CN116202919B - 一种基于成像系统的气溶胶酸度检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于大气污染物检测技术领域，具体涉及一种基于成像系统的气溶胶酸度检测装置，包括采样器、气体流量传感器、微型气泵和颗粒物检测传感器；所述采样器的两端分别设置有进气口和出气口，且其出气口通过管道分别与气体流量传感器的进气端及微型气泵连接，所述气体流量传感器的出气端通过管道与微型气泵连接；所述采样器包括检测头、托架和采样滤膜，且采样滤膜安装在检测头和托架之间，所述进气口开设在检测头远离托架的一端，且出气口开设在托架远离检测头的一端。利用氢离子与显色剂的显色反应，配合特定波长的LED光源对采样滤膜进行照射并检测显色产物，计算采集样品中的氢离子浓度，能够便捷、快速和准确地测量气溶胶的酸度。
Description
技术领域
本发明属于大气污染物检测技术领域，具体涉及一种基于成像系统的气溶胶酸度检测装置及方法。
背景技术
大气悬浮颗粒物是我国空气污染的主要成因之一，是造成空气环境恶化和威胁居民健康的关键污染物。悬浮颗粒物中的无机组分通常由无机盐和水构成。随着二氧化硫和氮氧化物等无机污染物的排放，大气颗粒物呈现由硫酸盐和硝酸盐主导的弱酸性。大量研究表明，悬浮颗粒物中的酸性硫酸根和硫酸氢根等酸性离子对气溶胶的液相反应具有催化作用，酸性气溶胶的存在对大气中二次有机污染物的生成具有明显的促进作用。快速、高效、精确地监测大气颗粒物及其酸度，有助于识别大气颗粒物中的酸性组分，为污染物成因分析和大气二次污染物源头协同治理提供技术支持。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于成像系统的气溶胶酸度检测装置及方法，克服了现有技术的不足，利用氢离子与显色剂的显色反应，配合特定波长的LED光源对采样滤膜进行照射并检测显色产物，计算采集样品中的氢离子浓度，能够便捷、快速和准确地测量气溶胶的酸度。
为解决上述问题，本发明所采取的技术方案如下：
一种基于成像系统的气溶胶酸度检测装置，包括采样器、气体流量传感器、微型气泵和颗粒物检测传感器；
所述采样器的两端分别设置有进气口和出气口，且其出气口通过管道分别与气体流量传感器的进气端及微型气泵连接，所述气体流量传感器的出气端通过管道与微型气泵连接；
所述采样器包括检测头、托架和采样滤膜，且采样滤膜安装在检测头和托架之间，所述进气口开设在检测头远离托架的一端，且出气口开设在托架远离检测头的一端，且进气口和出气口之间具有一通过采样滤膜的气流通道，所述检测头内安装有LED灯源和图像传感器，且LED灯源和图像传感器分别安装在气流通道的两侧，所述LED灯源照射在采样滤膜上，且图像传感器用于实时监测采样滤膜的反射光线强度，所述LED光源包括红色LED灯泡、绿色LED灯泡、蓝色LED灯泡和白色LED灯泡各一枚，所述检测头的外侧安装有主控器，用于控制LED光源切换闪烁频率和处理图像传感器所采集的信息。
进一步，所述采样滤膜包括塑料材质的支撑环、安装在支撑环内的滤膜本体，所述滤膜本体采用直径为25mm且厚度为0.18mm的玻璃纤维滤膜，所述滤膜本体具有0.45μm孔隙，且其表面镀有PTFE聚四氟乙烯涂层，所述滤膜本体朝向出气口的一侧设置有黑色校正片和白色校正片，且黑色校正片和白色校正片以滤膜本体的圆心对称设置在滤膜本体的两侧，所述黑色校正片和白色校正片与滤膜本体之间设置有不透气铝膜制成的隔层。
进一步，所述白色校正片采用白色玻璃纤维片，所述黑色校正片采用镀有黑炭染料的玻璃纤维片，所述滤膜本体除去白色校正片和黑色校正片的区域镀有显色试剂间胺黄。
进一步，所述气体流量传感器采用气流分流测量方法，通过测量分流的气流流量，计算总气体采样流量；
总气体采样流量的公式如下：
其中，Vt为在时间t的瞬时总采样气体流量速度，为气体流量传感器在时间t测得的瞬时分流流量速度，ki为气体流量传感器通道的气体流量分流系数。
进一步，所述颗粒物检测传感器采用粉尘激光传感器，用于实时监测PM10颗粒物浓度，结合气体流量传感器的监测数据，实时计算采样器中采样滤膜的实时样品质量，具体的计算公式如下：
其中，mT为截止时间T的采样滤膜总采集样品质量，Ct为颗粒物检测传感器在时间t测得的瞬时颗粒物浓度。
进一步，所述红色LED灯泡的光源波段为615-650nm，绿色LED灯泡的光源波段为495-530nm，蓝色LED灯泡的光源波段为450-480nm，白色LED灯泡的光源为冷白光。
本发明还保护了一种基于成像系统的气溶胶酸度检测方法，包括以下步骤：
步骤一、将采样滤膜安装到采样器中，依次用管道连接采样器、气体流量传感器和微型气泵，启动微型气泵、气体流量传感器、颗粒物检测传感器以及采样器进行颗粒物样品采集；
步骤二、颗粒物样品进入采样器后与采样滤膜的镀层化合物间胺黄发生显色反应，由土黄色逐渐转变为粉色；
步骤三、主控器控制LED光源切换，使用红、绿、蓝、白LED光源交替照射采样滤膜，每一色光源照射时间为0.25s，每1秒完成一次循环；
其中，红、绿、蓝三色光源照射采样滤膜反射后由图像传感器捕捉各通道反射光强度，白光用于照射采样滤膜，并由图像传感器实时记录采样滤膜在采样过程中的颜色和状态；
步骤四、图像传感器采集数据后，传输至主控器，且由主控器完成数据分析，并计算已采集样品中的气溶胶氢离子摩尔质量浓度。
进一步，步骤四中所述计算已采集样品中的气溶胶氢离子摩尔质量浓度，具体计算步骤如下：
（1）在红光LED光源下，捕捉采样滤膜图像
对黑色校正片区域的反射光强进行算数平均，计为Rbavg；对白色校正片区域的反射光强进行算数平均，计为Rwavg；对采样滤膜其他区域的反射光强进行算数平均，计为Rsavd；
在红色LED光源下的样品经过黑白校正后的光强度R’计算公式如下：
（2）在绿光LED光源下，捕捉采样滤膜图像
对黑色校正片区域的反射光强进行算数平均，计为Gbavg；对白色校正片区域的反射光强进行算数平均，计为Gwavg；对采样滤膜其他区域的反射光强进行算数平均，计为Gsavd；
在绿色LED光源下的样品经过黑白校正后的光强度G’计算公式如下：
（3）在蓝光LED光源下，捕捉采样滤膜图像
对黑色校正片区域的反射光强进行算数平均，计为Bbavg；对白色校正片区域的反射光强进行算数平均，计为Bwavg；对采样滤膜其他区域的反射光强进行算数平均，计为Bsavd；
在蓝色LED光源下的样品经过黑白校正后的光强度B’计算公式如下：
（4）结合R’、G’和B’，计算已采集样品中的氢离子摩尔质量nH+，计算公式如下：
其中，a和b为校准系数，通过已知酸度的气溶胶进行校准；
（5）计算已采集样品中的气溶胶氢离子摩尔质量浓度，计算公式如下：
。
本发明与现有技术相比较，具有以下有益效果：
本发明所述一种基于成像系统的气溶胶酸度检测装置及方法，利用氢离子与显色剂的显色反应，配合特定波长的LED光源对采样滤膜进行照射并检测显色产物，计算采集样品中的氢离子浓度，能够便捷、快速和准确地测量气溶胶的酸度，有助于识别大气颗粒物中的酸性组分。
附图说明
图1为一种基于成像系统的气溶胶酸度检测装置的结构示意图。
图2为一种基于成像系统的气溶胶酸度检测装置中采样器的立体结构示意图。
图3为一种基于成像系统的气溶胶酸度检测装置中采样器的内部结构示意图。
图4为一种基于成像系统的气溶胶酸度检测装置中采样滤膜的结构示意图。
图5为一种基于成像系统的气溶胶酸度检测装置中采样滤膜的侧视图。
图6为一种基于成像系统的气溶胶酸度检测方法中数据采集方法示意图。
图7为一种基于成像系统的气溶胶酸度检测方法中数据处理结果图。
图中：1、采样器；11、检测头；12、采样滤膜；121、支撑环；122、滤膜本体；123、黑色校正片；124、白色校正片；125、隔层；13、托架；14、出气口；15、进气口；16；主控器、17、图像传感器；18、LED光源；19、透镜；2、微型气泵；3、气体流量传感器；4、颗粒物检测传感器。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-图5所示，本发明所述一种基于成像系统的气溶胶酸度检测装置，包括采样器1、气体流量传感器3、微型气泵2和颗粒物检测传感器4；
采样器1的两端分别设置有进气口15和出气口14，且其出气口14通过管道分别与气体流量传感器3的进气端及微型气泵2连接，气体流量传感器3的出气端通过管道与微型气泵2连接，微型气泵2为12V小型真空泵，采用5L每分钟的采样流量；
采样器1包括检测头11、托架13和采样滤膜12，且采样滤膜12安装在检测头11和托架13之间，托架13主要用于为采样滤膜12提供支撑，并通过螺纹密封结构与检测头11螺纹连接，达到气密效果；进气口15开设在检测头11远离托架13的一端，且出气口14开设在托架13远离检测头11的一端，且进气口15和出气口14之间具有一通过采样滤膜12的气流通道，检测头内安装有LED灯源和图像传感器17，且LED灯源和图像传感器17分别安装在气流通道的两侧，图像传感器17为互补金属氧化物半导体（CMOS）图像传感器17；
LED灯源照射在采样滤膜12上，且图像传感器17用于实时监测采样滤膜12的反射光线强度，LED光源18包括红色LED灯泡、绿色LED灯泡、蓝色LED灯泡和白色LED灯泡各一枚，检测头11的外侧安装有主控器16，用于控制LED光源18切换闪烁频率和处理图像传感器17所采集的信息。
采样滤膜12包括塑料材质的支撑环121、安装在支撑环121内的滤膜本体122，滤膜本体122采用直径为25mm且厚度为0.18mm的玻璃纤维滤膜，滤膜本体122具有0.45μm孔隙，且其表面镀有PTFE聚四氟乙烯涂层，滤膜本体122朝向出气口14的一侧设置有黑色校正片123和白色校正片124，其直径为5mm，且黑色校正片123和白色校正片124以滤膜本体122的圆心对称设置在滤膜本体122的两侧，黑色校正片123和白色校正片124与滤膜本体122之间设置有不透气铝膜制成的隔层125。
白色校正片124采用白色玻璃纤维片，黑色校正片123采用镀有黑炭染料的玻璃纤维片，滤膜本体122除去白色校正片124和黑色校正片123的区域镀有显色试剂间胺黄，分子式为C18H14N3NaO3S，显色试剂平均含量约为5μg/片，采样滤膜12未使用时呈土黄色。
采样滤膜12镀层制作方法：将滤膜本体122浸润于0.02%间胺黄溶液中10分钟后取出，在50摄氏度、通有干燥空气的干燥箱中干燥，其后，存储于密封避光容器中待用。
气体流量传感器3采用气流分流测量方法，通过测量分流的气流流量，计算总气体采样流量；
总气体采样流量的公式如下：
其中，Vt为在时间t的瞬时总采样气体流量速度，为气体流量传感器在时间t测得的瞬时分流流量速度，ki为气体流量传感器通道的气体流量分流系数。
颗粒物检测传感器4采用粉尘激光传感器，用于实时监测PM10颗粒物浓度，结合气体流量传感器3的监测数据，实时计算采样器1中采样滤膜12的实时样品质量，具体的计算公式如下：
其中，mT为截止时间T的采样滤膜总采集样品质量，Ct为颗粒物检测传感器在时间t测得的瞬时颗粒物浓度。
红色LED灯泡的光源波段为615-650nm，绿色LED灯泡的光源波段为495-530nm，蓝色LED灯泡的光源波段为450-480nm，白色LED灯泡的光源为冷白光。
如图3所示，基于上述装置，本实施例中公开了一种基于成像系统的气溶胶酸度检测方法，包括以下步骤：
步骤一、将采样滤膜12安装到采样器1中，依次用管道连接采样器1、气体流量传感器3和微型气泵2，启动微型气泵2、气体流量传感器3、颗粒物检测传感器4以及采样器1进行颗粒物样品采集；
步骤二、颗粒物样品进入采样器1后与采样滤膜12的镀层化合物间胺黄发生显色反应，由土黄色逐渐转变为粉色；
步骤三、主控器16控制LED光源18切换，使用红、绿、蓝、白LED光源交替照射采样滤膜12，每一色光源照射时间为0.25s，每1秒完成一次循环；
其中，红、绿、蓝三色光源照射采样滤膜12反射后由图像传感器17捕捉各通道反射光强度，白光用于照射采样滤膜12，并由图像传感器17实时记录采样滤膜12在采样过程中的颜色和状态；
步骤四、图像传感器17采集数据后，传输至主控器16，且由主控器16完成数据分析，并计算已采集样品中的气溶胶氢离子摩尔质量浓度。
进一步，步骤四中所述计算已采集样品中的气溶胶氢离子摩尔质量浓度，具体计算步骤如下：
（1）在红光LED光源下，捕捉采样滤膜12图像
对黑色校正片123区域的反射光强进行算数平均，计为Rbavg；对白色校正片124区域的反射光强进行算数平均，计为Rwavg；对采样滤膜12其他区域的反射光强进行算数平均，计为Rsavd；
在红色LED光源下的样品经过黑白校正后的光强度R’计算公式如下：
（2）在绿光LED光源下，捕捉采样滤膜图像
对黑色校正片123区域的反射光强进行算数平均，计为Gbavg；对白色校正片124区域的反射光强进行算数平均，计为Gwavg；对采样滤膜12其他区域的反射光强进行算数平均，计为Gsavd；
在绿色LED光源下的样品经过黑白校正后的光强度G’计算公式如下：
（3）在蓝光LED光源下，捕捉采样滤膜图像
对黑色校正片123区域的反射光强进行算数平均，计为Bbavg；对白色校正片124区域的反射光强进行算数平均，计为Bwavg；对采样滤膜12其他区域的反射光强进行算数平均，计为Bsavd；
在蓝色LED光源下的样品经过黑白校正后的光强度B’计算公式如下：
（4）结合R’、G’和B’，计算已采集样品中的氢离子摩尔质量nH+，计算公式如下：
其中，a和b为校准系数，通过已知酸度的气溶胶进行校准；
（5）计算已采集样品中的气溶胶氢离子摩尔质量浓度，计算公式如下：
。
具体实例：
在本实例中，采用硫酸氢氨气溶胶进行测试，并实时分析气溶胶酸度。具体过程如下：
1.参数校准：
配置1%硫酸氢氨溶液，通过气溶胶发生器产生硫酸氢氨气溶胶并收集于气袋中。
测量并记录气袋中的气溶胶质量浓度。在本例中配置的悬浮颗粒物质量浓度约为100µg*m-3。
打开仪器设备，获取初始状态下的R0’、G0’、B0’参数。
另为0 nmol，计算校正系数b。具体计算公式如下：
本实例中，校正系数b为0.901。
连接气袋并采集样品，记录采样时间和气体流量。本例中，采样时间为2分钟，采集气体流量约为5L*min-1。
计算采样结束时的R­1’、G1’、B1’参数。
计算，并求解系数a。本例中，/>约为20 nmol，校正系数a为30.838。
2.气溶胶酸度测试：
配置1%硫酸氢氨溶液，通过气溶胶发生器产生硫酸氢氨气溶胶并收集于气袋中。
测量并记录气袋中的气溶胶质量浓度。在本例中配置的悬浮颗粒物质量浓度约为100µg*m-3。
打开仪器设备，获取初始状态下的R0’、G0’、B0’参数，并对校正系数b进行核验校正。
开始采样并实时监测记录参数R’、G’、B’。
计算采集样品中的实时氢离子摩尔质量(nmol)和气溶胶中氢离子摩尔浓度(nmol*µg-1)；具体测试结果见图7。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
Claims (5)
1.一种基于成像系统的气溶胶酸度检测装置，其特征在于：包括采样器、气体流量传感器、微型气泵和颗粒物检测传感器；
所述采样器的两端分别设置有进气口和出气口，且其出气口通过管道分别与气体流量传感器的进气端及微型气泵连接，所述气体流量传感器的出气端通过管道与微型气泵连接；
所述采样器包括检测头、托架和采样滤膜，且采样滤膜安装在检测头和托架之间，所述进气口开设在检测头远离托架的一端，且出气口开设在托架远离检测头的一端，且进气口和出气口之间具有一通过采样滤膜的气流通道，所述检测头内安装有LED灯源和图像传感器，且LED灯源和图像传感器分别安装在气流通道的两侧，所述LED灯源照射在采样滤膜上，且图像传感器用于实时监测采样滤膜的反射光线强度，所述LED光源包括红色LED灯泡、绿色LED灯泡、蓝色LED灯泡和白色LED灯泡各一枚，所述检测头的外侧安装有主控器，用于控制LED光源切换闪烁频率和处理图像传感器所采集的信息；
所述采样滤膜包括塑料材质的支撑环、安装在支撑环内的滤膜本体，所述滤膜本体采用直径为25mm且厚度为0.18mm的玻璃纤维滤膜，所述滤膜本体具有0.45μm孔隙，且其表面镀有PTFE聚四氟乙烯涂层，所述滤膜本体朝向出气口的一侧设置有黑色校正片和白色校正片，且黑色校正片和白色校正片以滤膜本体的圆心对称设置在滤膜本体的两侧，所述黑色校正片和白色校正片与滤膜本体之间设置有不透气铝膜制成的隔层；
所述白色校正片采用白色玻璃纤维片，所述黑色校正片采用镀有黑炭染料的玻璃纤维片，所述滤膜本体除去白色校正片和黑色校正片的区域镀有显色试剂间胺黄；
所述主控器控制LED光源切换闪烁频率和处理图像传感器所采集的信息，具体计算步骤如下：
(1)在红光LED光源下，捕捉采样滤膜图像
对黑色校正片区域的反射光强进行算数平均，计为Rbavg；对白色校正片区域的反射光强进行算数平均，计为Rwavg；对采样滤膜其他区域的反射光强进行算数平均，计为Rsavd；
在红色LED光源下的样品经过黑白校正后的光强度R’计算公式如下：
(2)在绿光LED光源下，捕捉采样滤膜图像
对黑色校正片区域的反射光强进行算数平均，计为Gbavg；对白色校正片区域的反射光强进行算数平均，计为Gwavg；对采样滤膜其他区域的反射光强进行算数平均，计为Gsavd；
在绿色LED光源下的样品经过黑白校正后的光强度G’计算公式如下：
(3)在蓝光LED光源下，捕捉采样滤膜图像
对黑色校正片区域的反射光强进行算数平均，计为Bbavg；对白色校正片区域的反射光强进行算数平均，计为Bwavg；对采样滤膜其他区域的反射光强进行算数平均，计为Bsavd；
在蓝色LED光源下的样品经过黑白校正后的光强度B’计算公式如下：
(4)结合R’、G’和B’，计算已采集样品中的氢离子摩尔质量nH+，计算公式如下：
其中，a和b为校准系数，通过已知酸度的气溶胶进行校准；
(5)计算已采集样品中的气溶胶氢离子摩尔质量浓度计算公式如下：
mT为截止时间T的采样滤膜总采集样品质量。
2.根据权利要求1所述的一种基于成像系统的气溶胶酸度检测装置，其特征在于：所述气体流量传感器采用气流分流测量方法，通过测量分流的气流流量，计算总气体采样流量；
总气体采样流量的公式如下：
其中，Vt为在时间t的瞬时总采样气体流量速度，V′i为气体流量传感器在时间t测得的瞬时分流流量速度，ki为气体流量传感器通道的气体流量分流系数。
3.根据权利要求2所述的一种基于成像系统的气溶胶酸度检测装置，其特征在于：所述颗粒物检测传感器采用粉尘激光传感器，用于实时监测PM10颗粒物浓度，结合气体流量传感器的监测数据，实时计算采样器中采样滤膜的实时样品质量，具体的计算公式如下：
其中，mT为截止时间T的采样滤膜总采集样品质量，Ct为颗粒物检测传感器在时间t测得的瞬时颗粒物浓度。
4.根据权利要求1所述的一种基于成像系统的气溶胶酸度检测装置，其特征在于：所述红色LED灯泡的光源波段为615-650nm，绿色LED灯泡的光源波段为495-530nm，蓝色LED灯泡的光源波段为450-480nm，白色LED灯泡的光源为冷白光。
5.一种利用权利要求1-4任一项所述的基于成像系统的气溶胶酸度检测装置进行气溶胶酸度检测的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、将采样滤膜安装到采样器中，依次用管道连接采样器、气体流量传感器和微型气泵，启动微型气泵、气体流量传感器、颗粒物检测传感器以及采样器进行颗粒物样品采集；
步骤二、颗粒物样品进入采样器后与采样滤膜的镀层化合物间胺黄发生显色反应，由土黄色逐渐转变为粉色；
步骤三、主控器控制LED光源切换，使用红、绿、蓝、白LED光源交替照射采样滤膜，每一色光源照射时间为0.25s，每1秒完成一次循环；
其中，红、绿、蓝三色光源照射采样滤膜反射后由图像传感器捕捉各通道反射光强度，白光用于照射采样滤膜，并由图像传感器实时记录采样滤膜在采样过程中的颜色和状态；
步骤四、图像传感器采集数据后，传输至主控器，且由主控器完成数据分析，并计算已采集样品中的气溶胶氢离子摩尔质量浓度。
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