靳 燕,王曉東

(山西省信息產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司，山西 太原 030012)

1 緒論

改革開放以來，工業(yè)化、城市化進(jìn)程的不斷加快，使我們國家以很快的速度完成了西方國家兩個(gè)世紀(jì)的原始積累，但代價(jià)是生態(tài)被破壞、環(huán)境被污染，居民的身體健康受到嚴(yán)重威脅，因此針對大氣顆粒物檢測和環(huán)境預(yù)警成為了當(dāng)下實(shí)現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展迫在眉睫的任務(wù)[1]。

β射線檢測方法主要利用附著在濾膜上不同性質(zhì)的顆粒物的衰減來檢測顆粒物的質(zhì)量濃度，具有所花成本較少，檢測準(zhǔn)確率高，后期的維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)[2]?，F(xiàn)有我國使用的基于β射線的顆粒物檢測產(chǎn)品在環(huán)境較為惡劣的區(qū)域和天氣條件下，檢測精度不是很高，存在一定的局限性。本文設(shè)計(jì)的基于β射線和前散射法的顆粒物檢測系統(tǒng)，采用單個(gè)采樣頭同時(shí)測量目標(biāo)區(qū)域目標(biāo)氣體，利用前散射法獲得揚(yáng)塵的順時(shí)相對變化，利用β射線法測量揚(yáng)塵的小時(shí)濃度，并用小時(shí)值校準(zhǔn)順時(shí)值，獲得高分辨的實(shí)時(shí)大氣顆粒物濃度。

2 大氣顆粒物測量系統(tǒng)理論基礎(chǔ)

2.1 β射線測量原理

β射線測量原理基于β粒子在穿透物質(zhì)時(shí)會(huì)被其所吸收，并且射線強(qiáng)度與吸收層厚度成反比，因此通過比較檢測前后檢測濾紙質(zhì)量差值與采樣面積，就可獲取當(dāng)前時(shí)段內(nèi)被檢測大氣顆粒物濃度。β粒子在穿透物質(zhì)時(shí)會(huì)被其所吸收，并且射線強(qiáng)度與吸收層厚度成反比的現(xiàn)象被稱為β吸收，如圖1所示為β衰變能譜。

圖1 典型β射線能譜示意圖

β吸收與被檢測物質(zhì)質(zhì)量有關(guān)，而與顆粒物的形狀、種類、顏色、粒徑和化學(xué)組成等無關(guān)。通過計(jì)算檢測期間β射線的衰減量即可計(jì)算大氣顆粒物的增加量，當(dāng)待檢測氣體經(jīng)由采樣泵吸收至采樣管內(nèi)并經(jīng)濾膜排出后，濾膜上便會(huì)附著相應(yīng)的顆粒物。之后β射線通過附著有大氣顆粒物的濾膜時(shí)，β射線的能量便會(huì)衰減，根據(jù)β射線衰減的程度進(jìn)而獲取樣氣中顆粒物的濃度。

2.2 光散射理論

光散射主要是光在通過不同折射率微粒的介質(zhì)中，各個(gè)方向的次級(jí)電磁波輻射均勻性受到了破壞，使得各方向次級(jí)電磁波輻射干涉的結(jié)果出現(xiàn)了差異，形成散射現(xiàn)象[3]。光的散射示意圖如圖2所示。

圖2 光的散射示意圖

3 大氣顆粒物測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以采樣泵為動(dòng)力源，將空氣通過顆粒物切割器處理后抽取到雙通道氣體采集分析結(jié)構(gòu)，采用前散射法和β射線同時(shí)測量超細(xì)顆粒物[4]。

3.1 采樣單元

采樣單元主要用的是切割器，分析實(shí)際需求后選擇旋風(fēng)式切割器。除了選擇合適的切割器，必須保證流量的穩(wěn)定性，本文研究自動(dòng)控制流量穩(wěn)定性的方法，采用質(zhì)量流量計(jì)和比例閥，設(shè)計(jì)流量調(diào)節(jié)的算法，根據(jù)環(huán)境溫度和濕度調(diào)節(jié)體積流量，保證流量控制的精度。保證流量穩(wěn)定性在2%以內(nèi)[5]。

3.2 測量單元

大氣超細(xì)顆粒物檢測系統(tǒng)是基于β射線法測量技術(shù)和前散射法技術(shù)來測量樣氣中顆粒物的含量。β射線通過附著有顆粒物的濾膜時(shí)質(zhì)量會(huì)衰減，其衰減規(guī)律符合指數(shù)分布[6]，其衰減公式如下:

I=I0e-μm·ρ·L.

(1)

通過式(1)，可以得到大氣顆粒物的質(zhì)量濃度C的表達(dá)式為：

(2)

式中，C為大氣顆粒物的質(zhì)量濃度；Vs為濾膜的有效采樣面積；V為采樣氣體體積。

3.3 傳動(dòng)裝置

傳動(dòng)裝置是為確保將待測濾紙傳送至指定位置，并在快速連續(xù)測量過程中使準(zhǔn)確率和精度達(dá)到目標(biāo)值。其中抽氣管道控制模塊承擔(dān)抽氣采樣工作，當(dāng)進(jìn)行抽氣采樣時(shí)，抽氣管道控制模塊會(huì)將上下游兩段管道壓合，在兩段管道中間設(shè)置測試濾紙，抽氣采樣結(jié)束后，將原先壓合的兩段抽氣管道分開，這一過程中不控制濾紙動(dòng)作。待采樣結(jié)束后，濾紙傳動(dòng)裝置會(huì)將附著有顆粒物的濾紙傳送至待測位置進(jìn)行后續(xù)測量工作。

4 大氣顆粒物測量系統(tǒng)

本系統(tǒng)的基本組成主要有四部分，即采樣，測量，傳動(dòng)及數(shù)據(jù)處理。其中采樣部分主要有大氣顆粒物切割器，采樣管，過濾器，加熱器，溫濕度傳感器，質(zhì)量流量控制器(流量計(jì))及抽氣泵等組成[7]。

4.1 連續(xù)厚度衰減補(bǔ)償技術(shù)

利用連續(xù)厚度衰減補(bǔ)償技術(shù)，可以避免計(jì)數(shù)器在不同粒子濃度下的響應(yīng)差異，降低對高計(jì)數(shù)情況下對計(jì)數(shù)器的恢復(fù)時(shí)間和死時(shí)間的要求，提高測量精度計(jì)測量范圍，具有在整個(gè)測量范圍內(nèi)無需分段標(biāo)定的優(yōu)點(diǎn)。這種技術(shù)可以通過調(diào)節(jié)厚度變化，保證通過含塵濾紙的計(jì)數(shù)和穿過空白濾紙的相同。使含塵濾紙前后的計(jì)數(shù)值接近相等。再根據(jù)前后濃度變化計(jì)算出顆粒物濃度，最后根據(jù)采樣的溫濕度和環(huán)境溫濕度對計(jì)算的濃度進(jìn)行修正。

4.2 智能動(dòng)態(tài)加熱器

由于采樣時(shí)的相對濕度和溫度對測量結(jié)果具有重要的影響，為保證通過濾紙的采樣空氣濕度始終保持在40%以內(nèi)，規(guī)避濕度累計(jì)造成的紙帶問題和測量誤差。研究了不同溫濕度天氣采樣溫濕度控制策略和低溫、高溫環(huán)境下最佳的溫度濕度控制值。并研究溫濕度補(bǔ)償方法，實(shí)現(xiàn)全天候高精度測量，保證測量結(jié)果不受外界條件的影響。

4.3 粒子圖像測速技術(shù)

在一定時(shí)間間隔內(nèi)，通過測量質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)位移從而實(shí)現(xiàn)對質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度的測量即為PIV技術(shù)的基本定義。假設(shè)空間中有一質(zhì)點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)方程式如公式(3)所示：

(3)

其中：vx，vy，vz為質(zhì)點(diǎn)在x，y，z方向上的速度；x(t)，y(t)，z(t)為質(zhì)點(diǎn)在t時(shí)刻的位置；t為間隔時(shí)間；x(t+Δt)，y(t+Δt)，z(t+Δt)為經(jīng)過一段間隔時(shí)間后質(zhì)點(diǎn)的位置。

傳統(tǒng)的數(shù)碼圖像是由很多像素點(diǎn)組成，這些像素點(diǎn)以正方形的形式排列組成了圖像。像素點(diǎn)組成的圖像可由數(shù)組和矩陣進(jìn)行數(shù)字化的描述[8]。

以像素的灰度值表示圖像，可以通過二維離散矩陣f(i,j)來表示點(diǎn)(i,j)的灰度值。

(4)

其中：M代表水平方向像素?cái)?shù)量；N代表垂直方向像素?cái)?shù)量。

之后對圖像相關(guān)進(jìn)行處理，標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)函數(shù)如公式(5)。

(5)

其中：x，y代表像素坐標(biāo);Δx，Δy代表位移；I0，I1表示位移前后圖像的像素值；C為相關(guān)系數(shù)。

4.4 大氣顆粒物濃度測量方法

光散射法可以分為激光前向散射法、激光后向散射法、激光側(cè)向散射法以及前向、后向散射相融合的方法。前向散射是指散射角小于90度的散射方式，采用這種散射形式的器件有光電感煙探測器。利用前散射法獲得揚(yáng)塵的順時(shí)相對變化，利用β射線法測量揚(yáng)塵的小時(shí)濃度，并用小時(shí)值校準(zhǔn)順時(shí)值，獲得高分辨的實(shí)時(shí)揚(yáng)塵濃度。

5 結(jié)論

隨著我國工業(yè)化和城市化進(jìn)程的不斷加快，生態(tài)環(huán)境遭到了不同程度的破壞，混雜大量顆粒物的霧霾天氣嚴(yán)重影響著人們的身體健康。針對粉塵顆粒物檢測的需求日益增加這一社會(huì)現(xiàn)象，提出一種基于光散射和β射線的大氣超細(xì)顆粒物檢測設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)介紹了β射線理論和光散射理論，提出了相應(yīng)的系統(tǒng)模塊的設(shè)計(jì)方案。

本文主要研究大氣顆粒物濃度檢測和微控制器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研發(fā)，在確保系統(tǒng)穩(wěn)定性能的前提下，采用粒子圖像測速技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對PM10、PM2.5在線監(jiān)測。結(jié)合前散射法、β射線法、衰減補(bǔ)償技術(shù)、零點(diǎn)和漂移自動(dòng)標(biāo)定技術(shù)實(shí)現(xiàn)了更高精度的顆粒物濃度實(shí)時(shí)監(jiān)測。