光学法颗粒状物质测定装置及方法与流程

本发明涉及环境测定仪器技术领域，特别涉及一种光学法颗粒状物质测定装置及方法。

背景技术：

近年来，大气环境污染问题引起人类广泛关注，雾、烟、霾等都是天然或人为原因造成的大气气溶胶，有机碳(organiccarbon，oc)和元素碳(inorganiccarbon，ec)作为大气气溶胶中含量较高的组分，约占气溶胶质量浓度的10％～70％，且大气颗粒物的粒径越小，有机碳(oc)和元素碳(ec)的占比越大。大气气溶胶中的有机碳(oc)和元素碳(ec)参与光化学烟雾、雾霾等的形成，且元素碳(ec)具有极大的表面活性，可吸附大气中的有害物质，直接或者间接的影响大气环境及人类健康，造成区域性复合污染，影响地球辐射平衡，对大气气溶胶中有机碳(oc)和元素碳(ec)含量进行连续准确测定，有助于研究各排放源对大气气溶胶的贡献，且对于研究大气气溶胶的来源、形成及转化机理具有重要意义。

目前，针对大气中的oc/ec的检测方法主要为热光法。例如，(1)相关技术中采用反应炉和氧化炉，通过热光法分析颗粒物中有机碳(oc)浓度、元素碳(ec)浓度、总碳(tc)浓度；(2)相关技术中利用石英膜的分级采样器进行至少12小时的采样，取一份1/2的石英膜样品，剪碎放入高温灼烧过的坩埚中称量，加入高纯铁粉，红外碳硫仪升温，测定结果为总碳含量tc(百分含量)，取另一份1/2的石英膜样品，在马弗炉中加热到405-445℃，保持5-60分钟；再利用红外碳硫仪分析碳含量，测定结果为元素碳ec含量(百分含量)；通过差减法计算样品中有机碳oc含量；(3)该相关技术中利用石英滤膜、燃烧炉、氧化炉、co2检测器、激光探测单元等装置，将样品在he气环境下升温，其间挥发出的碳被认为是有机碳，再在he/o2载气环境下升温，其间元素碳被氧化分解并逸出，从而进行测定。

但相关技术几乎都利用石英膜进行样品采集，通过加热、氧化等方式对样品进行前处理，不能做到原样检测，影响测定精度，且测定装置结构复杂，测定中需用到的标准气体成本高，且装置操作及维护较为繁琐。

技术实现要素：

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种光学法颗粒状物质测定装置。

本发明的另一个目的在于提出一种光学法颗粒状物质测定方法。

为达到上述目的，本发明一方面提出了光学法颗粒状物质测定装置，包括：采集装置，用于采集大气；切割头，用于将所述大气切割成预设粒径范围的粒子；容器，用于形成气体通道使所述切割成预设粒径范围的粒子分别进入到左容器和右容器内；；捕集装置，用于对所述容器内的多个粒子进行带状滤纸捕集；光源，用于对所述带状滤纸交替发射特定的波长区域内的光线；检出装置，用于接收所述光源发射的不同波长的光线，并通过检出器对不同波长的反射光和透过光进行检出；处理器，用于通过所述检出器检出的电压值，计算捕获到所述带状滤纸上粒子中oc/ec浓度。

本发明实施例的光学法颗粒状物质测定装置，无需对采集的样品进行热分解和预处理，对样品无破坏，进而测定更为准确；测定装置不需要载气，降低了运行成本，使得装置更为简便；并且在无需进行样品前处理和无需搭载载气的情况下，利用光学方法即可测定大气颗粒物中包含的oc/ec浓度，测定准确，成本低，且维护简单。

另外，根据本发明上述实施例的光学法颗粒状物质测定装置还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述采集装置包括：进气口和进气杆，其中，所述进气杆连接所述进气口与所述切割头，以形成采样大气通道。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述捕集装置包括：带状滤纸，用于对所述切割成预设粒径范围的粒子进行捕集；倒卷轴，用于安装所述带状滤纸；卷轴，用于卷取固定长度的所述带状滤纸；滤纸断感应仪，用于利用光学原理检测所述带状滤纸是否发生断裂，以判断仪器是否正常运转测定。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述容器包括：抽气管路，用于连接所述容器与抽引泵，形成气体通道；压力感应仪，用于检测压力值，以保证装置的正常运转测定；过滤器，用于过滤所述抽气管路内可能存在的粉尘，以确保装置部件正常工作；流量感应仪，用于感应所述气体通道的流量进行实时监控；电磁阀，用于进行流量控制。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述检出装置包括透过光检出器和反射光检出器，其中，所述透过光检出器用于对带通滤波器接收的多个波长中的透过光检出，所述反射光检出器用于对带通滤波器接收的多个波长中的反射光检出。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述透过光检出是对颗粒物透过光强度相应电压值的检出，所述反射光检出是对颗粒物反射光强度相应电压值的检出。

为达到上述目的，本发明另一方面提出了一种光学法颗粒状物质测定方法，包括以下步骤：采集大气，并将所述大气切割成预设粒径范围的粒子；通过容器形成气体通道使所述切割成预设粒径范围的粒子分别进入到左容器和右容器内，以进行带状滤纸捕集；光源对所述带状滤纸交替发射特定的波长区域内的光线，检出器接收所述特定的波长区域内的光线，并通过所述特定的波长区域内的光线进行反射光和透过光的检出，以获取所述反射光和透过光的电压值，计算捕获到所述带状滤纸上粒子中oc/ec浓度。

本发明实施例的光学法颗粒状物质测定方法，无需对采集的样品进行热分解和预处理，对样品无破坏，进而测定更为准确；测定装置不需要载气，降低了运行成本，使得装置更为简便；并且在无需进行样品前处理和无需搭载载气的情况下，利用光学方法即可测定大气颗粒物中包含的oc/ec浓度，测定准确，成本低，且维护简单。

另外，根据本发明上述实施例的光学法颗粒状物质测定方法还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述将切割成预设粒径范围的粒子分别过滤到左容器和右容器内进一步包括：当所述切割后的粒子粒径小于预设粒径时，所述粒子进入左容器；当所述切割后的粒子粒径大于预设粒径时，所述粒子进入右容器。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述通过所述特定的波长区域内的光线进行反射光和透过光的检出，进一步包括：利用透过光检出器用于对带通滤波器接收的多个波长中的透过光检出；利用反射光检出器用于对带通滤波器接收的多个波长中的反射光检出。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述透过光检出是对颗粒物透过光强度相应电压值的检出，所述反射光检出是对颗粒物反射光强度相应电压值的检出。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明一个实施例的光学法颗粒状物质测定装置结构示意图；

图2为根据本发明一个实施例的光学法颗粒状物质测定装置的具体结构示意图；

图3为根据本发明一个实施例的光学法颗粒状物质测定装置中带状滤纸处放大示意图；

图4为根据本发明一个实施例的透过光强度衰减率随每次测定时间变化的测定结果之一；

图5为根据本发明一个实施例的反射光强度衰减率随每次测定时间变化的测定结果之一；

图6为根据本发明一个实施例的有机碳(oc)浓度随每次测定时间变化的测定结果之一；

图7为根据本发明一个实施例的无机碳(ec)浓度随每次测定时间变化的测定结果之一；

图8为根据本发明一个实施例的pm2.5质量浓度随每次测定时间变化的测定结果之一；

图9为根据本发明一个实施例的光强度与fwsoc的相关性；

图10为根据本发明一个实施例的光学法颗粒状物质测定装置与碳分析仪测定装置测得的有机碳浓度(μgc/m³)相关性；

图11为根据本发明一个实施例的光学法颗粒状物质测定装置与碳分析仪测定装置测得的无机碳浓度(μgc/m³)相关性；

图12为根据本发明一个实施例的光学法颗粒状物质测定方法流程图。

附图标记说明：

100-光学法颗粒状物质测定装置进气口、1-采集装置、1.1-进气口、1.2-进气杆、2-切割头、3-容器、3a-左容器、3b-右容器、3.1-第一抽气管路、3.2-第二抽气管路、3.1.1-压力感应仪、3.1.2-第一过滤器、3.2.1-第二过滤器、3.1.3-第一流量感应仪、3.2.2-第二流量感应仪、3.1.4-第一电磁阀、3.2.3-第二电磁阀、4-捕集装置(即带状滤纸)、4.1-倒卷轴、4.2-卷轴、4.3-滤纸断感应仪、4.4-带状滤纸支撑网、4.4.1-线性支撑材料、4.4.2-支撑网眼、5-光源、6-检出装置、6.1-透过光检出器、6.2-反射光检出器、7-处理器、7.1-第一计算部、7.2-第二计算部、8-复合光纤、9-控制装置、10-存储装置、11-抽引泵和12-箱体。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的光学法颗粒状物质测定装置，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的光学法颗粒状物质测定方法。

图1是本发明一个实施例的光学法颗粒状物质测定装置结构示意图。

如图1所示，该光学法颗粒状物质测定装置100包括：采集装置1、切割头2、容器3、捕集装置4、光源5、检出装置6和处理器7。

其中，采集装置1用于采集大气。切割头2用于将大气切割成预设粒径范围的粒子。容器3用于形成气体通道使所述切割成预设粒径范围的粒子分别进入到左容器和右容器内。捕集装置4用于对容器内的多个粒子进行带状滤纸捕集。光源5用于对带状滤纸交替发射特定的波长区域内的光线。检出装置6用于接收光源发射的不同波长的光线，并通过检出器对不同波长的反射光和透过光进行检出。处理器7用于通过检出器检出的电压值，计算捕获到带状滤纸上粒子中oc/ec浓度。本发明实施例装置100该装置无需对采集的样品进行热分解，无需进行预处理对样品无破坏，测定更为准确；无需载气降低了运行成本，使得装置更为简便。

具体而言，如图2所示，本发明实施例的切割头是采用pm2.5虚拟撞击式切割头，将采集到的大气根据粒径(空气动力学粒径)切割成2.5μm以下的粒子和其他粒子，另外，本发明提出的光学法颗粒状物质测定装置的实施形式是测定可吸入人体肺脏对人类健康造成影响的粒径在2.5μm以下的粒子中的oc/ec。光源5设置在带状滤纸4上方，光源5由控制装置9进行控制，交替发射特定的第一、第二波长区域内的光线(如378nm、870nm)，光源5也可以设计为发射特定波长区域内不同波长的多个光线，或发射第三、第四波长区域内的光线。其中，第一波长区域为220nm-500nm，第二波长区域为650nm-1000nm，第三波长区域为400nm-600nm，第四波长区域为200nm-300nm。本发明实施例的光源5具有可以发射第一、第二波长区域内光线的led(lightemittingdiode，发光二极管)，并可根据需要配置可发射第三、第四波长区域内光线的led，除led外，光源5也可以使用氙灯等实现发射不同波长区域的光线。处理器7是由计算机(pc)实现，它包括两个计算部，第一计算部7.1与透过光检出器6.1、反射光检出器6.2相连，第二计算部7.2与反射光检出器6.2相连，通过检出器检出的电压值计算采集到带状滤纸4上颗粒物中oc/ec浓度。

进一步地，在本发明的一个实施例中，采集装置1包括：进气口1.1和进气杆1.2，其中，进气杆1.2连接进气口1.1与切割头，以形成采样大气通道。

另外，如图2所示，进气口采用pm10进气口，采样大气(颗粒物粒径在10μm以下)通过进气口进入装置。

可选地，在本发明的一个实施例中，捕集装置4包括：带状滤纸4，用于对切割成预设粒径范围的粒子进行捕集；倒卷轴4.1，用于安装带状滤纸；卷轴4.2，用于卷取固定长度的带状滤纸；滤纸断感应仪4.3，用于利用光学原理检测带状滤纸是否发现断裂，以判断仪器是否正常运转测定。

其中，如图2-3所示，本发明实施例的带状滤纸4是采用聚四氟乙烯特氟龙材质，具有薄膜纸带形状，对切割后的采样大气进行捕集。倒卷轴4.1除用于安装带状滤纸外，还为从动轴。卷轴4.2将装置与驱动卷轴旋转的电动机相连(图中未显示)，电动机与电源相连，电动机由控制电源发出的运转指令，在固定时间间隔时旋转固定转数，从而使卷轴卷取固定长度的带状滤纸。滤纸断感应仪4.3利用光学原理检测带状滤纸是否发生断裂，以判断仪器是否正常运转测定。

另外，如图2和4所示，捕集装置4中还包括带状滤纸支撑网4.4、线性支撑材料4.4.1及支撑网眼4.4.2，用于支撑带状滤纸4，带状滤纸支撑网4.4由多个线性材料呈格子状分布，线性支撑材料4.4.1间布有网眼，当滤纸下压模块(图中未显示)呈升起状态时，带状滤纸可以持续移动，而滤纸下压模块呈下压状态时，带状滤纸无法移动。

进一步地，在本发明的一个实施例中，容器3包括：抽气管路，用于连接容器与抽引泵11，形成气体通道；压力感应仪，用于检测压力值，以保证装置的正常运转测定；过滤器，用于过滤抽气管路内可能存在的粉尘，以确保装置部件正常工作；流量感应仪，用于感应气体通道的流量进行实时监控；电磁阀，用于进行流量控制。

具体地，如图2-3所示，在本发明实施例中，容器为金属材质的正方体箱型结构，与切割头相连，由切割头进行切割后的小颗粒(2.5μm以下)进入左容器，大颗粒进入右容器，由带状滤纸进行捕集；容器下端与抽气管路相连。抽气管路连接容器与抽引泵，形成气体通道。压力感应仪感应管路中的压力，本发明的测定装置设定一定的压力值和采样时间，当大气颗粒物含量较高，采样时间小于设定值，而压力大于设定值时，装置会进行滤纸重置，卷送滤纸以保证装置的正常运转测定，且可以确保测定结果更加准确。过滤器位于抽气管路内，用于过滤管路内可能存在的粉尘，以确保装置部件正常工作。流量感应仪位于抽气管路内，感应气路内的流量，以实现对流路内的流量进行实时监控。另外，抽气管路中设有电磁阀，用于进行流量控制。

进一步地，在本发明的一个实施例中，检出装置6包括透过光检出器6.1和反射光检出器6.2，其中，透过光检出器6.1用于对带通滤波器接收的多个波长中的透过光检出，反射光检出器6.2用于对带通滤波器接收的多个波长中的反射光检出。

具体而言，如图2所示，透过光检出器6.1由硅光电二极管、光电子倍增管、具有光分辨功能的多光谱仪等构成，实现对颗粒物透过光强度相应电压值(mv)的检出。透过光检出器可使用带通滤波器，使其可在瞬间接收多个波长的光线，或设置多个透过光检出器，通过控制发射不同波长的光源的开关，实现对不同波长透过光的检出。反射光检出器6.2由硅光电二极管、光电子倍增管、具有光分辨功能的多光谱仪等构成，连接在复合光纤的一端，检出颗粒物反射光强度对应的电压值(mv)。该反射光检出器同时还具有参照检出器的功能，可以接收光源发射的部分光线，并检出其相应的电压值(mv)。反射光检出器6.2可使用带通滤波器，使其可在瞬间接收多个波长的光线，或设置多个反射光检出器6.2，通过控制光源发射不同波长的led的开关，实现对不同波长反射光的检出。

进一步地，在本发明的一个实施例中，透过光检出是对颗粒物透过光强度相应电压值的检出，反射光检出是对颗粒物反射光强度相应电压值的检出。

此外，如图2所示，除上述的装置外，本发明实施例的测定装置中还包括：

复合光纤8：其一端与光源及反射光检出器相连，另一端穿插于容器内与带状滤纸相向而设，具有向带状滤纸传递光源发出的发射光的光线传递部、接收由带状滤纸上颗粒物质反射回的反射光接收部、以及传递反射光的反射光光线传递部。该复合光纤可以使用欧姆龙公司生产的e32-d32l2m等，实现光线的传递。

控制装置9：控制本发明光学法颗粒状物质测定装置各部分动作运转的处理部，是通过中央计算处理器(cpu：centralprocessingunit)、rom(readonlymemory)及ram(randomaccessmemory)的微型计算机、微型处理器实现的。

存储装置10：由闪存、硬盘驱动器(hdd：harddiskdrive)等不挥发性存储器构成，用于记忆透过光衰减系数及反射光衰减系数(后述实验所得)、操作系统(os：operatingsystem)程序、颗粒状物质测定处理程序以及其他各种应用程序等，并由控制装置进行执行。

抽引泵11：抽引泵通过电磁阀，根据需要将抽气量设定在1-20l/min。抽引泵通过抽气管路抽引容器内大气，将大气由进气口抽引至进气杆内，经由切割头切割，通过容器后由带状滤纸捕集。

箱体12：用于安装放置上述各装置。

具体而言，本发明实施例的测定装置可以由采集大气的带状滤纸；具有发射特定波长区域光线的光源；与光源相连接，向带状滤纸传导光线的光线传递部；在带状滤纸上方，接收带状滤纸上颗粒物反射光的反射光接收部；在带状滤纸下方，接收带状滤纸上颗粒物透过光的透过光接收部；检出带状滤纸上颗粒物反射出的反射光强度的反射光检出部；检出透过带状滤纸上颗粒物的透过光强度的透过光检出部；根据反射光检出部及透过光检出部检出的光强，计算采集到带状滤纸上颗粒物中包含的oc/ec的计算部。

为使得测定装置工作原理更易于理解，先对本装置的测定用语等进行说明：

(1)光源产生的波长λ的光线发射时各检出器的检出值。

a.透过光检出器的检出值(电压值：mv)：itrans(means，λ)；

b.反射光检出器的检出值(电压值：mv)：ireflect(means，λ)；

c.作为参照检出器功能的反射光检出器的检出值(电压值：mv)：irefer(means，λ)。

(2)光源不发光状态下各检出器的检出值。

a.透过光检出器的检出值(电压值：mv)：itrans(dark)；

b.反射光检出器的检出值(电压值：mv)：ireflect(dark)；

c.作为参照检出器功能的反射光检出器的检出值(电压值，mv)：irefer(dark)。

(3)空白带状滤纸的透过光和反射光的光强度。

a.透过光强度：t(λ，0)；

b.反射光强度：r(λ，0)。

(4)带状滤纸采集颗粒物t秒后，带状滤纸的透过光和反射光的光强度。

a.透过光强度：t(λ，t)；

b.反射光强度：r(λ，t)。

(5)带状滤纸采集颗粒物t秒后的光强度衰减率。

a.透过光强度的衰减率：tatn(λ，t)；

b.反射光强度的衰减率：ratn(λ，t)。

(6)带状滤纸支撑网设定值。

a.带状滤纸支撑网中网眼的面积：asample；

b.带状滤纸支撑网中线性材料的面积：asupport；

c.带状滤纸支撑网中网眼的比例：α＝asupport/(asample+asupport)。

(7)颗粒状物质中的oc/ec及其他成分浓度。

a.根据透过光强度计算出的ec的浓度：[ec]t；

b.根据透过光强度计算出的oc的浓度：[oc]t；

c.根据透过光强度计算出的其他成分的浓度：[m]t；

d.根据反射光强度计算出的ec的浓度：[ec]r；

e.根据反射光强度计算出的oc的浓度：[oc]r；

f.根据反射光强度计算出的其他成分的浓度：[m]r。

(8)oc/ec及其他成分的衰减系数

a.ec的透过光衰减系数：ε[ec，λ]；

b.oc的透过光衰减系数：ε[oc，λ]；

c.其他成分的透过光衰减系数：ε[m，λ]；

d.ec的反射光衰减系数：σ[ec，λ]；

e.oc的反射光衰减系数：σ[oc，λ]；

f.其他成分的反射光衰减系数：σ[m，λ]。

下面对本发明实施例的光学法颗粒状物质测定装置的具体测定方法如下：

(1)空白滤纸光强测定，由控制部使滤纸下压模块处于上升状态，驱动卷轴旋转，卷取固定长度的带状滤纸，再使滤纸下压模块下压。由光源、复合光纤、透过光检出器、反射光检出器及处理器，在计算部1根据公式(1)计算空白带状滤纸的透过光强度t(λ，0)，在计算部2根据公式(2)计算反射光强度r(λ，0)。

t(λ，0)＝[itrans(means,λ)-itrans(dark)]/[irefer(means,λ)-irefer(dark)]…………(1)

r(λ，0)＝[ireflect(means,λ)-ireflect(dark)]/[irefer(means,λ)-irefer(dark)]………(2)

(2)以1秒为周期获取透过光强度t(λ，0)及反射光强度r(λ，0)。由控制装置在光源不发光状态下的300ms内执行以下检出器的检出动作：透过光检出器itrans(dark)、反射光检出器ireflect(dark)、参照检出器功能的反射光检出器irefer(dark)；由控制装置控制光源发射第一波长区域内光线状态下的300ms内执行以下检出器的检出动作：透过光检出器itrans(means,λ)、反射光检出器ireflect(means,λ)、参照检出器功能的反射光检出器irefer(means,λ)；由控制装置控制光源发射第二波长区域内光线状态下的300ms内执行以下检出器的检出动作：透过光检出器itrans(means,λ)、反射光检出器ireflect(means,λ)、参照检出器功能的反射光检出器irefer(means,λ)。

(3)样品采集。由控制装置开启抽引泵，使带状滤纸开始采集大气中的颗粒状物质。

(4)带状滤纸采集颗粒物t秒后，测定带状滤纸的透光强度t(λ，t)和反射光强度r(λ，t)。由控制装置控制光源、复合光纤、透过光检出器、反射光检出器及处理器，在计算部1根据公式(3)计算带状滤纸采集颗粒物t秒后的透过光强度t(λ，t)，在计算部2根据公式(4)计算反射光强度r(λ，t)。

t(λ，t)＝[itrans(means,λ)-itrans(dark)]/[irefer(means,λ)-irefer(dark)]………(3)

r(λ，t)＝[ireflect(means,λ)-ireflect(dark)]/[irefer(means,λ)-irefer(dark)]……(4)

(5)以1秒为周期获取透过光强度t(λ，t)及反射光强度r(λ，t)。由控制装置在光源不发光状态下的300ms内执行以下检出器的检出动作：透过光检出器itrans(dark)、反射光检出器ireflect(dark)、参照检出器功能的反射光检出器irefer(dark)；由控制装置控制光源发射第一波长区域内光线状态下的300ms内执行以下检出器的检出动作：透过光检出器itrans(means,λ)、反射光检出器ireflect(means,λ)、参照检出器功能的反射光检出器irefer(means,λ)；由控制部控制光源发射第二波长区域内光线状态下的300ms内执行以下检出器的检出动作：透过光检出器itrans(means,λ)、反射光检出器ireflect(means,λ)、参照检出器功能的反射光检出器irefer(means,λ)。

(6)计算带状滤纸采集颗粒物t秒后的透过光强度的衰减率tatn(λ，t)及反射光强度的衰减率ratn(λ，t)。根据上述过程获取的数据在计算部1根据公式(5)计算tatn(λ，t)，在计算部2根据公式(6)计算ratn(λ，t)。

tatn(λ，t)＝-ln[t(λ,t)/t(λ,0)]……………………(5)

ratn(λ，t)＝-ln[{r(λ,t)-αr(λ,t)}/{r(λ,0)-αr(λ,0)}]…………(6)

(7)根据透过光强度的衰减率tatn(λ，t)，在计算部1计算出ec的浓度[ec]t、oc的浓度[oc]t及其他成分的浓度[m]t，根据反射光强度的衰减率ratn(λ，t)，在计算部2计算出ec的浓度[ec]r、oc的浓度[oc]r及其他成分的浓度[m]r。

(8)假设光源交替发出λ1，λ2，λ3共三个波长的光，参考ec的透过光衰减系数ε[ec,λ1]、ε[ec,λ2]、ε[ec,λ3]，oc的透过光衰减系数ε[oc,λ1]、ε[oc,λ2]、ε[oc,λ3]，其他成分的透过光衰减系数ε[m,λ1]、ε[m,λ2]、ε[m,λ3]，在计算部1根据公式(7)、(8)、(9)计算ec的浓度[ec]t、oc的浓度[oc]t及其他成分的浓度[m]t。

tatn(λ1)＝ε[oc,λ1]·[oc]t+ε[ec,λ1]·[ec]t+ε[m,λ1]·[m]t…………(7)

tatn(λ2)＝ε[oc,λ2]·[oc]t+ε[ec,λ2]·[ec]t+ε[m,λ2]·[m]t………………(8)

tatn(λ3)＝ε[oc,λ3]·[oc]t+ε[ec,λ3]·[ec]t+ε[m,λ3]·[m]t………………(9)

(9)参考ec的反射光衰减系数σ[ec,λ1]、σ[ec,λ2]、σ[ec,λ3]，oc的反射光衰减系数σ[oc,λ1]、σ[oc,λ2]、σ[oc,λ3]，其他成分的反射光衰减系数σ[m,λ1]、σ[m,λ2]、σ[m,λ3]，在计算部2根据公式(10)、(11)、(12)计算ec的浓度[ec]r、oc的浓度[oc]r及其他成分的浓度[m]r。

ratn(λ1)＝σ[oc,λ1]·[oc]r+σ[ec,λ1]·[ec]r+σ[m,λ1]·[m]r……………(10)

ratn(λ2)＝σ[oc,λ2]·[oc]r+σ[ec,λ2]·[ec]r+σ[m,λ2]·[m]r……………(11)

ratn(λ3)＝σ[oc,λ3]·[oc]r+σ[ec,λ3]·[ec]r+σ[m,λ3]·[m]r……………(12)

另外，在颗粒物中，除oc/ec外，存在其他两种成分m1、m2时，亦可根据公式(7)、(8)、(10)、(11)计算出其浓度。

下面结合具体实施例对本发明光学法颗粒状物质测定装置中oc/ec浓度的测定进行详细描述。

假设颗粒状物质中只存在oc/ec两种成分，光源发射出的光为波长λ＝375nm、λ＝890nm的光。

此时，如图4所示，透过光强度衰减率tatn(λ375nm)、tatn(λ890nm)的实测数据。如图5所示，反射光强度衰减率ratn(λ375nm)、ratn(λ890nm)的实测数据。

计算部1根据公式(13)、(14)计算出ec的浓度[ec]t、及oc的浓度[oc]t。

tatn(λ375nm)＝ε[oc,λ375nm]·[oc]t+ε[ec,λ375nm]·[ec]t………(13)

tatn(λ890nm)＝ε[oc,λ890nm]·[oc]t+ε[ec,λ890nm]·[ec]t………(14)

计算部2根据公式(15)、(16)计算出ec的浓度[ec]r、及oc的浓度[oc]r。

ratn(λ375nm)＝σ[oc,λ375nm]·[oc]r+σ[ec,λ375nm]·[ec]r………(15)

ratn(λ890nm)＝σ[oc,λ890nm]·[oc]r+σ[ec,λ890nm]·[ec]r………(16)

并且，通过实验求得此时的ec的透过光衰减系数ε[ec,λ375nm]为“0.30”、ε[ec,λ890nm]为“0.30”，oc的透过光衰减系数ε[oc,λ375nm]为“0.10”、ε[oc,λ890nm]为“0”，ec的反射光衰减系数σ[ec,λ375nm]为“0.32”、σ[ec,λ890nm]为“0.20”，oc的反射光衰减系数σ[oc,λ375nm]为“0.20”、σ[oc,λ890nm]为“0”。

如图6-8所示，oc/ec浓度的计算结果。

如图9所示，可知光学法颗粒状物质测定装置测定结果中，透过光强度及反射光强度的测定结果与fwsoc之间存在良好的相关性。

如图10所示，由本发明实施例的光学法颗粒状物质测定装置测得的oc浓度[oc]t(μgc/m³)与碳分析仪测得的pm2.5中oc浓度(μgc/m³)的相关性。碳分析仪配置有热分解管和co2分析仪，通过分解pm2.5中的有机碳测定其浓度。

如图10所示，计算方法为：利用上述公式(13)、(14)中ε[oc,λ375nm]-ε[oc,λ890nm]＝1/17.5，ε[ec,λ375nm]-ε[ec,λ890nm]＝0，根据公式(17)计算得出oc浓度[oc]t(μgc/m³)。

[oc]t＝17.5[tatn(λ375nm)-tatn(λ890nm)]……………(17)

如图10所示，可知光学法颗粒状物质测定装置测定的oc浓度[oc]t与碳分析仪测定的oc浓度具有良好的相关性。

如图11所示，由本发明实施例的光学法颗粒状物质测定装置测得的反射光强度计算出的ec浓度[ec]r(μgc/m³)与碳分析仪测定的pm2.5中ec浓度(μgc/m³)的相关性。碳分析仪配置有热分解管和co2分析仪，通过分解pm2.5中的元素碳测定其浓度。

如图11所示，光学法颗粒状物质测定装置测得的ec浓度[ec]r结果，其计算方法为：利用上述公式(16)，σ[ec,λ890nm]>>σ[oc,λ890nm]，σ[ec,λ890nm]＝1/4.99，根据公式(18)计算得出ec浓度[ec]r(μgc/m³)。

ratn(λ890nm)＝σ[ec,λ890nm]·[ec]r………………(18)

如图11所示，可知光学法颗粒状物质测定装置测定的ec浓度[ec]r与碳分析仪测定的ec浓度具有良好的相关性。

结合上面的具体实施例可知，本发明实施例不同于以往的技术，本发明实施例在测定时，不对采集的样品进行热分解，无需进行预处理，对样品无破坏，测定更为准确。并且本发明的测定装置不需要载气，降低了运行成本，使得装置更为简便，在无需进行样品前处理，无需搭载载气的情况下，利用光学方法即可测定大气颗粒物中包含的oc/ec浓度，测定准确，成本低，维护简单。此外，本发明实施例的测定装置由存储装置记忆程序信息等；由控制装置执行记忆部内的程序信息，控制仪器运作；由特氟龙带状滤纸对样品进行有效采集；利用光学方法，对采集到的样品进行直接测定，得到光强值；由处理器对测得的光强结果进行计算，从而算得采集的样品颗粒物中的oc/ec含量浓度。

综上所述，本发明实施例的测定装置具有以下几点关键特征。

(1)具有采集大气中颗粒状物质的带状滤纸；具有发射特定的第一波长区域(220nm-500nm)和第二波长区域(650nm-1000nm)内光线的光源；具有与光源相连接，在带状滤纸上方，向带状滤纸传递光源发射光线的光线传递部；在带状滤纸下方，接收透过采集到的颗粒状物质的透过光强的透过光接收部及检出该光线强度的透过光检出部；与透过光检出部相连接，根据透过光检出部检出的光强度计算采集到的颗粒物中含有的有机碳浓度的处理器。

(2)具有采集大气中颗粒状物质的带状滤纸；具有发射特定的第一波长区域和第二波长区域内光线的光源；具有与光源相连接，在带状滤纸上方，向带状滤纸传递光源发射光线的光线传递部；在带状滤纸上方，接收带状滤纸采集到的颗粒状物质所反射的光线的反射光接收部以及检出该光线强度的反射光检出部；与反射光检出部相连接，根据反射光检出部检出的光强度计算采集到的颗粒物中含有的有机碳浓度的处理器。

(3)具有采集大气中颗粒状物质的带状滤纸；具有发射特定的第一波长区域和第二波长区域内光线的光源；具有与光源相连接，在带状滤纸上方，向带状滤纸传递光源发射光线的光线传递部；在带状滤纸下方，接收透过采集到的颗粒状物质的透过光强的透过光接收部及检出该光线强度的透过光检出部；在带状滤纸上方，接收带状滤纸采集到的颗粒状物质所反射的光线的反射光接收部以及检出该光线强度的反射光检出部；与透过光检出部及反射光检出部相连接，根据透过光检出部及反射光检出部检出的光强度计算采集到的颗粒物中含有的有机碳浓度的处理器。

根据本发明实施例提出的光学法颗粒状物质测定装置，无需对采集的样品进行热分解和预处理，对样品无破坏，进而测定更为准确；测定装置不需要载气，降低了运行成本，使得装置更为简便；并且在无需进行样品前处理和无需搭载载气的情况下，利用光学方法即可测定大气颗粒物中包含的oc/ec浓度，测定准确，成本低，且维护简单。

其次参照附图描述根据本发明实施例提出的光学法颗粒状物质测定方法。

图12是本发明一个实施例的光学法颗粒状物质测定方法流程图。

如图12所示，该光学法颗粒状物质测定方法包括以下步骤：

在步骤s101中，采集大气，并将大气切割成预设粒径范围的粒子。

在步骤s102中，通过容器形成气体通道使所述切割成预设粒径范围的粒子分别进入到左容器和右容器内，以进行带状滤纸捕集。

进一步地，在本发明的一个实施例中，切割成预设粒径范围的粒子分别过滤到左容器和右容器内，进一步包括：当切割后的粒子粒径小于预设粒径时，粒子进入左容器；当切割后的粒子粒径大于预设粒径时，粒子进入右容器。

在步骤s103中，光源对带状滤纸交替发射特定的波长区域内的光线，检出器接收特定的波长区域内的光线，并通过特定的波长区域内的光线进行反射光和透过光的检出，以获取反射光和透过光的电压值，计算捕获到带状滤纸上粒子中oc/ec浓度。

进一步地，在本发明的一个实施例中，通过特定的波长区域内的光线进行反射光和透过光的检出，进一步包括：利用透过光检出器用于对带通滤波器接收的多个波长中的透过光检出；利用反射光检出器用于对带通滤波器接收的多个波长中的反射光检出。

进一步地，在本发明的一个实施例中，透过光检出是对颗粒物透过光强度相应电压值的检出，反射光检出是对颗粒物反射光强度相应电压值的检出。

需要说明的是，前述对光学法颗粒状物质测定装置实施例的解释说明也适用于该方法，此处不再赘述。

根据本发明实施例提出的光学法颗粒状物质测定方法，无需对采集的样品进行热分解和预处理，对样品无破坏，进而测定更为准确；测定装置不需要载气，降低了运行成本，使得装置更为简便；并且在无需进行样品前处理和无需搭载载气的情况下，利用光学方法即可测定大气颗粒物中包含的oc/ec浓度，测定准确，成本低，且维护简单。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。