颗粒物质量浓度智慧计量平台的研制

许潇; 池顺鑫; 李想

doi:10.12338/j.issn.2096-9015.2022.0178

颗粒物质量浓度智慧计量平台的研制

doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2022.0178

中国计量科学研究院，北京 100029

基金项目: 中国计量科学研究院“智慧计量实验室”项目（06-AJDYX21）。

详细信息

作者简介:
许潇（1985-），中国计量科学研究院副研究员，研究方向：颗粒物计量，邮箱：xuxiao@nim.ac.cn

计量
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出版历程
- 收稿日期: 2022-07-22
- 录用日期: 2022-08-01
- 网络出版日期: 2022-09-13

Development of an Intelligent Metrological Platform for Particulate Matter Mass Concentration

National Institute of Metrology, Beijing 100029, China

摘要

摘要: 厂矿产生的粉尘、烟尘、扬尘和环境空气中的颗粒物是我国劳动保护、工业排放控制和环境空气污染监控等领域的重点关注对象，这也对颗粒物质量浓度监测仪器的检定校准提出了更高需求。设计了一套颗粒物质量浓度智慧计量平台，通过应用发尘反馈控制、数字图像分析和光学文本识别等技术，为粉尘浓度测量仪、PM_2.5/PM₁₀质量浓度监测仪以及粉尘/颗粒物传感器等成套仪器或传感器的多样化检定和校准需求，提供了通用的软硬件基础设施。通过发尘反馈控制，可将粉尘浓度20 min连续测量的相对标准偏差由3.6%～6.4%降至0.3%～0.7%，4 h连续测量的相对极差由1.9%～12%降至0.6%～1.9%，浓度波动显著降低。检校流程控制与数据采集自动化，可减少PM_2.5/PM₁₀质量浓度监测仪校准过程中约88%的人工操作以及粉尘浓度测量仪检校中的全部人工操作，有效提升检校效率和数据质量。
- 大气颗粒物 /
- 质量浓度 /
- 智慧计量 /
- 机器视觉 /
- 文本识别
Abstract: The dust, smoke, fugitive dust and particulate matter in the ambient air generated by factories and mines are the focus of attention in the fields of labor protection, industrial emission control and ambient air pollution monitoring in my country, which also puts forward higher requirements for the verification and calibration of particulate matter concentration monitoring instruments. An intelligent metrological platform for mass concentration of particulate matters is developed based on the feedback control of dust generation, digital image processing and optical character recognition, in order to provide the universal hardware and software infrastructure for the verification and calibration of dust measuring instruments, PM_2.5/PM₁₀ mass concentration monitors and particulate matter sensors. By implementing the feedback control of dust generation, the standard deviation of the mass concentrations during 20 min is reduced from 3.6%～6.4% down to 0.3%～0.7%, and the range of the mass concentrations during 4 h is reduced from 1.9%～12% down to 0.6%～1.9%. By applying automated calibration procedure control and data acquisition, 88% of manual repetitive operations in the calibration of PM_2.5/PM₁₀ monitors, as well as all the manual processes in the verification and calibration of dust monitors, can be eliminated, with improved efficiency and data quality.
- particulate matter /
- mass concentration /
- intelligent metrology /
- machine vision /
- optical character recognition

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图 1 颗粒物质量浓度智慧计量平台硬件架构

Figure 1. Hardware architecture of the intelligent metrological platform

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图 2 颗粒物质量浓度智慧计量平台软件架构

Figure 2. Software architecture of the intelligent metrological platform

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图 3 粉尘浓度测量仪显示面板的光学文字识别结果

Figure 3. Optical character recognition results of dust measurement devices

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表 1 粉尘浓度测量仪检校浓度反馈控制性能

Table 1. Performance of feedback control of mass concentration for dust measurement devices

时间/min	粉尘浓度/mg·m⁻³
时间/min	无控制	反馈控制	无控制	反馈控制	无控制	反馈控制
1	0.109	0.105	1.91	2.00	50.7	50.1
2	0.110	0.105	1.91	1.97	48.5	49.5
3	0.109	0.105	1.94	1.98	48.8	49.3
4	0.111	0.105	1.94	1.97	49.5	49.5
5	0.112	0.104	1.95	1.98	50.0	49.5
6	0.122	0.104	1.96	1.98	54.4	50.3
7	0.109	0.104	1.98	1.98	51.9	49.3
8	0.108	0.104	1.99	1.98	51.5	49.5
9	0.107	0.105	2.00	1.98	52.5	49.5
10	0.108	0.105	2.00	1.98	52.9	49.5
11	0.106	0.104	2.02	1.99	54.1	49.5
12	0.104	0.104	2.02	1.98	56.8	49.6
13	0.106	0.104	2.06	1.98	56.4	49.9
14	0.106	0.105	2.06	1.98	48.8	49.6
15	0.108	0.105	2.06	1.98	47.1	49.6
16	0.105	0.106	2.08	1.98	46.8	49.6
17	0.106	0.106	2.1	1.98	46.4	49.7
18	0.105	0.106	2.12	1.99	45.6	49.7
19	0.105	0.105	2.12	1.98	50.3	49.8
20	0.105	0.106	2.14	1.98	48.3	49.9
相对标准偏差	3.7%	0.7%	3.6%	0.3%	6.4%	0.5%

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表 2 PM_2.5/PM₁₀监测仪浓度反馈控制性能

Table 2. Performance of feedback control of mass concentration for PM_2.5/PM₁₀ measurement devices

时间/h	粉尘浓度/μg·m⁻³
时间/h	无控制	反馈控制	无控制	反馈控制	无控制	反馈控制
1	52.5	51.2	151	150	796	802
2	54.6	50.7	154	148	801	798
3	57.3	51.3	156	149	809	800
4	59.2	50.9	158	151	811	803
相对极差	12%	1.2%	4.5%	2.0%	1.9%	0.6%

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表 3 质量浓度监测仪自动化与人工校准作业量对比

Table 3. Workload comparison between automated and manual calibration of PM_2.5 monitor

校准项目	人工校准用时/h		自动校准用时/h
校准项目	总用时	人工操作	总用时	人工操作
流量温压计时	1.5	0.5	1.5	0.5
零点漂移	6	0.1	6	0
浓度示值误差	15	3	12	0
证书制作	0.5	0.5	0	0
总计	23	4.1	19.5	0.5

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表 4 粉尘浓度测量仪自动化与人工校准作业量对比

Table 4. Workload comparison between automated and manual calibration of dust measurement device

校准项目	人工校准用时/h		自动校准用时/h
校准项目	总用时	人工操作	总用时	人工操作
浓度示值误差	3	3	1.5	0
重复性	0.5	0.5	0.5	0
证书制作	0.5	0.5	0	0
总计	4	4	2	0

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