一種β射線大氣顆粒物監測儀及其監測方法
2023-12-01 09:57:11
專利名稱：一種β射線大氣顆粒物監測儀及其監測方法
技術領域：
本發明涉及一種監測儀，尤其是一種β射線大氣顆粒物監測儀及其監測方法。
背景技術：
大氣汙染是由存在於大氣中的一種或多種氣態、氣溶膠或顆粒狀態的汙染物引起的，可對人和其他生物造成傷害或反常的作用。大氣汙染來源廣泛、影響範圍大，目前已成為世界性問題。大氣汙染物主要通過呼吸道進入人體。粒徑的大小不同，被吸入並沉積在呼吸系統的部位不同，對機體的危害也有差異。大於5 μ m的多滯留在上部氣道，小於5 μ m的多滯留在細支氣管和肺泡。顆粒物越小，進入的部位越深。近年研究發現，微粒子(PM2.5)對人體健康的影響嚴重。這裡所說的微粒子是直徑< 2. 5 μ m的顆粒物，由直接排入空氣中的一次微粒和空氣中的氣態汙染物通過化學轉化生成的二次微粒組成。微粒子與煙塵一樣可以到達肺部末端，並且沉降後穩定。在我國大城市，室外大環境的PM2. 5主要來源於燃料燃燒的煙霧和機動車尾氣等，近年來隨著我國經濟的快速發展、工業化進程的加快、機動車數量急劇的增加，使得我國大氣汙染特別是微粒子(PM2.5)的汙染已越來越嚴重，對人民健康、氣象產生了嚴重的影響。目前世界各國廣泛採用的監測方法主要是重量法、β射線吸收法和微量振蕩天平法。β射線吸收法大氣顆粒物監測儀是目前我國測量大氣中可吸入顆粒物的主要監測儀器之一，美國Met One公司生產的BAM 1020和Thermo公司生產的FH62C14系列顆粒物監測儀屬於這類儀器。Thermo公司生產的FH62C14系列顆粒物監測儀存在的問題是將β射線計數器放置於粒子收集口下，在採樣過程中計數器探測面暴露在16. 7L/min氣流下，會加速計數器的損壞以及探測面的汙染，影響計數器使用壽命和檢測效率；Met One公司生產的BAM 1020系列顆粒物監測儀存在的問題是現有的走紙機構是通過爪極電機轉動帶動紙帶移動，紙帶移動的精度通過與爪極電機相連的壓軸轉動圈數來達到，因此受機械加工精度、紙帶鬆緊等因素影響。同時兩種儀器採用傳統加熱方式，會損失空氣中的有機揮發物，影響測試結果。
發明內容
本發明提供了一種監測效率高、監測精度高的β射線大氣顆粒物監測儀及其監測方法。實現本發明目的之一的β射線大氣顆粒物監測儀，包括旋風式採樣頭，位於旋風式採樣頭下方的除溼裝置，位於除溼裝置下方的粒子收集孔，用於移動紙帶的紙帶傳動裝置，位於除溼裝置和紙帶下方的流量傳感器，所述流量傳感器連接自動節流閥，所述自動節流閥連接真空泵；所述流量傳感器連接主控電路，所述除溼裝置一側設有C14放射源，所述C14放射源和紙帶下方設有β射線探測器；所述β射線探測器連接信號處理電路，所述信號處理電路連接主控電路，所述主控電路還連接顯示器、除溼裝置和紙帶傳動裝置。所述除溼裝置的上方和下方各設有一個溼度傳感器，所述溼度傳感器與主控電路相連。所述除溼裝置包括一個加熱筒和一個裝有變色矽膠乾燥劑的變色矽膠筒。所述紙帶傳動裝置包括兩個收放紙帶電機、兩個垂直電機、一個橫向電機、滑軌，所述垂直電機連接有壓緊裝置，所述滑軌上設有兩個限位光電開關，所述橫向電機連接兩個支撐輪，所述支撐輪上設有擋板，擋板上設有判斷光電開關。實現本發明目的之二的β射線大氣顆粒物監測儀的監測方法，流量控制系統採用累計三秒平均流量體積計算採樣時間內採樣體積，即流量傳感器對氣體流量進行監測，每IOms記錄一次瞬時流量值,並對3s內記錄的流量值進行算術平均值與時間3s相乘獲得3s內採樣體積，在Ih採樣時間內記錄每3s的採樣體積進行累加獲得採樣時間內總採樣體積，將總採樣體積作為PM2. 5、PMlO質量濃度計算參數。採用溼度傳感器監測經過除溼裝置前的空氣溼度即環境溼度，和經過除溼裝置後的空氣溼度，當除溼後的溼度大於30% 40%時，加熱裝置開始加熱實現動態加熱控制；或當環境溼度減去除溼後的溼度大於10%時，判定變色矽膠筒處於失效狀態，加熱裝置開始加熱，一方面實現除溼，另一方面對變色矽膠進行除溼完成變色矽膠的自修復。本發明的β射線大氣顆粒物監測儀及其監測方法的有益效果如下I、本發明的β射線大氣顆粒物監測儀，採用橫向運動結構，通過與粒子收集口中心同軸的光電開關61和與β射線檢測窗口中心同軸的光電開關91精確定位紙帶運動位置從而減小了運動誤差引起的測量誤差，使測試結果精度更高。2、本發明的監測儀採用同時使用變色矽膠乾燥劑與加熱的除溼裝置，並配以動態加熱與失效分析的控制技術，即減小了有機揮發物的損失，又實現了除溼功能使得儀器測試根據精確。3、本發明的監測方法採用了採樣體積累加計算方法，採樣過程中ΡΜ2. 5粒子會在紙帶上沉積，從而使阻力及氣體流通量發生變化，需要實時調節氣體流量以保證16. 7L/min採樣流量，因此以16. 7L/min流量計算採樣時間的採樣體積與實際採樣體積偏差較大，本發明採用的3s採樣體積累加計算方法獲得地採樣體積Q更準確，從而提高了質量濃度計算結果的準確性。
圖I為本發明的β射線大氣顆粒物監測儀的結構示意圖。圖2為本發明的β射線大氣顆粒物監測儀的紙帶傳動裝置結構示意圖。圖3為本發明的β射線大氣顆粒物監測儀的支撐輪結構示意圖。圖4為本發明的β射線大氣顆粒物監測儀的的限位光電開關結構示意圖。
具體實施例方式如圖I 4所示，本發明的β射線大氣顆粒物監測儀，包括旋風式採樣頭1，位於旋風式採樣頭I下方的除溼裝置，位於除溼裝置下方的粒子收集孔6，用於移動紙帶8的紙帶傳動裝置5，位於除溼裝置和紙帶8下方的流量傳感器10，所述流量傳感器10連接自動節流閥11，所述自動節流閥11連接真空泵12 ;所述流量傳感器10連接主控電路14，所述除溼裝置一側設有C14放射源7，所述C14放射源7和紙帶8下方設有β射線探測器9 ;所述β射線探測器9連接信號處理電路13，所述信號處理電路13連接主控電路14，所述主控電路14還連接顯示器15、除溼裝置和紙帶傳動裝置5。所述除溼裝置的上方和下方各設有一個溼度傳感器16，所述溼度傳感器16與主控電路14相連。所述除溼裝置包括一個加熱筒4和一個裝有變色矽膠乾燥劑的變色矽膠筒3。所述紙帶傳動裝置5包括兩個收放紙帶電機501、兩個垂直電機511、一個橫向電機513、滑軌514，所述垂直電機511連接有壓緊裝置510，所述滑軌14上設有兩個限位光電開關17，所述橫向電機513連接兩個支撐輪503，所述支撐輪503上設有擋板504，擋板504上設有判斷光電開關505。本發明的β射線大氣顆粒物監測儀的工作過程如下空氣經旋風式採樣頭I分離出ΡΜ2. 5顆粒物，樣流經除溼裝置後在粒子收集孔6處被紙帶8收集，除溼裝置前後分別裝有溼度傳感器16，測量氣流經除溼裝置前後的溼度，採樣動力由真空泵12提供，且由流量傳感器10實時監測流量信息反饋到主控電路14，並由主控電路14控制自動節流閥對流量進行調整以提供穩定的16. 7L採樣流量。紙帶傳動裝置5實現紙帶的收放以及橫向移動，首先在β射線檢測窗口測試紙帶基底，C14放射源7發出β射線穿過紙帶由β射線探測器進行計數，並將數據傳送到β射線控制與信號處理電路13，然後由主控電路14控制紙帶傳動裝置5將已測紙帶移動到粒子收集孔6處進行採樣，採樣結束後將該紙帶位重新移動回β射線檢測窗口處進行計數，同樣將探測結果傳回β射線控制與信號處理電路13，由該電路對前後兩次數據進行處理，並將數據傳到主控電路14，最後由主控電路14進行數據分析計算並在顯示器15上進行顯示。紙帶8橫向運動時,首先通過紙帶收放電機501將紙帶收緊，當紙帶8收緊後由支撐輪503向內側運動，其背部擋板504遮擋住判斷光電開關505，由此判斷紙帶已收緊。此時垂直運動電機511向下運動使紙帶壓緊裝置510將紙帶壓緊，然後紙帶收放電機501轉動放鬆紙帶，支撐輪503向外側移動回到原位，其背部擋板504離開判斷光電開關505，由此判斷紙帶已放鬆。最後由橫向運動電機513配合滑軌514帶動整體橫向運動裝置以及紙帶在粒子收集口與β射線檢測窗口往返運動，β射線檢測窗口處紙帶移動粒子收集口處進行採樣，採樣完成後紙帶移動回β射線檢測窗口處進行檢測，紙帶精確定位通過與粒子收集口中心同軸的限位光電開關和與β射線檢測窗口中心同軸的限位光電開關來實現。本發明的β射線大氣顆粒物監測儀的監測方法如下流量控制系統由流量傳感器10、自動節流閥11和真空泵12組成，並有主控電路14進行控制。其中自動節流閥11由減速電機和節流閥組成，並通過連軸器將減速電機軸與節流閥調節軸連接，由電機軸轉動帶動節流閥開孔量的調節從而實現流量調節。流量控制系統採用累計三秒平均流量體積計算採樣時間內採樣體積，即流量傳感器對氣體流量進行監測，每IOms記錄一次瞬時流量值,並對3s內記錄的流量值進行算術平均值與時間3s相乘獲得3s內採樣體積Q3s，在Ih採樣時間內記錄每3s的採樣體積Q3s進行累加獲得採樣時間內總採樣體積Q，總採樣體積Q作為PM2. 5、PMlO質量濃度計算參數。在粒子進樣管路上配有一套粒子除溼和控制裝置包括兩個溼度傳感器16，一個加熱筒4和一個裝有變色矽膠乾燥劑的變色矽膠筒3，變色矽膠和加熱同時實現除溼功能。溼度傳感器16監測經過除溼裝置前的空氣溼度即環境溼度和經過除溼裝置後的空氣溼度，因為空氣中揮發性有機物也是我們檢測的目標，而其在受熱後容易揮發而損失，因此在通常狀態下儀器不進行加熱，只由變色矽膠乾燥劑實現粒子除溼。在相對溼度為50%時，乾燥劑吸溼度彡28%，在相對溼度為80%時，乾燥劑吸溼度彡25%,由於溼度在40%以上時會嚴重影響PM2. 5檢測結果，因此除溼後的溼度大於30% 40%時，加熱裝置開始加熱實現動態加熱控制；由於變色矽膠隨著吸收水汽得增多會使吸溼能力下降，因此當環境溼度減去除溼後溼度大於10%時，可判定變色矽膠筒處於失效狀態，此時加熱裝置開始加熱，一方面實現除溼功能，另一方面對變色矽膠進行除溼完成變色矽膠的自修復。上面所述的實施例僅僅是對本發明的優選實施方式進行描述，並非對本發明的範圍進行限定，在不脫離本發明設計精神前提下，本領域普通工程技術人員對本發明技術方案做出的各種變形和改進，均應落入本發明的權利要求書確定的保護範圍內。
權利要求
1.一種β射線大氣顆粒物監測儀，其特徵在於包括旋風式採樣頭，位於旋風式採樣頭下方的除溼裝置，位於除溼裝置下方的粒子收集孔，用於移動紙帶的紙帶傳動裝置，位於除溼裝置和紙帶下方的流量傳感器，所述流量傳感器連接自動節流閥，所述自動節流閥連接真空泵；所述流量傳感器連接主控電路，所述除溼裝置一側設有C14放射源，所述C14放射源和紙帶下方設有β射線探測器；所述β射線探測器連接信號處理電路，所述信號處理電路連接主控電路，所述主控電路還連接顯示器、除溼裝置和紙帶傳動裝置。
2.根據權利要求I所述的β射線大氣顆粒物監測儀，其特徵在於所述除溼裝置的上方和下方各設有一個溼度傳感器，所述溼度傳感器與主控電路相連。
3.根據權利要求I所述的β射線大氣顆粒物監測儀，其特徵在於所述除溼裝置包括一個加熱筒和一個裝有變色娃膠乾燥劑的變色娃膠筒。
4.根據權利要求I 3任一所述的β射線大氣顆粒物監測儀，其特徵在於所述紙帶傳動裝置包括兩個收放紙帶電機、兩個垂直電機、一個橫向電機、滑軌，所述垂直電機連接有壓緊裝置，所述滑軌上設有兩個限位光電開關，所述橫向電機連接兩個支撐輪，所述支撐輪上設有擋板，擋板上設有判斷光電開關。
5.根據權利要求I 4任一所述的β射線大氣顆粒物監測儀的監測方法，其特徵在於所述流量控制系統採用累計三秒平均流量體積計算採樣時間內採樣體積，即流量傳感器對氣體流量進行監測，每IOms記錄一次瞬時流量值，並對3s內記錄的流量值進行算術平均值與時間3s相乘獲得3s內採樣體積，在Ih採樣時間內記錄每3s的採樣體積進行累加獲得採樣時間內總採樣體積，將總採樣體積作為PM2. 5、PMlO質量濃度計算參數。
6.根據權利要求5所述的β射線大氣顆粒物監測儀的監測方法，其特徵在於採用溼度傳感器監測經過除溼裝置前的空氣溼度即環境溼度，和經過除溼裝置後的空氣溼度，當除溼後的溼度大於30% 40%時，加熱裝置開始加熱實現動態加熱控制；或當環境溼度減去除溼後的溼度大於10%時，判定變色矽膠筒處於失效狀態，加熱裝置開始加熱。
全文摘要
本發明提供了一種監測效率高、監測精度高的β射線大氣顆粒物監測儀及其監測方法。本發明的β射線大氣顆粒物監測儀，包括旋風式採樣頭，位於旋風式採樣頭下方的除溼裝置，位於除溼裝置下方的粒子收集孔，用於移動紙帶的紙帶傳動裝置，位於除溼裝置和紙帶下方的流量傳感器，所述流量傳感器連接自動節流閥，所述自動節流閥連接真空泵；所述流量傳感器連接主控電路，所述除溼裝置一側設有C14放射源，所述C14放射源和紙帶下方設有β射線探測器；所述β射線探測器連接信號處理電路，所述信號處理電路連接主控電路，所述主控電路還連接顯示器、除溼裝置和紙帶傳動裝置。
文檔編號G01N15/06GK102841044SQ20121033348
公開日2012年12月26日 申請日期2012年9月11日 優先權日2012年9月11日
發明者劉毅, 劉航, 寧海波, 劉強, 張曉清, 呂雲峰 申請人:北京滙豐隆生物科技發展有限公司