一种颗粒物浓度检测装置及检测方法与流程

本发明涉及一种颗粒物浓度检测装置及检测方法。

背景技术：

近年来，我国多地出现雾霾天气，给人们的日常工作生活带来不便，同时危害着人们的身体健康。而空气中微小颗粒物污染是导致灰霾天气的主要原因，同时对人体的健康也会造成影响。因此空气中颗粒物浓度是判断空气质量的重要标准之一。

目前，我国对颗粒物浓度的监测主要检测PM10和PM2.5，PM10为小于或者等于10μm颗粒物，PM2.5为小于或者等于2.5μm颗粒物。测定方法可分为手动监测法和自动监测法。自动监测法由于操作简单，便于实现，可以自动监测，成为监测站应用最为广泛的监测方法。其中β射线吸收法是被公认的标准方法。

β射线吸收原理：β射线是高速电子流，穿过一定厚度的物质后，射线部分被吸收，其强度随之衰减。强度衰减的多少只与被穿透物质的质量有关，而与该物质其他性质（如颗粒物的分散度、形状、颜色、光泽）无关。

由于我国的颗粒物系统性监测较发达国家起步晚，相关的检测技术和仪器设备较为滞后。而我国地域广阔，对监测仪器的需求较大。国外的监测设备虽然能够监测空气中的颗粒物浓度，但设备较为复杂且价格高昂，而国内的监测设备的检测结果准确性有限，难以满足要求。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单、成本低廉、检测准确性、可靠性高的颗粒物浓度检测装置。

另一目的是提供一种使用所述颗粒物浓度检测装置对空气中的颗粒物进行检测的检测方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的一种技术方案是：一种颗粒物浓度检测装置，包括依次连接的空气颗粒物切割器、传感器组件和吸气泵。所述空气颗粒物切割器设置在待检测的空气环境中且其进口与空气连通。所述传感器组件包括用于检测颗粒物浓度的腔室、β射线放射源、β射线探测器和滤纸带。所述腔室的上部和下部依次形成进气口和出气口，所述进气口通过进气管与空气颗粒物切割器相连，所述出气口通过出气管与吸气泵相连。所述滤纸带平铺在所述腔室内并能将空气流经的通道封住，所述β射线放射源和β射线探测器分设在滤纸带的两侧。当吸气泵工作时，待检测的空气经所述进口进入空气颗粒物切割器中，空气颗粒物切割器将空气中的部分颗粒物分离出去，剩余的颗粒物随空气流动进入传感器组件的腔室中。空气在腔室中流通并穿过滤纸带后被吸气泵吸出，空气中剩余的颗粒物被滤纸带捕获并在滤纸带上形成积尘粉斑。所述β射线放射源能够发射出β射线，所述β射线探测器能够实时测量穿过滤纸带的β射线强度进而获得待检测空气的颗粒物质量浓度。

一种优选的，所述空气颗粒物切割器为PM10切割器，所述PM10切割器能够将大于10μm的颗粒物从空气中分离出来，小于等于10μm的颗粒物随空气从PM10切割器流出，所述传感器组件能够检测空气的PM10浓度。

另一种优选的，所述空气颗粒物切割器为PM2.5切割器，所述PM2.5切割器能够将大于2.5μm的颗粒物从空气中分离出来，小于等于2.5μm的颗粒物随空气从PM2.5切割器流出，所述传感器组件能够检测空气的PM2.5浓度。

进一步的，所述空气颗粒物切割器和传感器组件之间的气路中还设置有加热除湿器，所述加热除湿器能够对流经的空气进行加热并去除空气中的水气。

进一步的，所述传感器组件包括滤纸带夹紧密封机构，所述滤纸带夹紧密封机构包括上夹具和下夹具，所述腔室包括开设在上夹具内的上腔室和开设在下夹具内的下腔室，所述上夹具位于滤纸带的上方，所述进气口开设在上夹具上且与上腔室连通，所述上腔室在上夹具的下部形成下开口，所述下夹具位于滤纸带的下方，所述出气口开设在下夹具上且与下腔室连通，所述下腔室在下夹具的上部形成上开口，所述下夹具的上部具有能够托住滤纸带的上端平面，所述滤纸带平置在所述上端平面并将所述上开口封盖，所述下夹具能够上下移动，所述滤纸带夹紧密封机构具有夹紧和松开状态，当所述滤纸带夹紧密封机构处于夹紧状态时，所述下夹具向上移动并托住滤纸带向上移动使滤纸带抵在上夹具的下部，所述上夹具和下夹具将滤纸带夹紧，所述滤纸带将所述下开口和上开口同时封住，此时进入上腔室的空气穿过滤纸带才能进入下腔室并排出；当所述滤纸带夹紧密封机构处于松开状态时，所述下夹具向下移动并托住滤纸带向下移动使滤纸带被松开。

具体的，所述传感器组件还包括能够驱动下夹具上下移动的凸轮机构，所述凸轮机构包括与下夹具配合联动的凸轮，所述凸轮转动能够带动下夹具上下移动。

进一步的，所述颗粒物浓度检测装置还包括滤纸带传送机构，所述滤纸带传送机构能够在滤纸带夹紧密封机构处于松开状态时，将滤纸带沿左右方向传送。

具体的，所述滤纸带传送机构包括送纸卷轮、收纸卷轮、预紧摆轮和预紧轮，所述送纸卷轮和收纸卷轮分设在传感器组件的左右两侧，所述滤纸带卷绕在送纸卷轮上，所述滤纸带自送纸卷轮上拉出穿过传感器组件后绕制在收纸卷轮上，所述预紧摆轮通过弹簧压抵在送纸卷轮附近的滤纸带上，所述预紧轮压抵在收纸卷轮附近的滤纸带上，所述预紧摆轮和预紧轮能够将滤纸带拉紧在送纸卷轮和收纸卷轮之间，所述送纸卷轮和收纸卷轮依次转动能够将滤纸带送入和送出传感器组件。

优选的，所述传感器组件内具有多个腔室，所述滤纸带依次穿过所述的多个腔室，每个腔室对应设置有一β射线放射源和一β射线探测器，所述颗粒物浓度检测装置具有多个检测通道，所述的多个检测通道能够检测多种粒径的颗粒物浓度，每个检测通道包括一个或多个空气颗粒物切割器、传感器组件的一腔室、滤纸带、与所述腔室对应的β射线放射源和β射线探测器，所述腔室的进气口与对应的空气颗粒物切割器连接，所述吸气泵分别与每个腔室的出气口相连。

一种颗粒物浓度的检测方法，其采用上述的颗粒物浓度检测装置进行空气中颗粒物浓度的检测，具体包括如下步骤：

1）驱动送纸卷轮转动向传感器组件中送入洁净的滤纸带；

2）驱动收纸卷轮转动从传感器组件中将使用过的滤纸带部分拉出并将送纸卷轮送入传感器组件的洁净的滤纸带在传感器组件内拉平；

3）驱动下夹具向上移动使托在下夹具上的洁净的滤纸带抵在上夹具的下部，所述滤纸带被夹紧；

4）记录大气压力P和空气温度T，打开β射线放射源和β射线探测器，在t_s时间内持续记录β射线探测器检测的β射线放射源穿过洁净的滤纸带的β射线强度n1；

5）打开吸气泵，吸气泵抽气，开始采样，空气自空气颗粒物切割器的进口进入空气颗粒物切割器，然后进入传感器组件中，依次穿过上腔室、滤纸带和下腔室并被吸气泵吸出，所述空气中的颗粒物被滤纸带捕获，经过t时间采样结束，记录t时间内穿过滤纸带的空气体积V；

6）采样结束后，在t_s时间内持续记录β射线探测器检测的β射线放射源穿过滤纸带的β射线强度n2；

7）根据滤纸带上积尘粉斑的面积s计算并记录滤纸带在采样前后的质量变化Δm；

8）根据空气体积V和采样前后滤纸带的质量变化Δm计算获得空气的颗粒物浓度值C。

以上所涉及到的左右上下等方位词，是在所述颗粒物浓度检测装置的正常使用时的方位作定义的。

本发明的范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的（但不限于）具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案等。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：采用空气颗粒物切割器进行空气中不同粒径颗粒物的分离，能够方便后续针对确定的粒径颗粒物浓度的检测，采用β射线放射源和β射线探测器进行检测，适用性好。本发明所述的颗粒物浓度检测装置结构简单，成本低廉。能够完全实现自动检测，检测结果的准确性、可靠性和精度都很高，能够满足现有的空气检测需求。

附图说明

图1为本发明颗粒物浓度检测装置实施例一的结构示意图；

图2为实施例一中传感器组件主视方向的局部剖视图；

图3为实施例一中传感器组件左视方向的局部剖视图；

图4为传感器组件检测时的立体示意图；

图5为传感器组件检测时的主视图；

图6为传感器组件检测时的俯视图；

图7为本发明颗粒物浓度检测装置实施例一的结构示意图；

其中：1、空气颗粒物切割器；2、传感器组件；3、吸气泵；4、进气管；5、出气管；6、加热除湿器；7、上夹具；8、下夹具；9、凸轮；11、PM10切割器；12、PM2.5切割器；21、腔室；22、β射线放射源；23、β射线探测器；24、滤纸带；71、进气口；72、下开口；81、出气口；82、上开口；83、上端平面；100、积尘粉斑；101、送纸卷轮；102、收纸卷轮；103、预紧摆轮；104、预紧轮；200、屋顶；211、上腔室；212、下腔室。

具体实施方式

如图1至图6所示，实施例一：

本发明所述的一种颗粒物浓度检测装置，包括依次连接的空气颗粒物切割器1、加热除湿器6、传感器组件2、吸气泵3和滤纸带传送机构。

本实施例中，所述空气颗粒物切割器1为PM10切割器11。所述PM10切割器能够将大于10μm的颗粒物从空气中分离出来，小于等于10μm的颗粒物随空气从PM10切割器11流出。下面具体的以冲击型的PM10切割器说明PM10切割器的工作原理：PM10切割器内有PM10冲击孔板，当空气以一定速率通过所述PM10切割器内的PM10冲击孔板，由于颗粒物的粒径大小不同。其运动惯量也不同，粒径小于10μm的颗粒物,由于惯性的原因，被PM10圆形滤膜收集下来，这样小于10μm的颗粒物就通过PM10切割器进入后续的气路中。

所述空气颗粒物切割器1设置在监测站的屋顶200外的空气环境中且其进口与空气连通。所述空气颗粒物切割器1、加热除湿器6和传感器组件2依次通过进气管4连接。除空气颗粒物切割器1设置在监测站外，所述颗粒物浓度检测装置的其他部件均设置在监测站内。所述进气管4自空气颗粒物切割器1处向下延伸穿过屋顶200与加热除湿器6连接。所述加热除湿器6能够对流经的空气进行加热并去除空气中的水气。这样在空气进入传感器组件2之前能够保持干燥以及获得足够的工作温度。

所述传感器组件2包括β射线放射源22、β射线探测器23、滤纸带24和滤纸带夹紧密封机构。

所述滤纸带夹紧密封机构包括上夹具7和下夹具8。所述上夹具7位于滤纸带24的上方，所述下夹具8位于滤纸带24的下方。所述上夹具7上开设有上腔室211，所述下夹具8内开设有下腔室212。所述上腔室211在上夹具7的下部形成下开口72，所述下腔室212在下夹具8的上部形成上开口82。所述下开口72和上开口82相对连通使所述上腔室211和下腔室212构成用于检测颗粒物浓度的腔室21。

所述上夹具7的上部开设有与上腔室211连通的进气口71，所述下夹具8的下部开设有与下腔室212连通的出气口81。所述进气口71通过进气管4与空气颗粒物切割器1相连，所述出气口81通过出气管5与吸气泵3相连。

所述滤纸带23夹在上夹具7和下夹具8之间并能够将下开口72和上开口82封住。具体地说，所述下夹具8的上部具有能够托住滤纸带24的上端平面83，所述滤纸带24平置在所述上端平面83并将所述上开口82封盖。所述下夹具8与一传动机构相互连接，驱动传动机构运动能够带动下夹具8上下移动。由于凸轮机构的结构相对简单，本实施例中采用的传动机构为凸轮机构。所述凸轮机构包括与下夹具8配合联动的凸轮9，所述凸轮9转动能够带动下夹具8上下移动。当然，传动机构还可以选择其他类型的结构以满足下夹具8上下稳定地移动的需求。

所述滤纸带夹紧密封机构具有夹紧和松开状态。当所述滤纸带夹紧密封机构处于夹紧状态时，所述下夹具8向上移动并托住滤纸带24向上移动使滤纸带24抵在上夹具7的下部，所述上夹具7和下夹具8将滤纸带24夹紧，所述滤纸带24将所述下开口72和上开口82同时封住，此时进入上腔室211的空气穿过滤纸带24才能进入下腔室212并自出气口81排出。当所述滤纸带夹紧密封机构处于松开状态时，所述下夹具8向下移动并托住滤纸带24向下移动使滤纸带24与上夹具7分离松开。本发明仅能在滤纸带夹紧密封机构处于夹紧状态下才能进行颗粒物浓度的检测工作。

所述β射线放射源22和β射线探测器23分设在滤纸带24的两侧。本实施例中，所述β射线放射源22通过夹具安装在下腔室212内且β射线放射源22发射的β射线自上开口82射出。所述β射线探测器23安装在上夹具7上部并穿入上腔室211中对准下开口72的方向。所述β射线探测器23能够实时测量穿过滤纸带24的β射线强度。

所述滤纸带传送机构能够在滤纸带夹紧密封机构处于松开状态时，将滤纸带24沿左右方向传送。所述滤纸带传送机构的作用就是将颗粒物浓度检测装置检测工作使用过的滤纸带送出传感器组件2并将新的洁净的滤纸带送入传感器组件2以等待后次的检测操作。

所述滤纸带传送机构包括送纸卷轮101、收纸卷轮102、预紧摆轮103和预紧轮104。所述送纸卷轮101和收纸卷轮102分设在传感器组件2的左右两侧。洁净的滤纸带24卷绕在送纸卷轮101上，所述滤纸带24自送纸卷轮101上拉出穿过传感器组件2中上夹具7和下夹具8之间的空间后绕制在收纸卷轮102上。所述预紧摆轮103通过弹簧压抵在送纸卷轮101附近的滤纸带24上，所述预紧轮104压抵在收纸卷轮102附近的滤纸带24上。所述预紧摆轮103和预紧轮104能够将滤纸带24拉紧在送纸卷轮101和收纸卷轮102之间。所述送纸卷轮101和收纸卷轮102依次转动能够将滤纸带24送入和送出传感器组件2。

所述空气颗粒物切割器1、进气管4、腔室21、出气管5和吸气泵3构成检测空气的颗粒物浓度的检测通道。在滤纸带夹紧密封机构处于松开状态下，当吸气泵3工作时，待检测的空气经空气颗粒物切割器1的进口进入检测通道中。空气颗粒物切割器1将空气中的粒径大于10μm的颗粒物分离出去，粒径小于等于10μm的颗粒物随空气流动进入传感器组件2的腔室21中，空气在腔室21中流通并穿过滤纸带24后被吸气泵3吸出。空气中径小于等于10μm的颗粒物被滤纸带24捕获并在滤纸带24上形成积尘粉斑100。根据所述β射线探测器23实时测量的穿过滤纸带24的β射线强度能够获得待检测空气的颗粒PM10的质量浓度。

如图1至3所示，采用上述的颗粒物浓度检测装置对空气进行颗粒物浓度的检测方法，具体描述如下：

1）所述颗粒物浓度检测装置在初始状态时，滤纸带夹紧密封机构处于松开状态，此时，驱动送纸卷轮101转动向传感器组件2中送入洁净的滤纸带24，具体地说，送纸卷轮101逆时针转动一定角度，滤纸带24松弛下来，预紧摆轮103在弹簧的作用下向左侧摆动，洁净的滤纸带24被拉出一段等待被送入传感器组件2中；

2）驱动收纸卷轮102逆时针转动从传感器组件2中将使用过的滤纸带24部分拉出并将送纸卷轮101送入传感器组件2的洁净的滤纸带24在传感器组件2内拉平；

3）驱动凸轮机构动作，下夹具8向上移动使托在下夹具8上的洁净的滤纸带24抵在上夹具7的下部，所述滤纸带24被夹紧；

4）记录大气压力P和空气温度T，打开β射线放射源22和β射线探测器23，在t_s时间内持续记录β射线探测器23检测的β射线放射源22穿过洁净的滤纸带24的β射线强度n1；

5）打开吸气泵3，吸气泵3抽气，开始采样，空气自空气颗粒物切割器1的进口进入空气颗粒物切割器1，同时通过加热除湿器6控制进入传感器组件2中的空气湿度和温度，进入传感器组件2的空气依次穿过上腔室211、滤纸带24和下腔室212并被吸气泵3吸出，所述空气中粒径小于等于10μm的颗粒物被滤纸带24捕获，经过t时间采样结束，记录t时间内穿过滤纸带24的空气体积V；

6）采样结束后，在t_s时间内持续记录β射线探测器23检测的β射线放射源22穿过滤纸带24的β射线强度n2；

7）根据滤纸带24上积尘粉斑100的面积s计算并记录滤纸带24在采样前后的质量变化Δm；

8）根据空气体积V和采样前后滤纸带24的质量变化Δm计算获得空气的颗粒物浓度值C。

Δm和颗粒物浓度值C根据下述公式进行计算：

（公式1）；

（公式2）；

其中：k：质量系数；s：积尘粉斑100的面积；q：采样空气的流量；n1：穿过洁净的滤纸带的β射线强度；n2：穿过具有积尘粉斑100的滤纸带的β射线强度；t：采样时间；T：空气温度：p：大气压强。

当然，在上述实施例的基础上，所述空气颗粒物切割器1也能选择为PM2.5切割器，所述PM2.5切割器能够将大于2.5μm的颗粒物从空气中分离出来，小于等于2.5μm的颗粒物随空气从PM2.5切割器流出，所述传感器组件2能够检测空气的PM2.5浓度。

如图7所示，实施例二：

实施例二是在实施例一的基础上进行的改变，即将单源检测改为多源检测。本实施例采用的是双源检测。即实施例二具有两个检测通道。一个用于检测PM10的浓度的第一检测通道，另一个用于检测PM2.5的浓度的第二检测通道。

具体地说，所述传感器组件2内沿左右方向分设有两个腔室21。一个腔室21用于检测PM10的浓度，另一个腔室21用于检测PM2.5的浓度。所述滤纸带24依次穿过所述的两个腔室21。每个腔室21对应设置有一β射线放射源22和一β射线探测器23。每个检测通道包括一个或多个空气颗粒物切割器1、传感器组件2的一腔室21、滤纸带24、与所述腔室21对应的β射线放射源22和β射线探测器23，所述腔室21的进气口71与对应的空气颗粒物切割器1连接，所述吸气泵3分别与每个腔室21的出气口81相连。具体地说，第一检测通道与实施例一一致。第二检测通道中具有两个依次连接的空气颗粒物切割器1，分别为PM10切割器11和PM2.5切割器12，空气依次经PM10切割器11、PM2.5切割器12再进入后续的传感器组件2中。第二检测通道除空气颗粒物切割器1与实施例一的检测通道不同，其余跟实施例一的检测通道一致。两个检测通道共用一吸气泵3。本实施例能够同时检测PM10的浓度和PM2.5的浓度。

由上述的两个实施例可知，本发明所述的颗粒物浓度检测装置结构简单，成本低廉。通过传感器组件2中上夹具7和下夹具8的设置以及滤纸带传送机构的设置，滤纸带24的自动夹紧和传送，能够完全实现自动检测，检测结果的准确性、可靠性和精度都很高，能够满足现有的空气检测需求。

如上所述，我们完全按照本发明的宗旨进行了说明，但本发明并非局限于上述实施例和实施方法。相关技术领域的从业者可在本发明的技术思想许可的范围内进行不同的变化及实施。