CN115165687A - 一种微米级固体颗粒物干沉降速度测试装置及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种固体颗粒物沉降速度测试装置及测试方法，具体涉及一种微米级固体颗粒物干沉降速度测试装置及测试方法。解决了无微米级固体颗粒物在大气中沉降速度测试装置，以及测量时间分辨率不高、测试结果不够精确、测量时不能分辨沉降固体颗粒物粒径的不足之处。本发明提供的微米级固体颗粒物干沉降速度测试装置通过控制器同步控制固体颗粒物停止动作和测试窗打开动作，可精确控制测试时间起点；通过录像进行图像数据采集，时间分辨率高，同时可获得丰富数据测试点，有效提高数据拟合的精确度；通过粒子分析，在一次测试中可获得多种粒径的固体颗粒物沉降速度数据。本发明还提供了一种微米级固体颗粒物干沉降速度测试方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种固体颗粒物沉降速度测试装置及测试方法，具体涉及一种微米级固体颗粒物干沉降速度测试装置及测试方法。
背景技术
大气环境中气溶胶来源众多，成分复杂，固体颗粒物是大气中常见的气溶胶形态。微米级颗粒物如PM2.5、PM10长期悬浮于大气中，对人员、环境造成巨大的影响，这些颗粒物的沉积特性决定了颗粒物在大气中的扩散、输运、沉积、再悬浮等过程，其中，大气颗粒物各种场景下的沉降速度是重要的参数之一。在粉尘去除、气溶胶扩散计算、大气污染防治等实践中，由于固体颗粒物在大气介质受力的复杂性，使得沉降速度无法通过受力分析及理论推导获得，因而对其沉降速度的测定，尤其是微米级固体颗粒沉降速度的准确测定具有非常重要的意义。
微米级颗粒物在大气中通常以气溶胶形式存在，在以往的研究中，气溶胶沉降速度的测试主要采用沉降管测量或采用气溶胶沉降通量测定值与浓度监测值比值的方法获得。
如乔小晶等人在《烟雾颗粒沉降速度研究》(乔小晶，陆政，韩晓利.烟雾颗粒沉降速度研究[J].火工品，1997，(1)：30-33.)中设计了一套烟雾粒子沉降系统，该沉降系统由沉降管、分散器、接受盘、电子天平和计算机组成，采用累积法测试了不同材料的沉降速度。Figgis B(Figgis B,Ennaoui A,Guo B,et al.Outdoor soiling microscope formeasuring particle deposition and resuspension[J].Solar Energy.2016,137:158-164.)采用光学显微镜为观测仪器，开展粒子图像处理，在野外观测了大气气溶胶颗粒物在玻璃盘片上的沉降与再悬浮行为。在以上两种技术方案中，前者不适用于环境空气中微米级固体颗粒物测试，而后者则尚未形成专用于测试微米级固体颗粒物沉降速度的测试装置，且两者均存在时间分辨率不高、测试结果不够精确、不能分辨沉降固体颗粒物粒径的问题。
毫米级大小颗粒物沉降速度测量，通常采用照相机、计算机、录像机等技术装备记录颗粒物沉降距离与沉降时间，计算比值得到，此类测试方法基本不能适用对于微米级颗粒物沉降速度的测量，且测试结果不够精确。另外，在现有技术中，所公开的颗粒物沉降速度测定装置及方法，通常多为水介质中沉降速度的测试装置，如中国专利CN106769715A、CN204666469U、CN 110118879A，而且通常能够测试的颗粒物粒径较大。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术存在无微米级固体颗粒物在大气中沉降速度测试装置，时间分辨率不高、测试结果不够精确以及测量时不能分辨沉降固体颗粒物粒径的不足之处，而提供一种微米级固体颗粒物干沉降速度测试装置及测试方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种微米级固体颗粒物干沉降速度测试装置，其特殊之处在于：
包括气溶胶实验箱1、粉尘气溶胶发生器2、测试保护箱4、测试窗9、光学显微镜5、图像采集系统及数据处理系统8和测试窗同步控制器7；
所述粉尘气溶胶发生器2设置在气溶胶实验箱1外，粉尘气溶胶发生器2的发生端位于气溶胶实验箱1内，安装在气溶胶实验箱1顶部，使气溶胶在气溶胶实验箱1内分布均匀；
所述测试保护箱4位于气溶胶实验箱1内，粉尘气溶胶发生器2的发生端位于测试保护箱4上方；
所述测试窗9安装在测试保护箱4上壁，位于粉尘气溶胶发生器2发生端发射微米级固体颗粒物的覆盖范围内；
所述粉尘气溶胶发生器2上设置有控制粉尘气溶胶发生的控制器3，控制器3与所述测试窗同步控制器7连接，测试窗同步控制器7连接测试窗9，用于控制粉尘气溶胶发生器2停止发射微米级固体颗粒物时使测试窗9同步打开；
所述光学显微镜5安装在测试保护箱4内，光学显微镜5的检测端正对测试窗9设置；
所述图像采集系统及数据处理系统8与光学显微镜5电连接，用于通过高频次采集方式采集光学显微镜5采集的光学图像，并分析处理，得到微米级固体颗粒物干沉降速度，所述高频次采集方式是指采集频次大于等于10帧/秒。
进一步地，所述控制器3为球形阀控制器；
所述球形阀控制器设置在气溶胶实验箱1内，安装在粉尘气溶胶发生器2的输出管路上；
所述测试窗9为拉拽式测试窗；
所述球形阀控制器通过牵引绳与测试窗同步控制器7、测试窗9依次连接，用于控制测试窗9的动作。
进一步地，所述光学显微镜5采用采用分辨率不低于1920*1080的高分辨光学显微镜。
进一步地，所述的图像采集系统及数据处理系统8采用录像方式进行图像采集，录像频率不小于30帧/s。
进一步地，还包括可调节的灯光照明系统，所述灯光照明系统安装在气溶胶实验箱1顶部，照射范围覆盖测试窗9。
进一步地，所述的气溶胶实验箱1为有机玻璃搭建而成，有机玻璃的尺寸可进行置换。
同时，本发明还提供了一种微米级固体颗粒物干沉降速度测试方法，采用上述的微米级固体颗粒物干沉降速度测试装置，其特殊之处在于，包括以下步骤：
步骤一，调节光学显微镜5的焦距，使得光学显微镜5聚焦于测试窗9；
步骤二，开启粉尘气溶胶发生器2，向气溶胶实验箱1内发射微米级固体颗粒物；
步骤三，待粉尘气溶胶发生稳定后维持预定的稳定发生时间，开启图像采集系统及数据处理系统8采集光学显微镜5的图像；所述预定的稳定发生时间大于理论预估的最大沉降时间；
步骤四，使测试窗同步控制器7控制粉尘气溶胶发生器2发生端停止发射微米级固体颗粒物，同时打开测试窗9，持续采集光学显微镜5的图像，直到无微米级固体颗粒物沉降于测试窗9；
步骤五，使用图像采集系统及数据处理系统8处理数据，获得指定粒径大小微米级固体颗粒物的粒子数量与时间的关系，根据气溶胶实验箱1顶部到测试窗9的距离，拟合计算得到微米级固体颗粒物沉降速度。
进一步地，步骤五具体为：
(1)图像处理，筛选指定粒径的微米级固体颗粒物
将获得的图像按时间顺序进行排序，找到测试窗9打开时刻的图像，定义为时间起点图像，在时间起点和终点之间均匀地随机获取至少5张图像，得到包括起点时刻在内的至少6张图片，获取图像的时间点记为t，根据指定粒径的微米级固体颗粒物的粒径大小计算投影面积，利用粒子分析软件标出该投影面积的粒子数量；
(2)计数分析
统计每个时间点图像的指定投影面积粒子的数量，计为n；
(3)沉降速度拟合计算分析
定义测试窗9打开时刻图像采集开始的时间为t0、图像采集的即时时间为t1，t＝t1-t0，制做即时沉降于测试窗9表面的粒子数量n随时间t变化关系曲线图，对粒子数达到最大粒子数量nmax前的曲线进行线性拟合，得到倾斜直线，其斜率为k，气溶胶实验箱1顶部到测试窗9的距离高度记为H，根据下列公式计算可得到微米级固体颗粒物的沉降速度vTS，
进一步地，步骤一之前还包括测试前清理所述微米级固体颗粒物干沉降速度测试装置的气溶胶实验箱1、粉尘气溶胶发生器2管路和测试窗9。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果如下：
1、提供了微米级固体颗粒物在空气中的沉降速度测试装置，填补了现有技术的空白，采用测试窗同步控制器使粉尘气溶胶发生器和测试窗协同工作，可精确控制测试时间起点，使得到的测试结果更精确。
2、球形阀控制器为旋转式开关，旋转的同时起到拉拽作用，使关闭粉尘发生动作和测试窗打开动作同步关联，确保同步性。
3、采用光学显微镜观测和数据采集，时间分辨率高，可获得丰富数据测试点，有效提高数据拟合的精确度。
4、搭配可调节的灯光照明系统，根据沉降观测面和沉降粒子的不同性质，调节适合的照射条件，可使获得的图像更为清晰。
5、气溶胶实验箱为有机玻璃搭建而成，有机玻璃的尺寸可进行置换，使气溶胶实验箱的体积可调，可使微米级固体颗粒物的沉降环境具有多样性。
6、图像采集及数据处理系统可筛选指定粒径颗粒物图像，在一次测试中，可获得多种粒径的沉降速度数据。
附图说明
图1为本发明微米级固体颗粒物干沉降速度测试装置实施例的结构示意图；
图2为本发明实施例在理想情况下收集粒子数量n随收集时间t变化关系曲线图；
附图标记说明如下：
1-气溶胶实验箱，2-粉尘气溶胶发生器，3-控制器，4-测试保护箱，5-光学显微镜，6-显微镜固定架，7-测试窗同步控制器，8-图像采集系统及数据处理系统，9-测试窗。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用来解释本发明的技术原理，目的并不是用来限制本发明的保护范围。
如图1所示，一种微米级固体颗粒物干沉降速度测试装置，包括气溶胶实验箱1、粉尘气溶胶发生器2、测试保护箱4、测试窗9、光学显微镜5、图像采集系统及数据处理系统8和测试窗同步控制器7。
气溶胶实验箱1为有机玻璃搭建而成，有机玻璃的尺寸可根据需要的体积进行置换，为微米级固体颗粒物沉降创造了多样的环境，同时使实验装置及管路清洗易于操作。
粉尘气溶胶发生器2可发射粒径为0.1-100μm的粒子，使微米级固体颗粒物在释放时充分分散为气溶胶形态。粉尘气溶胶发生器2设置在气溶胶实验箱1外，粉尘气溶胶发生器2的发生端位于气溶胶实验箱1内，安装在气溶胶实验箱1顶部。
测试保护箱4安装在气溶胶实验箱1内，粉尘气溶胶发生器2的发生端位于测试保护箱4上方；测试窗9安装在测试保护箱4上壁，位于粉尘气溶胶发生器2发生端发射微米级固体颗粒物的覆盖范围内。
粉尘气溶胶发生器2上设置有控制粉尘气溶胶发生的控制器3，控制器3与所述测试窗同步控制器7连接，测试窗同步控制器7连接测试窗9。测试窗同步控制器7用于控制粉尘气溶胶发生器2停止发射微米级固体颗粒物时使测试窗9同步打开，粉尘气溶胶发生器2发射微米级固体颗粒物时使测试窗9同步闭合。
控制器3为球形阀控制器，球形阀控制器设置在气溶胶实验箱1内，安装在粉尘气溶胶发生器2的输出管路上。球形阀控制器通过牵引绳与测试窗同步控制器7、测试窗9依次连接，用于控制测试窗9的动作，测试窗9选用拉拽式测试窗。球形阀控制器3为旋转式开关，旋转的同时起到拉拽作用，使关闭微米级固体颗粒物发生动作和测试窗打开动作关联，确保同步性。拉拽式测试窗保证测试窗9打开前，无固体颗粒物进入，测试窗9打开后，固体颗粒物可进入。粉尘气溶胶发生器2发生端停止发射微米级固体颗粒物时，测试窗9同步打开。
光学显微镜5为易于调焦的高分辨光学显微镜，其分辨率不低于1920*1080，通过显微镜固定架6安装在测试保护箱4内，光学显微镜5的检测端正对测试窗9设置。
图像采集系统及数据处理系统8与光学显微镜5电连接，用于通过高频次采集方式采集光学显微镜5形成的光学图像，并分析处理，得到微米级固体颗粒物干沉降速度，高频次采集方式是指采集频次大于等于10帧/秒。
图像采集系统及数据处理系统8采用录像方式，可获得丰富的数据测试点，有效提高数据拟合的精确度。图像采集系统及数据处理系统8的图像采集为录像方式，录像频率不小于30帧/s。图像采集系统及数据处理系统8可根据采集到的图像中的图形面积筛选指定粒径的颗粒物图像，在一次测试中可获得多种粒径颗粒物的沉降速度数据。
另外搭配可调节的灯光照明系统，安装在气溶胶实验箱1顶部，照射范围覆盖测试窗9，可根据沉降观测面和沉降粒子的不同性质，调节适合的照射条件。
本实施例利用高分辨光学显微镜和录像方式采集图像，提供一种微米级固体颗粒物干沉降速度的测试方法，包括以下步骤：
步骤一 调节光学显微镜5的焦距，使得光学显微镜5聚焦于测试窗9；
步骤二 开启粉尘气溶胶发生器2，向气溶胶实验箱1内发射微米级固体颗粒物；
步骤三 待粉尘气溶胶发生稳定后维持预定的发生时间，开启图像采集系统及数据处理系统8以录像方式采集光学显微镜5的图像，录像频率为30帧/s；预定的发生时间应大于理论预估的最大沉降时间；
步骤四 使测试窗同步控制器7控制粉尘气溶胶发生器2发生端停止发射微米级固体颗粒物，同时打开测试窗9，持续采集光学显微镜5的图像，直到无微米级固体颗粒物沉降于测试窗9；
步骤五 使用图像采集系统及数据处理系统8处理数据，获得指定大小微米级固体颗粒物的粒子数量与时间的关系，根据气溶胶实验箱1顶部到测试窗9的距离，拟合计算得到微米级固体颗粒物沉降速度；
(1)图像处理，筛选指定粒径的微米级固体颗粒物
将获得的视频打开，找到测试窗9打开时刻的图像，定义为时间起点图像，按时间起点和终点进行定位，在时间起点和终点视频中均匀地随机截取至少5张图像，得到包括起点时刻在内的至少6张图片，获取图像的时间点记为t，根据指定粒径的微米级固体颗粒物的粒径大小计算投影面积，利用粒子分析软件标出该投影面积的粒子数量；
(2)计数分析
统计每个时间点图像的指定投影面积粒子的数量，计为n；
(3)沉降速度拟合计算分析
定义图像采集开始的时间为t0、图像采集的即时时间为t1，t＝t1-t0，制做即时沉降于测试窗9表面的粒子数量n随时间t变化关系曲线图，对粒子数达到最大粒子数量nmax前的曲线进行线性拟合，得到倾斜直线，其斜率为k，气溶胶实验箱高度记为H，根据下列公式计算可得到微米级固体颗粒物的沉降速度vTS，
在进行测试前清理所述微米级固体颗粒物干沉降速度测试装置的气溶胶实验箱1、粉尘气溶胶发生器2管路和测试窗9，降低测试环境的本底水平，减少数据干扰。
如图2，为理想情况下收集粒子数量n随收集时间t变化关系曲线，随着时间增加，沉降于测试窗9的粒子数量呈线性增长，由于在测试窗9开启时，气溶胶发生器2已停止微米级固体颗粒物的发生动作，因此，粒子数存在一个最大粒子数量nmax，当粒子数达到nmax时，随着时间t的变化，粒子数n不再变化。
最后应说明的是：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：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部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技术方案的范围。
Claims (9)
1.一种微米级固体颗粒物干沉降速度测试装置，其特征在于：
包括气溶胶实验箱(1)、粉尘气溶胶发生器(2)、测试保护箱(4)、测试窗(9)、光学显微镜(5)、图像采集系统及数据处理系统(8)和测试窗同步控制器(7)；
所述粉尘气溶胶发生器(2)设置在气溶胶实验箱(1)外，粉尘气溶胶发生器(2)的发生端位于气溶胶实验箱(1)内，安装在气溶胶实验箱(1)顶部；
所述测试保护箱(4)位于气溶胶实验箱(1)内，粉尘气溶胶发生器(2)的发生端位于测试保护箱(4)上方；
所述测试窗(9)安装在测试保护箱(4)上壁，位于粉尘气溶胶发生器(2)发生端发射微米级固体颗粒物的覆盖范围内；
所述粉尘气溶胶发生器(2)上设置有控制粉尘气溶胶发生的控制器(3)，控制器(3)与所述测试窗同步控制器(7)连接，测试窗同步控制器(7)连接测试窗(9)，用于控制粉尘气溶胶发生器(2)停止发射微米级固体颗粒物时使测试窗(9)同步打开；
所述光学显微镜(5)安装在测试保护箱(4)内，光学显微镜(5)的检测端正对测试窗(9)设置；
所述图像采集系统及数据处理系统(8)与光学显微镜(5)电连接，用于通过高频次采集方式采集光学显微镜(5)的光学图像，并分析处理，得到微米级固体颗粒物干沉降速度，所述高频次采集方式是指采集频次大于等于10帧/秒。
2.根据权利要求1所述的一种微米级固体颗粒物干沉降速度测试装置，其特征在于：所述控制器(3)为球形阀控制器；
所述球形阀控制器设置在气溶胶实验箱(1)内，安装在粉尘气溶胶发生器(2)的输出管路上；
所述测试窗(9)为拉拽式测试窗；
所述球形阀控制器通过牵引绳与测试窗同步控制器(7)、测试窗(9)依次连接，用于控制测试窗(9)的动作。
3.根据权利要求2所述的一种微米级固体颗粒物干沉降速度测试装置，其特征在于：所述光学显微镜(5)采用分辨率不低于1920*1080的高分辨光学显微镜。
4.根据权利要求3所述的一种微米级固体颗粒物干沉降速度测试装置，其特征在于：所述的图像采集系统及数据处理系统(8)采用录像方式进行图像采集，录像频率不小于30帧/s。
5.根据权利要求1-4任一所述的一种微米级固体颗粒物干沉降速度测试装置，其特征在于：还包括可调节的灯光照明系统，所述灯光照明系统安装在气溶胶实验箱(1)顶部，照射范围覆盖测试窗(9)。
6.根据权利要求5所述的一种微米级固体颗粒物干沉降速度测试装置，其特征在于：所述的气溶胶实验箱(1)为有机玻璃搭建而成，有机玻璃的尺寸可进行置换。
7.一种微米级固体颗粒物干沉降速度测试方法，采用如权利要求1-6任一所述的一种微米级固体颗粒物干沉降速度测试装置，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一 调节光学显微镜(5)焦距，使得光学显微镜(5)聚焦于测试窗(9)；
步骤二 开启粉尘气溶胶发生器(2)，向气溶胶实验箱(1)内发射微米级固体颗粒物；
步骤三 待粉尘气溶胶发生稳定后维持预定的稳定发生时间，开启图像采集系统及数据处理系统(8)采集光学显微镜(5)的图像；所述预定的稳定发生时间大于理论预估的最大沉降时间；
步骤四 使测试窗同步控制器(7)控制粉尘气溶胶发生器(2)发生端停止发射微米级固体颗粒物，同时打开测试窗(9)，持续采集光学显微镜(5)的图像，直到无微米级固体颗粒物沉降于测试窗(9)；
步骤五 使用图像采集系统及数据处理系统(8)处理数据，获得指定粒径大小微米级固体颗粒物的粒子数量与时间的关系，根据气溶胶实验箱(1)顶部到测试窗(9)的距离，拟合计算得到微米级固体颗粒物沉降速度。
8.根据权利要求7所述的一种微米级固体颗粒物干沉降速度测试方法，其特征在于，步骤五具体为：
(1)图像处理，筛选指定粒径的微米级固体颗粒物
将获得的图像按时间顺序进行排序，找到测试窗(9)打开时刻的图像，定义为时间起点图像，在时间起点和终点之间均匀地随机获取至少5张图像，得到包括起点时刻在内的至少6张图片，获取图像的时间点记为t，根据指定粒径的微米级固体颗粒物的粒径大小计算投影面积，利用粒子分析软件标出该投影面积的粒子数量；
(2)计数分析
统计每个时间点图像的指定投影面积粒子的数量，计为n；
(3)沉降速度拟合计算分析
定义测试窗(9)打开时刻图像采集开始的时间为t0、图像采集的即时时间为t1，t＝t1-t0，制做即时沉降于测试窗(9)表面的粒子数量n随时间t变化关系曲线图，对粒子数达到最大粒子数量nmax前的曲线进行线性拟合，得到倾斜直线，其斜率为k，气溶胶实验箱(1)顶部到测试窗(9)的距离高度记为H，根据下列公式计算可得到微米级固体颗粒物的沉降速度vTS，
9.根据权利要求8所述的一种微米级固体颗粒物干沉降速度测试方法，其特征在于：步骤一之前还包括测试前清理所述微米级固体颗粒物干沉降速度测试装置的气溶胶实验箱(1)、粉尘气溶胶发生器(2)管路和测试窗(9)。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN117929212A (zh) * | 2023-12-22 | 2024-04-26 | 山东山田新材科研有限公司 | 一种提高硅粉与sic粉的沉降速率比的调节系统 |
Citations (7)
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| CN114547890A (zh) * | 2022-02-23 | 2022-05-27 | 西北核技术研究所 | 一种核事故放射性气溶胶沾染的模拟方法 |
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