專利名稱：一種利用壓電晶體在線監(jiān)測大氣顆粒物濃度的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種借助于測量某機(jī)構(gòu)的輸出物理量的變化來測定分析大氣顆粒物濃度的檢 測方法，具體涉及一種利用壓電晶體在線監(jiān)測大氣顆粒物濃度的方法及裝置。
背景技術(shù)：
目前，闥內(nèi)對于大氣顆粒物濃度的在線監(jiān)測方面的研究仍屬于初步階段，研究的方法為 利用機(jī)械彈簧-質(zhì)量-阻尼系統(tǒng)在線檢測出頻率差來間接求取大氣顆粒物的濃度。這種方法， 以PM10為例，用帶有入口切割粒徑050= (10±1) ym、 S g=l. 5±0.1的大氣顆粒物采樣 器和彈簧-質(zhì)量-阻尼測量法結(jié)合測定。采樣器常用的有沖擊式和旋風(fēng)式兩種，前者可安裝在 大、中、小流量采樣器上，而后者主要是用于小流量個(gè)體采樣器上。小流量采樣是利用二段 沖擊式采樣器，在規(guī)定流量下采樣，空氣中的懸浮顆粒物經(jīng)慣性沖擊分離，將空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng) 量直徑小于30 w m (D30=10 u m、幾何標(biāo)準(zhǔn)差S g=l. 5)的顆粒被過濾收集至彈簧-質(zhì)量-阻尼在 線測量模塊。通過該彈簧-質(zhì)量-阻尼在線測量模塊測量出的頻率差經(jīng)過一些數(shù)據(jù)處理，再除 以該采樣對間內(nèi)的空氣流量Q,即得出空氣中PM10的質(zhì)量濃度，計(jì)量單位用mg/m'表示。PM10 采樣器的儀器由分級采樣器、采樣時(shí)間控制器、恒流抽氣泵和采樣支架等部件配套組成。分 級采樣^對懸浮顆粒的捕集效率及上截止點(diǎn)30um 。采樣器在規(guī)定流量下，流量穩(wěn)定。每次 采樣前還應(yīng)認(rèn)真清潔分級采樣頭的內(nèi)外表面和分級噴嘴，安裝時(shí)應(yīng)防止漏氣和壓損濾料。這 種大氣顆粒物濃度在線分析方法由于使用偏向機(jī)械的結(jié)構(gòu)，所以測量精度還不能達(dá)到很高的 要求。而國外對大氣顆粒物濃度的監(jiān)測已經(jīng)達(dá)到在線測量的實(shí)際應(yīng)用水平，但具體利用何種 原理進(jìn)行測量以及測量裝置的結(jié)構(gòu)尚未可知。發(fā)明內(nèi)容針對上述問題，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種測量精度更高的在線監(jiān)測大氣顆 粒物濃度鈎方法以及供該方法使用的裝置，克服現(xiàn)有技術(shù)使用偏向機(jī)械結(jié)構(gòu)在線監(jiān)測大氣顆 粒物濃度的方法所造成的精度低，自動(dòng)化程度差等缺點(diǎn)，從而提高大氣顆粒物濃度測量的自 動(dòng)化程度顴測霾糖度，使得測量大氣顆粒物濃度的工作更為精確和省時(shí)省力。為了實(shí)稞上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案. 一種利用壓電晶體在線監(jiān)測大氣顆粒物濃度的方法，其特征在于首先用高壓靜電采樣器將質(zhì)量為m的大氣顆粒物采集在石英晶體的 表面上，引起晶體振動(dòng)頻率的變化，通過測量差頻，依據(jù)晶體的頻率變化與顆粒物質(zhì)量所確 定的關(guān)系，進(jìn)行頻率/質(zhì)量轉(zhuǎn)換運(yùn)算，可測得大氣顆粒物的濃度0 0尸2 ^其中附-A/D^ 。一種利賴壓電晶體在線監(jiān)測大氣顆粒物濃度的裝置，包括有可移動(dòng)箱體、大氣顆粒物采 樣器、管道、氣室殼體、流量計(jì)、針閥、抽氣泵、混頻器、整形放大電路模塊、頻率/質(zhì)量轉(zhuǎn)換運(yùn)算器及濃度計(jì)箅器組成；在可移動(dòng)箱體外，大氣顆粒物采樣器與管道連接，其特征在于-在可移動(dòng)箱體內(nèi)設(shè)置有氣室殼體，氣室殼體內(nèi)分為兩個(gè)腔室測量氣室和補(bǔ)償氣室，與大氣 顆粒物采樣器連接的管道另一端伸入到測量氣室入氣口 ，補(bǔ)償氣室出氣口連接有氣體出口管， 測量氣室內(nèi)敏置兩面鍍有電極的測量晶體，同時(shí)在測量氣室內(nèi)的入氣口即測量晶體的下方放 置一高壓放電針；高壓放電針與測量晶體一同構(gòu)成靜電采樣器；高壓電源的正、負(fù)極分別與 測量晶體的下表面電極和高壓放電針相連；高壓控制模塊與高壓電源連接，測量晶體與測量 振蕩線路連接從而構(gòu)成測量晶振；補(bǔ)償氣室內(nèi)放置有兩面鍍有電極的補(bǔ)償晶體，補(bǔ)償晶體與 補(bǔ)償振蕩線路連接從而構(gòu)成補(bǔ)償晶振；補(bǔ)償氣室氣體出口管道上連接有短管，短管依次與流 量計(jì)和濃度計(jì)算器連接；管道出口端依次與針閥和抽氣泵連接；測量振蕩線路和補(bǔ)償振蕩線 路的輸出端同時(shí)連接到混頻器；混頻器依次與整形、放大電路模塊、頻率/質(zhì)量轉(zhuǎn)換運(yùn)算器及 濃度計(jì)算器連接。在測量氣室和補(bǔ)償氣室之外殼中間還連接有加熱器，在加熱器上方的測量晶體和補(bǔ)償晶 體之間設(shè)置一控溫?zé)崦綦娮瑁販責(zé)崦綦娮璧男畔⑤敵龆诉B接到濕度控制模塊，濕度控制模 塊的輸出端與加熱器連接。由大氣顯粒物采樣器和空氣管道組成顆粒物切割采樣單元，主要作用是對由抽氣泵吸入 的顆粒物雄行大小"分級"，將PM10及其以下的顆粒物送入氣室。由氣室殼體15、測量晶體9、補(bǔ)償晶體10及其測量振蕩電路11、補(bǔ)償振蕩電路12以及 控溫?zé)崦綦娮?組成變送單元。其中在測量晶體9的兩個(gè)表面鍍上電極使其成為石英晶體諧 振器，再獰灘蠹振蕩電路11構(gòu)成測量晶振；同樣的，在補(bǔ)償晶體10的兩個(gè)表面鍍上電極使 其成為石英藤砵諧振器，再和補(bǔ)償振蕩電路12構(gòu)成補(bǔ)償晶振，這兩個(gè)晶振用來測量頻率。控溫?zé)崦綦娮栌脕碜兯蜏?、濕度。由混頻器19、整形、放大電路模塊20、頻率/質(zhì)量轉(zhuǎn)換運(yùn)算器21和濃度計(jì)算器22組成 數(shù)據(jù)處理計(jì)算單元，主要作用是對由測量振蕩電路和補(bǔ)償振蕩電路輸出的頻率信號進(jìn)行處理 計(jì)算以得到濃度值c。由高壓控制模塊6和濕度控制模塊7組成控制單元，高壓控制模塊6主要作用是控制高 壓放電針的電壓，濕度控制模塊7控制加熱器13開停，用于對氣室內(nèi)溫度和濕度的控制。本發(fā)明可將得出的濃度信號c經(jīng)由GSM無線網(wǎng)絡(luò)傳送回實(shí)驗(yàn)室的監(jiān)控計(jì)算機(jī)上，或者發(fā) 短消息至手機(jī)上。本發(fā)明是一種利用壓電晶體在線監(jiān)測大氣顆粒物濃度的方法及裝置，其積極效果是提高 了自動(dòng)化程度，避免了以往離線檢測方法需要將樣本帶回實(shí)驗(yàn)室稱重測量的麻煩，省時(shí)省力， 并且由于避兔了將釆樣品帶回實(shí)驗(yàn)室的路程中顆粒物的損失，提高了測量的精度。與原有的 機(jī)械式的在線監(jiān)測方法相比，因?yàn)椴捎昧藟弘娋w這種理想的彈性敏感元件，使得監(jiān)測過程 具有更高酌灘量精度。以下結(jié)合附衝和實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。


圖1是本發(fā)明一種利用壓電晶體在線監(jiān)測大氣顆粒物濃度測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。1.大氣顯粒物采樣器；2.空氣管道；3.控溫?zé)崦綦娮瑁?.測量氣室；5.高壓電源； 6.高壓控制模塊;7.濕度控制模塊；8.高壓放電針；9.測量晶體；10.補(bǔ)償晶體；11.測 量振蕩電路；12.補(bǔ)償振蕩電路；13.加熱器；14.補(bǔ)償氣室；15.氣室殼體；16.流量計(jì)； 17.針閥；18.抽氣泵；19.混頻器；20.整形、放大電路模塊；21.頻率/質(zhì)量轉(zhuǎn)換運(yùn)算器；22.濃度計(jì)it器；23.可移動(dòng)箱體。
具體實(shí)施方式
一種利用壓電晶體在線監(jiān)測大氣顆粒物濃度的裝置，如圖1所示，包括有可移動(dòng)箱體23、 大氣顆粒麴采樣器l、管道2、氣室殼體.15、流量計(jì)16、針閥17、抽氣泵18、混頻器19、整 形放大電錄模塊加、頻率/質(zhì)量轉(zhuǎn)換運(yùn)算器21及濃度計(jì)算器22組成；在可移動(dòng)箱體外，大氣 顆粒物采櫟器1與管道2連接，在可移動(dòng)箱體內(nèi)設(shè)置有氣室殼體15，加熱器13位于測量氣室4和補(bǔ)償氣室14之間，與大氣顆粒物采樣器連接的管道2另一端伸入到測量氣室4入氣口 ， 補(bǔ)償氣室14出氣端連接有氣體出口管道2，測量氣室4內(nèi)放置兩面鍍有電極的測量晶體9， 同時(shí)在灘量氣室4內(nèi)的入氣口即測量晶體9的下方放置一高壓放電針8;高壓放電針(8)與 測量晶體(9) 一同構(gòu)成靜電采樣器；高壓電源5的正、負(fù)極分別與測量晶體9的下表面電極 和高壓放電針8相連；高壓控制模塊6與高壓電源5連接，測量晶體9與測量振蕩線路11連 接從而構(gòu)成測量晶振；補(bǔ)償氣室14內(nèi)放置有兩面鍍有電極的補(bǔ)償晶體10，補(bǔ)償晶體10與補(bǔ) 償振蕩線路12連接從而構(gòu)成補(bǔ)償晶振；在加熱器13上方的測量晶體9和補(bǔ)償晶體10之間設(shè) 置一控溫?zé)崦綦娮?，控溫?zé)崦綦娮璧男畔⑤敵龆诉B接到濕度控制模塊7，濕度控制模塊7的 輸出端與加熱器連接；補(bǔ)償氣室氣體出口管道上連接有短管，短管依次與流量計(jì)16和濃度計(jì) 算器22連接；補(bǔ)償氣室4管道出氣端依次與針閥17和抽氣泵18連接；測量振蕩線路11和 補(bǔ)償振蕩線路12的輸出端同時(shí)連接到混頻器19;混頻器依次與整形、放大電路模塊20、頻 率/質(zhì)量轉(zhuǎn)換運(yùn)算器21及濃度計(jì)算器22連接。一種利用壓電晶體在線監(jiān)測大氣顆粒物濃度的方法，其特點(diǎn)是首先用高壓靜電采樣器 將質(zhì)量為m的大氣顆粒物采集在石英晶體的表面上，引起晶體振動(dòng)頻率的變化，通過測量差 頻，依據(jù)晶體的頻率變化與顆粒物質(zhì)量所確定的關(guān)系，進(jìn)行頻率/質(zhì)量轉(zhuǎn)換運(yùn)算，可測得大氣顆粒物的濃度^ e( f2 ^ °測量時(shí)，首先由于抽氣泵18的作用，將一定量的空氣(含有顆粒物)抽入大氣顆粒物采 樣器1對顆豐t物進(jìn)行"分級"，將PM10及其以下的顆粒物經(jīng)由空氣管道2抽入氣室，含有顆 粒物的空氣先進(jìn)入測量氣室4,而高壓電源5的正、負(fù)極分別與測量晶體9的下表面電極和高 壓放電針8相連供電，放電針8磨得很尖，曲率半徑很小，電場強(qiáng)度很大，在針尖和電極之 間將產(chǎn)生電暈放電。帶有顆粒物的空氣經(jīng)過放電針附近的電暈放電區(qū)時(shí)，顆粒物被充電帶上 負(fù)電荷，在電場和氣流的共同作用下，落在測量晶體9的下電極表面上，并且由于正負(fù)電荷 之間的吸引力而牢固附著在電極表面上。測量晶體9由于被附著上顆粒物而質(zhì)量增加，顯然測量晶振的振動(dòng)頻率隨質(zhì)量增加而降低，通過測量晶振頻率的變化即可得知顆粒物質(zhì)量的變 化，然后由濃度計(jì)算器22得出顆粒物的質(zhì)量濃度c;為了補(bǔ)償環(huán)境變化對測量晶振的影響，在測量晶體9的旁放了一塊補(bǔ)償晶體10,它的頻率選擇與測量晶體9基本一致。只是沒有顆粒物沉降于電極上，從而部分補(bǔ)償了環(huán)境變化的影響。測量振蕩線路11測出的頻率fl和補(bǔ)償振蕩電路12測出的頻率f2同時(shí)輸送到混頻器19進(jìn)行混頻，再將混頻后的信號輸送到整形、 放大電路模塊20，再將整形、放大后的信號傳送到頻率/質(zhì)量轉(zhuǎn)換運(yùn)算器21，將頻率信號轉(zhuǎn) 換為質(zhì)量信號，最后將質(zhì)量信號傳送到濃度計(jì)算器22;另一方面，流量計(jì)16檢測出的流量信 號也傳送到濃度計(jì)算器22,經(jīng)過質(zhì)量m與流量Q的計(jì)算得出顆粒物濃度信號c;得出的濃度 信號c經(jīng)由GSM無線網(wǎng)絡(luò)傳送回實(shí)驗(yàn)室的監(jiān)控計(jì)算機(jī)上或者發(fā)短消息至手機(jī)上。通過理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)表明，對于AT切型的石英晶體諧振器，若附加物的質(zhì)量為m，則由 此引起的頻率變化為<formula>formula see original document page 7</formula> (1)其中A/一石英晶體諧振器輸出頻率的變化 F——石英晶體諧振器的固有頻率5"——電子面積w——附加物的質(zhì)量 p——石英的密度ATAT型石英的頻率常數(shù) 負(fù)號表明附加物使晶體的頻率降低。設(shè)空氣中PM10的濃度為c,采樣量為Q，采樣時(shí)間為t，假設(shè)全部顆粒物都被采集，則 m-cQt，代入式(1),得<formula>formula see original document page 7</formula>(2)(其中h,對一特定的石英晶體諧振器而言，A是一固有參數(shù)，為一常數(shù)。若保持采樣流量和采樣時(shí) 間一定，則c和A/呈線性關(guān)系，于是測量出頻率差，就可以求出空氣中PM10的濃度。以上所述內(nèi)容僅為本發(fā)明構(gòu)思下的基本說明，而依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案所作的任何等效 變換，均應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1. 一種利用壓電晶體在線監(jiān)測大氣顆粒物濃度的方法，其特征在于首先用高壓靜電采樣器將質(zhì)量為m的大氣顆粒物采集在石英晶體的表面上，引起晶體振動(dòng)頻率的變化，通過測量差頻，依據(jù)晶體的頻率變化與顆粒物質(zhì)量所確定的關(guān)系，進(jìn)行頻率/質(zhì)量轉(zhuǎn)換運(yùn)算，可測得大氣顆粒物的濃度id="icf0001" file="A2007100367330002C1.gif" wi="47" he="9" top= "61" left = "46" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="no"/>
2. —種利用壓電晶體在線監(jiān)測大氣顆粒物濃度的裝置，包括有可移動(dòng)箱體(23)、大氣顆粒物 采樣器(1)、管道(2)、氣室殼體(15)、流量計(jì)(16)、針閥(17)、抽氣泵(18)、混頻 器(19)、整形放大電路模塊(20)、頻率/質(zhì)量轉(zhuǎn)換運(yùn)算器(21)及濃度計(jì)算器(22)組成； 在可移動(dòng)箱體外，大氣顆粒物采樣器與管道連接，其特征在于在可移動(dòng)箱體內(nèi)設(shè)置有氣 室殼體，氣室殼體內(nèi)分為兩個(gè)氣室測量氣室(4)和補(bǔ)償氣室(14)，與大氣顆粒物采樣 器連接的管道另一端伸入到測量氣室入氣口，補(bǔ)償氣室出氣口連接有氣體出口管，測量氣 室(4)內(nèi)放置兩面鍍有電極的測量晶體(9)，同時(shí)在測量氣室(4)內(nèi)的入氣口，即測量 晶體(9)的下方放置一高壓放電針(8)，高壓放電針(8)與測量晶體(9) 一同構(gòu)成靜 電采樣器；高壓電源(5)的正、負(fù)極分別與測量晶體(9)的下表面電極和高壓放電針(8) 相連；高壓控制模塊(6)與高壓電源(5)連接，測量晶體(9)與測量振蕩線路(11) 連接從而構(gòu)成測量晶振；補(bǔ)償氣室(14)內(nèi)放置有兩面鍍有電極的補(bǔ)償晶體(10)，補(bǔ)償 晶體(10)與補(bǔ)償振蕩線路(12)連接從而構(gòu)成補(bǔ)償晶振；補(bǔ)償氣室氣體出口管道上連接 有短管，短管依次與流量計(jì)(16)和濃度計(jì)算器(22)連接；管道出口端依次與針閥(17) 和抽氣泵(18)連接；測量振蕩線路和補(bǔ)償振蕩線路的輸出端同時(shí)連接到混頻器(19); 混頻器依次與整形、放大電路模塊(20)、頻率/質(zhì)量轉(zhuǎn)換運(yùn)算器(21)及濃度計(jì)算器(22) 連接。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種利用壓電晶體在線監(jiān)測大氣顆粒物濃度的裝置，其特征在于 在測量氣室(4)和補(bǔ)償氣室(14)的外殼中間還連接有加熱器(13),在加熱器上方的測 量晶體(9)和補(bǔ)償晶體(10)之間設(shè)置一控溫?zé)崦綦娮?3)，控溫?zé)崦綦娮璧男畔⑤敵?端連摻到釅度控制模塊(7)，濕度控制模塊的輸出端與加熱器(13)連接。
全文摘要
一種利用壓電晶體在線監(jiān)測大氣顆粒物濃度的方法及裝置，首先用高壓靜電采樣器將質(zhì)量為m的大氣顆粒物采集在石英晶體的表面上，引起晶體振動(dòng)頻率的變化，通過測量差頻，依據(jù)晶體的頻率變化與顆粒物質(zhì)量所確定的關(guān)系，通過測量差頻和頻率/質(zhì)量轉(zhuǎn)換運(yùn)算，可測得大氣顆粒物的濃度如右式。所述裝置，包括有可移動(dòng)箱體、大氣顆粒物采樣器、管道、氣室殼體、流量計(jì)、針閥、抽氣泵、混頻器、整形放大電路模塊、頻率/質(zhì)量轉(zhuǎn)換運(yùn)算器及濃度計(jì)算器組成，本發(fā)明與原有的機(jī)械式在線監(jiān)測方法相比，因?yàn)椴捎昧藟弘娋w這種理想的彈性敏感元件，使得監(jiān)測過程具有更高的測量精度。
文檔編號G06F19/00GK101231228SQ20071003673
公開日2008年7月30日 申請日期2007年1月23日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月23日
發(fā)明者應(yīng)啟戛, 李佳穎 申請人:上海理工大學(xué)