靳 燕,王曉東

(山西省信息產(chǎn)業(yè)技術研究院有限公司，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世紀的原始積累，但代價是生態(tài)被破壞、環(huán)境被污染，居民的身體健康受到嚴重威脅，因此針對大氣顆粒物檢測和環(huán)境預警成為了當下實現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展迫在眉睫的任務[1]。

β射線檢測方法主要利用附著在濾膜上不同性質的顆粒物的衰減來檢測顆粒物的質量濃度，具有所花成本較少，檢測準確率高，后期的維護成本低等優(yōu)點[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。本文設計的基于β射線和前散射法的顆粒物檢測系統(tǒng)，采用單個采樣頭同時測量目標區(qū)域目標氣體，利用前散射法獲得揚塵的順時相對變化，利用β射線法測量揚塵的小時濃度，并用小時值校準順時值，獲得高分辨的實時大氣顆粒物濃度。

2 大氣顆粒物測量系統(tǒng)理論基礎

2.1 β射線測量原理

β射線測量原理基于β粒子在穿透物質時會被其所吸收，并且射線強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量差值與采樣面積，就可獲取當前時段內被檢測大氣顆粒物濃度。β粒子在穿透物質時會被其所吸收，并且射線強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吸收與被檢測物質質量有關，而與顆粒物的形狀、種類、顏色、粒徑和化學組成等無關。通過計算檢測期間β射線的衰減量即可計算大氣顆粒物的增加量，當待檢測氣體經(jīng)由采樣泵吸收至采樣管內并經(jīng)濾膜排出后，濾膜上便會附著相應的顆粒物。之后β射線通過附著有大氣顆粒物的濾膜時，β射線的能量便會衰減，根據(jù)β射線衰減的程度進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中，各個方向的次級電磁波輻射均勻性受到了破壞，使得各方向次級電磁波輻射干涉的結果出現(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)設計

系統(tǒng)以采樣泵為動力源，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構，采用前散射法和β射線同時測量超細顆粒物[4]。

3.1 采樣單元

采樣單元主要用的是切割器，分析實際需求后選擇旋風式切割器。除了選擇合適的切割器，必須保證流量的穩(wěn)定性，本文研究自動控制流量穩(wěn)定性的方法，采用質量流量計和比例閥，設計流量調節(jié)的算法，根據(jù)環(huán)境溫度和濕度調節(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[5]。

3.2 測量單元

大氣超細顆粒物檢測系統(tǒng)是基于β射線法測量技術和前散射法技術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質量會衰減，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量濃度C的表達式為：

(2)

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

3.3 傳動裝置

傳動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)測量過程中使準確率和精度達到目標值。其中抽氣管道控制模塊承擔抽氣采樣工作，當進行抽氣采樣時，抽氣管道控制模塊會將上下游兩段管道壓合，在兩段管道中間設置測試濾紙，抽氣采樣結束后，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作。待采樣結束后，濾紙傳動裝置會將附著有顆粒物的濾紙傳送至待測位置進行后續(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，質量流量控制器(流量計)及抽氣泵等組成[7]。

4.1 連續(xù)厚度衰減補償技術

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

4.2 智能動態(tài)加熱器

由于采樣時的相對濕度和溫度對測量結果具有重要的影響，為保證通過濾紙的采樣空氣濕度始終保持在40%以內，規(guī)避濕度累計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。并研究溫濕度補償方法，實現(xiàn)全天候高精度測量，保證測量結果不受外界條件的影響。

4.3 粒子圖像測速技術

在一定時間間隔內，通過測量質點運動位移從而實現(xiàn)對質點運動速度的測量即為PIV技術的基本定義。假設空間中有一質點在運動，其運動方程式如公式(3)所示：

(3)

其中：vx，vy，vz為質點在x，y，z方向上的速度；x(t)，y(t)，z(t)為質點在t時刻的位置；t為間隔時間；x(t+Δt)，y(t+Δt)，z(t+Δt)為經(jīng)過一段間隔時間后質點的位置。

傳統(tǒng)的數(shù)碼圖像是由很多像素點組成，這些像素點以正方形的形式排列組成了圖像。像素點組成的圖像可由數(shù)組和矩陣進行數(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(i,j)的灰度值。

(4)

其中：M代表水平方向像素數(shù)量；N代表垂直方向像素數(shù)量。

之后對圖像相關進行處理，標準相關函數(shù)如公式(5)。

(5)

其中：x，y代表像素坐標;Δx，Δy代表位移；I0，I1表示位移前后圖像的像素值；C為相關系數(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塵的順時相對變化，利用β射線法測量揚塵的小時濃度，并用小時值校準順時值，獲得高分辨的實時揚塵濃度。

5 結論

隨著我國工業(yè)化和城市化進程的不斷加快，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現(xiàn)象，提出一種基于光散射和β射線的大氣超細顆粒物檢測設計方案，詳細介紹了β射線理論和光散射理論，提出了相應的系統(tǒng)模塊的設計方案。

本文主要研究大氣顆粒物濃度檢測和微控制器系統(tǒng)的設計與研發(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實現(xiàn)了對PM10、PM2.5在線監(jiān)測。結合前散射法、β射線法、衰減補償技術、零點和漂移自動標定技術實現(xiàn)了更高精度的顆粒物濃度實時監(jiān)測。