CN116202927B - 气体中颗粒物检测装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了气体中颗粒物检测装置和方法，所述气体中颗粒物检测装置包括进样单元、富集单元和β射线检测单元，所述富集单元包括第一轮、第二轮及卷绕在第一轮和第二轮上的纸带；三维扫描单元分别获得移出进样单元的纸带上富集区上表面和下表面各点的空间位置；计算单元根据竖直方向上对应的上表面点和下表面点的空间位置得出富集区各点的厚度Li，i=1,2…N，N是正整数；以及根据所述β射线检测单元输出的所述富集区的颗粒物初始浓度C₀得出补偿后颗粒物浓度，L₀是所述纸带的厚度，ρ是纸带的密度，S是所述富集区下表面相邻各点在水平面上投影围出的多边形面积，V是气体采样体积。本发明具有检测结果准确等优点。

Description

气体中颗粒物检测装置和方法

技术领域

本发明涉及颗粒物检测，特别涉及气体中颗粒物检测装置和方法。

背景技术

在颗粒物浓度的监测中，β射线法因其操作简单、准确度高、维护量小而被普遍使用。然而，在颗粒物质量浓度较低环境下监测时，β射线衰减法的测量结果仍然具有较大的误差。因此，提高β射线法的测量准确度是亟需解决的技术问题。

为了研究β射线法的测量误差，分别进行了采样后的零点测量和不采样的零点测量实验。两者主要区别在于，采样时零气（无颗粒物的气体）会通过纸带，而不采样的零点测量是零气不通过纸带。通过测量数据发现，采样后测量的零点波动（-10~10μg/m³）明显大于不经过采样的（-5~5μg/m³），其主要原因是采样过程使得纸带产生形变，从而导致了测量误差的增大。

现有部分学者学者提出了一种滤膜形变补偿方法，通过摄像头拍摄形变后的滤膜，对滤膜进行采样点划分，并获取采样点处的厚度，计算采样后滤膜质量的相对增量。由此认为，即使滤膜质量增量为0，但由于采样时负压使纸带产生形变，导致β射线穿过纸带的厚度增加，造成了测量误差的存在，通过将误差补偿到测量值中，即可提高测量结果的准确性。这种补偿方式有以下几个问题：

1. 该方案中认为纸带厚度不变是不对的，气路负压导致纸带产生形变，表面积增大，形变的纸带必然会变薄，并且形变的纸带（圆形）从中心沿着径向的厚度是变化的，所以在采样点不同的位置处，纸带厚度可能大于或小于纸带原始厚度。

2. 摄像头拍摄形变纸带的信息是二维的，而形变的纸带是一个三维的体，所以摄像头拍摄无法得到形变纸带上各点的厚度。

发明内容

为解决上述现有技术方案中的不足，本发明提供了一种气体中颗粒物检测装置。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

气体中颗粒物检测装置，所述气体中颗粒物检测装置包括进样单元、富集单元和β射线检测单元，所述富集单元包括第一轮、第二轮及卷绕在第一轮和第二轮上的纸带；所述气体中颗粒物检测装置还包括：

三维扫描单元，所述三维扫描单元分别获得移出进样单元的纸带上富集区上表面和下表面各点的空间位置；

计算单元，所述计算单元根据竖直方向上对应的上表面点和下表面点的空间位置得出富集区各点的厚度Li，i=1,2…N，N是正整数；以及，

根据所述β射线检测单元输出的所述富集区的颗粒物初始浓度C₀得出补偿后颗粒物浓度，L₀是所述纸带的厚度，ρ是所述纸带的密度，S是所述富集区下表面相邻各点在水平面上投影围出的多边形面积，V是气体采样体积。

本发明的目的还在于提供了一种气体中颗粒物检测方法，该发明目的是通过以下技术方案得以实现的：

气体中颗粒物检测方法，所述气体中颗粒物检测方法为：

卷绕在第一轮和第二轮上的纸带移动到进样单元，气体中的颗粒物富集在纸带的富集区；

移出所述纸带，三维扫描单元分别获得移出进样单元的纸带上富集区上表面和下表面各点的空间位置；

β射线检测单元得出所述富集区的颗粒物初始浓度C₀；

计算单元根据竖直方向上对应的上表面点和下表面点的空间位置得出富集区各点的厚度Li，i=1,2…N，N是正整数；

所述计算单元根据颗粒物初始浓度C₀得出补偿后颗粒物浓度C：

，L₀是所述纸带的厚度，ρ是所述纸带的密度，S是所述富集区下表面相邻各点在水平面上投影围出的多边形面积，V是气体采样体积。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：

检测结果准确度高；

通过三维扫描后得到的富集区上下表面各点坐标，从而精准地获得形变纸带富集区各点处的厚度，进而补偿了由于纸带形变带来的颗粒物检测误差，从而实现颗粒物浓度测量中的精确补偿。

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气体中颗粒物检测装置的结构简图；

图2是根据本发明实施例的气体中颗粒物检测方法的流程简图。

具体实施方式

图1-图2和以下说明描述了本发明的可选具体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具体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具体实施方式，而仅由权利要求和它们的等同物限定。

实施例1

本发明实施例的气体中颗粒物检测装置，如图1所示，所述气体中颗粒物检测装置包括：

进样单元21、富集单元和β射线检测单元41，所述富集单元包括第一轮11、第二轮12及卷绕在第一轮11和第二轮12上的纸带13；这些部件的结构和连接关系均是本领域的现有技术；

三维扫描单元31，所述三维扫描单元31分别获得移出进样单元的纸带13上富集区14上表面和下表面各点的空间位置；

计算单元，所述计算单元根据竖直方向上对应的上表面点和下表面点的空间位置得出富集区14各点的厚度Li，i=1,2…N，N是正整数；以及，

根据所述β射线检测单元41输出的所述富集区14的颗粒物初始浓度C₀得出补偿后颗粒物浓度，L₀是所述纸带13的厚度，ρ是所述纸带13的密度，S是所述富集区14下表面相邻各点在水平面上投影围出的多边形面积，V是气体采样体积。

为了提高补偿精度以及降低计算工作量，进一步地，所述富集区14下表面相邻各点在水平面上投影呈矩阵式分布。

为了获得高精度的空间位置，进一步地，所述三维扫描单元31是激光三维扫描单元。

为了降低计算工作量，进一步地，所述多边形是三边形或四边形。

图2示意性地给出了本发明实施例气体中颗粒物检测方法的流程图，如图2所示，所述气体中颗粒物检测方法为：

卷绕在第一轮11和第二轮12上的纸带13移动到进样单元21，气体中的颗粒物富集在纸带的富集区14；

移出所述纸带13，三维扫描单元31分别获得移出进样单元21的纸带13上富集区上表面和下表面各点的空间位置；

β射线检测单元41得出所述富集区14的颗粒物初始浓度C₀；

计算单元根据竖直方向上对应的上表面点和下表面点的空间位置得出富集区14各点的厚度Li，i=1,2…N，N是正整数；

所述计算单元根据颗粒物初始浓度C₀得出补偿后颗粒物浓度C：

，L₀是所述纸带13的厚度，ρ是所述纸带13的密度，S是所述富集区14下表面相邻各点在水平面上投影围出的多边形面积，V是气体采样体积。

为了提高补偿精度以及降低计算工作量，进一步地，所述富集区14下表面相邻各点在水平面上投影呈矩阵式分布。

为了获得高精度的空间位置，进一步地，所述三维扫描单元31是激光三维扫描单元。

为了降低计算工作量，进一步地，所述多边形是三边形或四边形。

为了提高检测效率，进一步地，所述纸带13的富集区14依次经过富集、三维扫描和颗粒物浓度检测。

实施例2

根据本发明实施例1的气体中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，三维扫描单元31采用激光三维扫描单元，获得从取样单元21移出的纸带13富集区14上表面和下表面各点的空间位置，上表面和下表面都是曲面，这些点在水平面上的投影呈矩阵分布，使得相邻各点在水平面上的投影围出相同的四边形，具体是矩形，该矩形面积是S；点的数量越大，面积S越小，颗粒物浓度补偿的精度越高；

计算单元根据竖直方向上对应的上表面点和下表面点的空间位置得出富集区14各点的厚度Li，i=1,2…N，N是正整数，对应的上表面点和下表面点在水平面上的投影重合，高度不同，厚度Li包括纸带13原始厚度L₀以及富集的颗粒物厚度；

计算单元根据β射线检测单元41输出的所述富集区14的颗粒物初始浓度C₀得出补偿后颗粒物浓度，ρ是所述纸带13的密度。

本发明实施例气体中颗粒物检测方法，也即本实施例气体中颗粒物检测装置的工作方法，如图2所示，所述气体中颗粒物检测方法为：

卷绕在第一轮11和第二轮12上的纸带13移动到进样单元21，气体中的颗粒物富集在纸带的富集区14；

正向移出所述纸带13，三维扫描单元31分别获得移出进样单元21的纸带13上富集区上表面和下表面各点的空间位置；

继续正向移动所述纸带13，β射线检测单元41得出所述富集区14的颗粒物初始浓度C₀；

计算单元根据竖直方向上对应的上表面点和下表面点的空间位置得出富集区14各点的厚度Li，i=1,2…N，N是正整数；

所述计算单元根据颗粒物初始浓度C₀得出补偿后颗粒物浓度C：

，ρ是所述纸带13的密度，V是气体采样体积；

本实施例中的参数如下：

β射线法的采样流量为16.67L/min，在1h的采样周期中，实际采样时间为48min，所以采样体积V理论上为800.16L。

富集区直径为1.5cm，所以富集区面积S为0.5625cm²，纸带密度ρ为0.23g/cm³，纸带厚度L₀为0.32mm，N为4000，L_i为激光扫描实测值。

为了对比该方法的补偿效果，选用两台仪器，每台仪器分别在未补偿和补偿情况下各测量24小时零点，测量数据如下：

1#仪器在未补偿前零点SD为3.95、补偿后零点SD为2.50；2#仪器在未补偿前零点SD为3.86、补偿后零点SD为2.15；由此可见，通过三维激光扫描测量来补偿纸带形变产生的误差具有明显的效果。

上述实施例仅是示例性地给出了多边形是矩形，当然还可以是三边形、五边形等多边形。

Claims (9)

1.气体中颗粒物检测装置，所述气体中颗粒物检测装置包括进样单元、富集单元和β射线检测单元，所述富集单元包括第一轮、第二轮及卷绕在第一轮和第二轮上的纸带；其特征在于，所述气体中颗粒物检测装置还包括：

三维扫描单元，所述三维扫描单元分别获得移出进样单元的纸带上富集区上表面和下表面各点的空间位置；

计算单元，所述计算单元根据竖直方向上对应的上表面点和下表面点的空间位置得出富集区各点的厚度Li，i=1,2…N，N是正整数；以及，

根据所述β射线检测单元输出的所述富集区的颗粒物初始浓度C₀得出补偿后颗粒物浓度，L₀是所述纸带的厚度，ρ是纸带的密度，S是所述富集区下表面相邻各点在水平面上投影围出的多边形面积，V是气体采样体积。

2.根据权利要求1所述的气体中颗粒物检测装置，其特征在于，所述富集区下表面相邻各点在水平面上投影呈矩阵式分布。

3.根据权利要求1所述的气体中颗粒物检测装置，其特征在于，所述三维扫描单元是激光三维扫描单元。

4.根据权利要求1所述的气体中颗粒物检测装置，其特征在于，所述多边形是三边形或四边形。

5.气体中颗粒物检测方法，所述气体中颗粒物检测方法为：

卷绕在第一轮和第二轮上的纸带移动到进样单元，气体中的颗粒物富集在纸带的富集区；

移出所述纸带，三维扫描单元分别获得移出进样单元的纸带上富集区上表面和下表面各点的空间位置；

β射线检测单元得出所述富集区的颗粒物初始浓度C₀；

计算单元根据竖直方向上对应的上表面点和下表面点的空间位置得出富集区各点的厚度Li，i=1,2…N，N是正整数；

所述计算单元根据颗粒物初始浓度C₀得出补偿后颗粒物浓度C：

，L₀是所述纸带的厚度，ρ是所述纸带的密度，S是所述富集区下表面相邻各点在水平面上投影围出的多边形面积，V是气体采样体积。

6.根据权利要求5所述的气体中颗粒物检测方法，其特征在于，所述富集区下表面相邻各点在水平面上投影呈矩阵式分布。

7.根据权利要求5所述的气体中颗粒物检测方法，其特征在于，所述三维扫描单元是激光三维扫描单元。

8.根据权利要求5所述的气体中颗粒物检测方法，其特征在于，所述纸带的富集区依次经过富集、三维扫描和颗粒物浓度检测。

9.根据权利要求5所述的气体中颗粒物检测方法，其特征在于，所述多边形是三边形或四边形。