一种基于颗粒物飞行时间的大气颗粒物质量浓度反演方法

摘要

一种基于颗粒物飞行时间的大气颗粒物质量浓度反演方法，在空气动力学粒谱仪的基础上根据飞行速度和采样流量可以反演出颗粒物的质量浓度。根据空气动力学粒谱仪的工作原理，颗粒通过加速喷口后，在气流轨迹上的任意一点，每种粒径的颗粒物都有唯一速度u_p，通过飞行时间可以得出粒子的飞行速度。由动量守恒定理、空气动力学和流体力学原理可以得出粒子的飞行速度与质量关系，因此通过飞行速度和采样流量可以反演出颗粒物的质量浓度。本发明根据颗粒物的动力学特征反演出大气颗粒物的质量浓度；提供一种能准确、实时、在线测量大气颗粒物质量浓度的反演算法。

主权项

一种基于颗粒物飞行时间的大气颗粒物质量浓度反演方法，其特征在于实现步骤如下：(1)、由空气动力学粒径谱仪测出颗粒物在双光斑的飞行时间，根据双光斑的距离L计算出粒子的飞行速度，公式如下：$v=\frac{L}{\Delta t}---\left(7\right)$其中：v是颗粒物的飞行速度，L是双光斑的距离，Δt是颗粒物在双光斑的飞行时间；(2)、由飞行时间得出颗粒物的飞行速度，根据动量守恒定律、空气动力学和流体力学原理得出粒子飞行速度与单个粒子的质量的关系式，得出颗粒物的质量，公式如下：${\mathrm{dm}}_d=\frac{k}{C_1+C_{2}v+C_{3}ln(1-C_{4}v)}---\left(1\right)$其中：dm_d是某一粒径单个粒子的质量，v为颗粒物的飞行速度，C₁为系统误差修正系数，C₂为颗粒物飞行速度修正系数，C₃为气体的速度，C₄为气体速度的修正系数，L为速度测量点与喷口距离,Z为颗粒物迁移率；(3)利用某一粒径单个颗粒物的质量，根据这一粒径颗粒物的数目经累加计算出这一粒径颗粒物的总质量，计算公式如下：$m_d=\underset{i=0}{\overset{N}{\Sigma }}{\mathrm{dm}}_d---\left(2\right)$式中，N是颗粒物粒径为d的粒子总数，dm_d是颗粒物粒径为d的单个颗粒物的质量，m_d是粒径为d所对应所有颗粒物的质量；(4)由大气颗粒物粒径的范围，根据采样的流量和采样时间计算出大气颗粒物的质量浓度，计算公式如下：$PM=\frac{\underset{d=0}{\overset{D}{\Sigma }}{m}_d}{L·t}---\left(3\right)$式中，D是所测得到的大气颗粒物的最大粒径，L是采样流量，t是采样时间，PM是大气颗粒物的质量浓度；(5)、采用标准气溶胶粒子发生器产生标准颗粒物，标准气溶胶粒子发生器小孔选择20μm，利用DOP溶液产生20组不同溶液浓度的标准颗粒物；(6)、利用空气动力学粒谱仪测量出步骤(5)中得到的20组不同溶液浓度的标准颗粒物的飞行时间，由飞行时间根据公式(6)计算出飞行速度，计算出20组不同溶液浓度的标准颗粒物的质量，粒子质量由下式计算：$m_d=\frac{\pi }{6}·{D_d}^3·\rho ---\left(4\right)$式中，ρ是DOP的粒子质量密度；D_d是液滴直径，D_d可由下式得到：$D_d={\left(\frac{6QC}{\pi f}\right)}^{1/3}---\left(8\right)$式中Q是供液量，即液体流速，f是振动频率，C是体积浓度；(7)、把步骤(5)中得到的20组不同溶液浓度下产生的标准颗粒物的质量和飞行速度数据进行拟合，采用5次多项式拟合：y＝A+B₁x¹+B₂x²+B₃x³+B₄x⁴+B₅x⁵   (5)其中，y是单个颗粒物的质量的倒数，x是颗粒物的飞行时间，A、B₁、B₂、B₃、B₄、B₅是5次多项式拟合参数，采用最小二乘法进行线性拟合后得到参数A、B₁、B₂、B₃、B₄、B₅，并画出对应的拟合曲线，把公式(1)中的对数部分按泰勒公式展开，根据拟合出来的曲线最终确定公式(1)中C₁、C₂、C₃、C₄、k参数，公式(1)的对数部分按泰勒公式展开公式如下：$\begin{array}{c}\frac{1}{{\mathrm{dm}}_d}=\frac{C_1+C_{2}v+C_3\ln (1-C_{4}v)}{k}\\ =\frac{C_1}{k}+\frac{C_{2}v}{k}+\frac{C_3}{k}(-C_{4}v-{C_4}^2{v}^2-\\ {C_4}^3{v}^3-{C_4}^4{v}^4-{C_4}^5{v}^5......)\\ =\frac{C_1}{k}+\frac{C_2-C_3{C}_4}{k}v-\frac{C_3{C_4}^2}{k}{v}^2-\\ \frac{C_3{C_4}^3}{k}{v}^3-\frac{C_3{C_4}^5}{k}{v}^5......\end{array}---\left(6\right)$式中：dm_d是某一粒径单个粒子的质量，v为颗粒物的飞行速度，C₁为系统误差修正系数，C₂为颗粒物飞行速度修正系数，C₃为气体的速度，C₄为气体速度的修正系数，L为速度测量点与喷口距离,Z为颗粒物迁移率；(8)、根据测得到的大气颗粒物飞行时间，把飞行时间转换成飞行速度，最终由计算机经上述步骤反演出大气颗粒物的质量浓度。