基于复合管振荡天平的微量颗粒物测量系统及其测量方法
【专利摘要】本发明的目的在于提供一种可用于空气质量PM2.5质量监测的基于复合管振荡天平的微量颗粒物测量系统及其测量方法，包括微处理器，振子振荡驱动单元、谐振频率检测单元、复合管震荡天平和全数字电路；本发明测量系统依靠超高精度的频率测量来实现粒子质量测量。频率测量的分辨率，重复性和稳定性都要求在0.001Hz的数量级。
【专利说明】基于复合管振荡天平的微量颗粒物测量系统及其测量方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及大气环境监测【技术领域】，特别是涉及一种基于复合管振荡天平的微量颗粒物测量系统及其测量方法。
【背景技术】
[0002]在大气环境监测领域中的检测装置一般是锥管振荡天平TEOM技术(TaperedElement Oscillating Microbalance),可以用来测量微小质量的变化,测量精度和重复率达到微克量级，非常适合检测大气中微颗粒浓度。
[0003]Rupprecht & Patashnick C0.1nc首先将TEOM技术用于颗粒浓度测量,此公司在2005年被Thermo AQI收购，目前市面上唯一的TEOM商品是Thermo AQI的1400/1405系列。1400/1405系列粒子浓度检测系统采用石英管简谐振子，锥管端部外径2.4毫米，内径1.8毫米。振子依靠模拟电路闭环自激振荡器驱动，振子本身的物理特性决定环路的谐振频率，振荡稳定性和Q值。在模拟电路设计合理的前提下，模拟电路闭环自激振荡器能快速锁定谐振频率。
[0004]其缺点在于:
[0005]1、锥管振荡天平TEOM技术的锥形异形结构是保障其获得较稳定振荡和石英管不因振幅过大而折断的关键。这种锥形异形结构可以用融石英拉伸工艺获得，但很难用其他材料代替。需要频繁更换的滤芯必须直接套在2.4mm细石英管端部，换滤芯的操作稍不留意就会损坏石英管。换石英管需要对整个系统重新标定，会大大增加售后服务成本；
[0006]2、模拟电路闭环振荡器的稳定性取决于振子本身的物理特性和机械结构，还取决于模拟电路的设计参数及外界对电路的干扰，这些因素给模拟电路达到稳定性增加了难度；同时，模拟电路形成稳定的振荡之后，其振荡频率还需要通过数字电路的频率测量系统读出，并换算出对应的质量，带来了不便性。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于提供一种更加稳定高效的基于复合管振荡天平的微量颗粒物测量系统及其测量方法，它可以克服现有技术中稳定性差的不足，所述稳定性包括长期稳定性(主要靠低温度系数振子材料来保证)和瞬态稳定性；同时也克服了数字电路和模拟电路共存的不便性。
[0008]所述复合管振荡天平，其英文全称为Compound Element OscillatingMicrobalance,简称为CE0M,以区别于现有技术中的锥管振荡天平(Tapered ElementOscillating Microbalance,简称 ΤΕ0Μ。
[0009]为实现本发明的目的所采用的技术方案是:基于复合管振荡天平的微量颗粒物测量系统，其特征在于包括微处理器，振子振荡驱动单元、谐振频率检测单元、复合管震荡天平和全数字电路；所述振子振荡驱动单元包括信号发生器、正弦波整形电路、正弦磁场驱动器和正弦磁场驱动线圈；所述谐振频率检测单元包括振荡幅度检测线圈、信号放大整形电路和A/D转换电路；所述微处理器和振子振荡驱动单元相连，振子振荡驱动单元和复合管震荡天平相连，复合管震荡天平和谐振频率检测单元相连，微处理器同时又和谐振频率检测单元相连，全数字电路分别和微处理器、振子振荡驱动单元、谐振频率检测单元相连；所述微处理器、复合管震荡天平、全数字电路、正弦磁场驱动线圈、振荡幅度检测线圈、A/D转换电路组成的数字开环电路。
[0010] 所述复合管振荡天平4包括基座、复合振子、连接部、异形截面振荡头和滤膜；所述基座的一端为V型插槽；所述复合振子包括两根管状振子，所述管状振子的一端分别插入异形截面振荡头，两根管状振子形成夹角；所述管状振子的另一端插入所述基座的V型插槽，两根管状振子在所述基座的V型插槽的插入点之间形成间隔；所述复合振子在靠近所述异形截面振荡头的一端安装有用于连接两根管状振子的连接部；所述连接部和异形截面振荡头上分别固定一个永磁铁；所述滤膜连接在异形截面振荡头上。
[0011 ] 所述异形截面振荡头连接两根所述管状振子，所述管状振子形成夹角，所述管状振子连接所述异形截面振荡头的截面呈非中心点对称截面，正弦交变磁场力的方向垂直于长边。
[0012]所述管状振子的外径为3mm,内径为2mm,长度为135mm。
[0013]所述复合振子的两根振子之间形成夹角，所述振子在所述异形截面振荡头的表面形成的间隔为3.2mm，所述振子在所述基座的表面形成的间隔为6mm。
[0014]所述复合振子的材料为碳纤维、殷钢或溶融石英。
[0015]所述复合振子的材料优选为碳纤维。
[0016]所述基座的一端为V型插槽，所述V型插槽夹紧所述复合振子，并通过所述V型插槽侧边的螺丝进行紧固。
[0017]上述基于复合管振荡天平的微量颗粒物测量系统的测量方法，其特征在于按照以下步骤操作:
[0018](I)数字开环电路检测检测谐振频率的方法
[0019]I)微处理器通过控制振子振荡驱动单元的激励频率，使复合管震荡天平在不同频率上进行振荡；
[0020]2)复合管震荡天平连续在不同频率下振荡的同时，谐振频率检测单元将复合管震荡天平振动的幅度变成交变电流，电流的幅度和机械振动的幅度成正比，同时将复合管震荡天平振幅转化为数字量，从而得到复合管震荡天平的振幅；
[0021]3)微处理器通过全数字电路对各个频率下振幅波形的数据分析，振幅最大的频率就是谐振点，通过其最大振幅来确定复合管震荡天平的谐振频率；
[0022](2)以谐振频率来实现颗粒物质量及其变化的测量方法，固定体积气体的颗粒物吸附到复合管震荡天平上；复合振子吸附颗粒前的谐振频率fo和吸附颗粒后的谐振频率A分别被上述方法测量得到，由频差即可推算出吸附前后颗粒物的质量变化；
[0023]
【权利要求】
1.基于复合管振荡天平的微量颗粒物测量系统，其特征在于包括微处理器，振子振荡驱动单元、谐振频率检测单元、复合管震荡天平和全数字电路； 所述振子振荡驱动单元包括信号发生器、正弦波整形电路、正弦磁场驱动器和正弦磁场驱动线圈； 所述谐振频率检测单元包括振荡幅度检测线圈、信号放大整形电路和A/D转换电路； 所述微处理器和振子振荡驱动单元相连，振子振荡驱动单元和复合管震荡天平相连，复合管震荡天平和谐振频率检测单元相连，微处理器同时又和谐振频率检测单元相连，全数字电路分别和微处理器、振子振荡驱动单元、谐振频率检测单元相连； 所述微处理器、复合管震荡天平、全数字电路、正弦磁场驱动线圈、振荡幅度检测线圈、A/D转换电路组成的数字开环电路。
2.根据权利要求1所述的基于复合管振荡天平的微量颗粒物测量系统，其特征在于所述复合管振荡天平包括基座、复合振子、连接部、异形截面振荡头和滤膜；所述基座的一端为V型插槽；所述复合振子包括两根管状振子，所述管状振子的一端分别插入异形截面振荡头，两根管状振子形成夹角；所述管状振子的另一端插入所述基座的V型插槽，两根管状振子在所述基座的V型插槽的插入点之间形成间隔；所述复合振子在靠近所述异形截面振荡头的一端安装有用于连接两根管状振子的连接部；所述连接部和异形截面振荡头上分别固定一个永磁铁；所述滤膜连接在异形截面振荡头上。
3.根据权利要求2所述的基于复合管振荡天平的微量颗粒物测量系统，其特征在于所述异形截面振荡头连 接两根所述管状振子，所述管状振子形成夹角，所述管状振子连接所述异形截面振荡头的截面呈非中心点对称截面，正弦交变磁场力的方向垂直于长边。
4.根据权利要求3所述的基于复合管振荡天平的微量颗粒物测量系统，其特征在于所述管状振子的外径为3mm,内径为2mm,长度为135mm。
5.根据权利要求3所述的基于复合管振荡天平的微量颗粒物测量系统，其特征在于所述复合振子的两根管状振子之间形成夹角，所述管状振子在所述异形截面振荡头的表面形成的间隔为3.2mm，所述管状振子在所述基座的表面形成的间隔为6mm。
6.根据权利要求3所述的基于复合管振荡天平的微量颗粒物测量系统，其特征在于所述复合振子的材料为碳纤维、殷钢或溶融石英。
7.根据权利要求6所述的基于复合管振荡天平的微量颗粒物测量系统，其特征在于所述复合振子的材料优选为碳纤维。
8.根据权利要求2所述的基于复合管振荡天平的微量颗粒物测量系统，其特征在于所述基座的一端为V型插槽，所述V型插槽夹紧所述复合振子，并通过所述V型插槽侧边的螺丝进行紧固。
9.基于复合管振荡天平的微量颗粒物测量系统的测量方法，其特征在于按照以下步骤操作: (I)数字开环电路检测检测谐振频率的方法 1)微处理器通过控制振子振荡驱动单元的激励频率，使复合管震荡天平在不同频率上进行振荡； 2)复合管震荡天平连续在不同频率下振荡的同时，谐振频率检测单元将复合管震荡天平振动的幅度变成交变电流，电流的幅度和机械振动的幅度成正比，同时将复合管震荡天平振幅转化为数字量，从而得到复合管震荡天平的振幅； 3)微处理器通过全数字电路对各个频率下振幅波形的数据分析，振幅最大的频率就是谐振点，通过其最大振幅来确定复合管震荡天平的谐振频率； (2)以谐振频率来实现颗粒物质量及其变化的测量方法，固定体积气体的颗粒物吸附到复合管震荡天平上；复合振子吸附颗粒前的谐振频率fo和吸附颗粒后的谐振频率4分别被上述方法测量得到，由频差即可推算出吸附前后颗粒物的质量变化；
其中:其中dM是谐振频率从f0变到fl的质量的变化，K是复合振子的弹性常数，由振子材料的弹性系数，几何形状和重量分布决定； (3)再根据所通入的气体的体积，计算得到气体中颗粒物的浓度及其变化。
10.根据权利要求9所述的基于复合管振荡天平的微量颗粒物测量系统的测量方法，其特征在于所述数字开环电路检测检测谐振频率的方法，其具体步骤为: (1)微处理器通过振子振荡驱动单元的信号发生器连续改变由正弦波整形电路，正弦磁场驱动器，正弦磁场驱动线圈产生的激励信号的频率，连接部的永磁铁在信号的激励下带动复合管振荡天平4在连续的不同频率上进行振荡； (2)微处理器在振荡的同时，检测复合管震荡天平在各个频率下的振幅，异形截面振荡头上永磁铁的振动幅度经谐振频率检测单元的振荡幅度检测线圈变成交变电流，电流的幅度和机械振动的幅度成正比，经信号放大整形电路放大，由A/D转换电路将振幅转化为数字量，微处理器记录振幅信号； (3)振幅最大的频率就是谐振点，微处理器通过全数字电路对各个频率下振幅波形的数据分析，比较检测到的震动幅度，通过其最大振幅来确定复合管震荡天平的谐振频率。
【文档编号】G01N5/02GK104075957SQ201310106133
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2013年3月29日 优先权日:2013年3月29日
【发明者】陈文亮 申请人:天津同阳科技发展有限公司