CN115629027B - 基于形变数据补偿处理的颗粒物检测装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了基于形变数据补偿处理的颗粒物检测装置和方法，基于形变数据补偿处理的颗粒物检测装置包括采样单元、富集单元和检测单元，所述采样单元包括采样器以及分别处于滤膜上侧和下侧的第一采样管和第二采样管；所述富集单元包括滤膜、驱动单元以及卷绕所述滤膜的第一轮和第二轮；所述检测单元包括分别处于滤膜上下两侧的β射线源和探测器；还包括：距离传感器用于检测处于形变检测位的所述滤膜的采样区各个位置在采样前后分别和距离传感器间的距离；计算单元用于根据所述距离传感器以及探测器的输出信号获得颗粒物浓度。本发明具有检测结果准确等优点。
Description
技术领域
本发明涉及颗粒物检测，特别涉及基于形变数据补偿处理的颗粒物检测装置和方法。
背景技术
常见的颗粒物的测量方法有滤膜称重法、β射线法、光散射法及震荡天平法。其中β射线法由于操作简单、测量结果相对准确，可以连续在线监测，是国标推荐方法之一，因此，基于β射线法的颗粒物在线监测装置目前在各种应用条件下被广泛使用。
β射线法应用的一个重要假设是采样前后，滤膜的测试厚度不发生改变。但在实际情况中，滤膜往往会因为长时间采样而发生形变，导致滤膜测试厚度发生明显变化，进而导致采样后滤膜的测量值与真实值之间存在偏差，最终反应在颗粒物浓度测量误差上。特别是在低浓度测量情况下，由滤膜形变导致的测量结果相对误差较大。
为了解决由于滤膜形变导致的测量误差，现在的主要解决方案是前期进行大量测试，通过空白纸带采样前后计数率的变化引入补偿因子。也有人提出使用摄像机拍摄的方法实时测量纸带的形变角度，通过形变角度变化计算纸带形变量，对浓度测量做相应补偿。但以上两种方法均存在一定局限性：
不同的β射线法监测设备的负压设置、滤膜材质、气路设置及装置结构都存在差异性，对于不同的监测设备，负压采样导致的滤膜形变可能不一样，因此，采用第一种方法并不能适用于不同的监测设备，甚至每次更换纸带后即需重新进行测试，确定补偿因子，自动化程度极低。
对于同一监测设备，在相同工况条件下，由于滤膜工艺的不均匀性，在进行更换点位时不同采样点的形变量也会存在差异，而通过前期测试确定的补偿因子是一个定值，因此第一种方法不适用于连续在线监测中。
采样前后滤膜由于负压产生的形变量非常小，摄像机很难捕捉到如此微量的形变，该方法的分辨率不够。因此，通过摄像机捕捉纸带角度变化从而计算形变量的方法无法做到精确补偿。
发明内容
为解决上述现有技术方案中的不足，本发明提供了一种基于形变数据补偿处理的颗粒物检测装置。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
基于形变数据补偿处理的颗粒物检测装置，所述基于形变数据补偿处理的颗粒物检测装置包括采样单元、富集单元和检测单元，所述采样单元包括采样器以及分别处于滤膜上侧和下侧的第一采样管和第二采样管；所述富集单元包括滤膜、驱动单元以及卷绕所述滤膜的第一轮和第二轮；所述检测单元包括分别处于滤膜上下两侧的β射线源和探测器；所述基于形变数据补偿处理的颗粒物检测装置还包括：
距离传感器，所述距离传感器用于检测处于形变检测位的所述滤膜的采样区各个位置在采样前后分别和距离传感器间的距离；
计算单元，所述计算单元用于根据所述距离传感器以及探测器的输出信号获得颗粒物浓度
，S是样气通过所述采样区时的截面积，Q是样气的采样体积，μ是质量吸收系数，I0，I1是采样前和采样后所述采样区分别处于颗粒物检测位时探测器的输出信号，I是无滤膜时所述探测器的输出信号，D1i，D2i是所述采样区在采样前和采样后分别处于形变检测位时，所述距离传感器输出的采样区各个位置和距离传感器间的距离，N是所述采样区的各个位置的数量。
本发明的目的还在于提供了基于形变数据补偿处理的颗粒物检测方法，该发明目的是通过以下技术方案得以实现的：
基于形变数据补偿处理的颗粒物检测方法，所述基于形变数据补偿处理的颗粒物检测方法为：
滤膜的采样区处于采样位，样气经过采样器后进入第一采样管，样气中的颗粒物被滤膜的采样区截留，并在所述滤膜上富集，气体穿过所述滤膜，进入第二采样管内；
所述采样区在采样前后分别处于β射线源和探测器间的颗粒物检测位；
距离传感器检测处于形变检测位的所述采样区各个位置在采样前后分别和距离传感器间的距离；
计算单元根据所述距离传感器以及探测器的输出信号获得颗粒物浓度
，S是样气通过所述采样区时的截面积，Q是样气的采样体积，μ是质量吸收系数，I0，I1是采样前和采样后所述采样区分别处于颗粒物检测位时探测器的输出信号，I是无滤膜时所述探测器的输出信号，D1i，D2i是所述采样区在采样前和采样后分别处于形变检测位时，所述距离传感器输出的采样区各个位置和距离传感器间的距离，N是所述采样区的各个位置的数量。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：
1.检测结果准确；
本发明中充分考虑滤膜形变对测试结果的影响，并对滤膜形变进行补偿，浓度测量准确度更高；
采用激光位移传感器测量滤膜形变量，线性度可达1μm、分辨率可达0.1μm，响应时间为微秒级，可准确捕捉滤膜微小形变量，分辨率极高，且不影响设备连续运行，使补偿结果更加准确；
2.自动化程度高，适用性好；
采用实时直接测量滤膜形变量的方法，不受不同装置负压设置、滤膜材质、气路设置、装置结构的影响，在更换纸带和工况时，无需反复对形变量进行标定，具有普遍适用性，自动化程度高。
附图说明
参照附图，本发明的公开内容将变得更易理解。本领域技术人员容易理解的是：这些附图仅仅用于举例说明本发明的技术方案，而并非意在对本发明的保护范围构成限制。图中：
图1是根据本发明实施例的基于形变数据补偿处理的颗粒物检测装置的结构示意图。
图中，11-采样器，12-第一采样管，13-第二采样管，21-第一轮，22-第二轮，23-滤膜，31-β射线源，32-探测器，41-距离传感器，51-计算单元。
具体实施方式
图1和以下说明描述了本发明的可选实施方式以教导本领域技术人员如何实施和再现本发明。为了教导本发明技术方案，已简化或省略了一些常规方面。本领域技术人员应该理解源自这些实施方式的变型或替换将在本发明的范围内。本领域技术人员应该理解下述特征能够以各种方式组合以形成本发明的多个变型。由此，本发明并不局限于下述可选实施方式，而仅由权利要求和它们的等同物限定。
实施例1：
图1示意性地给出了本发明实施例的基于形变数据补偿处理的颗粒物检测装置的结构简图，如图1所示，所述基于形变数据补偿处理的颗粒物检测装置包括：
采样单元、富集单元和检测单元，所述采样单元包括采样器11以及分别处于滤膜23上侧和下侧的第一采样管12和第二采样管13；所述富集单元包括滤膜23、驱动单元以及卷绕所述滤膜23的第一轮21和第二轮22；所述检测单元包括分别处于滤膜上下两侧的β射线源31和探测器32；
距离传感器41，所述距离传感器41用于检测处于形变检测位的所述滤膜23的采样区各个位置在采样前后分别和距离传感器41间的距离；
计算单元51，所述计算单元51用于根据所述距离传感器41以及探测器32的输出信号获得颗粒物浓度
，S是样气通过所述采样区时的截面积，Q是样气的采样体积，μ是质量吸收系数，I0，I1是采样前和采样后所述采样区分别处于颗粒物检测位时探测器32的输出信号，I是无滤膜23时所述探测器32的输出信号，D1i，D2i是所述采样区在采样前和采样后分别处于形变检测位时，所述距离传感器41输出的采样区各个位置和距离传感器41间的距离，N是所述采样区的各个位置的数量。
为了缩短检测时间，进一步地，所述驱动单元用于驱动所述滤膜23的采样区依次处于颗粒物检测位、形变检测位、采样位、形变检测位和颗粒物检测位。
为了实现滤膜23的双向移动，进一步地，所述第一轮21和第二轮22分别是主动轮。
为了降低结构复杂度，进一步地，所述距离传感器41处于所述第二采样管13和检测单元之间，且处于所述滤膜23的下侧。
为了提高距离检测的准确性，进一步地，所述距离传感器41是激光位移传感器。
本发明实施例的基于形变数据补偿处理的颗粒物检测方法，所述基于形变数据补偿处理的颗粒物检测方法为：
滤膜23的采样区处于采样位，样气经过采样器11后进入第一采样管12，样气中的颗粒物被滤膜23的采样区截留，并在所述滤膜23上富集，气体穿过所述滤膜23，进入第二采样管13内；
所述采样区在采样前后分别处于β射线源31和探测器32间的颗粒物检测位；
距离传感器41检测处于形变检测位的所述采样区各个位置在采样前后分别和距离传感器41间的距离；
计算单元51根据所述距离传感器41以及探测器32的输出信号获得颗粒物浓度，S是样气通过所述采样区时的截面积，Q是样气的采样体积，μ是质量吸收系数，I0，I1是采样前和采样后所述采样区分别处于颗粒物检测位时探测器32的输出信号，I是无滤膜23时所述探测器32的输出信号，D1i，D2i是所述采样区在采样前和采样后分别处于形变检测位时，所述距离传感器41输出的采样区各个位置和距离传感器41间的距离，N是所述采样区的各个位置的数量。
为了缩短检测时间，进一步地，驱动单元用于驱动所述滤膜23的采样区依次处于颗粒物检测位、形变检测位、采样位、形变检测位和颗粒物检测位。
为了实现滤膜23的双向移动，进一步地，所述第一轮21和第二轮22分别是主动轮。
为了降低结构复杂度，进一步地，所述距离传感器41处于所述第二采样管13和检测单元之间，且处于所述滤膜23的下侧。
为了提高距离检测的准确性，进一步地，所述距离传感器41是激光位移传感器。
实施例2：
根据本发明实施例1的基于形变数据补偿处理的颗粒物检测装置和方法在大气颗粒物检测中的应用例。
在该应用例中，如图1所示，采样器11是PM2.5切割头或PM10切割头；滤膜23采用滤纸带，第一轮21和第二轮22均是主动轮，实现了滤膜23的双向移动；β射线源31和探测器32分别处于滤膜23的上侧和下侧；距离传感器41采用激光位移传感器，设置在所述第二采样管13和探测器32之间，并处于滤膜23的下侧；驱动单元驱动第一轮21和第二轮22，使得滤膜23能够双向移动，包括正向移动和反向移动；进而使得所述滤膜23的采样区依次处于颗粒物检测位（β射线源31和探测器32之间）、形变检测位（距离传感器41的上侧）、采样位（第一采样管12和第二采样管13之间）、形变检测位和颗粒物检测位；
计算单元51根据所述距离传感器41以及探测器32的输出信号获得颗粒物浓度
，S是样气通过所述采样区时的截面积，Q是样气的采样体积，μ是质量吸收系数，I0，I1是采样前和采样后所述采样区分别处于颗粒物检测位时探测器32的输出信号，I是无滤膜23时所述探测器32的输出信号，D1i，D2i是所述采样区在采样前和采样后分别处于形变检测位时，所述距离传感器41输出的采样区各个位置和距离传感器41间的距离，N是所述采样区的各个位置的数量。
本发明实施例的基于形变数据补偿处理的颗粒物检测方法，也即本实施例基于形变数据补偿处理的颗粒物检测装置的工作方法，所述基于形变数据补偿处理的颗粒物检测方法为：
在第一轮21和第二轮22尚未卷绕滤膜23时，探测器32输出信号I；
在驱动单元作用下，滤膜23的采样区处于颗粒物检测位，探测器32输出与采样前滤膜23上采样区对应的信号I0；
在驱动单元作用下，滤膜23采样区正向移动到形变检测位，距离传感器41输出采样前所述采样区的各个位置与距离传感器41间的距离D1i，i=1，2…N，N是所述采样区的各个位置的数量，如100个；
在驱动单元作用下，滤膜23采样区继续正向移动到采样位，采样区被夹在第一采样管12和第二采样管13之间，样气以恒定流量穿过采样区，颗粒物被采样区截留并富集；
待采样时间到，在驱动单元作用下，滤膜23采样区反向移动到形变检测位，距离传感器41输出采样后所述采样区的各个位置与距离传感器41间的距离D2i，i=1，2…N；
在驱动单元作用下，滤膜23的采样区继续反向移动到颗粒物检测位，探测器32输出与采样前滤膜23上采样区对应的信号I1；
计算单元51根据所述距离传感器41以及探测器32的输出信号获得颗粒物浓度
，S是样气通过所述采样区时的截面积，Q是样气的采样体积，μ是质量吸收系数。
本实施例的数据如下：
采样区为圆形，S=1cm2，μ=0.285 cm2/mg，V=800.16L/h，I的平均值为46683350，
，N=100，
，I0=16006910， I1=15757310，得到C=63μg/m3。
同一环境下，在1个计算周期内（采样48min，空白纸带计数4min，样品纸带计数4min），不进行形变补偿，得到的颗粒物浓度为68.9μg/m3；
同一环境下，在该段时间内通过手工采样，称量得到的颗粒物浓度为64.5μg/m3；
由上可见，经过本发明的形变补偿算法测得的颗粒物浓度与真实浓度更加接近。
实施例3：
根据本发明实施例1的基于形变数据补偿处理的颗粒物检测装置和方法在大气颗粒物检测中的应用例，与实施例2不同的是：
距离传感器41和探测器32分别处于第二采样管13的两侧。
本发明实施例的基于形变数据补偿处理的颗粒物检测方法，也即本实施例基于形变数据补偿处理的颗粒物检测装置的工作方法，所述基于形变数据补偿处理的颗粒物检测方法为：
在第一轮21和第二轮22尚未卷绕滤膜23时，探测器32输出信号I；
在驱动单元作用下，滤膜23的采样区处于颗粒物检测位，探测器32输出与采样前滤膜23上采样区对应的信号I0；
在驱动单元作用下，滤膜23采样区正向移动到形变检测位，距离传感器41输出采样前所述采样区的各个位置与距离传感器41间的距离D1i，i=1，2…N，N是所述采样区的各个位置的数量，如100个；
在驱动单元作用下，滤膜23采样区反向移动到采样位，采样区被夹在第一采样管12和第二采样管13之间，样气以恒定流量穿过采样区，颗粒物被采样区截留并富集；
待采样时间到，在驱动单元作用下，滤膜23采样区正向移动到形变检测位，距离传感器41输出采样后所述采样区的各个位置与距离传感器41间的距离D2i，i=1，2…N；
在驱动单元作用下，滤膜23的采样区反向移动到颗粒物检测位，探测器32输出与采样前滤膜23上采样区对应的信号I1；
计算单元51根据所述距离传感器41以及探测器32的输出信号获得颗粒物浓度
，S是样气通过所述采样区时的截面积，Q是样气的采样体积，μ是质量吸收系数。
Claims (10)
1.基于形变数据补偿处理的颗粒物检测装置，所述基于形变数据补偿处理的颗粒物检测装置包括采样单元、富集单元和检测单元，所述采样单元包括采样器以及分别处于滤膜上侧和下侧的第一采样管和第二采样管；所述富集单元包括滤膜、驱动单元以及卷绕所述滤膜的第一轮和第二轮；所述检测单元包括分别处于滤膜上下两侧的β射线源和探测器；其特征在于，所述基于形变数据补偿处理的颗粒物检测装置还包括：
距离传感器，所述距离传感器用于检测处于形变检测位的所述滤膜的采样区各个位置在采样前后分别和距离传感器间的距离，所述形变检测位处于所述距离传感器的上侧；
计算单元，所述计算单元用于根据所述距离传感器以及探测器的输出信号获得颗粒物浓度
，S是样气通过所述采样区时的截面积，Q是样气的采样体积，μ是质量吸收系数，I0，I1是采样前和采样后所述采样区分别处于颗粒物检测位时探测器的输出信号，I是无滤膜时所述探测器的输出信号，D1i，D2i是所述采样区在采样前和采样后分别处于形变检测位时，所述距离传感器输出的采样区各个位置和距离传感器间的距离，N是所述采样区的各个位置的数量，所述颗粒物检测位处于所述β射线源和探测器之间。
2.根据权利要求1所述的基于形变数据补偿处理的颗粒物检测装置，其特征在于，所述驱动单元用于驱动所述滤膜的采样区依次处于颗粒物检测位、形变检测位、采样位、形变检测位和颗粒物检测位，所述采样位处于所述第一采样管和第二采样管之间。
3.根据权利要求1所述的基于形变数据补偿处理的颗粒物检测装置，其特征在于，所述第一轮和第二轮分别是主动轮。
4.根据权利要求1所述的基于形变数据补偿处理的颗粒物检测装置，其特征在于，所述距离传感器处于所述第二采样管和检测单元之间，且处于所述滤膜的下侧。
5.根据权利要求4所述的基于形变数据补偿处理的颗粒物检测装置，其特征在于，所述距离传感器是激光位移传感器。
6.基于形变数据补偿处理的颗粒物检测方法，所述基于形变数据补偿处理的颗粒物检测方法为：
滤膜的采样区处于采样位，所述采样位处于第一采样管和第二采样管之间，样气经过采样器后进入第一采样管，样气中的颗粒物被滤膜的采样区截留，并在所述滤膜上富集，气体穿过所述滤膜，进入第二采样管内；所述第一采样管和第二采样管分别处于所述滤膜的上侧和下侧，所述滤膜卷绕在第一轮和第二轮上；
所述采样区在采样前后分别处于β射线源和探测器间的颗粒物检测位，所述β射线源和探测器分别处于滤膜上下两侧；
距离传感器检测处于形变检测位的所述采样区各个位置在采样前后分别和距离传感器间的距离，所述形变检测位处于所述距离传感器的上侧；
计算单元根据所述距离传感器以及探测器的输出信号获得颗粒物浓度
，S是样气通过所述采样区时的截面积，Q是样气的采样体积，μ是质量吸收系数，I0，I1是采样前和采样后所述采样区分别处于颗粒物检测位时探测器的输出信号，I是无滤膜时所述探测器的输出信号，D1i，D2i是所述采样区在采样前和采样后分别处于形变检测位时，所述距离传感器输出的采样区各个位置和距离传感器间的距离，N是所述采样区的各个位置的数量。
7.根据权利要求6所述的基于形变数据补偿处理的颗粒物检测方法，其特征在于，驱动单元驱动所述采样区依次处于颗粒物检测位、形变检测位、采样位、形变检测位和颗粒物检测位。
8.根据权利要求6所述的基于形变数据补偿处理的颗粒物检测方法，其特征在于，所述距离传感器处于所述第二采样管和检测单元之间，且处于所述滤膜的下侧。
9.根据权利要求6所述的基于形变数据补偿处理的颗粒物检测方法，其特征在于，所述距离传感器是激光位移传感器。
10.根据权利要求6所述的基于形变数据补偿处理的颗粒物检测方法，其特征在于，在颗粒物检测过程中，样气的采样流量恒定。
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