CN108152178A - β射线颗粒物浓度检测传感器及其检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于大气污染物监测技术领域，尤其涉及一种β射线颗粒物浓度检测传感器及其检测方法，包括壳体、β射线发生源、β射线接收器、测尘室，壳体内部为中空的腔体，腔体两端设有气源入口、气源出口，腔体的入口段和出口段分别为颗粒物传递空间，入口段和出口段之间设有测尘室，测尘室处、壳体两侧分别设有β射线发生源、β射线接收器。本发明的有益效果是：整个仪器对温度、湿度、颗粒物的种类都没有影响，只与质量有关系，并能实现在线连续监测，可对建筑工地扬尘的空气质量进行监管。
Description
技术领域
本发明属于大气污染物监测技术领域，尤其涉及一种β射线颗粒物浓度检测传感器及其检测方法。
背景技术
大气颗粒物指除气体之外的所有包含在大气中的物质，包括所有各种各样的固体或液体气溶胶。其中有固体的烟尘、灰尘、烟雾，以及液体的云雾和雾滴。粒径的分布大到200微米，小到0.1微米。统计数据表明，目前我国烟尘和粉尘排放量有逐年下降的趋势，但影响城市空气质量的主要污染物仍是颗粒物。对于我国城市而言污染源主要为各种工业生产过程中产生的大气污染和居民燃煤污染。另外，近年来私人轿车的数量急速增多和市政建设等都带来了严重的环境问题。
现阶段，天津市大气颗粒物污染特征由煤烟型转变为混合型和复合型并存。从源解析研究结论看，PM2.5来源中，区域传输占22%-34%，本地排放占66%-78%；在本地污染排放中，扬尘、燃煤、机动车、工业生产为主要来源，分别占30%、27%、20%、17%，其他排放贡献率为6%。PM10来源中，区域传输占10%-15%，本地排放占85%-90%，在本地污染排放中，扬尘、燃煤、机动车、工业生产为主要来源，分别占42%、23%、14%、14%，其他排放贡献率为7%。所以扬尘是本地PM2.5和PM10污染的首要来源。天津市城市建设施工面积逐年增加导致道路扬尘污染严重。而长期以来，对于建筑工地扬尘带来的空气质量监管方面，不能得到实时的监测数据，或者受到举报无法得到与事实相对应的直接数据，一直是令政府监管部门十分困扰的事情。
我国目前对大气颗粒物的测定主要采用重量法。其原理是分别通过一定切割特征的采样器，以恒速抽取定量体积空气，使环境空气中的PM2.5和PM10被截留在已知质量的滤膜上，根据采样前后滤膜的质量差和采样体积，计算出PM2.5和PM10的浓度。
目前国内外对户外现场主要应用的是β射线衰减法和微量振荡天平法。β射线衰减法利用β射线衰减的原理，环境空气由采样泵吸入采样管，经过滤膜后排出，颗粒物沉淀在滤膜上，当β射线通过沉积颗粒物的滤膜时，Beta射线的能量衰减，通过对衰减量的测定便可计算出颗粒物的浓度。其传感器主要由β射线发生源和盖格计数管组成，缺点是传感器单价高、对气体样品的水分含量非常敏感；β射线衰减法的发生源是国家管控的C14（4类放射源）、购买和使用需要国家管控；而在产品内需要样品动态加热***、滤膜自动更换***，造成结构复杂性高，整机寿命较短；且需要滤膜的前后比对，所以无法实现以秒为单位的实时数据检测。微量振荡天平法是在质量传感器内使用一个振荡空心锥形管，在其振荡端安装可更换的滤膜，振荡频率取决于锥形管特征和其质量。当采样气流通过滤膜，其中的颗粒物沉积在滤膜上，滤膜的质量变化导致振荡频率的变化，通过振荡频率变化计算出沉积在滤膜上颗粒物的质量，再根据流量、现场环境温度和气压计算出该时段颗粒物标志的质量浓度。缺点是要求人工工作量大，滤膜采样前后需实验室烘干称重，人工换纸和取样，手工计算PM10的浓度，自动化程度低，不适合进行远距离监测，且取日均值时需连续采样12小时以上，不能反映大气颗粒物浓度的短时间变化情况，不能对恶劣天气的变化进行实时反映。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种β射线颗粒物浓度检测传感器及其检测方法，该检测器检测时不需要滤膜和与滤膜相关的传送装置，结构更加简单，整个仪器对温度、湿度、颗粒物的种类都没有影响，只与质量有关系，并能实现在线连续监测，可对建筑工地扬尘的空气质量进行监管。
为了实现上述目的，本发明提供一种β射线颗粒物浓度检测传感器，其特征在于包括壳体、β射线发生源、β射线接收器、测尘室，所述壳体内部为中空的腔体，所述腔体两端设有气源入口、气源出口，所述腔体的入口段和出口段分别为颗粒物传递空间，所述入口段和所述出口段之间设有所述测尘室，所述测尘室处、所述壳体两侧分别设有所述β射线发生源、所述β射线接收器。
所述腔体的出口段设有流速传感器。
所述β射线发生源为镍263、辐射强度2.4毫居以下、国家规定的5类以下豁免的射线发生源。
所述测尘室设置在所述腔体中部。
一种β射线颗粒物浓度检测方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤S1：对β射线颗粒物浓度检测传感器的质量衰减系数um进行校正，得到每台β射线颗粒物浓度检测传感器采集待检测空气中各种颗粒物时的质量衰减系数um；
步骤S2：待测空气经过传感器前端的切割器筛选得到含待检测颗粒物的空气，经过腔体的气源入口、入口段，在入口段形成浓度均匀的颗粒物气体进入测尘室，在测尘室经过β射线发生源发出强度为I0的β射线穿过测尘室内的颗粒物，β射线强度被颗粒物阻挡和吸收，并被处于传感器另一侧的β射线接收器接收，此时的β射线强度为I；同时在气源出口通过流速传感器测量颗粒物的流速v；
步骤S3：被阻挡和吸收前后的射线强度不同，得到的电信号值不同，通过得到颗粒物的浓度值，浓度值的计算公式如下：
I=I0e-umm
I--------经过物质时的强度，eV；
I0--------起始辐射强度，eV；
um--------质量衰减系数；
m--------质量，g；
步骤S4：由步骤S3得到的质量和步骤S2得到的气体流速v，计算得到颗粒物的瞬时浓度。
所述待检测的空气中颗粒物的种类为PM10或PM2.5或PM1.0或TSP。
其中步骤S1中具体校正方法为：在固定体积的发尘箱内放入不同浓度的标准颗粒物，可以测得传感器在不同已知颗粒物浓度下的电信号数值，将各个电信号数值与相对应的颗粒物浓度的对应关系作为***参数，即质量衰减系数um。
优选地，校正方法为：在一定温度、湿度和标准大气压下的发尘箱里，放入一定质量的某种颗粒物，使得发尘箱内的颗粒物浓度较为均匀后，使用固定流量Ln的抽气泵（连续工作60分钟）将发尘箱中的含有颗粒物的空气通入传感器中，此时可以得到传感器电信号60分钟的平均值A伏；而在传感器后的气路中放有圆形滤膜，利用称重法可以得到60分钟内通过的颗粒物总质量B毫克（由于60分钟通过的气体总量为1立方米），得到发尘箱内的颗粒物浓度值为B毫克每立方米，而与浓度值相对应的传感器电压值为A伏，则公式c=um*LnU/U0变为：B=UmA/U0，可以得到某种颗粒物的质量衰减系数um；
重复上述步骤，在发尘箱内放入不同的颗粒物，可以得到不同颗粒物浓度值与传感器电压值的对应关系，进而得到不同颗粒物的质量衰减系数um；
其中所指的某种颗粒物为PM2.5、PM10、PM1.0、TSP中的一种。
本发明的有益效果是：测尘室配合β射线发射源和β射线接收器实现对待检测空气颗粒物浓度的检测，入口段的设置可以使经过测尘室的颗粒物浓度更加均匀，使检测结构更准确；使用时与切割器连接，切割器用于将空气中某种粒径的颗粒物分离出来，腔体的出口段的流速传感器用于检测颗粒物流速，以便计算颗粒物浓度。该检测器检测时不需要滤膜和与滤膜相关的传送装置，结构更加简单，整个仪器对温度、湿度、颗粒物的种类都没有影响，只与质量有关系，并能实现在线连续监测，通过与远程监控***连接可实现对建筑工地扬尘的空气质量的实时监管；采用β射线发生源为、辐射强度2.4毫居以下、国家规定的5类以下豁免的射线发生源镍263，购买和使用方便；传感器不受粉尘粒子大小及颜色、样气温湿度、压力的影响，仅有被测物质的质量大小使β射线强度衰减发生变化，检测结果更加准确，避免了其它因素对检测过程造成的干扰。此传感器可以实现实时直读、快速监测，对监测***没有特殊要求，操作简便。对于建筑工地扬尘带来的空气质量监管方面，能得到实时的监测数据，方便对建筑工地进行监管，便于维护空气质量。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明使用时***的结构示意图；
图3为本发明的传感器用于PM10检测前颗粒物浓度与传感器电压值的关系曲线。
图中，1、壳体，2、β射线发生源，3、β射线接收器，4、测尘室，5、腔体，6、气源入口，7、气源出口，8、入口段，9、出口段，10、自动调节阀，11、切割器，12、抽气泵，13、流速传感器，14、数据处理电路，15、信号处理电路。
具体实施方式
下面结合附图对发明的一种具体实施方式做出说明。
如图1所示，本发明提供一种β射线颗粒物浓度检测传感器，其特征在于包括壳体、β射线发生源、β射线接收器、测尘室，所述壳体内部为中空的腔体，所述腔体两端设有气源入口、气源出口，所述腔体的入口段和出口段分别为颗粒物传递空间，所述入口段和所述出口段之间设有所述测尘室，所述测尘室处、所述壳体两侧分别设有所述β射线发生源、所述β射线接收器；
所述腔体的出口段设有流速传感器，检测颗粒物流经测尘室的速度，为后面计算颗粒物浓度做基础。
所述β射线发生源为镍263、辐射强度2.4毫居以下、为国家规定的5类以下豁免的射线发生源。
所述测尘室设置在所述腔体中部，以使颗粒经过入口段后尽量分散均匀，在经过测尘室，测量的流速和射线吸收结构更准确。
使用本传感器前的具体检测方法为：
步骤S1：对β射线颗粒物浓度检测传感器的质量衰减系数um进行校正，得到每台β射线颗粒物浓度检测传感器采集待检测空气中各种颗粒物时的质量衰减系数um；
具体矫正方法为：在固定体积的发尘箱内放入不同浓度的标准颗粒物，测量初始电压U0和传感器在某种已知颗粒物浓度下的电信号数值U，将各个电信号数值与相对应的颗粒物浓度的对应关系作为***参数，即质量衰减系数um。
优选地，校正方法为：在一定温度、湿度和标准大气压下的发尘箱里，放入一定质量的某种颗粒物，使得发尘箱内的颗粒物浓度较为均匀后，使用固定流量Ln的抽气泵（连续工作60分钟）将发尘箱中的含有颗粒物的空气通入传感器中，此时可以得到传感器电信号60分钟的平均值A伏；而在传感器后的气路中放有圆形滤膜，利用称重法可以得到60分钟内通过的颗粒物总质量B毫克（由于60分钟通过的气体总量为1立方米），得到发尘箱内的颗粒物浓度值为B毫克每立方米，而与浓度值相对应的传感器电压值为A伏，则公式c=um*LnU/U0变为：B=UmA/U0，可以得到某种颗粒物的质量衰减系数um；
重复上述步骤，在发尘箱内放入不同的颗粒物，可以得到不同颗粒物浓度值与传感器电压值的对应关系，进而得到不同颗粒物的质量衰减系数um；
其中所指的某种颗粒物为PM2.5、PM10、PM1.0、TSP中的一种；
步骤S2：含颗粒物的空气经过传感器前端的切割器筛选，得到待检测含颗粒物的空气，经过腔体的气源入口、入口段，在入口段形成浓度均匀的颗粒物气体进入测尘室，在测尘室经过β射线发生源发出强度为I0的β射线穿过测尘室内的颗粒物，β射线强度被颗粒物阻挡和吸收，并被处于传感器另一侧的β射线接收器接收，此时的β射线强度为I；同时在气源出口通过流速传感器测量颗粒物的流速v；
步骤S3：被阻挡和吸收前后的射线强度不同，得到的电信号值不同，通过得到颗粒物的浓度值，浓度值的计算公式如下：
I=I0e-umm
I--------经过物质时的强度，eV;
I0--------起始辐射强度，eV；
um--------质量衰减系数；
m--------质量，g；
步骤S4：由步骤S2得到的质量m和步骤S2得到的气体流速v，计算得到颗粒物的瞬时浓度c。
使用时，在所述壳体前端、所述气源入口处安装颗粒物切割器，所述腔体的气源出口与抽气泵连接。颗粒物切割器将颗粒物中某种粒径颗粒物分离出来进入气体通道，抽气泵为传感器提供采样气体进入的动力，将所述β射线接收器与信号处理电路连接；所述信号处理电路与数据处理电路连接，所述数据处理电路与显示屏连接。
其中信号处理电路用于将探测到的β射线强度处理为电信号；数据处理电路能够通过得到的电信号，可以为电流或电压计算出颗粒物的瞬时浓度（mg/m3），实现了对气体浓度的实时监测。信号处理电路和数据处理电路都是现有技术，本发明是对传感器的结构进行改进的，相关电路是能辅助本发明的传感器实现更好的结构。
为使气体的流速可以调节，在气源出口与抽气泵之间设有自动调节阀，所述自动调节阀与所述气源出口之间可设置流量传感器，测量实际流速的大小。
使用例：
本发明的传感器使用时整个***的结构如图2所示。整个***的检测过程为：
首先对β射线颗粒物浓度检测传感器的质量衰减系数um进行校正，得到每台β射线颗粒物浓度检测传感器采集待检测空气中各种颗粒物时的质量衰减系数um；
然后接通电源，打开抽气泵，接通抽气泵与β射线颗粒物浓度检测传感器，开始对含有颗粒物的空气进行采集；
待检测颗粒物空气气流抽入后，经过颗粒物切割器，使需要测量的粒径大小的颗粒物进入传感器中，通过流量传感器和自动调节阀调节进入传感器中的气流量；
待检测的颗粒物空气进入传感器的腔体，经过腔体的气源入口、入口段，在入口段形成浓度均匀的、符合待测粒径大小的颗粒物进入测尘室，在测尘室经过β射线发生源发出强度为I0的β射线穿过测尘室内的颗粒物，β射线强度被颗粒物阻挡和吸收，并被处于传感器另一侧的β射线接收器接收，此时的β射线强度为I；同时在气源出口处通过流速传感器测量颗粒物的流速v；
被阻挡和吸收前、后的β射线强度I0和I经过信号处理电路将射线强度转换为电信号U0、U；
电信号被送至数据处理电路进行处理，被阻挡和吸收前后的射线强度至不同，得到的电信号值不同，通过得到颗粒物的浓度值，浓度值的计算公式如下：
I=I0e-umm
I--------经过物质时的强度，eV;
I0--------起始辐射强度，eV；
um--------质量衰减系数；
m--------质量，g；
由上述步骤得到的质量和气体流速v，计算得到颗粒物的瞬时浓度。
所述待检测的空气中颗粒物的种类为PM10或PM2.5或PM1.0或TSP。
还可以将本发明的传感器的β射线接收器与数据处理电路的电路板、数据处理电路的电路板与远程数据监控***连接，通过互联网可以实现远程监控。通过远程数据监控***可以对工地区域扬尘进行实时有效的监测管理。项目的全面实施，可以将全市范围内所有的建设施工纳入监管范围，真正实现有效管理和标准化执法。
下面以颗粒物PM10为例，对传感器使用前的质量衰减系数校正过程进行描述。
在温度20℃、湿度60%、标准大气压下的发尘箱里，输入的初始电压为u0的电压值，在传感器前端设置PM10的颗粒物切割器，得到一定量的PM10颗粒物，使得发尘箱内的颗粒物浓度较为均匀后，使用流量为16.7 L/min的抽气泵（连续工作60分钟）将发尘箱中的含有颗粒物的空气通入传感器中，此时可以得到传感器电信号的60分钟平均值A伏；而在传感器后的气路中放有圆形滤膜，利用称重法可以得到60分钟内通过的颗粒物总质量B毫克（由于60分钟通过的气体总量为1立方米）所以可以得到发尘箱内的颗粒物浓度值为B毫克每立方米，而与浓度值相对应的传感器电压值为A伏。得到的曲线如图3所示，横坐标为传感器输出的电信号（0-5V电压值、颗粒物浓度与电压值成反比、其比例关系为反对数曲线），纵坐标为颗粒物浓度（单位毫克每立方米）。可以看出，颗粒物浓度与传感器电压值间的比例关系符合反对数曲线，该曲线可以进行实际应用。
对于颗粒物PM2.5、PM1.0、TSP等也可以用同样的方法得到校正的质量衰减系数um。每一个传感器对应一个质量衰减系数，并且能对该颗粒物的浓度进行测量。
下面对本发明传感器的相关参数进行说明。其额定电压DC 12V，功率为0.5W，外壳尺寸为80*80*230mm，采样流量为16.7L/min±5%，设备平均无故障时间≧800H，测量量程为0.001～10mg/m3，仪器平行性≤10%。
本传感器的整体工作原理为：颗粒物通过β射线传感器时，出现电离现象，测量β射线传的衰减量计算出瞬时颗粒物的质量，具体公式见上方，结合流速计算出颗粒物的瞬时浓度（mg/m3）。具体过程为：传感器内的气体由抽气泵带动，从上端流入下端流出。在传感器前安装颗粒物切割器，使需要测量的粒径大小的颗粒物（PM10、PM2.5、PM1.0、TSP等）进入传感器中。在传感器的测尘室的两端分别装有β射线发射源（镍263）和β射线接收装置。在工作状态下，当气流穿过测尘室时，其中的颗粒物将β射线阻挡并吸收，使得接收端测得的β射线强度减弱，此时传感器电路输出端的电压值发生变化。当传感器输出端的电压值发生变化后，经过处理器的处理可以得到相关的颗粒物浓度值。
此传感器可以实现实时直读、快速监测的特点、对监测***没有特殊要求，操作简便。不受粉尘粒子大小及颜色、样气温湿度、压力的影响，而被测物质的质量大小使β射线强度衰减发生变化。
本发明的β源表面具有良好的抗磨损、抗腐蚀、表面不粘尘和水。定期用空气吹洗一次即可。
以上对本发明的实例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。
Claims (9)
1.一种β射线颗粒物浓度检测传感器，其特征在于包括壳体、β射线发生源、β射线接收器、测尘室，所述壳体内部为中空的腔体，所述腔体两端设有气源入口、气源出口，所述腔体的入口段和出口段分别为颗粒物传递空间，所述入口段和所述出口段之间设有所述测尘室，所述测尘室处、所述壳体两侧分别设有所述β射线发生源、所述β射线接收器。
2.根据权利要求1所述的β射线颗粒物浓度检测传感器，其特征在于所述腔体的出口段设有流速传感器。
3.根据权利要求1所述的β射线颗粒物浓度检测传感器，其特征在于所述β射线发生源为镍263、辐射强度2.4毫居以下、国家规定的5类以下豁免的射线发生源。
4.根据权利要求1所述的β射线颗粒物浓度检测传感器，其特征在于所述测尘室设置在所述腔体中部。
5.一种β射线颗粒物浓度检测方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤S1：待测空气经过切割器筛选得到含待检测颗粒物的空气；
步骤S2：经过腔体的气源入口、入口段，在入口段形成浓度均匀的颗粒物气体进入测尘室，在测尘室经过β射线发生源发出强度为I0的β射线穿过测尘室内的颗粒物，β射线强度被颗粒物阻挡和吸收，并被处于传感器另一侧的β射线接收器接收，此时的β射线强度为I；同时在气源出口通过流速传感器测量颗粒物的流速v；
步骤S3：被阻挡和吸收前后的射线强度不同，得到的电信号值不同，通过得到颗粒物的浓度值，浓度值的计算公式如下：
I=I0e-umm
I--------经过物质时的强度，eV；
I0--------起始辐射强度，eV；
um--------质量衰减系数；
m--------质量，g；
步骤S4：由步骤S3得到的质量和步骤S2得到的气体流速v，计算得到颗粒物的瞬时浓度。
6.根据权利要求5所述的β射线颗粒物浓度检测方法，其特征在于所述步骤S1中，待测空气经过传感器前端的切割器前，即使用β射线颗粒物浓度检测传感器之前，对β射线颗粒物浓度检测传感器的质量衰减系数um进行校正，得到每台β射线颗粒物浓度检测传感器采集待检测空气中各种颗粒物时的质量衰减系数um。
7.根据权利要求6所述的β射线颗粒物浓度检测方法，其特征在于所述校正方法为：在固定体积的发尘箱内放入不同浓度的标准颗粒物，可以测得传感器在不同已知颗粒物浓度下的电信号数值，将各个电信号数值与相对应的颗粒物浓度的对应关系作为传感器参数，即质量衰减系数um。
8.根据权利要求7所述的β射线颗粒物浓度检测方法，其特征在于具体的校正过程为：在一定温度、湿度和标准大气压下的发尘箱里，放入一定质量的某种颗粒物，使得发尘箱内的颗粒物浓度较为均匀后，使用固定流量Ln的抽气泵连续工作60分钟将发尘箱中的含有颗粒物的空气通入传感器中，此时可以得到传感器电信号60分钟的平均值A伏；而在传感器后的气路中放有圆形滤膜，由于60分钟通过的气体总量为1立方米，利用称重法可以得到60分钟内通过的颗粒物总质量B毫克，得到发尘箱内的颗粒物浓度值为B毫克每立方米，而与浓度值相对应的传感器电压值为A伏，则公式c=um*LnU/U0变为：B=umA/U0，可以得到某种颗粒物的质量衰减系数um；
重复上述步骤，在发尘箱内放入不同的颗粒物，可以得到不同颗粒物浓度值与传感器电压值的对应关系，进而得到不同颗粒物的质量衰减系数um；
其中所指的某种颗粒物为PM2.5、PM10、PM1.0、TSP中的一种。
9.根据权利要求5所述的β射线颗粒物浓度检测方法，其特征在于所述步骤1中含待检测颗粒物的空气中颗粒物的种类为PM10或PM2.5或PM1.0或TSP。
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