专利名称：一种利用压电晶体在线监测大气颗粒物浓度的方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种借助于测量某机构的输出物理量的变化来测定分析大气颗粒物浓度的检 测方法，具体涉及一种利用压电晶体在线监测大气颗粒物浓度的方法及装置。
背景技术：
目前，闥内对于大气颗粒物浓度的在线监测方面的研究仍属于初步阶段，研究的方法为 利用机械弹簧-质量-阻尼系统在线检测出频率差来间接求取大气颗粒物的浓度。这种方法， 以PM10为例，用带有入口切割粒径050= (10±1) ym、 S g=l. 5±0.1的大气颗粒物采样 器和弹簧-质量-阻尼测量法结合测定。采样器常用的有冲击式和旋风式两种，前者可安装在 大、中、小流量采样器上，而后者主要是用于小流量个体采样器上。小流量采样是利用二段 冲击式采样器，在规定流量下采样，空气中的悬浮颗粒物经惯性冲击分离，将空气动力学当 量直径小于30 w m (D30=10 u m、几何标准差S g=l. 5)的颗粒被过滤收集至弹簧-质量-阻尼在 线测量模块。通过该弹簧-质量-阻尼在线测量模块测量出的频率差经过一些数据处理，再除 以该采样对间内的空气流量Q,即得出空气中PM10的质量浓度，计量单位用mg/m'表示。PM10 采样器的仪器由分级采样器、采样时间控制器、恒流抽气泵和采样支架等部件配套组成。分 级采样^对悬浮颗粒的捕集效率及上截止点30um 。采样器在规定流量下，流量稳定。每次 采样前还应认真清洁分级采样头的内外表面和分级喷嘴，安装时应防止漏气和压损滤料。这 种大气颗粒物浓度在线分析方法由于使用偏向机械的结构，所以测量精度还不能达到很高的 要求。而国外对大气颗粒物浓度的监测已经达到在线测量的实际应用水平，但具体利用何种 原理进行测量以及测量装置的结构尚未可知。发明内容针对上述问题，本发明所要解决的技术问题是提供一种测量精度更高的在线监测大气颗 粒物浓度鈎方法以及供该方法使用的装置，克服现有技术使用偏向机械结构在线监测大气颗 粒物浓度的方法所造成的精度低，自动化程度差等缺点，从而提高大气颗粒物浓度测量的自 动化程度顴测霾糖度，使得测量大气颗粒物浓度的工作更为精确和省时省力。为了实稞上述目的，本发明采用的技术方案. 一种利用压电晶体在线监测大气颗粒物浓度的方法，其特征在于首先用高压静电采样器将质量为m的大气颗粒物采集在石英晶体的 表面上，引起晶体振动频率的变化，通过测量差频，依据晶体的频率变化与颗粒物质量所确 定的关系，进行频率/质量转换运算，可测得大气颗粒物的浓度0 0尸2 ^其中附-A/D^ 。一种利賴压电晶体在线监测大气颗粒物浓度的装置，包括有可移动箱体、大气颗粒物采 样器、管道、气室壳体、流量计、针阀、抽气泵、混频器、整形放大电路模块、频率/质量转换运算器及浓度计箅器组成；在可移动箱体外，大气颗粒物采样器与管道连接，其特征在于-在可移动箱体内设置有气室壳体，气室壳体内分为两个腔室测量气室和补偿气室，与大气 颗粒物采样器连接的管道另一端伸入到测量气室入气口 ，补偿气室出气口连接有气体出口管， 测量气室内敏置两面镀有电极的测量晶体，同时在测量气室内的入气口即测量晶体的下方放 置一高压放电针；高压放电针与测量晶体一同构成静电采样器；高压电源的正、负极分别与 测量晶体的下表面电极和高压放电针相连；高压控制模块与高压电源连接，测量晶体与测量 振荡线路连接从而构成测量晶振；补偿气室内放置有两面镀有电极的补偿晶体，补偿晶体与 补偿振荡线路连接从而构成补偿晶振；补偿气室气体出口管道上连接有短管，短管依次与流 量计和浓度计算器连接；管道出口端依次与针阀和抽气泵连接；测量振荡线路和补偿振荡线 路的输出端同时连接到混频器；混频器依次与整形、放大电路模块、频率/质量转换运算器及 浓度计算器连接。在测量气室和补偿气室之外壳中间还连接有加热器，在加热器上方的测量晶体和补偿晶 体之间设置一控温热敏电阻，控温热敏电阻的信息输出端连接到湿度控制模块，湿度控制模 块的输出端与加热器连接。由大气顯粒物采样器和空气管道组成颗粒物切割采样单元，主要作用是对由抽气泵吸入 的颗粒物雄行大小"分级"，将PM10及其以下的颗粒物送入气室。由气室壳体15、测量晶体9、补偿晶体10及其测量振荡电路11、补偿振荡电路12以及 控温热敏电阻3组成变送单元。其中在测量晶体9的两个表面镀上电极使其成为石英晶体谐 振器，再獰灘蠹振荡电路11构成测量晶振；同样的，在补偿晶体10的两个表面镀上电极使 其成为石英藤砵谐振器，再和补偿振荡电路12构成补偿晶振，这两个晶振用来测量频率。控温热敏电阻用来变送温、湿度。由混频器19、整形、放大电路模块20、频率/质量转换运算器21和浓度计算器22组成 数据处理计算单元，主要作用是对由测量振荡电路和补偿振荡电路输出的频率信号进行处理 计算以得到浓度值c。由高压控制模块6和湿度控制模块7组成控制单元，高压控制模块6主要作用是控制高 压放电针的电压，湿度控制模块7控制加热器13开停，用于对气室内温度和湿度的控制。本发明可将得出的浓度信号c经由GSM无线网络传送回实验室的监控计算机上，或者发 短消息至手机上。本发明是一种利用压电晶体在线监测大气颗粒物浓度的方法及装置，其积极效果是提高 了自动化程度，避免了以往离线检测方法需要将样本带回实验室称重测量的麻烦，省时省力， 并且由于避兔了将釆样品带回实验室的路程中颗粒物的损失，提高了测量的精度。与原有的 机械式的在线监测方法相比，因为采用了压电晶体这种理想的弹性敏感元件，使得监测过程 具有更高酌灘量精度。以下结合附衝和实施例对本发明做进一步详细说明。
图1是本发明一种利用压电晶体在线监测大气颗粒物浓度测量装置的结构示意图。1.大气顯粒物采样器；2.空气管道；3.控温热敏电阻；4.测量气室；5.高压电源； 6.高压控制模块;7.湿度控制模块；8.高压放电针；9.测量晶体；10.补偿晶体；11.测 量振荡电路；12.补偿振荡电路；13.加热器；14.补偿气室；15.气室壳体；16.流量计； 17.针阀；18.抽气泵；19.混频器；20.整形、放大电路模块；21.频率/质量转换运算器；22.浓度计it器；23.可移动箱体。
具体实施方式
一种利用压电晶体在线监测大气颗粒物浓度的装置，如图1所示，包括有可移动箱体23、 大气颗粒麴采样器l、管道2、气室壳体.15、流量计16、针阀17、抽气泵18、混频器19、整 形放大电錄模块加、频率/质量转换运算器21及浓度计算器22组成；在可移动箱体外，大气 颗粒物采櫟器1与管道2连接，在可移动箱体内设置有气室壳体15，加热器13位于测量气室4和补偿气室14之间，与大气颗粒物采样器连接的管道2另一端伸入到测量气室4入气口 ， 补偿气室14出气端连接有气体出口管道2，测量气室4内放置两面镀有电极的测量晶体9， 同时在灘量气室4内的入气口即测量晶体9的下方放置一高压放电针8;高压放电针(8)与 测量晶体(9) 一同构成静电采样器；高压电源5的正、负极分别与测量晶体9的下表面电极 和高压放电针8相连；高压控制模块6与高压电源5连接，测量晶体9与测量振荡线路11连 接从而构成測量晶振；补偿气室14内放置有两面镀有电极的补偿晶体10，补偿晶体10与补 偿振荡线路12连接从而构成补偿晶振；在加热器13上方的测量晶体9和补偿晶体10之间设 置一控温热敏电阻3，控温热敏电阻的信息输出端连接到湿度控制模块7，湿度控制模块7的 输出端与加热器连接；补偿气室气体出口管道上连接有短管，短管依次与流量计16和浓度计 算器22连接；补偿气室4管道出气端依次与针阀17和抽气泵18连接；测量振荡线路11和 补偿振荡线路12的输出端同时连接到混频器19;混频器依次与整形、放大电路模块20、频 率/质量转换运算器21及浓度计算器22连接。一种利用压电晶体在线监测大气颗粒物浓度的方法，其特点是首先用高压静电采样器 将质量为m的大气颗粒物采集在石英晶体的表面上，引起晶体振动频率的变化，通过测量差 频，依据晶体的频率变化与颗粒物质量所确定的关系，进行频率/质量转换运算，可测得大气颗粒物的浓度^ e( f2 ^ °测量时，首先由于抽气泵18的作用，将一定量的空气(含有颗粒物)抽入大气颗粒物采 样器1对颗丰t物进行"分级"，将PM10及其以下的颗粒物经由空气管道2抽入气室，含有颗 粒物的空气先进入测量气室4,而高压电源5的正、负极分别与测量晶体9的下表面电极和高 压放电针8相连供电，放电针8磨得很尖，曲率半径很小，电场强度很大，在针尖和电极之 间将产生电晕放电。带有颗粒物的空气经过放电针附近的电晕放电区时，颗粒物被充电带上 负电荷，在电场和气流的共同作用下，落在测量晶体9的下电极表面上，并且由于正负电荷 之间的吸引力而牢固附着在电极表面上。测量晶体9由于被附着上颗粒物而质量增加，显然测量晶振的振动频率随质量增加而降低，通过测量晶振频率的变化即可得知颗粒物质量的变 化，然后由浓度计算器22得出颗粒物的质量浓度c;为了补偿环境变化对测量晶振的影响，在测量晶体9的旁放了一块补偿晶体10,它的频率选择与测量晶体9基本一致。只是没有颗粒物沉降于电极上，从而部分补偿了环境变化的影响。测量振荡线路11测出的频率fl和补偿振荡电路12测出的频率f2同时输送到混频器19进行混频，再将混频后的信号输送到整形、 放大电路模块20，再将整形、放大后的信号传送到频率/质量转换运算器21，将频率信号转 换为质量信号，最后将质量信号传送到浓度计算器22;另一方面，流量计16检测出的流量信 号也传送到浓度计算器22,经过质量m与流量Q的计算得出颗粒物浓度信号c;得出的浓度 信号c经由GSM无线网络传送回实验室的监控计算机上或者发短消息至手机上。通过理论计算和实验表明，对于AT切型的石英晶体谐振器，若附加物的质量为m，则由 此引起的频率变化为<formula>formula see original document page 7</formula> (1)其中A/一石英晶体谐振器输出频率的变化 F——石英晶体谐振器的固有频率5"——电子面积w——附加物的质量 p——石英的密度ATAT型石英的频率常数 负号表明附加物使晶体的频率降低。设空气中PM10的浓度为c,采样量为Q，采样时间为t，假设全部颗粒物都被采集，则 m-cQt，代入式(1),得<formula>formula see original document page 7</formula>(2)(其中h,对一特定的石英晶体谐振器而言，A是一固有参数，为一常数。若保持采样流量和采样时 间一定，则c和A/呈线性关系，于是测量出频率差，就可以求出空气中PM10的浓度。以上所述内容仅为本发明构思下的基本说明，而依据本发明的技术方案所作的任何等效 变换，均应属于本发明的保护范围。
权利要求
1. 一种利用压电晶体在线监测大气颗粒物浓度的方法，其特征在于首先用高压静电采样器将质量为m的大气颗粒物采集在石英晶体的表面上，引起晶体振动频率的变化，通过测量差频，依据晶体的频率变化与颗粒物质量所确定的关系，进行频率/质量转换运算，可测得大气颗粒物的浓度id="icf0001" file="A2007100367330002C1.gif" wi="47" he="9" top= "61" left = "46" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="no"/>
2. —种利用压电晶体在线监测大气颗粒物浓度的装置，包括有可移动箱体(23)、大气颗粒物 采样器(1)、管道(2)、气室壳体(15)、流量计(16)、针阀(17)、抽气泵(18)、混频 器(19)、整形放大电路模块(20)、频率/质量转换运算器(21)及浓度计算器(22)组成； 在可移动箱体外，大气颗粒物采样器与管道连接，其特征在于在可移动箱体内设置有气 室壳体，气室壳体内分为两个气室测量气室(4)和补偿气室(14)，与大气颗粒物采样 器连接的管道另一端伸入到测量气室入气口，补偿气室出气口连接有气体出口管，测量气 室(4)内放置两面镀有电极的测量晶体(9)，同时在测量气室(4)内的入气口，即测量 晶体(9)的下方放置一高压放电针(8)，高压放电针(8)与测量晶体(9) 一同构成静 电采样器；高压电源(5)的正、负极分别与测量晶体(9)的下表面电极和高压放电针(8) 相连；高压控制模块(6)与高压电源(5)连接，测量晶体(9)与测量振荡线路(11) 连接从而构成测量晶振；补偿气室(14)内放置有两面镀有电极的补偿晶体(10)，补偿 晶体(10)与补偿振荡线路(12)连接从而构成补偿晶振；补偿气室气体出口管道上连接 有短管，短管依次与流量计(16)和浓度计算器(22)连接；管道出口端依次与针阀(17) 和抽气泵(18)连接；测量振荡线路和补偿振荡线路的输出端同时连接到混频器(19); 混频器依次与整形、放大电路模块(20)、频率/质量转换运算器(21)及浓度计算器(22) 连接。
3. 根据权利要求2所述的一种利用压电晶体在线监测大气颗粒物浓度的装置，其特征在于 在测量气室(4)和补偿气室(14)的外壳中间还连接有加热器(13),在加热器上方的测 量晶体(9)和补偿晶体(10)之间设置一控温热敏电阻(3)，控温热敏电阻的信息输出 端连摻到釅度控制模块(7)，湿度控制模块的输出端与加热器(13)连接。
全文摘要
一种利用压电晶体在线监测大气颗粒物浓度的方法及装置，首先用高压静电采样器将质量为m的大气颗粒物采集在石英晶体的表面上，引起晶体振动频率的变化，通过测量差频，依据晶体的频率变化与颗粒物质量所确定的关系，通过测量差频和频率/质量转换运算，可测得大气颗粒物的浓度如右式。所述装置，包括有可移动箱体、大气颗粒物采样器、管道、气室壳体、流量计、针阀、抽气泵、混频器、整形放大电路模块、频率/质量转换运算器及浓度计算器组成，本发明与原有的机械式在线监测方法相比，因为采用了压电晶体这种理想的弹性敏感元件，使得监测过程具有更高的测量精度。
文档编号G06F19/00GK101231228SQ20071003673
公开日2008年7月30日 申请日期2007年1月23日 优先权日2007年1月23日
发明者应启戛, 李佳颖 申请人:上海理工大学