CN108645817B - 一种多类型混合颗粒物质量浓度在线测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于环境监测技术领域，并公开了一种多类型混合颗粒物质量浓度在线测量方法，该方法包括以下步骤：1)建立颗粒物波长散射相关系数数据库；2)将多类型混合颗粒物放入光散射测量装置中，利用光散射测量装置测量，获得m个波长下所述多类型混合颗粒物产生的散射光强；3)光散射测量装置将测量的这些散射光强信号发送给中心工作站，中心工作站根据步骤2)的散射光强和步骤1)的颗粒物波长散射相关系数数据库，获得多类型混合颗粒物中每种类型颗粒物的质量浓度。本发明基于颗粒类型引起的光散射差异，实现了颗粒物种类的分类测量，同时克服了颗粒物类型对颗粒物质量浓度测量的影响，提高了颗粒物质量浓度的测量精度。

Description

一种多类型混合颗粒物质量浓度在线测量方法

技术领域

本发明属于环境监测技术领域，更具体地，涉及一种多类型混合颗粒物质量浓度在线测量方法。

背景技术

在环境颗粒物监测过程中，通常所测颗粒物为多类型颗粒物的混合；例如气溶胶，其根据组成颗粒物类型的不同，一般分为沙尘气溶胶、碳气溶胶、无机盐类气溶胶等，通常所测的气溶胶是多种类型气溶胶的组合，其颗粒质量浓度和颗粒类型参数是环境监测的重要数据。

目前颗粒物质量浓度检测方法通常包含称重法、光散射法、光透射法、β射线法、荷电法等；称重法和β射线法根据一个测量周期前后滤膜质量差获得测量周期内颗粒物平均质量浓度，但其测量精度受周期时间限制，周期越长测量精度越高，难以实现实时测量，通常作为颗粒物质量浓度测量的校准方法；光透射法(又称浊度法)根据激光穿过颗粒后的消光比来确定颗粒物质量浓度，但只有消光在30％～70％之间时才具有较高的精度，在低浓度时具有较大的测量误差，难以满足低浓度测量的需求；荷电法是首先对颗粒物进行荷电处理，然后测量感应电流，根据感应电流大小确定颗粒物质量浓度，但该方法受不确定因素气流流速影响，测量结果波动较大；光散射法是在一定立体角内采集的粉尘颗粒的散射光，根据散射光强度与粉尘颗粒体积浓度成正比关系获得颗粒物质量浓度，适应低浓度颗粒物测量。

上述测量方法中，光散射法以其灵敏度高、响应速度快、适应浓度范围宽和非入侵式测量的优点获得广泛的应用，但散射光不仅受颗粒质量浓度的影响，同时受颗粒物自身特性的影响，若不考虑颗粒自身特性的影响通常会对测量结果造成不可估量的误差。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种多类型混合颗粒物质量浓度在线测量方法，根据预先建立的颗粒物质量浓度波长散射相关系数数据库，然后通过方程解耦运算获得每种颗粒物质量浓度，同时可获得高精度的混合颗粒物总浓度。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种多类型混合颗粒物质量浓度在线测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)建立颗粒物波长散射相关系数数据库，该数据库具体建立过程如下：

给定第j类颗粒物，利用光散射测量装置，在已知该颗粒物质量浓度的条件下对该颗粒物进行散射光强收集，根据散射光强与颗粒物质量浓度成正比的关系，拟合在波长λ_i条件下的散射相关系数

其中，

表示第j类颗粒物在波长为λ_i时的散射光强，C_j表示第j类颗粒物的质量浓度，其中j＝1,2…n，n表示颗粒物类型的数量，i＝1,2…m，m表示波长类型的数量；

则颗粒物波长散射相关系数数据库以矩阵的形式表述如下：

2)将多类型混合颗粒物放入光散射测量装置中，利用光散射测量装置测量，获得m个波长下所述多类型混合颗粒物产生的散射光强，得到的这些散射光强分别记为I_λ1，I_λ2，…，I_λi，…，I_λm，其中，I_λi表示入射波长为λ_i的入射光穿过混合颗粒物产生的散射光强，1≤i≤m；

3)光散射测量装置将测量的这些散射光强信号发送给中心工作站，中心工作站根据步骤2)的散射光强和步骤1)的颗粒物波长散射相关系数数据库，获得多类型混合颗粒物中每种类型颗粒物的质量浓度，其中，所述多类型混合颗粒物测量过程如下：

待测质量浓度的多类型混合颗粒物通过所述光散射测量装置，光散射测量装置测量获得m个波长下多类型混合颗粒物的散射光强，分别记为I_λ1，I_λ2，…，I_λi，…，I_λm，其中I_λi表示入射波长为λ_i的入射光穿过多类型混合颗粒物产生的散射光强，所述多类型混合颗粒物中的颗粒物类型为颗粒物波长散射相关系数数据库建立过程采用的颗粒物的类型的一部分或全部；

设多类型混合颗粒物中的这些颗粒物分别对应的质量浓度为C'₁，C'₂…C'_n，则结合所述颗粒物波长散射相关系数数据库获得以下方程：

将以上这些方程表示为：

令：

得：

A·X＝Y

求解获得X＝A^-1·Y，其中A^-1为矩阵A的广义逆，从而获得多类型混合颗粒物中各种类型的颗粒物的质量浓度值。

进一步优选地，所述颗粒物波长散射相关系数数据库包含每种类型颗粒物分别在多个波长下的散射相关系数。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

本发明基于颗粒类型引起的光散射差异，实现了颗粒物种类的分类测量，同时克服了颗粒物类型对颗粒物质量浓度测量的影响，提高了颗粒物质量浓度的测量精度。

附图说明

图1是多类型混合颗粒物质量浓度在线检测方法原理图。

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，以下结合附图及实施例，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例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

参照图1，本发明涉及一种多类型混合颗粒物质量浓度在线测量方法，包括颗粒物波长散射相关系数数据库建立和多类型混合物测量两个部分；

所述颗粒物波长散射相关系数数据库建立部分，使用到的有多类型颗粒物、光散射测量装置、散射系数组和中心工作站；所述多类型颗粒物分别通过光散射测量装置，分别计算散射系数获得散射系数组，并储存于中心工作站中；

所述多类型混合颗粒物测量部分，使用到的有多类型混合颗粒物、所述激光检测装置、散射信号、所述中心工作站、多类型颗粒物质量浓度；所述混合颗粒物通过所述光散射测量装置获得所述光散射信号，所述光散射信号通过所述中心工作站解耦运算处理获得所述多类型颗粒物质量浓度；

所述光散射测量装置，为连续多波长光散射测量装置，配备白光光源；

所述中心工作站，与所述光散射测量装置建立通信连接，具备数据存储、运算和结果显示功能。

所述颗粒物的波长散射相关系数数据库具体建立过程如下：

所述颗粒物波长散射相关系数数据库具体建立过程如下：

给定第j类颗粒物，利用光散射测量装置，在已知该颗粒物质量浓度的条件下对该颗粒物进行散射光强收集，根据散射光强与颗粒物质量浓度成正比的关系，拟合在波长λ_i条件下的散射相关系数

其中，

表示第j类颗粒物在波长为λ_i时的散射光强，C_j表示第j类颗粒物的质量浓度，此处是已知的，其中j＝1,2…n，n表示颗粒物类型的数量，i＝1,2…m，m表示波长类型的数量；

则颗粒物波长散射相关系数数据库以矩阵的形式表述如下：

所述多类型混合颗粒物测量具体实施过程如下：

待测质量浓度的多颗粒混合颗粒物通过所述光散射测量装置，光散射测量装置探测获得m个波长条件下所述混合颗粒物产生的所述散射信号分别记为I_λ1，I_λ2，…，I_λi，…，I_λm(I_λm表示入射波长为λ_m的入射光穿过混合颗粒物产生的散射光强)，所述多类型混合颗粒物中的颗粒物类型为颗粒物波长散射相关系数数据库建立过程采用的颗粒物的类型的一部分或全部；

但是各类型颗粒物的质量浓度未知，设多类型混合颗粒物中的这些颗粒物分别对应的质量浓度为C'₁，C'₂…C'_n，它们需要解耦求得，则结合所述颗粒物波长散射相关系数数据库可知：

以上方程组可表示为：

令：

可知：

A·X＝Y

对线性方程组进行求解

即：

X＝A^-1·Y

其中A^-1为矩阵A的广义逆，从而获得线性方程组的最佳解，即获得混合颗粒物各类型颗粒物的质量浓度值，而粉尘总质量浓度由所有类型颗粒物浓度求和获得。

综上可知，待测的多类型混合颗粒物的类型包含于数据库建立过程中采用的颗粒物类型中，即待测的多类型混合颗粒物的类型数量可以小于等于n，如果待测的多类型混合颗粒物类型有n种，则C'₁，C'₂…C'_n的解都大于0，如果待测的多类型混合颗粒物类型小于n种，则不存在的颗粒物类型的解为零，或者非常接近零，即认为不存在该类型颗粒物。

以上测试过程全部采取对中心工作站进行编程实现，中心工作站强大的计算功能保证极短的数据处理时间，保证了测试结果的时效性，实现了在线测量。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种多类型混合颗粒物质量浓度在线测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)建立颗粒物波长散射相关系数数据库，该数据库具体建立过程如下：

给定第j类颗粒物，利用光散射测量装置，在已知该颗粒物质量浓度的条件下对该颗粒物进行散射光强收集，根据散射光强与颗粒物质量浓度成正比的关系，拟合在波长λ_i条件下的散射相关系数

其中，

表示第j类颗粒物在波长为λ_i时的散射光强，C_j表示第j类颗粒物的质量浓度，其中j＝1,2…n，n表示颗粒物类型的数量，i＝1,2…m，m表示波长类型的数量；

则颗粒物波长散射相关系数数据库以矩阵的形式表述如下：

2)将多类型混合颗粒物放入光散射测量装置中，利用光散射测量装置测量，获得m个波长下所述多类型混合颗粒物产生的散射光强，得到的这些散射光强分别记为I_λ1，I_λ2，…，I_λi，…，I_λm，其中，I_λi表示入射波长为λ_i的入射光穿过混合颗粒物产生的散射光强，1≤i≤m；

3)光散射测量装置将测量的这些散射光强信号发送给中心工作站，中心工作站根据步骤2)的散射光强和步骤1)的颗粒物波长散射相关系数数据库，获得多类型混合颗粒物中每种类型颗粒物的质量浓度，其中，所述多类型混合颗粒物测量过程如下：

待测质量浓度的多类型混合颗粒物通过所述光散射测量装置，光散射测量装置测量获得m个波长下多类型混合颗粒物的散射光强，分别记为I_λ1，I_λ2，…，I_λi，…，I_λm，其中I_λi表示入射波长为λ_i的入射光穿过多类型混合颗粒物产生的散射光强，所述多类型混合颗粒物中的颗粒物类型为颗粒物波长散射相关系数数据库建立过程采用的颗粒物的类型的一部分或全部；

设多类型混合颗粒物中的这些颗粒物分别对应的质量浓度为C'₁，C'₂…C'_n，则结合所述颗粒物波长散射相关系数数据库获得以下方程：

...

将以上这些方程表示为：

令：

得：

A·X＝Y

求解获得X＝A^-1·Y，其中A^-1为矩阵A的广义逆，从而获得多类型混合颗粒物中各种类型的颗粒物的质量浓度值。

2.根据权利要求1所述的一种多类型混合颗粒物质量浓度在线测量方法，其特征在于，所述颗粒物波长散射相关系数数据库包含每种类型颗粒物分别在多个波长下的散射相关系数。

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