颗粒物浓度检测装置的制作方法

1.本技术涉及空气质量监测设备技术领域，尤其涉及一种颗粒物浓度检测装置。


背景技术：

2.目前我国空气站环境监测主流监测方法是“β射线吸收法”，其利用c14原子核发生β衰变时，放出β粒子，β粒子实际上是一种高速电子流，它的穿透能力较强，当它穿过一定厚度的吸收物质时，其强度随吸收层厚度增加而逐渐减弱。
3.在现有技术中，仪器利用抽气泵配合流量调节阀和气体质量传感器进行稳定采样，大气中的颗粒物经切割器切割后，被吸附到放射源和检测器之间的滤纸上，抽气前后检测器计数值的改变反应了滤纸上吸附尘斑的质量的变化，由此可以得到采样空气中颗粒物的浓度。
4.由于探测器探测β粒子数量时，探测器自身会存在波动，并且β粒子吸收强度产生明显变化是需要达到一定的抽气体积（采样时间≥30min），这样β射线吸收测量方法不能实时检测出颗粒物浓度，反应不了空气颗粒物含量实时变化情况，导致平台接收到浓度值是每小时均值，等突发高浓度报警不能及时反馈和准确定位污染源位置。
5.因此，有必要提出一种技术方案解决现有技术中存在的不能实时反应空气颗粒物含量和准确定位污染源的问题。


技术实现要素：

6.本技术的目的在于解决现有技术中不能实时反应颗粒物含量和准确定位污染源的问题。
7.基于上述目的，本技术提供一种颗粒物浓度检测装置，包括：采样室，所述采样室包括进气口和出气口；滤纸安装部，设置于所述采样室中，用于安装滤纸；气泵，与所述采样室连接，用于抽吸待测气体，所述待测气体从所述进气口进入所述采样室，经过所述滤纸后从所述出气口排出，所述待测气体中的颗粒物在所述滤纸上富集形成尘斑；气体流量检测装置，用于检测单位时间内流经所述采样室的气体体积；β射线发生器，用于向所述尘斑的位置发射β射线；探测器，用于接收穿过所述尘斑的β射线，并检测穿过所述尘斑后所述β射线的强度值；其特征在于，所述装置还包括数据处理部，所述数据处理部接收所述探测器各个采样周期所检测到的β射线强度值，所述探测器以第一时间间隔作为采样周期，基于β射线吸收法计算每一个采样周期的等效颗粒物浓度；所述数据处理部设置有样本空间，所述样本空间用于按照采样时间轴顺序依次存
放每一个采样周期的等效颗粒物浓度，所述样本空间的容量为n；所述数据处理部将所述样本空间中的各个采样周期的等效颗粒物浓度累加，获得实时颗粒物浓度。
8.进一步的，当所述探测器的采样次数大于所述样本空间容量时，更新所述样本空间，按照采样时间轴顺序，去除最先进入所述样本空间的等效颗粒物浓度，并将最新采样周期的等效颗粒物浓度存入所述样本空间，所述数据处理部将更新后的所述样本空间中各个采样周期的等效颗粒物浓度累加，获得实时颗粒物浓度。
9.进一步的，所述每一个采样周期的等效颗粒物浓度表示如下：其中，i1表示上一采样周期的β射线的强度值，i2表示当前采样周期的β射线的强度值，μm表示质量吸收系数，v表示预设n个采样周期所述气泵应抽的气体总体积，n表示所述样本空间容量，c表示当前采样周期的等效颗粒物浓度。
10.进一步的，当所述气体流量检测装置检测到所述采样室内的气体流量低于第一流量预设阈值时，或当所述探测器的检测时长等于第一时间预设阈值时，所述滤纸安装部更换所述滤纸，所述探测器重置采样次数。
11.进一步的，当所述数据处理部计算得的实时颗粒物浓度低于第一浓度预设阈值时，所述滤纸安装部更换所述滤纸，所述探测器重置采样次数。
12.进一步的，所述数据处理部设置有第二时间预设阈值，当所述探测器的采样时长大于等于所述第二时间预设阈值时，所述数据处理部计算当前采样周期的等效颗粒物浓度，并将所述当前采样周期的等效颗粒物浓度按照采样时间轴顺序存入所述样本空间。
13.进一步的，所述装置还包括温度检测模块，用于实时检测所述采样室内的温度；所述数据处理部根据所述采样室内温度以及所述探测器检测的当前采样周期的β射线强度值，通过温度补偿算法计算获得温度补偿后的β射线强度值；所述数据处理部根据温度补偿后的β射线强度值，通过β射线吸收法计算当前采样周期的等效颗粒物浓度。
14.进一步的，所述温度补偿算法表示如下：s
t
=s-a（t-t0）其中，s
t
表示温度补偿后的β射线强度值，s表示未经过温度补偿的β射线强度值，a表示β射线强度值随温度变化的斜率，t表示采样室内温度值，t0表示系统设定的标准温度值。
15.进一步的，所述β射线强度值随温度变化的斜率a满足以下条件：进一步的，所述β射线强度值随温度变化的斜率a满足以下条件：
其中，yi表示温度补偿后的β射线强度值，xi表示采样室11内温度值，x表示xi的变化量，a表示β射线强度值随温度变化的斜率，b表示常数。
16.本技术还提供一种颗粒物浓度检测方法，所述方法包括以下步骤：抽取待测气体，使所述待测气体中的颗粒物在滤纸上富集形成尘斑；在各个采样周期内，检测β射线穿过所述尘斑后的β射线强度值；根据各个采样周期的β射线强度值，基于β射线吸收法计算每一个采样周期中的等效颗粒物浓度；设置样本空间，所述样本空间用于按照采样时间轴顺序依次存放每一个采样周期的等效颗粒物浓度，所述样本空间的容量为n；将所述样本空间中的各个采样周期的等效颗粒物浓度累加，获得实时颗粒物浓度。
17.本技术的实施例提供的一种颗粒物浓度检测装置，能够实现检测空气颗粒物含量的实时变化情况，及时报警并反馈和准确定位污染源位置。
附图说明
18.图1为本技术提供的颗粒物浓度检测装置的示意图；图2为本技术提供的颗粒物浓度检测装置中检测平台反应机制的示意图；图3为本技术提供的颗粒物浓度检测装置检测得的颗粒物浓度变化示意图；图4为待测气体中实际颗粒物浓度变化示意图；图5为本技术提供的颗粒物浓度检测装置运行的流程图。
具体实施方式
19.以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述，但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。
20.如图1所示，根据本发明提供的一种颗粒物浓度检测装置，包括采样室11，滤纸安装部12、气泵13、气体流量检测装置14、β射线发生器15，探测器16和数据处理部17。
21.其中，采样室11，包括进气口和出气口；滤纸安装部12，设置于采样室11中，用于安装滤纸；气泵13，与采样室11连接，用于抽吸待测气体，待测气体从进气口进入采样室11，经过滤纸后从出气口排出，待测气体中的颗粒物在滤纸上富集形成尘斑；气体流量检测装置14，用于检测单位时间内流经采样室11的气体体积；β射线发生器15，用于向尘斑的位置发射β射线；探测器16，用于接收穿过尘斑的β射线，并检测穿过尘斑后β射线的强度值；数据处理部17，用于接收探测器16检测的β射线强度值，探测器16以第一时间间隔作为采样周期，数据处理部17基于β射线吸收法计算每一个采样周期中的等效颗粒物浓度。
22.作为一种可选的实现方式，气泵13可以设置在采样室11出气口位置。
23.作为一种可选的实现方式，气体流量检测装置14可以设置在采样室11内。
24.作为一种可选的实现方式，β射线发生器15可以设置在采样室11内，β射线发生器15所发出的β射线可以照射向滤纸上生成尘斑的位置。
25.探测器16可以与β射线发生器15相对设置在滤纸的两侧。探测器16用来接收穿过尘斑的β射线，并检测穿过尘斑后β射线的强度值。
26.作为一种可选的实现方式，本技术提供的颗粒物浓度检测装置基于β射线吸收法检测颗粒物浓度。
27.对于传统的β射线吸收法，其原理为利用c14原子核发生β衰变时放出β粒子，β粒子实际上是一种高速电子流，它的穿透能力较强，当它穿过一定厚度的吸收物质时，其强度随吸收层厚度增加而逐渐减弱。当吸收物质的厚度比β粒子的射程小很多时，β射线在物质中的吸收可以近似为：（1）其中，i0为没有吸收物质时的强度，i为β射线穿过滤纸上厚度为t的吸收物质后的强度，μm=μ/ρ，称为质量吸收系数或质量衰减系数，单位为cm
²
/g；tm=tρ，称为质量厚度，单位为g/cm
²
；ρ为吸收物质的密度，单位为g/cm
³
。对于不同的吸收物质，μm随原子序数的增加而缓慢地增加。对于同一吸收物质，μm与放射能量有关。
28.作为一种可选的实现方式，探测器16记录下β射线通过空白滤纸是的强度i1，由式（1）得：（2）作为一种可选的实现方式，通过气泵13抽取一定体积的待测气体，使待测气体中的颗粒物在滤纸上富集形成尘斑。
29.通过探测器16检测穿过尘斑后β射线强度值，设穿过尘斑后β射线强度值为i2，由式（1）得：（3）式中：
△
m为颗粒物的质量厚度，单位为g/cm
²
。
30.假设i0在整个测量过程中保持不变。综合公式（2）和（3），得：（4）因为已知滤纸被探测面积和抽气体积，其中抽气体积=采样流量*采样时间，由此可计算出颗粒物的浓度c=
△
m/v（单位mg/m
³
）。
31.根据以上说明，利用传统的β射线吸收法检测颗粒物浓度时，β粒子吸收强度产生明显变化是需要达到一定的抽气体积，因此，传统的β射线吸收法不能实时检测出颗粒物浓度，反应不了空气中颗粒物含量实时变化情况。对此，本技术提供的颗粒物浓度检测装置在传统的β射线吸收法基础上进行改良，使得本技术提供的颗粒物浓度检测装置可以反应颗粒物浓度的实时变化。
32.作为一种可选的实现方式，为了能够实现实时测量颗粒物浓度，本技术实施例提供的颗粒物浓度检测装置中，数据处理部17进行如下处理：
数据处理部17接收探测器16检测的β射线强度值，探测器16以第一时间间隔作为采样周期，数据处理部17基于β射线吸收法计算每一个采样周期中的等效颗粒物浓度。
33.数据处理部17可以设置有样本空间，样本空间用于按照采样时间轴顺序存放每一个采样周期的等效颗粒物浓度。样本空间的容量为n，即样本空间可以存放n个采样周期对应的等效颗粒物浓度。
34.数据处理部17将样本空间中的各个采样周期的等效颗粒物浓度累加，获得实时颗粒物浓度。
35.作为一种可选的实现方式，当探测器16的采样次数小于或等于样本空间容量时，数据处理部17将样本空间中的各个采样周期的等效颗粒物浓度累加，获得实时颗粒物浓度。
36.作为一种可选的实现方式，当探测器16的采样次数大于样本空间容量时，更新样本空间，按照采样时间轴顺序，去除最先进入样本空间的等效颗粒物浓度，并将最新采样周期的等效颗粒物浓度存入样本空间，数据处理部17将更新后的样本空间中各个采样周期的等效颗粒物浓度累加，获得实时颗粒物浓度。
37.根据以上说明，本技术通过设计样本空间，从而可以基于“β射线吸收法”实现颗粒物浓度的实时监测。
38.作为一种可选的实现方式，每一个采样周期的等效颗粒物浓度表示如下： （5）其中，i1表示上一采样周期的β射线的强度值，i2表示当前采样周期的β射线的强度值，μm表示质量吸收系数，v表示预设n个采样周期气泵13应抽的气体总体积，n表示样本空间容量，c表示当前采样周期的等效颗粒物浓度。
39.作为一种可选的实现方式，当气体流量检测装置14检测到采样室11内的气体流量低于第一流量预设阈值时，滤纸安装部12更换滤纸，探测器16重置采样次数。当气体流量低于第一流量预设阈值，气体流量过低会导致检测中气体称量出现误差，更换滤纸并重置采样次数，确保该颗粒物浓度检测装置的检测精度。
40.作为一种可选的实现方式，当探测器16的检测时长等于第一时间预设阈值时，考虑到滤纸上尘斑堆积过多影响测量精度的情况，滤纸安装部12可以更换滤纸，探测器16重置采样次数，确保该颗粒物浓度检测装置的检测精度。
41.作为一种可选的实现方式，当数据处理部17计算得的实时颗粒物浓度低于第一浓度预设阈值时，滤纸安装部12更换滤纸，探测器16重置采样次数，从而确保该颗粒物浓度检测装置的检测精度。
42.作为一种可选的实现方式，数据处理部设置有第二时间预设阈值，当探测器16的采样时长大于等于第二时间预设阈值时，数据处理部计算当前采样周期的等效颗粒物浓度，并将等效颗粒物浓度按照采样时间轴顺序存入样本空间。设置第二时间预设阈值的目的是方便颗粒物浓度检测装置在运行一定时长后在检测环境中检测颗粒物的实时浓度。
43.本发明提供的颗粒物浓度检测装置还包括温度检测模块，温度检测模块用于实时检测采样室11内的温度。
44.作为一种可选的实现方式，数据处理部根据采样室11内温度以及探测器16检测的
当前采样周期的β射线强度值，通过温度补偿算法计算获得温度补偿后的β射线强度值。数据处理部根据温度补偿后的β射线强度值，通过β射线吸收法计算当前采样周期的等效颗粒物浓度，从而可以减少待测气体温度对β射线强度值检测的影响，使本技术提供的颗粒物浓度检测装置计算得的实时颗粒物浓度更加精确。
45.作为一种可选的实现方式，采样室11的室内温度值可以设置为自变量xi，温度补偿后的β射线强度值可以设置为因变量yi，可以得到变量之间n个数据(x1，y1）、（x2，y2）、
……
（xi，yi）。在xoy平面内，可以得到n个点pi（xi，yi）（n=0，1，2，3，
……
，n）的散点图，这些散落的点都在一条直线上。这条直线的表达式可以表示为：y=ax b（6）式中，a表示β射线强度值随温度变化的斜率，b表示常数。
46.利用最小二乘法，得出各个数据与线性曲线的偏差平方和公式：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（7）作为一种可选的实现方式，颗粒物浓度检测装置中β射线强度值随温度变化的斜率a满足一下条件：（8）（9）其中，yi表示温度补偿后的β射线强度值，xi表示采样室11内温度值，x表示xi的变化量，a表示β射线强度值随温度变化的斜率，b表示常数。
47.根据散点图上各个数据与公式可以解得a和b，可以得出直线拟合方程。
48.因此，颗粒物浓度检测装置的温度补偿算法可以表示如下：s
t
=s-a（t-t0）（10）其中，s
t
表示温度补偿后的β射线强度值，s表示未经过温度补偿的β射线强度值，a表示β射线强度值随温度变化的斜率，t表示采样室11内温度值，t0表示系统设定的标准温度值。
49.如图2所示，本发明提供的颗粒物浓度检测装置还包括：风向检测模块21、摄像模块22和通讯模块23。
50.风向检测模块21设置于颗粒物浓度检测装置表面，用于检测颗粒物浓度检测装置所处环境的风向。
51.摄像模块22用于采集摄像模块22前一定区域内的图像。
52.通讯模块23与监控平台通讯连接，用于将摄像模块22采集的图像发送至监控平台。
53.作为一种可选的实现方式，风向检测模块21可以为风向传感器。
54.作为一种可选的实现方式，摄像模块22可以为ccd或者cmos。
55.作为一种可选的实现方式，通讯模块23可以为无线通信模块。
56.作为一种可选的实现方式，当数据处理部计算得到的实时颗粒物浓度值高于第二浓度预设阈值时，风向检测模块21检测此时的风向，摄像模块22拍摄迎风方向的区域图像，
并通过通讯模块23将迎风方向的区域图像发送至监控平台。监控平台可以确定污染源方位，并通知运营维护人员抵达准确污染源方位及时处理问题。
57.本技术实施例还提供了一种颗粒物浓度检测方法，包括以下步骤：抽取待测气体，使所述待测气体中的颗粒物在滤纸上富集形成尘斑；在各个采样周期内，检测β射线穿过所述尘斑后的β射线强度值；根据各个采样周期的β射线强度值，基于β射线吸收法计算每一个采样周期中的等效颗粒物浓度；设置样本空间，所述样本空间用于按照采样时间轴顺序依次存放每一个采样周期的等效颗粒物浓度，所述样本空间的容量为n；将所述样本空间中的各个采样周期的等效颗粒物浓度累加，获得实时颗粒物浓度。
58.其中，当采样次数小于或等于样本空间容量时，将样本空间中的各个采样周期的等效颗粒物浓度累加，获得实时颗粒物浓度。
59.当采样次数大于样本空间容量时，更新样本空间，按照采样时间轴顺序，去除最先进入样本空间的等效颗粒物浓度，并将最新采样周期的等效颗粒物浓度存入样本空间，将更新后的样本空间中各个采样周期的等效颗粒物浓度累加，获得实时颗粒物浓度。
60.作为一种可选的实现方式，在本技术实施例中，将采样周期可以设置为1秒，样本空间的容量n可以为3600。
61.当探测器的采样次数小于或等于样本空间容量时，即采样次数小于3600时，将样本空间中的各个采样周期的等效颗粒物浓度累加，获得实时颗粒物浓度。
62.当探测器的采样次数大于样本空间容量时，即采样次数大于3600时，更新样本空间，按照采样时间轴顺序，去除最先进入样本空间的等效颗粒物浓度，并将最新采样周期的等效颗粒物浓度存入样本空间，将更新后的样本空间中各个采样周期的等效颗粒物浓度累加，获得实时颗粒物浓度。
63.如图3所示，其示出了本技术提供的颗粒物浓度检测装置检测得的颗粒物浓度变化示意图。
64.作为一种可选的实现方式，在本技术实施例中，可以设置采样周期为1秒，第一时间预设阈值为8小时，第二时间预设阈值为5分钟，样本容量n为3600。即，每秒进行一次采样，采样时长大于5分钟时开始计算实时颗粒物浓度，样本空间最多存储采样时长为1小时的数据量，在装置连续监测8小时后更换滤纸。
65.以下是对浓度计算方法详细描述：设β射线穿过尘斑前的强度值为空白吸收强度值，穿过尘斑后的强度值为尘斑吸收强度值：（1）空白吸收强度值：i0；尘斑吸收强度值：i1；根据浓度计算公式（1）（2）（3）（4）得出c1，仪表测量界面显示的浓度值= 。
66.（2）空白吸收强度值：i1；尘斑吸收强度值：i2；
则根据浓度计算公式（1）（2）（3）（4）得出c2，仪表测量界面显示的浓度值= 。
67.以下每个值以此类推，3600秒对应1小时，（3600）空白吸收强度值：i
3599
；尘斑吸收强度值：i
3600
；据浓度计算公式（1）（2）（3）（4）得出c3600，仪表测量界面显示的浓度值=（浓度累加到一个小时）。
68.当采样时长等于1小时，样本空间存储数据达到容量上限，此时，按照时间轴顺序，将最先进入样本空间的等效颗粒物浓度去除，并将最新采样周期的等效颗粒物浓度存入。即当浓度值累加到第3600个时，测量界面显示的浓度值需要将c1浓度值去掉，并加上c3601浓度值（主要是为了显示一个小时实时浓度值），计算体积的平均流量也将从2秒到3601秒开始计算，如下示例：（3601）空白吸收强度值：i
3600
；尘斑吸收强度值：i
3601
；据浓度计算公式（1）（2）（3）（4）得出：c3601仪表测量界面显示的浓度值=。
69.以下则按照此类方法进行直到更换滤纸。
70.更换滤纸后气泵抽气，探测器累加采样时长大于等于第二时间预设阈值5分钟后，开始浓度计算。
71.在更换滤纸后，样本空间中存储的数据依旧可以按照时间轴顺序进行更新。例如，可以将样本空间中25200（即7小时）时的浓度值c25200去掉，并在样本空间中添加c28801浓度值（即8小时1秒）。
72.同理，在更换滤纸并探测器累加采样时长大于等于5分钟后，本技术提供的装置即可对颗粒物浓度进行实时监测。即，在样本空间中，按照时间轴顺序去除c25500（即7小时5分时的浓度），并添加c9101（即8小时5分时的浓度），从而可以计算8小时5分时的实时颗粒物浓度。
73.如下示例：（28801）空白吸收强度值：i
28800
；尘斑吸收强度值：i
28801
；据浓度计算公式（1）（2）（3）（4）得出：c28801，仪表测量界面显示的浓度值=。
74.（n）空白吸收强度值：i
n-1
；尘斑吸收强度值：in；据浓度计算公式（1）（2）（3）（4）得出：cn，仪表测量界面显示的浓度值= 。
75.以下则按照此类方法进行，直到仪表断电或者仪表故障报警，则回到初始状态，浓度值也重新累加。
76.如图4所示，图4为待测气体中实际颗粒物浓度变化示意图。结合图3和图4，根据本发明提供的颗粒物浓度检测装置可以实现实时浓度的检测。
77.如图5所示，本发明提供的颗粒物浓度检测装置的工作流程包括：更换滤纸，探测器重置采样次数，装置开始运行；气泵开始抽气，实时接收探测器信号，每秒都进行信号接收；检测β探测器的温度t0，可以设置为t0=25℃。若此时探测器温度不等于25℃，则进行温度补偿：s
t
=s-a（t-t0）。
78.设定当采样时长达到设定值5分钟，开始计算浓度；颗粒物浓度检测装置可以设置第二浓度预设阈值，当颗粒物浓度检测装置检测到实时颗粒物浓度值高于第二浓度预设阈值时，则触发平台高浓度报警机制：1、标记颗粒物高浓度；2、记录浓度瞬时变瞬时的风向；3、摄像头转动到记录的风向位置，进行实时监控；4、向运行维护人员发出高浓度预警；应当确定是否满足以下一个条件：1、第一流量预设阈值≤15.85l/min；2、第一时间预设阈值为8小时；3、第一颗粒物浓度或者第二颗粒物浓度低于第一浓度预设阈值（1500μg/m
³
）。若满足其中一个条件则返回执行仪表压块上移的命令；若条件都不满足则返回执行采样时长达到设定值5分钟，开始计算浓度的命令。
79.通过上述浓度算法来实现对环境监测平台传输实时浓度，在结合环境监测平台高浓度报警机制来实现污染源准确定位；仪表监测到空气颗粒物含量突然变高，实时传输到环境监测平台触发高浓度报警机制：1、标记颗粒物高浓度值；2、记录浓度突变瞬时的风向；3、摄像头转动到记录的风向位置，进行实时监控；4、向运维人员发出高浓度报警；等运营维护人员抵达现场可以准确污染源的方位，及时处理问题。
80.综上所述，本发明提供的一种颗粒物浓度检测装置，能够检测环境中颗粒物浓度变化并对污染源准确定位，及时处理问题。
81.以上所揭露的仅为本发明的较佳实施例而已，然其并非用以限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，仍属于发明所涵盖的范围。