專利名稱：一種測顆粒物濃度的方法及應用該方法的裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于大氣顆粒物濃度測量的技術領域，具體則涉及一種基于PIV測速方式來測顆粒物濃度的方法及應用該方法的裝置。
背景技術：
作為測定大氣中微小顆粒狀物質(Particulate Matter,以下簡稱PM)濃度的裝置，其中有一 類裝置是將一定流量的大氣作為試樣氣體連續地吸入采樣管或大氣導入管內，在設置于該采樣管下游側的收集區域用過濾帶等的捕集裝置連續地捕集前述試樣氣體中的PM，對所捕集的PM用β射線放射源(通常為C14放射源)照射β射線，由于C14放射源放射出的β射線照射到PM上時，β射線會被PM吸收從而導致β射線強度衰減，衰減后的β射線強度與PM相對密度呈對應關系，因此當C14放射源放射出的β射線能量恒定時，利用檢測器檢測透過PM的β射線強度，最終實現用β射線吸收方式測定捕集到的PM的濃度。上述傳統的基于β射線吸收法的可吸入顆粒物測量裝置存在以下缺陷:其一，對β射線檢測器的恢復時間要求比較高；其二，難以甚至不能控制β射線總輻射量對周圍環境的影響，從而為周圍技術人員及相關環境均產生不利隱患；其三，目前市場上的β射線法測算PM的檢測設備，多只能針對ΡΜ2.5或PMlO的其中一種實現自動測量，如若實現對于兩者的同步同時測量，就必須另外安置一套專門的測算另一種PM濃度的測量機構，這往往導致其占地面積的過大化和維護操作的繁冗性，這都是在實際操作時應當盡量避免的；最重要的是，目前對于PM顆粒物濃度的測算方法過于單一，無非于上述幾種。因此，如何尋求一種突破現有枷鎖的，既能夠確保環境安全，又可保證對于PM濃度的測量的寬范圍和精確性的測量機構，乃為本領域技術人員所迫待解決的技術難題。
發明內容
本發明的首要目的在于提供一種基于PIV測速方式測顆粒物濃度的方法，該方法不但測算方便快捷，且計算精度均可得到有效保證。為實現上述目的，本發明采用了以下技術方案:一種測顆粒物濃度的方法，其特征在于:包括以下步驟:I)、任取顆粒采樣機構在某一時刻通過PIV測量橫截面的粒子圖像，通過數字圖像處理獲取每個粒子的大小，形狀以及體積，指定該地區氣溶膠成分變換不大，干燥大氣顆粒物物質密度不變，則通過以下公式計算出每種粒子的質量:Mi=Vi.δ j其中=Mi為每種粒子的質量；Vi為每個粒子的體積；δ i為干燥大氣顆粒物物質密度。2)、顆粒采樣機構的流量是已知的，當測量時間一定時，通過以下公式計算得出總共采樣的空氣體積:V=Q.T其中:V為總共采樣的空氣體積；Q為指定測量時間內的顆粒采樣機構的流量；T為測量時間。3)、由上述每種粒子的質量以及總共采樣的空氣體積，就可以算出每個粒子的單位濃度:δ = Σ MiAδ也就是待測的PM顆粒物濃度。上述方案的主要優點在于:突破了現有的傳統技術枷鎖，克服了如何以PIV檢測單元測算出的粒子流速進而獲取其濃度數值這一難題，另辟蹊徑的依靠PIV類檢測儀器本身可自行測算粒子流速的特點，在獲取其流速并實際測算過程中，不僅能通過測算粒子速度而計算知道濃度，同時還能獲取粒子數量，粒子大小及形狀，從而可以根據粒子形狀判斷粒子來源，為PM的相關防治起到有利影響；該方法不但測算方便快捷，且計算精度均可得到有效保證。本發明的另一個目的在于提供一種應用上述方法的裝置，本裝置使用安全可靠，其結構簡單而使用，占地面積及維護效率都可以相應得到顯著增強，而且測量精度較高。為實現上述 目的，本發明采用了以下技術方案:一種基于β射線和PIV法測顆粒物濃度的裝置，本裝置包括顆粒物采樣機構、濾帶傳送機構、β射線放射機構以及β射線接收測量機構；所述顆粒物采樣機構包括大氣采樣器以及氣泵，所述氣泵進氣口與大氣采樣器出氣口彼此順延對接設置且濾帶傳送機構帶體穿設于其對接面處布置；所述β射線放射機構包括β射線放射源；所述濾帶傳送機構包括濾帶，濾帶傳送機構還包括用于承托濾帶并使濾帶在大氣采樣器出氣口和β射線放射源放射出口之間往復移動的第一濾帶輪和第二濾帶輪，本裝置還包括用于輔助測量顆粒物濃度的補償機構，所述補償機構包括厚度均勻連續變化的衰減控制部件，所述衰減控制部件緊靠在β射線放射源的放射出口端，所述補償機構還包括驅動衰減控制部件動作以使得穿過衰減控制部件的β射線強度均勻連續變化的動力單元；本裝置還包括布置于大氣采樣器出氣口與濾帶帶面之間間隙處的用于測算已通過粒子流速的PIV單元，所述PIV單元的光路照射方向與待測粒子行進方向相交設置。本發明的主要優點在于:I)、本發明將衰減控制部件貼靠在β射線放射源射出口端，即相當于在β射線放射源的放射出口處設置了一個控制β射線放射強度的閥門，由于衰減控制部件的厚度均勻連續變化，而在均質材料中，在一定的厚度范圍內，β射線強度的衰減量與入射射線強度和穿透物體的厚度成正比，因此若控制β射線的入射強度不變，則當衰減控制部件在動力單元的作用下動作時，β射線強度的衰減量也隨之發生連續變化，從而穿過衰減控制部件的β射線強度也發生連續變化。2)、本裝置利用補償機構降低了對蓋革計數器死時間(第一次計數到下一次計數之間的時間間隔)的要求，從而降低了成本。通過控制β射線強度，減少了 β射線放射源總輻射量對周圍環境的影響；同時也降低了蓋革計數器測量的動態范圍，所以對PM濃度的測量范圍廣，測量精度較高。3)、類似雙通道的結構方式，可實現對于PM2.5及PMlO濃度的同時在線監測和測量，其共用一個濾帶的方式也保證了其整體結構的簡化性，避免了傳統的如若同時檢測PM2.5及PMlO濃度時必須采用兩臺儀器檢測的缺陷，甚至可通過臨時變換檢測對象而對PMU PM2.5以及PMlO三者的任意兩種顆粒物濃度進行在線測量；同時突破的傳統技術枷鎖，而另辟蹊徑的通過PIV單元本身的結構特點，在實際測算過程中，不僅能依靠上述方法來通過測算粒子速度而計算知道濃度，同時還能相應獲取粒子數量，粒子大小及形狀，從而可以根據粒子形狀判斷粒子來源，為PM防治起到有利影響；其結構簡單而使用，占地面積及維護效率都可以相應得到顯著增強。
圖1是本發明的結構示意圖；圖2為物質吸收β射線的原理示意圖；圖3為某一時刻通過PIV單元測量其光路橫截面的粒子圖像；圖4為PIV測速技術的工作原理圖。
具體實施例方式粒子圖像測速技術(PIV)是一種瞬態流動平面二維流速場測試技術，其基本原理如圖4所示，是選擇具有良好流動跟隨性和光散射性的微小示蹤粒子播撒于流場中，然后用激光片光源(厚度約為1_)把被測流場的某一測試平面照明，通過圖像采集系統(如⑶D相機等)，分別記錄下tl、t2時刻的流場粒子圖像，經過數字圖像處理，求出兩次拍攝時間間隔內粒子的位移，即可算出速度場。然而，PIV技術時至今日雖然已經為較為成熟的粒子測速方式，但是對于應用于粒子濃度測算領域，尤其是應用于PM的顆粒物濃度測算中仍是沒有先例的，關鍵就在于如何通過PIV檢測單元測算出的粒子流速進而獲取其濃度數值；本發明就采用了一種新的由PIV測速方法來簡單獲取PM顆粒物濃度的方式，其具體如下:一種測顆粒物濃度的方法，包括以下步驟:I)、任取顆粒采樣機構在某一時刻通過PIV測量橫截面的粒子圖像，如圖3所示，通過數字圖像處理獲取每個粒子的大小，形狀以及體積，指定該地區氣溶膠成分變換不大，干燥大氣顆粒物物質密度不變，則通過以下公式計算出每種粒子的質量:Mi=Vi.δ j其中=Mi為每種粒子的質量；Vi為每個粒子的體積；δ i為干燥大氣顆粒物物質密度。2)、顆粒采樣機構的流量是已知的，當測量時間一定時，通過以下公式計算得出總共采樣的空氣體積:V=Q.T其中:V為總共采樣的空氣體積；Q為指定測量時間內的顆粒采樣機構的流量；T為測量時間 。
3)、由上述每種粒子的質量Mi以及總的空氣V，就可以算出每個粒子的單位濃度δ:δ =ZMiAδ也就是待測的PM顆粒物濃度。通過上述測算方式，突破了現有的傳統技術枷鎖，克服了如何以PIV檢測單元測算出的粒子流速進而獲取其濃度數值這一難題，通過現有儀器測算得出各基本參數，并另辟蹊徑的依靠PIV類檢測儀器本身可自行測算粒子流速的特點，在獲取其流速并實際測算過程中，不僅能通過測算粒子速度而計算知道濃度，同時還能獲取粒子數量，粒子大小及形狀，從而可以根據粒子形狀判斷粒子來源，為PM的相關防治起到有利影響；該方法不但測算方便快捷，且計算精度均可得到有效保證。由上述測算方法，顯然的可以引申出對于PM顆粒物濃度測算的新的測算體系，如下所述的為本發明通過PIV技術和β射線法的混合測算模式，從而即可實現對于ΡΜ2.5及PMlO濃度乃至PMl的同步在線測量，具體結構如下:一種基于β射 線和PIV法測顆粒物濃度的裝置，本裝置包括顆粒物采樣機構、濾帶傳送機構、β射線放射機構以及β射線接收測量機構60 ;所述顆粒物采樣機構包括大氣采樣器10以及氣泵20，所述氣泵20進氣口與大氣采樣器10出氣口彼此順延對接設置且濾帶傳送機構帶體穿設于其對接面處布置；所述β射線放射機構包括β射線放射源30 ；所述濾帶傳送機構包括濾帶40,濾帶傳送機構還包括用于承托濾帶40并使濾帶40在大氣采樣器10出氣口和β射線放射源30放射出口之間往復移動的第一濾帶輪41和第二濾帶輪42，本裝置還包括用于輔助測量顆粒物濃度的補償機構，所述補償機構包括厚度均勻連續變化的衰減控制部件50，所述衰減控制部件50緊靠在β射線放射源30的放射出口端，所述補償機構還包括驅動衰減控制部件50動作以使得穿過衰減控制部件50的β射線強度均勻連續變化的動力單元；本裝置還包括布置于大氣采樣器10出氣口與濾帶40帶面之間間隙處的用于測算已通過粒子流速的PIV單元60，所述PIV單元60的光路照射方向與待測粒子行進方向相交設置。本發明具體結構如圖1所示，這樣，通過將衰減控制部件50貼靠在β射線放射源30放射出口端，即相當于在β射線放射源30的放射出口處設置了一個控制β射線放射強度的閥門，由于衰減控制部件50的厚度均勻連續變化，而在均質材料中，在一定的厚度范圍內，β射線強度的衰減量與入射射線強度和穿透物體的厚度成正比；因此若控制β射線的入射強度不變，則當衰減控制部件50在動力單元的作用下動作時，β射線強度的衰減量也隨之發生連續變化，從而穿過衰減控制部件的β射線強度也發生連續變化。此外，本裝置通過動力單元以及可厚度均勻連續變化的衰減控制部件50的協同作用，從而起到了間接的控制β射線強度的作用，也就減少了 β射線放射源30總輻射量對周圍操作人員的影響，保證了環境安全，同時也降低了對蓋革計數器死時間(第一次計數到下一次計數之間的時間間隔)的要求，從而降低了成本。通過控制β射線強度，減少了 β射線放射源總輻射量對周圍環境的影響；同時也降低了蓋革計數器測量的動態范圍，所以對PM濃度的測量范圍廣，測量精度較高。此外，依靠在大氣采樣器10出氣口與濾帶40帶面之間間隙處，也即大氣采樣器10出氣口的順延段與濾帶40的原始配合間隙處(或適當擴大該間隙而便于裝置放入)設置PIV單元60，利用PIV (粒子圖像測速技術)本身的瞬時無接觸測量流場中一個截面上的速度分布的特性，采用與β射線補償法共用的類似雙通道的測量結構方式，即可實現對于ΡΜ2.5及PMlO濃度的同時在線監測和測量，其共用一個濾帶40的方式也保證了其整體結構的簡化性，避免了傳統的如若同時檢測ΡΜ2.5及PMlO濃度時必須采用兩臺儀器檢測的缺陷，甚至可通過臨時變換檢測對象而對ΡΜ1、ΡΜ2.5以及PMlO三者的任意兩種顆粒物濃度進行在線測量；同時突破的傳統技術枷鎖，摒棄了傳統測算PM顆粒物濃度比如采用如β射線法等基本方式，而另辟蹊徑的通過PIV單元60本身的對于通過其流場粒子的高精度和高捕捉性，在實際測算過程中，不僅能通過測算其粒子速度而計算知道濃度，同時還能獲取粒子數量，粒子大小及形狀，從而可以根據粒子形狀判斷粒子來源，為ΡΜ2.5以及PMlO的防治也起到更為有利的影響；其整體結構簡單而實用，占地面積及維護效率都可以較之傳統結構相應得到顯著增強。在實際計算時，由于受相機分辨率影響，PIV技術目前只能分辨出粒子直徑在Ium以上的空氣粒子，也就是PMl以上的空氣粒子。此處采用β射線來測量ΡΜ2.5以下的顆粒物濃度，這是目前通用做法；同時再通過先用PIV單元60測算和獲取ΡΜ2.5-10之間的顆粒物濃度，結合采用用β射線所測量的ΡΜ2.5以下的顆粒物濃度，合起來后即為PMlO以下的顆粒物濃度，也即最終同步獲得ΡΜ2.5和PMlO的兩種區間范圍的顆粒物濃度了，其彼此互為補償，測算效果更佳。而對于PIV單元60的光路照射方向，此處優選為平行濾帶40紙面方向布置，從而保證對于通過其流場的粒子的高效測算，以為其整體結構的有效穩定工作提供保證。作為本發明的進一步優選方案，所述衰減控制部件50為金屬制件；比如鋁或者銅或者鐵等常見的金屬材質均可。當然，為確保其材質的均勻性和性能穩定性，亦可優選衰減控制部件50為耐腐蝕的不銹鋼制件，不銹鋼制件材料均勻，性能穩定且不易腐蝕，使用壽命較長，更能符合實際的生產加工以及使用需求；當然，實際選用時亦可采用其他類似特性材料，以實現能夠導致β射線衰減功能為準。進一步的，所述衰減控制部件50呈板狀，且板狀衰減控制部件50的與β射線放射源20的放射出口端相貼靠的一端為平面，與β射線放射源10的放射出口端相背離的一端為斜面；所述動力單元包 括自上而下穿過衰減控制部件50、并與衰減控制部件50固定聯接的軸部51,所述動力單元還包括驅動軸部51轉動和/或平動的電機,其具體結構可參照圖1-2所示。對于衰減控制部件50的具體結構及操作模式，此處圖示中給出兩種實施結構，也即或采用電機M驅動軸部51轉動，進而起到使衰減控制部件產生沿該軸部軸心的垂直β射線照射方向的垂直方向的轉動動作，此時該軸部51也即形成了類似轉軸結構；同樣，此處亦可采用如圖1所示的電機M驅動衰減控制部件沿β射線照射方向的垂直方向作往復直線動作，而所述衰減控制部件50外形呈楔形塊狀且該楔形塊狀衰減控制部件50的厚度變化為由其沿其動作方向漸厚或漸薄布置，從而依靠軸部51本身作為連接件的功用，最終起到連接電機與衰減控制部件50并最終實現β射線在其照射方向上的衰減目的。更進一步的，所述衰減控制部件50的沿平行于軸部51軸線的平面上的投影為圓形，所述軸部51在圓形投影上的位置偏離該圓形的中心。換句話說，此處衰減控制部件50外形呈類似楔形板狀的圓板部件，而軸部51則與衰減控制部件50整體形成偏心輪式結構，從而最終依靠軸部51的轉動或平動而起到驅動衰減控制部件50產生厚薄變化的目的。
實際上，對于衰減控制部件50相對于β射線放射源10的動作關系，可視情況而定，而并不拘泥于采用前述的軸部51結構來實現衰減控制部件50的平動及轉動操作；如采用楔形結構的衰減控制部件50，并使用如電磁伸縮或機械拖拉的方式以使衰減控制部件50產生直線方向上的往復動作，能實現衰減控制部件50的厚度在β射線放射源20照射路徑上的厚度變化；而如采用熱膨脹的方式，并使衰減控制部件50本身材質為熱變形體，以通過加熱升溫或降溫操作而使該衰減控制部件50產生感溫后的厚度變化，同樣也可實現前述的通過改變穿透的物體厚度而實現對于PM濃度的測量效果。為便于讀者理解，此處對于前述的穿透的物體厚度與PM濃度的數字對應及原理關系，作以下進一步說明:此處考慮一束初始強度為Itl的單能電子束，當穿過厚度為d的物質時，強度減弱為I，其示意圖見圖3。強度I隨厚度d的增加而減小且服從指數規律，可表示為可表示為
權利要求
1.一種測顆粒物濃度的方法，其特征在于:包括以下步驟: 1)、任取顆粒采樣機構在某一時刻通過PIV測量橫截面的粒子圖像，通過數字圖像處理獲取每個粒子的大小，形狀以及體積，指定該地區氣溶膠成分變換不大，干燥大氣顆粒物物質密度不變，則通過以下公式計算出每種粒子的質量: Mi=Vi.δ j 其中=Mi為每種粒子的質量； Vi為每個粒子的體積； δ i為干燥大氣顆粒物物質密度。
2)、顆粒采樣機構的流量是已知的，當測量時間一定時，通過以下公式計算得出總共采樣的空氣體積:V=Q.T 其中:V為總共采樣的空氣體積； Q為指定測量時間內的顆粒采樣機構的流量； T為測量時間。
3)、由上述每種粒子的質量(Mi)以及總共采樣的空氣體積(V)，就可以算出每個粒子的單位濃度(S): δ =ZMiA δ也就是待測的PM顆粒物濃度。
2.一種應用如權利要求1所述方法測顆粒物濃度的裝置，包括顆粒物采樣機構、濾帶傳送機構、β射線放射機構以及β射線接收測量機構；所述顆粒物采樣機構包括大氣采樣器(10 )以及氣泵(20 )，所述氣泵(20 )進氣口與大氣采樣器(10 )出氣口彼此順延對接設置且濾帶傳送機構帶體穿設于其對接面處布置；所述β射線放射機構包括β射線放射源(30);所述濾帶傳送機構包括濾帶(40),濾帶傳送機構還包括用于承托濾帶(40)并使濾帶(40) 在大氣采樣器(10)出氣口和β射線放射源(30)放射出口之間往復移動的第一濾帶輪(41)和第二濾帶輪(42)，其特征在于:本裝置還包括用于輔助測量顆粒物濃度的補償機構，所述補償機構包括厚度均勻連續變化的衰減控制部件(50)，所述衰減控制部件(50)緊靠在β射線放射源(30)的放射出口端，所述補償機構還包括驅動衰減控制部件(50)動作以使得穿過衰減控制部件(50)的β射線強度均勻連續變化的動力單元； 本裝置還包括布置于大氣采樣器(10)出氣口與濾帶(40)帶面之間間隙處的用于測算已通過粒子流速、大小及形狀的PIV單元(60)，所述PIV單元(60)的光路照射方向與待測粒子行進方向相交設置。
3.根據權利要求2所述的基于β射線和PIV法測顆粒物濃度的裝置，其特征在于:所述PIV單元(60)的光路照射方向平行濾帶(40)紙面方向布置。
4.根據權利要求2或3所述的基于β射線和PIV法測顆粒物濃度的裝置，其特征在于:所述衰減控制部件(50)為金屬制件。
5.根據權利要求4所述的基于β射線和PIV法測顆粒物濃度的裝置，其特征在于:所述衰減控制部件(50)為耐腐蝕的不銹鋼制件。
6.根據權利要求2或3所述的基于β射線和PIV法測顆粒物濃度的裝置，其特征在于:所述衰減控制部件(50)呈板狀，且板狀衰減控制部件(50)的與β射線放射源(30)的放射出口端相貼靠的一端為平面，與β射線放射源(30)的放射出口端相背離的一端為斜面。
7.根據權利要求6所述的基于β射線和PIV法測顆粒物濃度的裝置，其特征在于:所述動力單元包括自上而下穿過衰減控制部件(50)、并與衰減控制部件(50)固定聯接的轉軸(51),所述動力單元還包括驅動轉軸(51)轉動和/或平動的電動機。
8.根據權利要求6所述的基于β射線和PIV法測顆粒物濃度的裝置，其特征在于:所述衰減控制部件(50)的沿平行于轉軸(51)軸線的平面上的投影為圓形，所述轉軸(51)在圓形投影上的 位置偏離該圓形的中心。
全文摘要
本發明屬于大氣顆粒物濃度測量的技術領域，具體則涉及一種基于PIV測速方式來測顆粒物濃度的方法及應用該方法的裝置。其方法包括以下步驟獲取每個粒子的大小，形狀以及體積，計算出每種粒子質量；已知流量和測量時間，計算得出總共采樣空氣體積；計算出待測的PM顆粒物濃度。該方法不但測算方便快捷，且計算精度均可得到有效保證。其裝置包括顆粒物采樣機構、濾帶傳送機構、β射線放射機構以及β射線接收測量機構；本裝置還包括衰減控制部件和動力單元，衰減控制部件緊靠在β射線放射源的放射出口端；本裝置還包括PIV單元。本裝置使用安全可靠，其結構簡單而實用，占地面積及維護效率都可以相應得到顯著增強，而且測量精度較高。
文檔編號G01N15/06GK103245601SQ20131014151
公開日2013年8月14日 申請日期2013年4月23日 優先權日2013年4月23日
發明者李保生, 鄧遷, 李正強, 陳麗娟, 黃小濆 申請人:合肥福瞳光電科技有限公司