專利名稱：一種在線檢測(cè)大氣顆粒物濃度的方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種借助于測(cè)定材料的化學(xué)或物理性質(zhì)來測(cè)試或分析材料的方法，更具體地說是涉及一種在線檢測(cè)大氣顆粒物濃度的方法及其裝置。
背景技術(shù)：
目前，國內(nèi)對(duì)于大氣顆粒物濃度的在線監(jiān)測(cè)研究仍是空白，采用的是離線稱重法來測(cè)量大氣顆粒物濃度。所謂離線稱重法，以PM10為例，用帶有入口切割粒徑D50＝(10±1)μm、δg＝1.5±0.1的空氣采樣器和重量法結(jié)合測(cè)定。采樣器常用的有沖擊式和旋風(fēng)式兩種，前者可安裝在大、中、小流量采樣器上，而后者主要是用于小流量個(gè)體采樣器上。小流量采樣-重量法原理是利用二段沖擊式采樣器，在規(guī)定流量下采樣，空氣中的懸浮顆粒經(jīng)慣性沖擊分離，將空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑小于30μm(D30＝10μm、幾何標(biāo)準(zhǔn)差δg＝1.5)的顆粒被過濾收集在恒重的濾料上，取下，再稱量。兩次質(zhì)量之差為PM10的質(zhì)量。以采樣標(biāo)準(zhǔn)體積除以增加PM10的量，即得出空氣中PM10質(zhì)量濃度，計(jì)量單位用mg/m3表示。小流量采樣-重量法采用的儀器由PM10采樣器和分析天平組成。PM10采樣器的儀器由分級(jí)采樣器、采樣時(shí)間控制器、恒流抽氣泵和采樣支架等部件配套組成。分級(jí)采樣器對(duì)懸浮顆粒的捕集效率及上截止點(diǎn)30μm。采樣器在規(guī)定流量下，流量穩(wěn)定。使用時(shí)，用皂膜流量計(jì)校準(zhǔn)采樣系列在采樣前和采樣后的流量，流量誤差應(yīng)小于5％。分析天平的感量為0.1mg或0.01mg。濾料選用玻璃纖維濾紙或合成纖維濾膜，直徑由所用的采樣器決定，它需要在干燥器中平衡24h，稱量至恒量(W1)。采樣時(shí)，將恒重的濾料，毛面向上，平置于采樣夾中，按采樣器說明書操作，在采樣器規(guī)定的流量下，采氣8～24h。記錄采樣時(shí)溫度和大氣壓力。采樣后，小心取下采樣濾料，塵面向里對(duì)折，放于清潔紙袋中，再放于樣品盒內(nèi)保存待用。將采過樣的濾料，置于干燥器中平衡24h稱量至質(zhì)量恒定(W2)。采樣前和后的濾料稱量結(jié)果之差，即為PM10質(zhì)量。稱量后，將樣品濾料低溫保存，作顆粒物成分分析用。計(jì)算式為c＝(W1-W2)×1000/Vo；式中c是空氣中PM10質(zhì)量濃度，單位為mg/m3；W2是采樣后濾料質(zhì)量，單位為g；W1是采樣前濾料質(zhì)量，單位為g；Vo是換算成標(biāo)準(zhǔn)狀況下的采樣體積，單位為m3。注意其中的濾料稱量分析的質(zhì)量控制在已平衡稱量的濾料中，隨機(jī)取4～5張濾料反復(fù)平衡稱量10次以上，求出各張濾料的平均質(zhì)量，作為稱量質(zhì)量控制的“標(biāo)準(zhǔn)濾料”。每次稱量清潔樣品或?yàn)V料時(shí)，“標(biāo)準(zhǔn)濾料”的質(zhì)量超過平均質(zhì)量的±0.45mg時(shí)，應(yīng)重新平衡后，再稱量或?qū)μ炱竭M(jìn)行調(diào)整校準(zhǔn)。每次采樣前還應(yīng)認(rèn)真清潔分級(jí)采樣頭的內(nèi)外表面和分級(jí)噴嘴，安裝時(shí)應(yīng)防止漏氣和壓損濾料。這種大氣顆粒物濃度分析方法步驟復(fù)雜且準(zhǔn)確度低，而國外對(duì)大氣顆粒物濃度的監(jiān)測(cè)已經(jīng)達(dá)到在線測(cè)量的水平，但具體利用何種原理進(jìn)行測(cè)量以及測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)尚未可知。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述問題，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種在線監(jiān)測(cè)大氣顆粒物濃度的方法以及供該方法使用的裝置以替代原有的離線監(jiān)測(cè)大氣顆粒物濃度的方法，從而提高大氣顆粒物濃度測(cè)量的自動(dòng)化程度和測(cè)量精度，使得測(cè)量大氣顆粒物濃度的工作更為省時(shí)省力。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案一種在線檢測(cè)大氣顆粒物濃度的方法，由以下操作組成使體積為V的空氣流通過一個(gè)質(zhì)量為W1、振動(dòng)頻率為f1的大氣顆粒物濃度振動(dòng)測(cè)量裝置，大氣中的顆粒物被所述裝置收集；檢測(cè)所述裝置在收集大氣顆粒物之后的振動(dòng)頻率f2，并根據(jù)所述裝置振動(dòng)頻率和質(zhì)量的對(duì)應(yīng)關(guān)系計(jì)算出裝置加收集的大氣顆粒物的總質(zhì)量W2；大氣顆粒物的濃度c=W2-W1V×100%.]]>
一種大氣顆粒物濃度振動(dòng)測(cè)量裝置，由大氣顆粒物收集器、激振器、拾振器和轉(zhuǎn)換放大器組成；所述大氣顆粒物收集器在頂部置有空氣管道，該空氣管道的一端伸入到振動(dòng)簡(jiǎn)，空氣管道與振動(dòng)筒無剛性連接，振動(dòng)筒的內(nèi)部置有帶透氣孔的擱板、其表面設(shè)有通氣孔，擱板的上方置有濾紙、下方連接振動(dòng)裝置；所述激振器連接大氣顆粒物收集器的振動(dòng)筒，并將振動(dòng)的頻率輸出到拾振器；所述拾振器將檢測(cè)到的頻率信號(hào)輸出到轉(zhuǎn)換放大器，所述轉(zhuǎn)換放大器將該頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換、放大為電信號(hào)。
所述擱板下方連接的振動(dòng)裝置上端是膜片彈簧、下端是帶可調(diào)氣阻尼孔的膜盒，該膜盒通過支撐桿與整個(gè)裝置的基座相連，所述振動(dòng)筒設(shè)在導(dǎo)向筒中。
本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明是一種在線監(jiān)測(cè)大氣顆粒物濃度的方法，提高了自動(dòng)化程度，避免了以往離線檢測(cè)方法需要將樣本帶回實(shí)驗(yàn)室稱重測(cè)量的麻煩，省時(shí)省力，并且由于避免了將采樣品帶回實(shí)驗(yàn)室的路程中顆粒物的損失，提高了測(cè)量的精度。


圖1是所述大氣顆粒物濃度測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)描述一種在線檢測(cè)大氣顆粒物濃度的方法，由以下操作組成使體積為V的空氣流通過一個(gè)質(zhì)量為W1、振動(dòng)頻率為f1的大氣顆粒物濃度振動(dòng)測(cè)量裝置，大氣中的顆粒物被所述裝置收集；檢測(cè)所述裝置在收集大氣顆粒物之后的振動(dòng)頻率f2，并根據(jù)所述裝置振動(dòng)頻率和質(zhì)量的對(duì)應(yīng)關(guān)系計(jì)算出裝置加收集的大氣顆粒物的總質(zhì)量W2；大氣顆粒物的濃度c=W2-W1V×100%.]]>如圖1所示，一種大氣顆粒物濃度振動(dòng)測(cè)量裝置由大氣顆粒物收集器18、激振器9、拾振器11和轉(zhuǎn)換放大器13組成；所述大氣顆粒物收集器18在頂部置有空氣管道1，該空氣管道1的一端伸入到振動(dòng)筒2，且與振動(dòng)筒2無剛性連接，振動(dòng)筒2的內(nèi)部置有帶透氣孔4的擱板5，擱板5的上方置有濾紙3、下方連接振動(dòng)裝置；所述激振器9連接大氣顆粒物收集器18的振動(dòng)筒2，并將振動(dòng)的頻率輸出到拾振器11；所述拾振器11將檢測(cè)到的頻率信號(hào)輸出到轉(zhuǎn)換放大器13，所述轉(zhuǎn)換放大器13將該頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換、放大為電信號(hào)，再通過一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化電路14將信號(hào)輸出到數(shù)據(jù)處理裝置。所述擱板5下方連接的振動(dòng)裝置上端是膜片彈簧7、下端是帶氣阻尼的膜盒8，該帶氣阻尼的膜盒8通過支撐桿15與整個(gè)裝置的基座相連，其底部置有可調(diào)氣阻尼孔10。所述振動(dòng)筒2設(shè)在導(dǎo)向筒17中，導(dǎo)向筒17的表面設(shè)有通氣孔(16)。所述擱板5通過連桿6連接膜片彈簧7。
測(cè)量時(shí)，首先將一定量的空氣通過空氣管道1進(jìn)入振動(dòng)筒2內(nèi)，空氣通過濾紙3和透氣孔4，空氣中所夾帶的顆粒物便被阻隔而留在濾紙3上。振動(dòng)筒2的底部有一連桿6連接一振動(dòng)系統(tǒng)(彈簧-阻尼裝置)，另外激振器9連于基座上。當(dāng)激振器9以一固有頻率起振，帶動(dòng)振動(dòng)筒2一起振動(dòng)，整個(gè)大氣顆粒物收集器18的有效質(zhì)量將對(duì)應(yīng)一個(gè)拾振器11的頻率輸出(當(dāng)濾紙上的顆粒物質(zhì)量改變，則整個(gè)大氣顆粒物收集器18的有效質(zhì)量也改變，對(duì)應(yīng)其振動(dòng)的位移，速度，加速度都將不同，那么拾振器11輸出的也將是不同的頻率)。拾振器輸出的頻率信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)換放大器13轉(zhuǎn)換、放大，再由標(biāo)準(zhǔn)化電路14將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)4～20mA電流信號(hào)輸出到處理器進(jìn)行處理。整個(gè)振動(dòng)測(cè)量裝置可以等效為一個(gè)機(jī)械的彈簧、質(zhì)量、阻尼的二階強(qiáng)迫振蕩系統(tǒng)。在一個(gè)二階系統(tǒng)中，它有一個(gè)固有振動(dòng)角頻率ω0和阻尼比ζ，可以分別由下列公式給出ω0=k/m]]>ζ=C/2km]]>式中k-彈簧剛度、m-有效振動(dòng)質(zhì)量、C-阻尼系數(shù)。
在這個(gè)設(shè)計(jì)中，我們需要借助于頻率與質(zhì)量的關(guān)系。當(dāng)振動(dòng)的有效質(zhì)量增加，振動(dòng)的固有頻率就下降。顯然，隨著濾紙上的顆粒物收集程度的不同，振動(dòng)的有效質(zhì)量就改變，這樣將得到不同的系統(tǒng)固有振動(dòng)頻率。檢測(cè)出系統(tǒng)的固有振動(dòng)頻率值，就可以確定被測(cè)的濾紙及其上面顆粒物的總質(zhì)量(W2)了。而濾紙的質(zhì)量事先已稱量好并被記錄下來(W1)，則顆粒物的質(zhì)量為(W2-W1)，顆粒物的濃度c=W2-W1V×100%.]]>空氣流進(jìn)入干燥箱中的圓筒后，大氣中的顆粒物由于濾紙的阻隔而被集中在濾紙表面上，其余空氣經(jīng)圓筒底部的透氣孔流出。激振器固定于基座上，激振器以一個(gè)接近于原有固有頻率的頻率起振，給系統(tǒng)一個(gè)穩(wěn)態(tài)激振輸入，圓筒(振動(dòng)筒)帶著濾紙一塊振動(dòng)，由于濾紙上的顆粒物質(zhì)量變化不會(huì)很大，所以整個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)接近諧振，輸出振幅最大(最大的位移y)，這樣就得到了對(duì)應(yīng)最大位移的速度v和加速度a，這些量由拾振器檢測(cè)出來經(jīng)過一些處理得到頻率輸出信號(hào)。分析步驟第一步估算有效振動(dòng)質(zhì)量M。M即為附圖中濾紙加上圓椎體振動(dòng)筒(包括擱板)的質(zhì)量。
第二步查閱相關(guān)彈性元件手冊(cè)，先假設(shè)K的值。(彈性元件有很多種，包括片簧、平面渦卷簧、螺旋彈簧、壓力彈簧管、波紋管、膜片等。假設(shè)我們選用膜片式彈簧，并假設(shè)彈簧剛度系數(shù)K＝1000000N/m)。
第三步假設(shè)相對(duì)阻尼系數(shù)ζ＝0.7(經(jīng)驗(yàn)證明0.7時(shí)是系統(tǒng)靈敏度最高的時(shí)候)。
第四步計(jì)算出阻尼系數(shù)C。
阻尼系數(shù)C=2ζKM]]>第五步將所確定的幾個(gè)常數(shù)代入計(jì)算公式，推導(dǎo)出f與m之間的函數(shù)關(guān)系式。
ω=KM=1000000M]]>∴f=ω2π=KM2π=K2πM=10000002πM≈159.1549M]]>第六步根據(jù)函數(shù)關(guān)系式繼續(xù)推導(dǎo)出頻率變化Δf與質(zhì)量變化Δm之間的關(guān)系。
Δω=|1000000M+Δm-1000000M|]]>Δf=|100000002πM+Δm-10000002πM|]]>經(jīng)泰勒級(jí)數(shù)展開后化為Δf=-12Δm(M+Δm)3/2]]>M為初始系統(tǒng)有效質(zhì)量(即Δm＝0時(shí))；當(dāng)M□Δm時(shí)，Δf與Δm近似呈線性關(guān)系。這樣我們就通過檢測(cè)頻率的變化檢測(cè)出了質(zhì)量的變化，那么就可以方便的求得大氣顆粒物的濃度了。
以上所述內(nèi)容僅為本發(fā)明構(gòu)思下的基本說明，而依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案所作的任何等效變換，均應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種在線檢測(cè)大氣顆粒物濃度的方法，其特征是，它由以下操作組成使體積為V的空氣流通過一個(gè)質(zhì)量為W1、振動(dòng)頻率為f1的大氣顆粒物濃度振動(dòng)測(cè)量裝置，大氣中的顆粒物被所述裝置收集；檢測(cè)所述裝置在收集大氣顆粒物之后的振動(dòng)頻率f2，并根據(jù)所述裝置振動(dòng)頻率和質(zhì)量的對(duì)應(yīng)關(guān)系計(jì)算出裝置加收集的大氣顆粒物的總質(zhì)量W2；大氣顆粒物的濃度c=W2-W1V×100%.]]>
2.一種用于權(quán)利要求1所述方法的大氣顆粒物濃度振動(dòng)測(cè)量裝置，其特征是，它由大氣顆粒物收集器(18)、激振器(9)、拾振器(11)和轉(zhuǎn)換放大器(13)組成；所述大氣顆粒物收集器(18)在頂部置有空氣管道(1)，該空氣管道(1)的一端伸入到振動(dòng)筒(2)，且與振動(dòng)筒(2)無剛性連接，振動(dòng)筒(2)的內(nèi)部置有帶透氣孔(4)的擱板(5)，擱板(5)的上方置有濾紙(3)、下方連接振動(dòng)裝置；所述激振器(9)連接大氣顆粒物收集器(18)的振動(dòng)筒(2)，并將振動(dòng)的頻率輸出到拾振器(11)；所述拾振器(11)將檢測(cè)到的頻率信號(hào)輸出到轉(zhuǎn)換放大器(13)，所述轉(zhuǎn)換放大器(13)將該頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換、放大為電信號(hào)。
3.一種權(quán)利要求2所述大氣顆粒物濃度振動(dòng)測(cè)量裝置，其特征是所述擱板(5)下方連接膜盒(8)，所述膜盒(8)的上端是膜片彈簧(7)、下端是帶可調(diào)氣阻尼孔(10)的平板，該帶膜片彈簧(7)和氣阻尼孔(10)的膜盒(8)通過支撐桿(15)與整個(gè)裝置的基座相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述大氣顆粒物濃度振動(dòng)測(cè)量裝置，其特征是所述振動(dòng)筒(2)設(shè)在導(dǎo)向筒(17)中、導(dǎo)向筒(17)表面設(shè)有通氣孔(16)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種在線檢測(cè)大氣顆粒物濃度的方法及實(shí)現(xiàn)該方法的裝置，所述方法是使體積為V的空氣流通過一個(gè)質(zhì)量為W1、振動(dòng)頻率為f1的大氣顆粒物濃度振動(dòng)測(cè)量裝置，大氣中的顆粒物被所述裝置收集；檢測(cè)所述裝置在收集大氣顆粒物之后的振動(dòng)頻率f2，并根據(jù)所述裝置振動(dòng)頻率和質(zhì)量的對(duì)應(yīng)關(guān)系計(jì)算出裝置加收集的大氣顆粒物的總質(zhì)量W2；大氣顆粒物的濃度
文檔編號(hào)G01N9/02GK1715864SQ20051002718
公開日2006年1月4日 申請(qǐng)日期2005年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月28日
發(fā)明者李佳穎, 應(yīng)啟戛 申請(qǐng)人:上海理工大學(xué)