CN108303356A - 一种大气颗粒物监测仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大气颗粒物监测仪，切割器通过采样管转接***测量室中，且采样管外部设置有采样管加热器，采样管加热器下端设置有管壁温度传感器；测量室的上端和下端分别设置有闪烁体探测器组件和放射源，测量室内设置有采样温湿度传感器，测量室两侧分别设置有供纸轮和收纸轮，且供纸轮上的滤纸穿过测量室后绕接在收纸轮上；测量室连接质量流量控制***，质量流量控制***与处理器及控制电路相互连接。本发明采用β射线法，反射源采用半衰期(5700多年)很长的C14，可近似认为采样前后放射源放射强度不变，根据朗伯比尔定律结合采样体积计算大气颗粒物浓度值，高性能、低成本、高精度、能够实时在线监测。
Description
技术领域
本发明涉及仪器仪表技术领域，具体涉及一种大气颗粒物监测仪专用仪器。
背景技术
随着我国经济的迅速发展，城市空气污染形势日益严峻，以PM2.5为代表的新型污染物导致的雾霾天气频频在各大中型城市出现。大气颗粒物PM10、 PM2.5等，已经逐渐取代NO2成为人类健康的最主要危害之一。目前大气颗粒物自动监测***分为β射线法和振荡天平法(TEOM)两种。一般来讲，基于振荡天平法(TEOM)的自动监测仪的精度和实时性略好，但是基于TEOM的仪器结构复杂、体积庞大、价格昂贵，且缺少FDMS的仪器严重影响PM2.5浓度的测量，因此不符合未来环境监测仪器发展的趋势。
基于β射线法的自动监测仪是一种新型的测量***，悬浮粒子由真空泵吸入，经过分析仪顶部的采样头进入仪器，而后粒子沉淀在玻璃棉滤纸上。滤纸可在β源和探测器之间运动，通过测量沉淀粒子前后的放射线计数差来测定滤膜上沉淀物的质量，该方法可以准确可靠的测量空气中颗粒物的浓度。在国外，50％以上的自动监测仪是基于β射线法设计，由此可见，β射线法监测仪是颗粒物监测发展的必然趋势。
目前市场上常规的β射线法监测仪都需要一个富集过程不能实时反映颗粒物浓度，即使有个别厂家可以出实时值也是配合光散射模块进行测量的，不是真实的β射线法实时监测。
发明内容
本发明的目的是提供一种采用β射线法，反射源采用半衰期(5700多年) 很长的C14，可近似认为采样前后放射源放射强度不变，根据朗伯比尔定律结合采样体积计算大气颗粒物浓度值，高性能、低成本、高精度、能够实时在线监测的大气颗粒物监测仪。
为了解决背景技术所存在的问题，本发明是采用以下技术方案：一种大气颗粒物监测仪，它包含切割器、环境温湿度传感器、触摸屏、采样管加热器、集成动态DHS、处理器及控制电路、闪烁体探测器组件、测量室、凸轮电机、定位电机一、电机驱动器、采样温湿度传感器、放射源、收纸轮、质量流量控制***、采样泵驱动***、采样泵、供纸轮、定位电机二和管壁温度传感器，所述切割器通过采样管转接***测量室中，且采样管外部设置有采样管加热器，采样管加热器下端设置有管壁温度传感器；所述切割器下端采样管上安装有环境温湿度传感器，且环境温湿度传感器和管壁温度传感器均连接至处理器及控制电路；所述处理器及控制电路通过集成动态DHS连接至采样管加热器；所述测量室的上端和下端分别设置有闪烁体探测器组件和放射源，测量室内设置有采样温湿度传感器，且闪烁体探测器组件和采样温湿度传感器连接至处理器及控制电路；所述测量室两侧分别设置有供纸轮和收纸轮，且供纸轮上的滤纸穿过测量室后绕接在收纸轮上；所述收纸轮上方设置有凸轮电机和定位电机一，所述供纸轮上方设置有定位电机二，且处理器及控制电路通过电机驱动器连接凸轮电机，定位电机一连接处理器及控制电路；所述测量室连接质量流量控制***，质量流量控制***与处理器及控制电路相互连接；所述处理器及控制电路分别连接触摸屏和采样泵驱动***，且采样泵驱动***和质量流量控制***均与采样泵连接。
作为本发明的进一步改进；所述的环境温湿度传感器、质量流量控制***、处理器及控制电路和触摸屏构成流量闭环控制***。
作为本发明的进一步改进；所述的触摸屏、处理器及控制电路、集成动态DHS、加热器、采样温湿度传感器、环境温湿度传感器和管壁温度传感器构成集成动态DHS控制***。
作为本发明的进一步改进；所述的放射源、探测器和测量室轴心位于同一直线上构成尘采样结构，且放射源和探测器的位置固定不变。
作为本发明的进一步改进；所述的凸轮电机、定位电机一安装到主架上，电机控制线连接到电机驱动器，由处理器及控制电路控制电机驱动凸轮电机、定位电机一，凸轮电机控制压头升降，定位电机一控制纸带移动，***根据膜片负载率进行采样斑点更换。
本发明整个***主机安装在室内通过密封的管道和室外的切割器连接，采用β源作为放射源，利用采样泵对大气进行采样并结合集成动态DHS对采样气体进行湿度控制，采样时流量根据环境变化实时进行闭环控制，颗粒物被吸附在放射源和探测器之间的滤纸表面，抽气前后探测器计数值的改变量反应了滤纸上吸附颗粒物的量，结合采样体积根据朗伯比尔定律计算出颗粒物的小时浓度。
采用上述技术方案后，本发明具有以下有益效果：
本发明独特的采样探测结构，颗粒物富集的同时进行颗粒物浓度反演，***根据温度、气压、湿度等环境因素对测量实时补偿，无需附加仪器进行浓度补偿，确保真实实时测量颗粒物浓度。该***采用高速ARM处理器，基于操作***，高速32位处理器以及基于操作***的软件架构可方便功能裁剪，可很快升级扩展及时相应市场需求
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的实施例的***框图；
图2为本发明所提供的实施例的集成动态DHS控制逻辑图；
图3为本发明所提供的实施例的探测器信号处理电路；
图4为本发明所提供的实施例的软件算法逻辑图；
图5为本发明所提供的实施例的***软件逻辑图；
图6为本发明所提供的实施例的传动机构示意图；
附图标记：
1-切割器；2-环境温湿度传感器；3-触摸屏；4-采样管加热器；5- 集成动态DHS；6-处理器及控制电路；7-闪烁体探测器组件；8-测量室；9 -凸轮电机；10-定位电机一；11-电机驱动器；12-采样温湿度传感器；13-放射源；14-收纸轮；15-质量流量控制***；16-采样泵驱动***； 17-采样泵；18-供纸轮；19-定位电机二；20-管壁温度传感器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1-图6，本具体实施方式采用以下技术方案：一种大气颗粒物监测仪，它包含切割器1、环境温湿度传感器2、触摸屏3、采样管加热器4、集成动态DHS 5、处理器及控制电路6、闪烁体探测器组件7、测量室8、凸轮电机9、定位电机一10、电机驱动器11、采样温湿度传感器12、放射源13、收纸轮14、质量流量控制***15、采样泵驱动***16、采样泵17、供纸轮 18、定位电机二19和管壁温度传感器20，所述切割器1通过采样管转接***测量室8中，且采样管外部设置有采样管加热器4，采样管加热器4下端设置有管壁温度传感器20；所述切割器1下端采样管上安装有环境温湿度传感器 2，且环境温湿度传感器2和管壁温度传感器20均连接至处理器及控制电路6；所述处理器及控制电路6通过集成动态DHS 5连接至采样管加热器4；所述测量室8的上端和下端分别设置有闪烁体探测器组件7和放射源13，测量室8 内设置有采样温湿度传感器12，且闪烁体探测器组件7和采样温湿度传感器 12连接至处理器及控制电路6；所述测量室8两侧分别设置有供纸轮18和收纸轮14，且供纸轮18上的滤纸穿过测量室8后绕接在收纸轮14上；所述收纸轮14上方设置有凸轮电机9和定位电机一10，所述供纸轮18上方设置有定位电机二19，且处理器及控制电路6通过电机驱动器11连接凸轮电机9，定位电机一10连接处理器及控制电路6；所述测量室8连接质量流量控制***15，质量流量控制***15与处理器及控制电路6相互连接；所述处理器及控制电路6分别连接触摸屏3和采样泵驱动***16，且采样泵驱动***16和质量流量控制***15均与采样泵17连接，采样泵17采用恒流抽气泵。
所述的切割器1通过采样管转接***测量室8中，在主机后面样气出口处用气管连接到采样***中的采样泵17抽气口处，将采样泵17的电源连接到采样***中的采样泵驱动***16的输出端口，将采样泵驱动***16的输入端口接入AC 220V。将采样管加热器4安装到采样管上固定并将其加热线连接到集成动态DHS 5后面板的加热控制端口，将环境温湿度传感器2接到主机后面板的温湿度采集的DB9接头，给***主机供电，调试流量参数使切割处显示工况流量为(16.7±0.3)L/min。
所述的环境温湿度传感器2、质量流量控制***15、处理器及控制电路6 和触摸屏3构成流量闭环控制***，根据内部AD采集的检测环境温湿度、大气压值及反馈的流量值计算控制的阀的开度的数字量并通过内部DA将数字量转化为(0～5)V模拟量控制阀的开度，从而实现对采样流量实时调整，保证切割器1的切割效率。
所述的触摸屏3、处理器及控制电路6、集成动态DHS 5、加热器1、采样温湿度传感器12、环境温湿度传感器2和管壁温度传感器20构成集成动态 DHS控制***，加热器1中内置过热保护器，当加热失控导致温度过高保护器自动断开，停止加热。处理器及控制电路6根据采集经加热后的采样温湿度传感器12动态控制集成动态DHS工作模式：当湿度值低于下限或则当加热温度高于温度上限时，***停止加热；当湿度值高于上限值，***最大功率加热；当处于之间时斩波加热，以降低到达滤纸的气流的相对湿度，防止水分在滤纸上冷凝，确保采样的准确性。
所述的放射源13、探测器7和测量室8轴心位于同一直线上组成尘采样结构，且放射源13和探测器7的位置固定不变；滤纸在探测器7及放射源13 之间，每次采样时下气道座在弹簧的弹力作用下向上压紧滤纸，实现放射源 13、探测器7、滤纸三者的相对位置固定不变。测试过程中采样气流以恒定的流速方向持续流动，气流中的颗粒物在滤纸上富集并形成斑点，受到斑点的影响，穿过斑点的射线粒子也会随之改变，在此过程中探测器以确定的频率持续计数获得β射线粒子数，通过计算便可获得空气中颗粒物的浓度的实时值，因此可以实现颗粒物浓度的实时测量。
请参阅图5，仪器开机后完成走纸、计数、流量控制以及DHS控制后，每 5s更新秒浓度值，每整点更新小时浓度值，算法如图4，凌晨24:00更新日均值并更换斑点进入下一个周期进行测量。过程中实时检测纸带是否超负载 (＞1500ug)，如果超负载纸带前进一格继续测量。
在流量闭环控制中，由于环境温度、湿度和大气压的变化都会导致气体状态发生变化，进而影响切割效率。而本发明利用处理器及控制电路6实时采集环境参数和流量计的反馈值并计算出流量计阀开度的数字值，然后由内部DA转换器输出(0～5)V的模拟量控制阀的开度，进而达到控制流量的目的。
在集成动态DHS 5控制中，处理器及控制电路6根据采集经加热后的采样气体温湿度动态控制加热驱动工作模式：当湿度值低于下限或则当加热温度高于温度上限时，***停止加热；当湿度值高于上限值，***最大功率加热；当处于之间时斩波加热，以降低到达滤纸的气流的相对湿度，防止水分在滤纸上冷凝，确保采样的准确性。
仪器的核心部件是尘采样结构，尘采样结构中固定探测器组件及放射源，探测器采用高精度光电转换器，转换速度快、对白光无响应、输出稳定，处理器及控制电路进一步对探测器信号进行滤波、驱动、整形后软件严密的算法进行脉冲计数，可确保计数精度优于1‰。
本发明根据朗伯比尔定律进行颗粒物浓度实时反演，准确实时的反映颗粒物浓度，刷新时间为5s。其特点是灵敏度较高，颗粒物富集的同时进行颗粒物浓度反演，***根据温度、气压、湿度等环境因素对测量实时补偿，无需附加仪器进行浓度补偿，测量斑点移动根据采样膜片的负载率进行判断，斑点移动间隔超过24小时为周期计算日浓度，采样和探测同路设计，消除传动机构定位引起的误差，具有前进和压头上升下降功能，以光耦定位，可实现β射线法仪器实时出值，完全的触屏设计，丰富了人机交互内容。
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。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (7)
1.一种大气颗粒物监测仪，其特征在于，它包含切割器、环境温湿度传感器、触摸屏、采样管加热器、集成动态DHS、处理器及控制电路、闪烁体探测器组件、测量室、凸轮电机、定位电机一、电机驱动器、采样温湿度传感器、放射源、收纸轮、质量流量控制***、采样泵驱动***、采样泵、供纸轮、定位电机二和管壁温度传感器，所述切割器通过采样管转接***测量室中，且采样管外部设置有采样管加热器，采样管加热器下端设置有管壁温度传感器；所述切割器下端采样管上安装有环境温湿度传感器，且环境温湿度传感器和管壁温度传感器均连接至处理器及控制电路；所述处理器及控制电路通过集成动态DHS连接至采样管加热器；所述测量室的上端和下端分别设置有闪烁体探测器组件和放射源，测量室内设置有采样温湿度传感器，且闪烁体探测器组件和采样温湿度传感器连接至处理器及控制电路；所述测量室两侧分别设置有供纸轮和收纸轮，且供纸轮上的滤纸穿过测量室后绕接在收纸轮上；所述收纸轮上方设置有凸轮电机和定位电机一，所述供纸轮上方设置有定位电机二，且处理器及控制电路通过电机驱动器连接凸轮电机，定位电机一连接处理器及控制电路；所述测量室连接质量流量控制***，质量流量控制***与处理器及控制电路相互连接；所述处理器及控制电路分别连接触摸屏和采样泵驱动***，且采样泵驱动***和质量流量控制***均与采样泵连接。
2.根据权利要求1所述的一种大气颗粒物监测仪，其特征在于，所述的切割器通过采样管转接***测量室中，在主机后面样气出口处用气管连接到采样***中的采样泵抽气口处，将采样泵的电源连接到采样***中的采样泵驱动***的输出端口，将采样泵驱动***的输入端口接入AC 220V，将采样管加热器安装到采样管上固定并将其加热线连接到集成动态DHS后面板的加热控制端口，将环境温湿度传感器接到主机后面板的温湿度采集的DB9接头，给***主机供电，调试流量参数使切割处显示工况流量为16.7±0.3L/min。
3.根据权利要求1所述的一种大气颗粒物监测仪，其特征在于，所述的环境温湿度传感器、质量流量控制***、处理器及控制电路和触摸屏构成流量闭环控制***，根据内部AD采集的检测环境温湿度、大气压值及反馈的流量值计算控制的阀的开度的数字量并通过内部DA将数字量转化为0～5V模拟量控制阀的开度，从而实现对采样流量实时调整。
4.根据权利要求1所述的一种大气颗粒物监测仪，其特征在于，所述的触摸屏、处理器及控制电路、集成动态DHS、加热器、采样温湿度传感器、环境温湿度传感器和管壁温度传感器构成集成动态DHS控制***，加热器中内置过热保护器，当加热失控导致温度过高保护器自动断开，停止加热；处理器及控制电路根据采集经加热后的采样温湿度传感器动态控制集成动态DHS工作模式：当湿度值低于下限或则当加热温度高于温度上限时，***停止加热；当湿度值高于上限值，***最大功率加热；当处于之间时斩波加热。
5.根据权利要求1所述的一种大气颗粒物监测仪，其特征在于，所述的放射源、探测器和测量室轴心位于同一直线上组成尘采样结构，且放射源和探测器的位置固定不变；滤纸在探测器及放射源之间，每次采样时下气道座在弹簧的弹力作用下向上压紧滤纸，实现放射源、探测器、滤纸三者的相对位置固定不变。
6.根据权利要求1所述的一种大气颗粒物监测仪，其特征在于，所述的凸轮电机、定位电机一安装到主架上，电机控制线连接到电机驱动器，由处理器及控制电路控制电机驱动凸轮电机、定位电机一，凸轮电机控制压头升降，定位电机一控制纸带移动，***根据膜片负载率进行采样斑点更换。
7.根据权利要求1所述的一种大气颗粒物监测仪，其特征在于，整个***主机安装在室内通过密封的管道和室外的切割器连接，采用β源作为放射源，利用采样泵对大气进行采样并结合集成动态DHS对采样气体进行湿度控制，采样时流量根据环境变化实时进行闭环控制，颗粒物被吸附在放射源和探测器之间的滤纸表面，抽气前后探测器计数值的改变量反应了滤纸上吸附颗粒物的量，结合采样体积根据朗伯比尔定律计算出颗粒物的小时浓度。
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