CN107607449A - 一种检测颗粒物质量浓度的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种检测颗粒物质量浓度的装置及方法，涉及浓度检测技术领域，采用的技术方案是：一种检测颗粒物质量浓度的装置，包括待测气路、气流驱动装置和设置在待测气路上的光散射测量单元和流量计量单元及配套的控制处理器，还包括与光散射测量单元设置在同一待测气路上的微谐振测量单元，所述微谐振测量单元中包括设置在待测气路上的阻流滤膜和与阻流滤膜连接的频率检测器及控制电路，频率检测器的信号输出端与控制处理器连接。有益效果是：本装置及方法采用微谐振法与光散射测量方法结构进行融合计算，质量分辨率高，响应速度快，广泛适用于各种气路，克服了单纯光散射测量方法受颗粒的物理、化学及流动特性的影响，测量结果准确可靠。
Description
技术领域
本发明涉及浓度检测技术领域，具体涉及一种检测颗粒物质量浓度的装置及方法。
背景技术
大气环境是人们赖以生存和发展的重要条件，而环境中的颗粒物对人们的健康及生活具有重大危害，尤其是近些年pM2.5、pM10日益严重，人们对环境中颗粒物的浓度越发重视。燃煤电厂污染源造成的污染十分严重，世界各国都在对其加以研究和控制，需要对排放的烟尘浓度进行检测，目前比较好的方法有光散射法，β射线法、微谐振法等。
其中光散射法原理为：光源发出光束后，照射在颗粒物上，光线会向各个方向发出散射光，散射光经光电接收器转换为电信号，经放大器放大后，测量颗粒物质量浓度。该方法受限于颗粒物的纯度及粒径大小，颗粒物粒径分布及折射率等发生变化时，参数值也需对参数进行修正，因此，收环境改变的影响，本方法不能自动稳定测定颗粒物浓度，误差较大。
β射线法原理为：粉尘颗粒物吸收β射线的量与粒子质量成正比关系，根据β射线吸收的多少可间接计算出颗粒物的质量浓度，β射线吸收法不受粉尘粒子大小及颜色的影响，但受颗粒物成分的影响较大，如颗粒物中含有放射性元素时，测量受到干扰，准确性变差，且其成本高，仪器复杂，测量及应用受限。
微谐振法原理为：滤膜随着震荡管上部以固定的频率振动，当样气穿过滤膜时，粒子会被过滤在滤膜上，这就改变了滤膜的重量，从而导致震荡***的震荡频率减小，通过求解采样前后的频率差，根据相关公式即可求得样气的质量浓度。
CN203949849U的实用新型专利公开了一种测量颗粒物质量浓度的检测装置，利用β射线法对光散射测量模块进行适时校正，虽然可以改善光散射法受颗粒物颜色等影响因数的干扰，但含有放射性元素的颗粒物大小、纯度同样会随时变化，误差仍然在很多情况下存在，另一方面，β射线质量分辨率低，响应速度慢，影响了测量效率。
可见，各种方法都有优缺点，一种方法测量结果难以真实反应实际颗粒物质量浓度，结果也难以使人信服，但目前并没有一种方法及装置能科学综合各种方法的优点，同时避免缺点，准确、高效、简易的测量颗粒物浓度，因此，研究开发普适于各种颗粒物、而无需频繁修正参数，即可快速、高效、自动检测颗粒物浓度的装置和方法是本领域亟需解决的技术问题。
发明内容
为解决现有检测颗粒物浓度的装置及方法成本高、受环境影响大、参数需频繁修正、结果误差大的技术问题，本发明提供一种检测颗粒物质量浓度的装置及方法，通过在待测气路上并列设置光散射测量单元和微谐振测量单元，首先以光散射法多次测量，根据多次测量结果的残余误差与标准偏差的大小确定待测气路需要微谐振测量矫正的情况，进一步将两种方法分别得到的浓度平均值及测量误差进行融合计算，最后得到待测气路中的颗粒物质量浓度。
本发明采用的技术方案是：一种检测颗粒物质量浓度的装置，包括待测气路、气流驱动装置和设置在待测气路上的光散射测量单元和流量计量单元及配套的控制处理器，关键在于，还包括与光散射测量单元设置在同一待测气路上的微谐振测量单元，所述微谐振测量单元中包括设置在待测气路上的阻流滤膜和与阻流滤膜连接的频率检测器及控制电路，频率检测器的信号输出端与控制处理器连接。
所述光散射测量单元中包括光源、设置在待测气路上的光学检测腔和与光学检测腔连接的散射光检测器，所述散射光检测器的信号输出端与控制处理器连接。
所述光源为白色LED灯光源。
所述散射光检测器为光电倍增管；
所述待测气路起始段借助电磁阀连接高效过滤器；所述气流驱动装置中包括设置在待测气路末端的采样泵，所述采样泵信号输入端与控制处理器连接。
所述控制处理器连接有LCD显示屏、温湿度传感器和大气传感器。
一种检测颗粒物质量浓度的方法，基于上述任一检测颗粒物质量浓度的装置，所述方法包括以下步骤：
①收集待测气路中的样本，光散射测量单元连续n次检测待测气路中颗粒物产生的散射光，计算每次检测的颗粒物质量浓度x1,x2,…xi…xn，计算颗粒物质量浓度均值残余误差标准偏差其中xi表示第i次检测所得颗粒物质量浓度，vi表示第i次检测所得颗粒物质量浓度与颗粒物质量浓度均值的差；
②比较|vi|与3S(xn)，若|vi|均不大于标准偏差则待测气路(1)中颗粒物质量浓度为结束；
若|vi|中有大于3S(xn)的值，则进行步骤③；
③分别以光散射测量单元和微谐振测量单元连续m次检测待测气路中的颗粒物质量浓度，计算光散射测量单元测量的颗粒物质量浓度平均值X、光散射测量单元测量误差A、微谐振测量单元测量的颗粒物质量浓度平均值Y及微谐振测量单元测量误差B，根据融合计算得待测气路中颗粒物质量浓度Z，结束。
所述光散射测量单元测量误差A和/或微谐振测量单元测量误差B为高斯白噪声统计结果。
优选的，所述n＞10，所述m＞10。
上述技术方案中，一种检测颗粒物质量浓度的装置，包括待测气路及其气流驱动装置，在待测气路上设置有光散射测量单元和流量计量单元及配套的控制处理器，控制处理器控制气流驱动装置工作，使气流颗粒物进入待测气路，关键在于，在待测气路上设置有微谐振测量单元，微谐振测量单元与光散射测量单元设置在同一待测气路上，用于测量该气路中的颗粒物质量浓度，并在颗粒物状态只以光散射测量单元测量偏差较大时进行矫正，所述微谐振测量单元中包括阻流滤膜、与阻流滤膜连接的频率检测器和配套的控制电路，阻流滤膜设置在待测气路上，用于承载待测气路中的颗粒物，并借助频率检测器检测，频率检测器的信号输出端与控制处理器连接。本装置中包含了作为测量模块的光散射测量单元和作为矫正模块的微谐振测量单元，是一种融合法测量***，综合了光散射测量单元和微谐振测量单元的优势，测量准确度高，可靠性好。基于上述装置，本发明提供了测量颗粒物质量浓度的方法，通过根据待测气路中颗粒物状态精确选用不同测量模式，首先以光散射测量法连续n次测量颗粒物质量浓度，并计算颗粒物质量浓度均值残余误差标准偏差其中xi表示第i次检测所得颗粒物质量浓度，vi表示第i次检测所得颗粒物质量浓度与颗粒物质量浓度均值的差；若所有的残余误差绝对值|vi|均不大于标准偏差则认定该待测气路中颗粒物较为规则，光散射测量方法适用度高，待测气路中颗粒物质量浓度为测量结束；若残余误差绝对值|vi|中有一个或多个大于3S(xn)的值，则认为当前待测气路只用光散射测量方法会造成测量结果偏差较大，需要以微谐振测量方法矫正，此时，分别以光散射测量单元和微谐振测量单元连续m次检测待测气路中的颗粒物质量浓度，根据计算机***自动计算的光散射测量单元测量的颗粒物质量浓度平均值为X、光散射测量单元测量误差为A、微谐振测量单元测量的颗粒物质量浓度平均值Y、微谐振测量单元测量误差B，进一步根据公式融合计算Z，实现两个数据融合的最优估计，Z即为待测气路中颗粒物质量浓度，测量结束，该方法是一种融合测量法，光散射法测量单元及光散射法可提高整体测量***的时间分辨率，微谐振测量单元提高了***稳定性，克服了单纯光散射测量方法受颗粒的物理、化学及流动特性的影响，弥补微谐振长效测量时间的不足。
本发明的有益效果是：(1)本发明中的装置及方法基于共用一套气路的光散射测量单元和微谐振测量单元，保证两种方法待测样品条件一致，待测气路稳定规则时采用光散射法测量；侧处值不稳定时，采用微谐振法与光散射测量方法结构进行融合计算，质量分辨率高，响应速度快；(2)本装置和方法广泛适用于各种气路，克服了单纯光散射测量方法受颗粒的物理、化学及流动特性的影响，测量结果准确可靠。
附图说明
图1为本发明测量颗粒物质量浓度的检测装置结构示意图；
图中，1代表待测尘路、2代表高效过滤器，3代表光源，4代表光学检测腔，5代表散射光检测器，6代表激励电路，7代表滤膜，8代表流量计，9代表采样泵，10代表频率检测器，11代表处理器，12代表输入输出模块，13代表温湿度传感器，14代表大气压传感器。
具体实施方式
本发明提供一种检测颗粒物质量浓度的装置及方法，以下通过具体实施例详细说明本发明以更好的理解。
实施例1
一种检测颗粒物质量浓度的装置，包括待测气路1、气流驱动装置和设置在待测气路1上的光散射测量单元和流量计量单元及配套的控制处理器，还包括与光散射测量单元设置在同一待测气路上的微谐振测量单元，所述微谐振测量单元中包括设置在待测气路上的阻流滤膜7和与阻流滤膜7连接的频率检测器10及控制电路，频率检测器10的信号输出端与控制处理器连接。
所述光散射测量单元中包括光源3、设置在待测气路1上的光学检测腔4和与光学检测腔4连接的散射光检测器5，所述散射光检测器5的信号输出端与控制处理器连接。光源3优选白色LED灯光源。
所述散射光检测器5为光电倍增管；
所述待测气路1起始段借助电磁阀连接高效过滤器2；在控制处理器的控制下，可电磁阀的设置可控制入口气流是否先经过高效过滤器12，仪器校零时，控制电磁阀使入口气流先通过高效过滤器12，可去除大气中的颗粒物，保证校零精度；在测量颗粒物浓度时则转动控制电磁阀，使气流进入待测气路1.。
所述气流驱动装置中包括设置在待测气路1末端的采样泵9，所述采样泵9信号输入端与控制处理器连接，控制处理器控制采样泵9工作，待测气路1内形成附压，从而保证光散射测量单元和/或微谐振测量单元充分采集待测气流的样品。
处理器11连接有LCD显示屏，键盘等人机交互模块。LCD显示屏用于将处理结果实时显示；在大气颗粒物检测中，气象参数对测量结果有一定影响，处理器11连接的温湿度传感器13、大气传感器14实时记录气象参数，以供查看和数据修正。
基于上述装置，本实施例以标准实验粉尘检测本装置所测量的颗粒物质量浓度的准确性，一种检测颗粒物质量浓度的方法，所述方法包括以下步骤：
控制环境相对湿度小于80％RH，温度为20±5℃，采用实地采集的较高浓度粉尘为待测样本，开启气流驱动装置，使待测粉尘形成气流通过待测气路1，检测时间大于4h，首先以光散射测量单元连续10次检测散射光，控制处理器自动计算后结果如下表1：
表1光散射测量单元测量结果
比较发现，所有|vi|均不大于3S(xn)，因此，待测气路1中颗粒物质量浓度平均值，即15.26mg/m3。
实施例2
控制环境相对湿度小于80％RH，温度为20±5℃，采用实地采集的浓度较低、均匀性较差的粉尘为待测样本，开启气流驱动装置，使待测样本分散于1m3的空气中，质量浓度调整为3.5mg/m3，进一步使待测粉尘形成气流通过待测气路1，检测时间大于4h，首先以光散射测量单元连续10次检测散射光，控制处理器自动计算后结果如下表2：
表2光散射测量单元测量结果
比较发现，以光散射法测量结果显示浓度平均值为3.18，与3.5mg/m3差距较大，且残余误差中|vi|大于3S(xn)，因此，只以光散射测量单元测量该待测粉尘适用性较低，主要是由于粉尘形状、颗粒大小等引起偏差较大，测量值精准度较差，需要以本发明包括光散射测量单元和微谐振测量单元的装置及方法进行测量，即进行融合法测量。控制处理器控制光散射测量单元和微谐振测量单元分别连续10次检测待测气路1中的颗粒物质量浓度，计算光散射测量单元测量的颗粒物质量浓度平均值X、光散射测量单元测量误差A、微谐振测量单元测量的颗粒物质量浓度平均值Y及微谐振测量单元测量误差B，控制处理器对误差进行统计分析发现，所述光散射测量单元测量误差A和/微谐振测量单元测量误差B为高斯白噪声，根据融合计算得待测气路(1)中颗粒物质量浓度Z，结果如下表3.
表3检测结果及融合计算
将上述浓度平均值及误差数据代入公式融合计算，测得待测气路(1)中颗粒物质量浓度为10.03，该结果测量的标准粉尘的浓度值波动更小，方差远远小于光散射测量法，相对精准度高、可靠性好。
上述测量表面本发明提供的检测颗粒物质量浓度的装置及方法适用于各种颗粒物质量浓度的检测，检测偏差小，准确度高。
实施例3
①控制环境相对湿度小于80％RH，温度为20±5℃，采用标准的实验粉尘(ISO12103)，分别通过光散射法测量***及本发明的包括光散射测量单元和微谐振测量单元的融合测量法***，采用时间8h以上，分别测得标准粉尘的浓度值，实验数据如下：
表1标准粉尘检测的实验数据
上述结果可见，光散射测量法所测平均值及方差均较大，以本发明的包括光散射测量单元和微谐振测量单元的融合测量法***测量的标准粉尘的浓度值波动更小，方差远远小于光散射测量法，相对精准度高、可靠性好。
为了保证作为测量模块的光散射测量单元和作为校准模块的微谐振测量单元有相同的精度和里程，可以通过控制光源4的发光强度和后续放大器的放大增益来控制。
通过上述实施例可见，本发明提供的装置和方法不受气流、颗粒形状等影响，适用于测量各种颗粒物质量浓度，检测准确度高，可靠性好。
Claims (9)
1.一种检测颗粒物质量浓度的装置，包括待测气路(1)、气流驱动装置和设置在待测气路(1)上的光散射测量单元和流量计量单元及配套的控制处理器，其特征在于，还包括与光散射测量单元设置在同一待测气路上的微谐振测量单元，所述微谐振测量单元中包括设置在待测气路上的阻流滤膜(7)和与阻流滤膜(7)连接的频率检测器(10)及控制电路，频率检测器(10)的信号输出端与控制处理器连接。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光散射测量单元中包括光源(3)、设置在待测气路(1)上的光学检测腔(4)和与光学检测腔(4)连接的散射光检测器(5)，所述散射光检测器(5)的信号输出端与控制处理器连接。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述光源(3)为白色LED灯光源。
4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述散射光检测器(5)为光电倍增管。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述待测气路(1)起始段借助电磁阀连接高效过滤器(2)；所述气流驱动装置中包括设置在待测气路(1)末端的采样泵(9)，所述采样泵(9)信号输入端与控制处理器连接。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述控制处理器连接有LCD显示屏、温湿度传感器13和大气传感器14。
7.一种检测颗粒物质量浓度的方法，基于权利要求1-6中任一检测颗粒物质量浓度的装置，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
①收集待测气路(1)中的样本，光散射测量单元连续n次检测待测气路(1)中颗粒物产生的散射光，计算每次检测的颗粒物质量浓度x1,x2,…xi…xn，计算颗粒物质量浓度均值残余误差标准偏差其中xi表示第i次检测所得颗粒物质量浓度，vi表示第i次检测所得颗粒物质量浓度与颗粒物质量浓度均值的差；
②比较|vi|与3S(xn)，若|vi|均不大于标准偏差则待测气路(1)中颗粒物质量浓度为结束；
若|vi|中有大于3S(xn)的值，则进行步骤③；
③分别以光散射测量单元和微谐振测量单元连续m次检测待测气路(1)中的颗粒物质量浓度，计算光散射测量单元测量的颗粒物质量浓度平均值X、光散射测量单元测量误差A、微谐振测量单元测量的颗粒物质量浓度平均值Y及微谐振测量单元测量误差B，根据融合计算得待测气路(1)中颗粒物质量浓度Z，结束。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述光散射测量单元测量误差A和/或微谐振测量单元测量误差B为高斯白噪声统计结果。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述n＞10，所述m＞10。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20180119 |