真实值，而且随着待测颗粒物数量的增加，粒子重叠现象将会更加频繁的发生。在较高的粒子浓度下，粒子重叠会对被测物体浓度产生较大影响。本文把光传感区域的粒子重叠的随机现象，以泊松分布的数学方法进行统计，对死区时间和粒子浓度进行拟合，以减小粒子重叠对CPC数浓度计算的影响。

研究表明，空气中直径低于100纳米的颗粒物已成为危害人类身体健康的重要因素。而在城市中的车道路旁等人类活动较为密集的地区，超细气溶胶粒子浓度则更高。随着国家机动车排放监测标准的出台，冷凝粒子计数器(CPC,condensation particlecounters)已成为监测空气中超细粒子数浓度的法规仪器之一。该种仪器使用正丁醇等工作液，通过加热冷凝的方式附着在被测空气粒子表面，增加被测粒子尺寸，从而能使纳米级的粒子被光学测量腔检测到。连接外置样气泵，CPC中冷凝后的待测气溶胶颗粒以恒定的流速被吸入光学腔内，通过位于激光光轴、射流喷嘴轴线、散射光收集系统中心三者交叠的焦点检测区，激光源发出的高强光聚集在检测区照射每个通过的粒子，光检测器收集椭球面反射镜反射出的粒子散射光，并由光电转换系统转换为电子脉冲。通过对电子脉冲的计数，可精确获得被测空气内颗粒物的数浓度。

现阶段商用CPC多使用鞘气喷嘴，对粒子流进行约束，得益于结构设计大部分情况下，只有一个粒子通过检测区，产生后向散射光被探测器检测到。然而总存在一定的概率，两个或者两个以上的粒子同时通过光学检测区，如果粒子之间的时间差较小，在探测器上会造成电子波形的相互重叠，可能被当作一个脉冲进行计数，该现象被称为Coincidenceevent。显然随着粒子数浓度的升高，Coincidence event现象增加，会导致粒子计数浓度的低估，造成高浓度区域CPC数浓度的测不准现象。光源的形状或粒子微物理结构的不同都会在探测器上产生不同的电子脉冲波形，本文假设所有回波由连续高斯脉冲波形组成，单脉冲上升和下降沿都为稳态拖曳。光电检测单元通常使用信号电平鉴别器，来区分事件的产生，当高斯波形超过鉴别阈值，鉴别器输出高，使能数字电路，进行有效粒子计数。Coincidence事件发生时，鉴别器为高周期内，不能响应额外粒子，定义为死区时间。一种常用方法为从单位总采样时间减去死区时间来获取真实用于脉冲计数的采样时间达到修正测量计数的目的。如Hering(Water-Based Condensation Particle Counter(WCPC),Aerosol Science&Technology)认为实际的死区时间取决于两连续探测脉冲上升沿之间的最短时间T_m，并大于单脉冲过阈值电平产生的方波宽度时间T_Di,且

因此测量浓度C_N有公式(1)：

T_r为单位粒子采样时间(通常仪器设为0.2s～0.4s之间)，N_m测量的粒子个数，T_d为死区时间，而f_D是死区时间的校正因子。文中使用TSI3010作为标准测量仪器，使用Nacl溶液作为气溶胶源，在0～50000/cm³浓度范围内测量，校正浓度与实际浓度偏差小于10％。此方法是对Coincidence的非直接校正，电路需有获取单脉冲的波形参数和总回波宽度的能力，该方法对仪器硬件产生较高的要求，出厂就需要标定好，不适用于大部分普通的CPC装置。

总的来说，现阶段市场上的商用CPC仪器，如TSI多采用公式(1)对Coincidence现象进行校准，此方法是对Coincidence的非直接校正，电路需有获取单脉冲的波形参数和总回波宽度的能力，该方法对仪器硬件产生较高的要求，出厂就需要标定好，不适用于大部分普通的CPC装置。本方法采用数学方法，只需在后端数据处理软件中对浓度数据进行处理，改造方法简单，成本低廉，适用于绝大部分市面所售CPC仪器及已在使用中老旧型号CPC仪器。

发明内容

本发明提出的一种CPC粒子计数器中死区时间的校正方法，可解决上述技术问题。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种CPC粒子计数器中死区时间的校正方法，包括以下步骤，通过产生标准颗粒物浓度，使用已标定设备和被测仪器，同时测量该浓度气体，基于泊松分布产生τ_d和C_m之间的关系，即泊松分布对脉冲计数事件进行描述如下：设C_a为标准浓度，C_m为未进行死区时间校正的校正前浓度，τ_d为单个粒子的死区时间，Q为气溶胶流速，则存在公式(2)：

C_a＝C_mexp(-C_aQτ_d) (2)

变化表达式,死区时间τ_d表示为：

则通过测量流量Q、标准浓度C_a和校正前浓度C_m，则推导出死区时间τ_d；进而对其进行二阶指数衰减曲线拟合，最终通过仪器测量的原始浓度，产生反推实际浓度并进行校正。

进一步的，所述标准浓度C_a和校正前浓度C_m的测量步骤如下：

搭建测量平台包括依次连接的气溶胶雾化发生器、空气阀、分流计、静电计和冷凝粒子计数器(CPC)；

其中，气溶胶雾化发生器用于发生高浓度的气溶胶颗粒物；空气阀用于改变流量控制颗粒物浓度的变化，从而实现从零至上万颗粒物浓度的实时调节；分流器分别连接到冷凝粒子计数器(CPC)与法拉第杯静电计(FCE)，可实现气溶胶颗粒的均匀分流；法拉第杯静电计为已计量过的标准浓度测量仪器，产生标准浓度C_a，冷凝粒子计数器(CPC)为需要标定死区时间的测量仪器，产生校正前浓度C_m。

进一步的，颗粒物浓度测量步骤包括：

通过改变气溶胶雾化发生器的吹扫流量控制颗粒物浓度的变化，从而实现从零至上万颗粒物浓度的实时调节；

在测量范围内选取N个采样点，每个采样点采样5分钟以上，做平均处理，以提高采样准确度。

进一步的，对其进行二阶指数衰减曲线拟合步骤如下：

根据公式(3)，产生τ_d和C_m，做出对应的曲线；

单位时间内单个粒子脉冲死区事件时间随浓度增大而呈指数型下降，对曲线进行非线性拟合，产生公式(4)，其中y₀,A₁,A₂,t₁,t₂为待定系数，这些待定系数在拟合后可生成；

整个测量过程中，流量Q需为定值。

进一步的，标准浓度C_a的反推步骤如下：

使用二阶泰勒近似，对方程(3)展开，得到方程(5)，其中C为Q×τ_d的乘积；

合并公式(4)和(5)，得到公式(6)：

由上述技术方案可知，本发明的CPC粒子计数器中死区时间的校正方法，通过产生标准颗粒物浓度，使用已标定设备(如高精度CPC或者法拉第杯静电计FCE)和被测仪器，同时测量该浓度气体，基于泊松分布产生τ_d和C_m之间的关系，并对其进行二阶指数衰减曲线拟合，最终通过仪器测量的原始浓度，产生反推实际浓度的过程。本发明的方法采用数学方法，只需在后端数据处理软件中对浓度数据进行处理，改造方法简单，成本低廉，适用于绝大部分市面所售CPC仪器及已在使用中老旧型号CPC仪器。

附图说明

图1是本发明的测量平台示意图；

图2 τ_d和C_m之间的拟合曲线；

图3校正后浓度和实际浓度相关性。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

如图1所示，本实施例所述的CPC粒子计数器中死区时间的校正方法，包括以下步骤：

步骤1、

因为两个或者两个以上的粒子同时通过光学检测区的事件，可以看做是概率事件，因此可以使用泊松分布对脉冲计数事件进行描述，设C_a为标准浓度，C_m为未进行死区时间校正的校正前浓度，τ_d为单个粒子的死区时间，Q为气溶胶流速，则存在公式(2)。

C_a＝C_mexp(-C_aQτ_d) (2)

变化表达式,死区时间τ_d可表示为：

因此只需知道流量Q、标准浓度C_a和校正前浓度C_m，就可以推导出死区时间τ_d。

步骤2、

搭建测量平台如图1所示，仪器包括气溶胶雾化发生器，空气阀，分流计，静电计和CPC。

气溶胶雾化发生器用于发生高浓度的气溶胶颗粒物；空气阀用于改变流量控制颗粒物浓度的变化，从而实现从零至上万颗粒物浓度的实时调节；分流器分别连接到冷凝粒子计数器(CPC)与法拉第杯静电计(FCE)，可实现气溶胶颗粒的均匀分流；法拉第杯静电计为已计量过的标准浓度测量仪器，产生标准浓度C_a，该处标准测量仪器不仅限于法拉第杯静电计；CPC为需要标定死区时间的测量仪器，产生校正前浓度C_m。

步骤3、

在实验运行时，可通过改变气溶胶雾化发生器的吹扫流量控制颗粒物浓度的变化，从而实现从零至上万颗粒物浓度的实时调节。在测量范围内选取N个采样点，采样点数量由需要标定的浓度范围及气溶胶雾化发生器所能发生的浓度上限和精度所决定，通常选取20组～30组左右；为保证数据测量的稳定性，每个采样点采样5分钟以上，可做平均处理，以提高采样准确度。根据公式(3)，产生τ_d和C_m，做出如图2曲线。

单位时间内单个粒子脉冲死区事件时间随浓度增大而呈指数型下降，对图2进行非线性拟合，产生公式(4)，其中y₀,A₁,A₂,t₁,t₂为待定系数，这些待定系数在拟合后可生成。整个测量过程中，流量Q需为定值，大部分CPC测量通常使用0.3L/min流量，但不仅限于此流量。

步骤4、

再使用二阶泰勒近似，对方程(3)展开(本发明不限于二阶展开，泰勒级数展开越高，精度越高)，得到方程(5)，其中C为Q×τ_d的乘积。

合并公式(4)和(5)，得到公式(6)。

本发明校正结果如图3所示，校正后浓度和测量浓度之间，相关性为0.99463，误差为3.407％。

综上所述，本发明方法通过产生标准颗粒物浓度，使用已标定设备(如高精度CPC或者法拉第杯静电计FCE)和被测仪器，同时测量该浓度气体，基于泊松分布产生τ_d和C_m之间的关系，并对其进行二阶指数衰减曲线拟合，最终通过仪器测量的原始浓度，产生反推实际浓度的过程。

本发明方法采用数学方法，只需在后端数据处理软件中对浓度数据进行处理，改造方法简单，成本低廉，适用于绝大部分市面所售CPC仪器及已在使用中老旧型号CPC仪器。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种CPC粒子计数器中死区时间的校正方法，其特征在于：包括以下步骤，通过产生标准颗粒物浓度，使用已标定设备和被测仪器，同时测量该浓度气体，基于泊松分布产生τ_d和C_m之间的关系，即泊松分布对脉冲计数事件进行描述如下：设C_a为标准浓度，C_m为未进行死区时间校正的测量浓度，τ_d为单个粒子的死区时间，Q为气溶胶流速，则存在公式(2)：

C_a＝C_mexp(-C_aQτ_d) (2)

变化表达式,死区时间τ_d表示为：

则通过测量流量Q、标准浓度C_a和校正前测量浓度C_m，则推导出死区时间τ_d；进而对死区时间τ_d和校正前浓度C_m进行二阶指数衰减曲线拟合，最终通过仪器测量的校正前浓度C_m，产生反推标准浓度C_a的目的。

2.根据权利要求1所述的CPC粒子计数器中死区时间的校正方法，其特征在于：所述标准浓度C_a和校正前浓度C_m的测量步骤如下：

搭建测量平台包括依次连接的气溶胶雾化发生器、空气阀、分流计、静电计和冷凝粒子计数器(CPC)；

其中，气溶胶雾化发生器用于发生高浓度的气溶胶颗粒物；空气阀用于改变流量控制颗粒物浓度的变化，从而实现从零至上万颗粒物浓度的实时调节；分流器分别连接到冷凝粒子计数器(CPC)与法拉第杯静电计(FCE)，可实现气溶胶颗粒的均匀分流；法拉第杯静电计为已计量过的标准浓度测量仪器，产生标准浓度C_a，冷凝粒子计数器(CPC)为需要标定死区时间的测量仪器，产生校正前浓度C_m。

3.根据权利要求2所述的CPC粒子计数器中死区时间的校正方法，其特征在于：

测量步骤包括：

通过改变气溶胶雾化发生器的吹扫流量控制颗粒物浓度的变化，从而实现从零至上万颗粒物浓度的实时调节；

在测量范围内选取N个采样点，每个采样点采样5分钟以上，做平均处理，以提高采样准确度。

4.根据权利要求3所述的CPC粒子计数器中死区时间的校正方法，其特征在于：对其进行二阶指数衰减曲线拟合步骤如下：

根据公式(3)，产生τ_d和C_m，做出对应的曲线；

单位时间内单个粒子脉冲死区事件时间随浓度增大而呈指数型下降，对曲线进行非线性拟合，产生公式(4)，其中y₀,A₁,A₂,t₁,t₂为待定系数，这些待定系数在拟合后可生成；

整个测量过程中，流量Q需为定值。

5.根据权利要求4所述的CPC粒子计数器中死区时间的校正方法，其特征在于：标准浓度C_a的反推步骤如下：

使用二阶泰勒近似，对方程(3)展开，得到方程(5)，其中C为Q×τ_d的乘积；

合并公式(4)和(5)，得到公式(6)：

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