CN114414448B - 颗粒物浓度测量装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种颗粒物浓度测量装置，包括：壳体，壳体的第一端敞开，并且壳体的第二端设有流量控制器，用于使气流从第一端进入壳体并经由第二端离开壳体；设置在壳体上的颗粒物浓度传感器，其中，颗粒物浓度传感器包括静电感应杆，静电感应杆沿着壳体的长度方向设置在壳体的内部空间中。这样，通过壳体产生相对稳定的流动环境，有利于采集装置标定，且在雨雪等天气情况下对传感器起到保护作用，另外，流量传感器使得通过壳体的空气流量稳定可控，进而在壳体内可产生固定流速的风，以便于空气中存在的颗粒物与静电感应杆相互作用，提高了测量精度。另外，本发明还涉及一种使用折中颗粒物浓度测量装置测量空气中的颗粒物浓度的测量方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种颗粒物浓度测量装置，用于在沙尘暴、雾霾天气下测量空气中颗粒物浓度，可用于航空、航天、船舶等有沙尘暴、雾霾环境条件对颗粒物浓度有使用需求的领域。
另外，本发明还涉及一种使用颗粒物浓度测量装置测量空气中的颗粒物浓度的测量方法。
背景技术
在航空、航天和航海等频繁遭遇沙尘暴、严重雾霾、火山喷发等极端的沙尘气象条件。在此类情况下，航空器或其它产品会由于空气中的颗粒物造成系统冷却孔堵塞、气溶胶贴附高温表面、机械卡阻甚至表面刮痕等影响，影响到产品的功能，甚至危害到产品的使用安全。例如，1982年6月24日，一架波音747飞机在飞越印尼上空遭遇火山喷发，造成四台发动机全部熄火，引起严重的安全风险。其后2010年冰岛、2017年巴厘岛均出现了大规模的航班受火山影响不能起降的案例。随后在2020年欧洲航空安全局颁布规定AMC 25.1593“Exposure to volcanic cloudhazards”要求飞机对火山灰进行防护。
因此，在装备设计和制造中通常都将需要满足的沙尘环境要求纳入到产品设计需求之中，且在GJB-150A、RTCA-DO-160G、MIL-STD-810H等产品开发标准中对在沙尘(颗粒物)环境的具体颗粒物浓度参数提出建议。而归结747飞机火山灰事故的原因是由于在实际遭遇火山灰情况下颗粒物的浓度量级大于产品研制中定义的沙尘浓度，导致系统设备无法在该环境条件下运行，引起飞行安全的隐患。
而在实际运营中，民航飞机是根据塔台预报的沙尘气象情况决定是否起飞或降落，但塔台主要是基于METAR报文中的能见度参数和天空颜色进行沙尘气象判定。这样的沙尘气象判定准则不能与飞机设计制造中所开展的沙尘环境试验建立定量的关系，即能见度不能直接表征沙尘浓度。此举将很大程度上制约飞机在轻度沙尘、雾霾等天气下的签派率，影响航空公司运营。
因此需要一款可以用于机场区域的沙尘颗粒物浓度测量的装置，用于判定飞机放行的标准。
现有技术中用于颗粒物浓度测量的装置主要包括以下三类：
1.基于光学的颗粒物浓度测量装置，此类装置精度高，但受制于其作用原理，在开放环境下缺少光学反射的标定面，不适用于机场的沙尘环境测量；
2.目前工业上使用以静电感应为原理的颗粒物浓度测量设备，即通过静电感应装置暴露与沙尘环境中，由于颗粒物经过感应装置附件引起的局部电位差标定颗粒物浓度。但此种测量设备存在局限性，首先，沙尘暴往往伴随着大风，而颗粒物浓度受风速影响，该种测量方法需要标定当前的风速和风向，否则对测量结果影响较大；其次，静电感应装置直接暴露于外界，由于降雨会使颗粒物吸附于装置表面对测量产生影响。因此，现有技术中的以静电感应为原理的颗粒物浓度测量设备不太适应于航空业中，对于环境中颗粒物浓度的中长期的测量。
3.基于气溶胶测量原理的颗粒物测量设备，此类设备主要用于环境保护监控，测量PM2.5和PM10的浓度，即粒径小于2.5微米和10微米颗粒物浓度，而民用飞机关注的颗粒物粒径从5微米至850微米，气溶胶测量设备不符合要求。
因此迫切需要一种颗粒物浓度测量装置，并且该颗粒物浓度测量装置能够克服现有技术中存在的一个或多个缺点。
发明内容
本发明为搭建满足民用飞机设计特征的空气中颗粒物浓度的测量装置，符合粒径、精度和量程的要求，提出了一种空气中颗粒物浓度测量装置，可适用于在机场或其它开放区域开展沙尘颗粒物浓度测量。
根据本发明的一个方面，提供了一种颗粒物浓度测量装置，该颗粒物浓度测量装置可以包括：
壳体，壳体的第一端敞开，并且壳体的第二端设有流量控制器，用于使气流从第一端进入壳体并经由第二端离开壳体；
设置在壳体上的颗粒物浓度传感器，其中，颗粒物浓度传感器包括静电感应杆，静电感应杆沿着壳体的长度方向设置在壳体的内部空间中。
这样，通过壳体产生相对稳定的流动环境，有利于采集装置标定，且在雨雪等天气情况下对传感器起到保护作用。另外，流量传感器使得通过壳体的空气流量稳定可控，进而在壳体内可产生固定流速的风，以便于空气中存在的颗粒物与静电感应杆相互作用，提高了测量精度。
根据本发明的上述方面，较佳地，颗粒物浓度测量装置还包括支架，壳体的侧部可枢转地设置在支架上。这样，能够调整壳体的敞开的第一端的朝向，从而避免风速干扰测量结果。
根据本发明的上述方面，较佳地，支架可以包括锁定装置，锁定装置(41)用于锁定壳体相对于支架的位置。这样，可以避免壳体相对于支架的位置的偏移，例如在风、雨等异常天气情况下，从而确保测量的精度。
根据本发明的上述方面，较佳地，颗粒物浓度测量装置还包括风速风向传感器，用于确定壳体所在环境下的风速和/或风向，从而能够据此更精确地调整壳体的敞开的第一端的朝向，进而提高测量精度。
根据本发明的上述方面，较佳地，颗粒物浓度测量装置还包括旋转控制器，旋转控制器设置在支架与壳体之间，用于调节壳体相对于支架的旋转角度。该旋转控制器例如可以与风速风向传感器协配，以根据颗粒物浓度测量装置所处的环境中的风速/风向自动地调节壳体的敞开的第一端的朝向，从而进一步提高测量精度并改善测量效率。
根据本发明的上述方面，为了更实时地检测空气中的颗粒物浓度，较佳地，风速风向传感器和颗粒物浓度传感器的采样频率不小于1Hz，并且较佳地，旋转控制器控制壳体旋转的时间间隔在.0.5s-1s之间。
根据本发明的上述方面，较佳地，壳体为壳体内部直径不小于100mm的圆筒形壳体。这种结构一方面便于静电感应杆的设置，并且使在壳体内部流动的空气的流速更均匀，另外也避免了空气中的颗粒物积聚/滞留在壳体内壁上而干扰测量结果。
根据本发明的上述方面，较佳地，流量控制器包括风扇、鼓风机。风扇或鼓风机可将进入壳体内部的沙尘带出壳体，并且能够确保壳体内流动稳定，提高测量精度。
根据本发明的另一方面，提出了一种使用根据上述方面所述的颗粒物浓度测量装置测量空气中的颗粒物浓度的测量方法，该方法可以包括以下步骤：放置壳体，使得壳体的纵向轴线平行于地面；控制流量控制器使得空气以恒定的流量流过通过壳体；以及经由颗粒物浓度传感器测量颗粒物浓度。根据这种方面能够在各种天气状况下测量空气中的颗粒物浓度，满足了测量要求。
根据本发明的上述方面，较佳地，还包括以下步骤：调整壳体的取向，使得壳体的第一端与风向相切。这样，根据风速风向传感器的采集结果，形成主动控制回路，反馈至旋转控制器，旋转控制器使得壳体开口方向与当前外界风向相切，这样外界风不直接灌入壳体内部，有利于壳体内部流动的稳定性，从而提高了测量精度。
由此，通过本发明的颗粒物浓度测量装置能够满足使用要求，克服了现有技术的缺点并且实现了预定的目的。
附图说明
为了进一步清楚地描述根据本发明的颗粒物浓度测量装置，下面将结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明，在附图中：
图1是根据本发明的非限制性实施例的颗粒物浓度测量装置的示意图。
上述附图仅仅是示意性的，未严格按照比例绘制。
图中的附图标记在附图和实施例中的列表：
100-颗粒物浓度测量装置，包括；
10-壳体，包括；
11-第一端；
12-第二端；
20-流量控制器；
30-颗粒物浓度传感器，包括；
31-静电感应杆；
40-支架，包括；
41-锁定装置；
50-风速风向传感器；
50A-支承杆；
60-旋转控制器。
具体实施方式
应当理解，除非明确地指出相反，否则本发明可以采用各种替代的取向和步骤顺序。还应当理解，附图中所示及说明书中的具体装置仅是本文公开和限定的发明构思的示例性实施例。因而，除非另有明确的声明，否则所公开的各种实施例涉及的具体取向、方向或其它物理特征不应被视为限制。
下面结合附图来具体说明根据本发明的颗粒物浓度测量装置100。
图1是根据本发明的非限制性实施例的颗粒物浓度测量装置100的示意图。
如图所示，该颗粒物浓度测量装置100可以包括壳体10、流量控制器20和颗粒物浓度传感器30。
在附图中示出的实施例中，壳体10是大致圆筒形的，具有贯通的中空内部腔体，例如壳体10为内部直径不小于100mm的圆筒形壳体，以便于相关部件的设置和操作。
在该实施例中，壳体10包括第一端11和相对的第二端12，其中第一端11保持敞开，而第二端12设有流量控制器20。
这种圆筒形的壳体10的结构例如可以使得颗粒物浓度测量装置100所经受的风阻尽可能小，从而保持颗粒物浓度测量装置100的稳定性。
作为非限制性实施例，流量控制器20可以是风扇、鼓风机等，流量控制器20的周缘例如可以相对于壳体10的内壁气密密封，用于使气流从第一端11进入壳体10并经由第二端12离开壳体10，例如风扇、鼓风机可以以恒定的速度运行，从而能够在壳体10的中空内部腔体中形成稳定的气流。
颗粒物浓度传感器30设置在壳体10上，例如固定到壳体10的侧壁上，其中，颗粒物浓度传感器30包括静电感应杆31，静电感应杆沿着壳体10的长度方向设置在壳体10的内部空间中。
如图所示，静电感应杆31具有大致L形的形状，并且通过壳体10的侧壁上的开口连接到颗粒物浓度传感器30的本体。
应当理解，虽然在附图中示出的静电感应杆31在壳体10的中空内部腔体中朝向壳体10的第一端11延伸，但是在替代实施例中，静电感应杆31可以朝向任一端延伸。但是较佳地，静电感应杆31不延伸超出第一端11或第二端，以免暴露于外界环境而影响测量精度。
如图所示并且作为本发明的较佳实施例，颗粒物浓度测量装置100还可以包括支架40，壳体10的侧部可枢转地设置在支架40上，并且支架40可以包括锁定装置41，当壳体10选择就位时，锁定装置41用于将壳体10锁定，以免被风吹动继续旋转。
支架40可以是本领域中已知的任何形式的支架，只要其能够牢固地保持壳体10并允许壳体10相对于支架40枢转即可，例如围绕支架40的竖直轴线枢转。这样，在使用时，操作人员能够根据风速或风向的情况，适当地调整壳体10的朝向，以免风速影响测量结果。
另外，根据本发明的非限制性实施例，颗粒物浓度测量装置100还可以包括风速风向传感器50，用于确定壳体10所在环境下的风速和/或风向，从而能够基于该测量结果更方便快捷地调节壳体10的朝向。风速风向传感器50例如可以借助支承杆50A支承在壳体10上，靠近壳体10的敞开的第一端11，从而获得第一端11附近的风速和/或风向。风速风向传感器50可以是本领域中已知的任何类型的风速风向传感器，因此本发明对此不再详细描述。
如图所示并且作为本发明的较佳实施例，颗粒物浓度测量装置100还可以包括旋转控制器60，旋转控制器60例如可以设置在支架40与壳体10之间，用于调节壳体10相对于支架40的旋转角度。
较佳地，旋转控制器60与风速风向传感器50以及锁定装置41配合使用，例如它们都是电动的，并且彼此电气联接，并且还可以连接到电源和控制器(附图中未示出)。
在使用时，例如可以首先通过风速风向传感器检测实时风向；然后，旋转控制器60可以基于风速风向传感器检测到的实时风向，使壳体10相对于支架40的旋转预定角度，从而使得壳体10的第一端11的开口方向始终与风向相切；接着，通过颗粒物浓度传感器30的静电感应杆31测量到指定风速下环境中的颗粒物浓度。该测量结果例如可以有线或者无线发送到塔台，以用于判定飞机放行的标准。
较佳地，风速风向传感器50和颗粒物浓度传感器30的采样频率不小于1Hz，旋转控制器60控制壳体10旋转的时间间隔在0.5s-1s之间。
根据本发明的另一非限制性实施例，提出了一种使用根据上述实施例的颗粒物浓度测量装置100测量空气中的颗粒物浓度的测量方法，该方法可以可选地包括以下步骤：
首先，放置壳体10，例如可以将壳体10放置在支架40或者其它支承结构上，使得壳体10的纵向轴线大致平行于地面；
然后，控制流量控制器20，例如接通风扇的电源并设置风扇转速，使得空气以恒定的流量流过通过壳体10的中空内部腔体；
较佳地，在有风的情况下，可以调整壳体10的取向，使得壳体10的第一端11与风向相切，例如可以借助风速风向传感器50和旋转控制器60来进行这种调节。
最后，经由颗粒物浓度传感器30测量颗粒物浓度。
如本文所用的表示方位或取向的术语“侧向/侧向方向”、“轴向/轴向方向”以及用于表示顺序的用语“第一”、“第二”等仅仅是为了使本领域普通技术人员更好地理解以较佳实施例形式示出的本发明的构思，而非用于限制本发明。除非另有说明，否则所有顺序、方位或取向仅用于区分一个元件/部件/结构与另一个元件/部件/结构的目的，并且除非另有说明，否则不表示任何特定顺序、操作顺序、方向或取向。例如，在替代实施例中，“第一端”可以是“第二端”，并且“侧向/侧向方向”可以替代地是指“横向/横向方向”。
综上所述，根据本发明的实施例的颗粒物浓度测量装置100克服了现有技术中的缺点，实现了预期的发明目的。
虽然以上结合了较佳实施例对本发明的颗粒物浓度测量装置进行了说明，但是本技术领域的普通技术人员应当认识到，上述示例仅是用来说明的，而不能作为对本发明的限制。因此，可以在权利要求书的实质精神范围内对本发明进行各种修改和变型，这些修改和变型都将落在本发明的权利要求书所要求的范围之内。
Claims (9)
1.一种颗粒物浓度测量装置(100)，其特征在于，所述颗粒物浓度测量装置包括：
壳体(10)，所述壳体的第一端(11)敞开，并且所述壳体的第二端(12)设有流量控制器(20)，用于使气流从所述第一端(11)进入所述壳体(10)并经由所述第二端(12)离开所述壳体(10)；
设置在所述壳体(10)上的颗粒物浓度传感器(30)，其中，所述颗粒物浓度传感器(30)包括静电感应杆(31)，所述静电感应杆沿着所述壳体(10)的长度方向设置在所述壳体(10)的内部空间中，以及
旋转控制器(60)，所述旋转控制器控制所述壳体(10)的取向，使得所述壳体(10)的所述第一端(11)与风向相切。
2.根据权利要求1所述的颗粒物浓度测量装置(100)，其特征在于，所述颗粒物浓度测量装置还包括支架(40)，所述壳体(10)的侧部可枢转地设置在所述支架(40)上。
3.根据权利要求2所述的颗粒物浓度测量装置(100)，其特征在于，所述支架(40)包括锁定装置(41)，所述锁定装置(41)用于锁定所述壳体(10)相对于所述支架(40)的位置。
4.根据权利要求3所述的颗粒物浓度测量装置(100)，其特征在于，所述颗粒物浓度测量装置还包括风速风向传感器(50)，用于确定所述壳体(10)所在环境下的风速和/或风向。
5.根据权利要求4所述的颗粒物浓度测量装置(100)，其特征在于，所述旋转控制器设置在所述支架(40)与所述壳体(10)之间，用于调节所述壳体(10)相对于所述支架(40)的旋转角度。
6.根据权利要求5所述的颗粒物浓度测量装置(100)，其特征在于，所述风速风向传感器(50)和所述颗粒物浓度传感器(30)的采样频率不小于1Hz，并且所述旋转控制器(60)控制所述壳体(10)旋转的时间间隔在0.5s-1s之间。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的颗粒物浓度测量装置(100)，其特征在于，所述壳体(10)为壳体内部直径不小于100mm的圆筒形壳体。
8.根据权利要求1-6中任一项所述的颗粒物浓度测量装置(100)，其特征在于，所述流量控制器(20)包括风扇或鼓风机。
9.一种使用根据权利要求1-8中任一项所述的颗粒物浓度测量装置(100)测量空气中的颗粒物浓度的测量方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
放置所述壳体(10)，使得所述壳体(10)的纵向轴线平行于地面；
控制所述流量控制器(20)使得空气以恒定的流量流过通过所述壳体(10)；以及
经由所述颗粒物浓度传感器(30)测量颗粒物浓度。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 风沙环境对超声风速仪测量结果的影响;李兴财;;声学技术(02);第41-44页 * |
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|---|---|
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