CN114877938A - 一种用于洞窟空气颗粒物的监测元件及装置 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种用于洞窟空气颗粒物的监测元件及装置，包括温湿度监测单元，对洞窟空气颗粒物的湿度和颗粒物浓度检测环境的温度进行实时监测，并发送空气湿度数据和检测温度数据至数据处理单元；除湿单元，根据空气湿度数据对洞窟空气颗粒物进行除湿处理，维持颗粒物浓度检测环境；激光检测单元，在颗粒物浓度检测环境中，对颗粒物进行浓度检测，并发送浓度数据至数据处理单元；数据处理单元，获取与检测温度对应的修正系数，进行浓度数据的处理得到修正浓度数据，同时根据空气湿度数据控制除湿单元的启停。本公开可实现石窟寺类洞窟微环境空气颗粒物的实时、高精度监测需求，具备安装便携、数据可远传的功能。

Description

一种用于洞窟空气颗粒物的监测元件及装置

技术领域

本公开涉及洞窟空气颗粒物监测领域，尤其涉及一种用于洞窟空气颗粒物的监测元件及装置。

背景技术

石窟寺是集建筑、雕塑、绘画、书法等艺术于一体的文化遗产，我国石窟寺分布广泛，历史悠久、规模宏大，是中华民族审美追求和文化精神的具体体现。但由于受赋存地质条件及自然环境等因素影响，我国石窟寺岩体坍塌失稳、渗水及风化等病害普遍发育，破坏了石窟寺的真实性、完整性和延续性，威胁着石窟寺长久保存与安全利用。

20世纪90年代，文化遗产风险管理理论开始应用于文化遗产抵御各类自然灾害的保护和研究。针对石窟寺类不可移动文化遗产，洞窟微环境监测是该类文物风险监测预警体系架构中的重要环节，建立石窟微环境模型是石窟病害机理研究、保护加固方案制定和预防性保护决策的重要依据，对洞窟微环境的监测是揭示石窟岩体劣化过程、指导加固技术、评估安全稳定的重要环节。同时洞窟微环境改变是造成壁画等文物本体病害的关键因素，其中空气颗粒物是洞窟微环境变化的主要影响参数之一。大气环境中颗粒物是珍贵古代壁画的重要污染源，粉尘沉降在壁画彩塑表面，不仅降低了其美学价值，亦对文物构成腐蚀等潜在威胁。因此开展洞窟微环境空气颗粒物长期监测，对石窟寺类文化遗产地保护具有重要意义。

当前，光散射法颗粒监测装置应用广泛，主要基于MIE散射原理，通过测量散射光的强度来计算颗粒的粒子数浓度、质量浓度和分布等参数，具有实时性好、体积小、成本低的优势。但其输出信号与绝对质量浓度的转换关系与颗粒物大小、密度、形状和光学特性相关，同时受诸如温度、相对湿度等环境因素的干扰。为提高光散射式空气颗粒监测装置的精度，通常采用进气口干燥剂除湿或者加热除湿等方式实现；对于干燥剂吸附除湿，干燥剂需定期更换，不利于设备的长期无维护运行；对于加热除湿，由于改变了颗粒物所处的环境温度，在去除水分的同时，也会造成颗粒物的易挥发成分高温挥发，进而影响测量精度。同时由于文物保护领域设备使用环境的特殊性，对设备的安装方式、数据传输方式、供电方式等也提出新的需求。

发明内容

为了解决上述存在的缺陷，本发明提供了一种用于洞窟空气颗粒物的监测元件及装置，可实现石窟寺类洞窟微环境空气颗粒物的实时、高精度监测需求，具备安装便携、数据可远传的功能，监测数据可为洞窟壁画病害产生机理研究提供基础数据，助力洞窟文物劣化风险的评估分析和监测预警。

本公开的第一方面，提供了一种用于洞窟空气颗粒物的监测元件，包括：温湿度监测单元、除湿单元、激光检测单元和数据处理单元；其中，温湿度监测单元，对洞窟空气颗粒物的湿度和颗粒物浓度检测环境的温度进行实时监测，并发送空气湿度数据和检测温度数据至数据处理单元；除湿单元，根据空气湿度数据对洞窟空气颗粒物进行除湿处理，维持颗粒物浓度检测环境；激光检测单元，在颗粒物浓度检测环境中，对颗粒物进行浓度检测，并发送浓度数据至数据处理单元；数据处理单元，获取与检测温度对应的修正系数，进行浓度数据的处理得到修正浓度数据，同时根据空气湿度数据控制除湿单元的启停。

进一步的，还设有修正单元，预存不同检测温度和与之一一对应的修正系数；数据处理单元，根据检测温度获取修正单元预存的与之对应的修正系数。

进一步的，修正系数，是在标准工况下，不同检测温度时，激光检测单元输出的浓度数据相对标准颗粒物浓度数据的修正系数。

进一步的，数据处理单元设有获取模块、计算模块和主控模块；其中，获取模块用于获取修正系数；计算模块用于修正浓度数据得到修正浓度数据；主控模块用于调控除湿单元的启停。

进一步的，还设有输送单元，用于将洞窟空气颗粒物通过除湿单元输送至激光检测单元；通信单元，接收数据处理单元的检测温度数据、空气湿度数据、浓度数据和修正浓度数据传输到终端，并接收修正系数数据保存至修正单元。

本公开的第二方面，提供了一种用于洞窟空气颗粒物的监测装置，采用上述的监测元件进行空气颗粒物检测，监测装置还设有：采样单元，设有过滤器，用于过滤采集洞窟空气颗粒物，并将洞窟空气颗粒物输送至监测元件；显示单元，接收监测元件的检测温度数据、空气湿度数据、修正系数、浓度数据和修正浓度数据并实时显示；供电单元，采用不间断电源，用于监测装置的供电。

进一步的，固定单元，固定单元设有箱体和支架；其中，监测元件设于箱体内部；箱体设于支架；支架固定于地面。

进一步的，箱体具有固定板、固定前板和箱门；其中，

箱体内部的侧面垂直设置固定前板；固定前板内侧垂直设置固定板；固定前板外侧设置箱门；箱门安装于箱体。

进一步的，监测元件和供电单元安装于固定板上；采样单元的过滤器设置在箱体外部，贯穿箱体通过管道与监测元件连接；固定前板外侧安装显示单元，箱门设置观察窗，用于观察显示单元的显示数据。

进一步的，固定前板还设有启动开关，用于监测装置的启停。

本公开通过对监测装置的内部结构一体化设计，可满足石窟寺洞窟微环境空气颗粒物监测的高可靠需求；通过加热除湿+浓度系数动态补偿的颗粒物浓度技术方案，可实现装置的高精度及环境适应性需求；通过数据的无线远传，可实现监测数据的远程云端维护。

应当理解，发明内容部分中所描述的内容并非旨在限定本公开的实施方式的关键或重要特征，亦非用于限制本公开的范围。本公开的其它特征将通过以下的描述变得容易理解。

附图说明

结合附图并参考以下详细说明，本公开各实施方式的上述和其他特征、优点及方面将变得更加明显。附图用于更好地理解本方案，不构成对本公开的限定在附图中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的元素，其中：

图1为本公开的监测装置的监测元件的内部原理框图；

图2为本公开的监测装置的原理框图；

图3为本公开的监测装置的总体结构示意图；

图4为本公开的监测装置的箱体结构示意图；

图5为本公开的监测装置的箱体内部固定板的安装示意图；

图6为本公开的监测元件的浓度系数动态补偿的逻辑图；

其中，图1至图6中的附图标记与部件名称之间的对应关系为：

10箱体、11固定前板，12固定板、13启动开关、14箱门、15观察窗、16箱体锁、17充电口、20支架、30采样单元、40监测元件、41温湿度监测单元、42除湿单元、43激光检测单元、44输送单元、45数据处理单元、46通信单元、461通信天线、47修正单元、50显示单元、60供电单元、61电源适配器。

具体实施方式

为使本公开实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施方式中的附图，对本公开实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本公开一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本公开中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的全部其他实施方式，都属于本公开保护的范围。

另外，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

本公开提供了一种用于洞窟空气颗粒物的监测元件及装置，可实现石窟寺类洞窟微环境空气颗粒物的实时、高精度监测需求，具备安装便携、数据可远传的功能，监测数据可为洞窟壁画病害产生机理研究提供基础数据，助力洞窟文物劣化风险的评估分析和监测预警。

本公开的第一方面，提供了一种用于洞窟空气颗粒物的监测元件，如图1所示，监测元件40内部设置温湿度监测单元41、除湿单元42、激光检测单元43、输送单元44、数据处理单元45、通信单元46和修正单元47；其中，温湿度监测单元41，对洞窟空气颗粒物的湿度和颗粒物浓度检测环境的温度进行实时监测，并发送空气湿度数据和检测温度数据至数据处理单元45；除湿单元42，根据空气湿度数据对洞窟空气颗粒物进行除湿处理，维持颗粒物浓度检测环境，即检测的最佳环境；激光检测单元43，在最佳检测环境中，对颗粒物进行浓度检测，并发送浓度数据至数据处理单元45；数据处理单元45，根据检测温度数据从修正单元47处获取与此检测温度对应的修正系数，进行浓度数据的处理得到修正浓度数据，同时根据空气湿度数据控制除湿单元42的启停；输送单元44，用于将洞窟空气颗粒物通过除湿单元42输送至激光检测单元43；通信单元46，接收数据处理单元45的检测温度数据、空气湿度数据、修正系数、浓度数据和修正浓度数据传输到终端，并接收修正系数的映射文件保存至修正单元47，用于监测装置与终端的数据传输及监测装置内部数据的传输；修正单元47，预存不同检测温度和与之一一对应的修正系数，修正系数是在标准工况下，不同检测温度时，激光检测单元43输出的浓度数据相对标准颗粒物浓度数据的修正系数，即激光检测单元43的精度修正。

在上述实施例中，在使用本公开的监测元件40时，温湿度监测单元41采用温度传感器和湿度传感器进行温度和湿度的检测；除湿单元42采用加热除湿的方式进行除湿；激光检测单元43采用光散射式空气颗粒监测装置进行空气颗粒物的检测；输送单元44采用真空隔膜泵，将空气颗粒物泵吸至激光检测单元43实现颗粒物浓度的测量。

在上述实施例中，数据处理单元45设有获取模块、计算模块和主控模块；其中，获取模块用于从修正单元47内获取修正系数；计算模块用于将实时的浓度数据通过修正系数的修正计算得到实时的修正浓度数据；主控模块用于根据空气湿度数据和预设的湿度阈值数据，调控除湿单元42的启停。

在上述实施例中，本公开监测装置在洞窟微环境中使用时，温湿度是影响激光检测传感器精度的重要因素，为提高检测精度，监测元件40通过温湿度监测单元41实时采集洞窟内环境的湿度并发送至数据处理单元45，数据处理单元45的主控模块通过预设的除湿阈值数据，进行分析处理，获得除湿单元42启动的判断依据，当环境湿度超过设定的加热除湿阈值时，主控模块控制除湿单元42启动，达到湿度要求后，停止除湿单元42，保障了激光检测单元43的最佳检测环境，可大幅提升激光检测传感器的精度，但由于在去除水分的同时改变了颗粒物所处的环境温度，温度的升高会造成空气颗粒物的易挥发成分高温挥发，进而影响测量精度。

在上述实施例中，为进一步提高监测装置的测量精度，消除除湿单元42因进行除湿而检测环境温度升高对检测精度的影响，监测元件40还设有修正单元47，在监测元件40输出检测温度数据和浓度数据至数据处理单元45的计算模块后，数据处理单元45的获取模块根据检测温度数据调取预存在修正单元47内部的与此检测温度数据对应的修正系数，数据处理单元45的计算模块再根据修正系数进行浓度数据的修正，获得最终的空气颗粒物修正浓度数据。修正系数是对激光检测单元43的监测精度进行了修正，即在同样的空气颗粒物浓度下，不同的温度对激光检测单元43的检测精度的影响，通过修正系数进行精度的修正。

在上述实施例中，在激光检测单元43输出实时浓度数据后，设置浓度系数动态补偿算法，由数据处理单元45和修正单元47完成，具体的逻辑框图如图6所示：首先在标准颗粒物浓度下，进行空气颗粒物的升温营造经除湿过程的加热升温而得到检测温度，激光检测单元43进行不同检测温度的标准颗粒物浓度的检测，得到在不同检测温度下检测到的颗粒物浓度与标准颗粒物浓度之间的修正系数，建立不同检测温度与之对应的修正系数的映射文件；其次，通过通信单元46将映射文件传输到修正单元47进行储存；最后在实际监测工况下，监测元件40实时获取检测环境的温度数据和空气颗粒物浓度数据，依据检测温度数据，动态读取修正单元47中与之对应的修正系数，根据修正系数计算得出实时修正的颗粒物修正浓度，即真正的颗粒物浓度数据。

在上述实施例中，在标准颗粒物浓度下，进行空气颗粒物的升温营造经除湿过程的加热升温而得到检测温度，激光检测单元43进行不同检测温度的标准颗粒物浓度的检测从而得到浓度数据的过程应该在实验室进行。根据标准《JJG846-2015粉尘浓度测量仪》检定规程，可使用低粉尘浓度发生装置结合参考粉尘仪检定粉尘仪系统或使用标准粒子发生器装置和参考粉尘仪检定粉尘仪系统，进行标准颗粒物浓度的检测实验，创建不同检测温度与之对应的修正系数的映射文件。并通过通信单元46将映射文件传输到修正单元47进行储存。

本公开的第二方面，提供了一种用于洞窟空气颗粒物的监测装置，参考图2，监测装置包括：固定单元，设有箱体10和支架20，箱体10设于支架20，支架20固定于地面；采样单元30，设有过滤器，用于过滤采集洞窟空气颗粒物；监测元件40，与采样单元30连接，进行洞窟环境的湿度监测和监测元件40内部检测环境的温度监测及空气颗粒物的浓度检测，并发送检测温度数据、空气湿度数据、修正系数、浓度数据和修正浓度，进行远程运维；显示单元50，设于监测元件40外，用于实时显示检测温度数据、空气湿度数据、修正系数、浓度数据和修正浓度；供电单元60，用于监测元件40的供电。

在上述实施例中，如图3所示，监测装置的固定单元中，支架20采用三脚架，监测元件40设于箱体10内部，箱体10底部与支架20的顶部固定，可便携自由布置在石窟寺洞窟中，且不破坏文物本体；同时支架20可自由调整安装高度，可满足不同高度颗粒物采样位置的监测需求。

在上述实施例中，箱体10的装配采用一体化安装设计结构，箱体10结构及内部安装示意图如图4和图5所示，箱体10具有固定板12、固定前板11和箱门14；其中，箱体10内部的侧面垂直设置固定前板11；固定前板11内侧垂直设置固定板12；固定前板11外侧设置箱门14；箱门14安装于箱体上。

在上述实施例中，箱体10内部零部件安装在固定前板11以及内部固定板12上，其中显示单元50、启动开关13安装在固定前板11，供电单元60和监测元件40安装在内部固定板12上；箱体锁16和观察窗15安装在箱门14，固定前板11与内部固定板12采用螺钉固定，内部固定板12与箱体1链接固定，箱门14通过活动合页与箱体10连接，整个颗粒物监测装置成为一个整体，各零部件安装牢固可靠，能保障复杂恶劣工况环境下的高可靠运行。启动开关13用于监测装置的启停，设置在固定前板11上，箱门14内部，箱门14通过箱体锁16进行开闭，平时保持常闭状态，巡视人员可通过观察窗15观察实时测量数据，同时可保证装置仅能够被专业人士操作，免受不必要的外界干扰。

在上述实施例中，采样单元30的过滤器设置在箱体10外部，贯穿箱体10通过管道与监测元件40连接。过滤器设置在箱体10的外侧，可实现对环境空气中柳絮、大颗粒沙尘等异物的隔离过滤，保障进入监测元件40的环境颗粒物处于传感器测量范围，延长传感器寿命。

在上述实施例中，供电单元60为不间断电源，由外置电源适配器61进行充电后使用。在箱体上设置充电口，保证供电单元60的外部充电；电源适配器61采用220V交流转12V直流输出模块，直流输出模块具有防雷击、短路保护功能，转换输出的12V直流为供电单元60充电，可实现断电状况下设备的正常运行，可适应部分文物保护场地白天通电、夜晚断电的连续监测需求。

在上述实施例中，通信单元46采用有线传输方式分别与数据处理单元45和修正单元47之间进行数据传输；通信单元46采用无线传输的方式获取远端的修正系数，并传输到修正单元47储存；通信单元46采用无线传输模块通过无线传输天线461进行监测数据传输至云端，实现监测数据的远程运维。通信单元46可采用无线lora、GPRS等方式实现进行数据传输。其中，无线传输天线461设置在箱体10的顶部，通过电线与安装在固定板12上的通信单元46连接，因箱体采用金属材质，所以无线传输天线461设置在箱体10外部。

在上述实施例中，监测装置的监测元件40可实现多种颗粒物浓度的监测，如：PM1.0、PM2.5、PM10的空气颗粒物浓度和总悬浮颗粒浓度。

根据本公开的实施方式，实现了以下技术效果：

1、对监测装置的内部结构模块组装布局，让监测装置内部的功能模块固定在一块固定板上，使监测装置各零部件与箱体成为有机的整体，提升了设备的可靠性和可维护性，从而提高了监测精度；采用高度可调的支架便携安装方式，可满足文物保护领域设备安装需不破坏文物本体的需求；

2、监测装置装有不间断电源，可保障文物保护领域夜晚断电状况下的正常监测运行；

3、装置采用进气加热除湿+浓度系数动态补偿的结合技术方案，可实现不同温湿度环境下的装置精度自修正，能有效提升装置的监测精度和环境适应性；

4、监测装置具备本地数据显示+数据无线传输两种功能，便于设备维护人员的本地维护及监测数据的远程云端维护。

需要说明的是，对于前述的各方法实施方式，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本公开并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本公开，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施方式均属于可选实施方式，所涉及的动作和模块并不一定是本公开所必须的。

应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发公开中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本公开公开的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。

上述具体实施方式，并不构成对本公开保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本公开的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本公开保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于洞窟空气颗粒物的监测元件，其特征在于，包括：温湿度监测单元、除湿单元、激光检测单元和数据处理单元；其中，

所述温湿度监测单元，对洞窟空气颗粒物的湿度和颗粒物浓度检测环境的温度进行实时监测，并发送空气湿度数据和检测温度数据至所述数据处理单元；

所述除湿单元，根据所述空气湿度数据对洞窟空气颗粒物进行除湿处理，维持所述颗粒物浓度检测环境；

所述激光检测单元，在所述颗粒物浓度检测环境中，对颗粒物进行浓度检测，并发送浓度数据至所述数据处理单元；

所述数据处理单元，获取与所述检测温度对应的修正系数，进行所述浓度数据的处理得到修正浓度数据，同时根据所述空气湿度数据控制所述除湿单元的启停。

2.根据权利要求1所述的监测元件，其特征在于，还包括：

修正单元，预存不同所述检测温度和与之一一对应的所述修正系数；

所述数据处理单元，根据所述检测温度获取所述修正单元预存的与之对应的所述修正系数。

3.根据权利要求1所述的监测元件，其特征在于，

所述修正系数，是在标准工况下，不同所述检测温度时，所述激光检测单元输出的所述浓度数据相对标准颗粒物浓度数据的修正系数。

4.根据权利要求1所述的监测元件，其特征在于，

所述数据处理单元设有获取模块、计算模块和主控模块；其中，

所述获取模块用于获取所述修正系数；

所述计算模块用于修正所述浓度数据得到所述修正浓度数据；

所述主控模块用于调控所述除湿单元的启停。

5.根据权利要求1所述的监测元件，其特征在于，还包括：

输送单元，用于将洞窟空气颗粒物通过所述除湿单元输送至所述激光检测单元；

通信单元，接收所述数据处理单元的所述检测温度数据、所述空气湿度数据、所述浓度数据和所述修正浓度数据传输到终端，并接收所述修正系数数据保存至所述修正单元。

6.一种用于洞窟空气颗粒物的监测装置，其特征在于，采用权利要求1-5任一所述的监测元件进行空气颗粒物检测，所述监测装置还设有：

采样单元，设有过滤器，用于过滤采集洞窟空气颗粒物，并将洞窟空气颗粒物输送至所述监测元件；

显示单元，接收所述监测元件的所述检测温度数据、所述空气湿度数据、所述修正系数、所述浓度数据和所述修正浓度数据并实时显示；

供电单元，采用不间断电源，用于所述监测装置的供电。

7.根据权利要求6所述的监测单元，其特征在于，还包括：

固定单元，所述固定单元设有箱体和支架；其中，所述监测元件设于所述箱体内部；所述箱体设于所述支架；所述支架固定于地面。

8.根据权利要求7所述的监测装置，其特征在于，

所述箱体具有固定板、固定前板和箱门；其中，

所述箱体内部的侧面垂直设置所述固定前板；所述固定前板内侧垂直设置所述固定板；所述固定前板外侧设置所述箱门；所述箱门安装于所述箱体。

9.根据权利要求8所述的监测装置，其特征在于，

所述监测元件和所述供电单元安装于所述固定板上；

所述采样单元的过滤器设置在所述箱体外部，贯穿所述箱体通过管道与所述监测元件连接；

所述固定前板外侧安装所述显示单元，所述箱门设置观察窗，用于观察所述显示单元的显示数据。

10.根据权利要求9所述的监测装置，其特征在于，

所述固定前板还设有启动开关，用于所述监测装置的启停。

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