測量大氣顆粒物的平均粒徑和濃度的測量裝置及測量方法
2023-06-01 06:11:11 2
測量大氣顆粒物的平均粒徑和濃度的測量裝置及測量方法
【專利摘要】本發明公開了一種大氣環保光學檢測儀器，特別是公開了一種大氣可吸入顆粒平均粒徑測量和顆粒濃度檢測，多波長輸出雷射器在DSP控制模塊的驅動下，發出某一波長的雷射，該光束經過單模光纖後利用光纖耦合器耦合從入射孔進入多光程樣品池，與待測氣體相互作用，主要是散射和吸收作用，同時在樣品池中多次反射後經過入射孔射出樣品池，被散射和吸收後的氣體，再經過入射孔射出樣品池的雷射信號進入光電探測器中，並轉換為微弱電信號，該電信號經過信號調理電路調理後輸入至高速DSP控制器的A/D轉換模塊中，在計算程序的控制下，進行平均粒徑和濃度計算，最後顯示在LCD液晶顯示模塊上，同時該信息也可通過無線通信模塊傳輸給遠程的監控設備。
【專利說明】測量大氣顆粒物的平均粒徑和濃度的測量裝置及測量方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種大氣環保光學檢測儀器，特別是涉及一種大氣可吸入顆粒平均粒徑測量和顆粒濃度檢測。
【背景技術】
[0002]隨著工業化進程的發展、汽車車輛的增加、人口的快速增長、房地產的密集開發，導致城市空氣品質急劇下降，而其中最為顯著的一個指標就是空氣中可吸入顆粒物的增力口。可吸入顆粒物主要指大氣中直徑小於10 μ m的粒子，一般稱作PM10。它們能夠在呼吸過程中直接進入人體的呼吸道並積聚在肺部，人體長期的吸入會引發肺炎、氣喘、肺功能下降等各種呼吸道疾病。而且在空氣中持續時間長，對人體健康影響很大，可吸入顆粒物含量已被定為空氣品質檢測的重要指標之一。
[0003]此裝置基於Mie氏散射原理，根據可吸入粒子對雷射的散射和顆粒對不同波長雷射的依賴特性測量大氣中可吸入顆粒的平均粒徑以及顆粒濃度。採用Herriott多光程池作為樣品池，可以大大提高雷射與粒子作用距離，從而提高檢測精度和靈敏度。此儀器應用於大氣環境中顆粒監測，以及工業生產環境中氣體顆粒標定和工業生產和其他場所顆粒測量。
[0004]目前顆粒物檢測的主要方法有:篩分法、顯微鏡法、沉降法、電感應法和光散射法等。其中篩選法是眾多測定方法中最通行的方法，優點在於設備簡單、操作容易、易於實現，但測定時間長，方法粗糙，另外在篩分過程中有顆粒破損或者斷裂，導致測量誤差增大，此方法不適用於分析小顆粒。顯微鏡法也是一種最基本最實用的測量方法，經常用來作為對其他方法的校準和標定，其最大缺點是測量速度慢，成本高。而電感應法對電導率有一定要求，被檢測溶液是非電解質時必須加入電解質溶液，因而操作不方便，而且容易帶來二次汙染。而沉降法是通過顆粒物在液體中的沉降速度來測定顆粒粒度分布的，基本不用於氣體顆粒的檢測。光散射法以其適用性廣、測量範圍大、測量準確、精度高、重複性好、測量速度快、所需知被測顆粒物物理參數少，非接觸性不破壞被測顆粒結構和特性等優點，已經在顆粒物測量領域佔據了主導地位。可吸入顆粒物的直徑相對來說較小，尤其是PM2.5的直徑和近紅外光比擬，所以散射效應會非常強。因此可以通過研究光與顆粒物的相互作用，利用光散射法來測得可吸入顆粒物的濃度。
[0005]通常採用散射消光法測量粒子濃度的方法是根據單波長雷射通過含有顆粒物的樣品，根據光強的衰減量獲知樣品中顆粒物的濃度。如申請號:201220522529 —種新型的PM2.5質量濃度實施檢測裝置。傳統光散射法測量顆粒物平均粒徑是通過CCD測量散射角度進行反演。如申請號201110148346.2基於光纖耦合的顆粒裝置和檢測方法中採用的上述方法測量顆粒平均粒徑。常見的散射消光法測量顆粒物平均粒徑、三波長消光法測定微粒的粒徑及其分布，文獻(《儀器儀表學報》，21 (2) 208-210,2000)中根據雷射單次通過樣品池與粒子相互作用所產生的消光效應反推出粒子的粒徑和濃度分布，這種方法具有非介入、無二次汙染和不中毒的有點，但是一般樣品池較短，在測量低濃度粒子時靈敏度較低。為此我們提出了基於三波長-多光程-遠程智能化的顆粒粒徑和濃度檢測儀大大增加了雷射與粒子之間作用距離從而提高了檢測靈敏度和精度。
【發明內容】
[0006]本發明的目的就是針對上述存在的問題，提供一種具有高精度、高靈敏度、操作簡單，可以測量多種大氣顆粒平均粒徑和濃度的測量裝置及方法。
[0007]本發明的測量大氣顆粒物的平均粒徑和濃度的測量裝置，包括多波長單模雷射器、多光程樣品池和電路控制單元；
所述多波長單模雷射器是一種能發出三種不同中心波長的雷射器，所述多波長單模雷射器連接有單模光纖，在所述單模光纖上設置有所述光纖耦合器，所述光纖耦合器將雷射耦合後從多光程樣品池的入射孔進入多光程樣品池內；
所述多光程樣品池包括殼體和設置在殼體內兩端的反射鏡，所述多光程樣品池是一種使雷射可以從一側光入射孔處射入並在氣室中多次反射，最後從入射孔處傳輸出去的一種特殊樣品池，在殼體的下端壁上設氣體進入口和氣體出口，所述氣體進入口通過管路連接有乾燥器，乾燥器的進入口與進氣管連通，所述進氣管上設有可控流量計，所述氣體出口通過管路連接有氣泵，在氣體出口和氣泵之間的管路上設有氣壓計；
所述電路控制單元包括光電探測器、高速DSP控制器、LCD液晶顯示模塊和遠程無線通信模塊；
所述光電探測器位於所述多光程樣品池的入射口處用於接收從多光程樣品池反射出來的雷射信號，並且將該雷射信號轉換成電信號，電信號通過信號調理電路調理後輸入至高速DSP控制器的A/D轉換模塊上；
所述高速DSP控制器在計算程序的控制下驅動多波長單模雷射器依次發出三種不同波長的雷射信號，高速DSP控制器將A/D轉換模塊的數據進行數字濾波，然後根據三個消光係數比值計算平均粒徑D，接著計算平均消光係數，在根據消光係數比確定濁度，然後根據濁度計算其濃度；
所述LCD液晶顯示模塊用於實時顯示氣體中顆粒物的平均粒徑和濃度；
所述遠程無線通信模塊用於將大氣中的顆粒物的平均粒徑和濃度傳輸給遠程的監控設備。
[0008]所述多光程樣品池的殼體上設置有氣簾，所述氣簾位於所述多光程樣品池內的反射鏡的兩側。
[0009]所述乾燥器的內設置有過濾網。
[0010]所述多光程樣品池是一種Herriott型多次反射的多光程樣品池，其反射次數在20次以上，有效光程在5米以上。
[0011]一種利用測量大氣顆粒物的平均粒徑和濃度的測量裝置的測量方法，平均粒徑和濃度是按照以下步驟確定:
一、高速DSP控制器在計算程序的控制下驅動多波長單模雷射器發出依次發出三種不同波長的雷射信號；
二、雷射信號通過單模光纖後利用光纖耦合器耦合從入射孔進入多光程樣品池，與待測氣體發生散射和吸收作用，同時在多光程樣品池中多次反射後經過入射孔射出多光程樣品池;
三、被散射和吸收後的氣體，再經過入射孔射出多光程樣品池的雷射信號進入光電探測器中，並轉換為微弱電信號，該電信號經過信號調理電路調理後輸入至高速DSP控制器的A/D轉換模塊上；
四、進行數字濾波，然後根據三個消光係數比值計算平均粒徑D，接著計算平均消光係數，在根據消光係數比確定濁度，然後根據濁度計算其濃度後，實時存儲在內部存儲器中，最後將平均粒徑值和濃度值顯示在LCD液晶顯示模塊上。
[0012]本發明中待測氣體的循環如下:
通過可控流量計進入乾燥器中，在乾燥器中設有過濾網，其作用是根據系統的需求設置不同的大小的濾網，使得測量裝置可以測量不同直徑的顆粒物；經過過濾後的待測氣體由氣泵進入多光程樣品池中，與雷射信號相互作用及散射和吸收後，通過氣壓計流出樣品池,並構成一次氣流的循環過程。
[0013]雷射信號的傳輸過程如下:
多波長輸出雷射器在高速DSP控制器的驅動下，發出某一波長的雷射，該光束經過單模光纖後利用光纖耦合器耦合從入射孔進入多光程樣品池，與待測氣體相互作用，主要是散射和吸收作用，同時在樣品池中多次反射後經過入射孔射出多光程樣品池，被散射和吸收後的氣體，再經過入射孔射出多光程樣品池的雷射信號進入光電探測器中。
[0014]本發明工作原理為:
多波長輸出雷射器在DSP控制模塊的驅動下,發出某一波長的雷射,該光束經過單模光纖後利用光纖耦合器耦合從入射孔進入多光程樣品池，與待測氣體相互作用，主要是散射和吸收作用，同時在多光程樣品池中多次反射後經過入射孔射出多光程樣品池，被散射和吸收後的氣體，再經過入射孔射出樣品池的雷射信號進入光電探測器中，並轉換為微弱電信號，該電信號經過信號調理電路調理後輸入至高速DSP控制器的A/D轉換模塊中，在計算程序的控制下，進行平均粒徑和濃度計算，最後顯示在液晶顯示器上，同時該信息也可通過無線通信模塊傳輸給遠程的監控設備。
[0015]與現有技術相比本發明的有益效果為:
一、可以測量顆粒物的粒徑分布和濃度的測量裝置:本發明裝置通過控制雷射輸出三種不同的波長，根據粒子散射與波長的關係可以得到粒子的粒徑分布，再對粒徑分布進行積分處理可以得到顆粒濃度值，使得裝置具有粒度和濃度測量功能。
[0016]二、DSP控制系統:由於在平均粒徑和消光係數的計算過程中需要浮點的複雜運算，本專利採用高速浮點DSP控制器，大大減小了系統的響應時間；
三、測量裝置和方法的精度和準確度更高:本發明的樣品池採用Herriott池，使得光與粒子的作用光程大大提高，從了提高了實驗靈敏度和精度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1是測量大氣顆粒物的平均粒徑和濃度的測量裝置的結構示意圖。
[0018]圖2是對PM2.5採樣氣體測得的平均粒徑。
[0019]圖3是對PMlO採樣氣體測得的平均粒徑。【具體實施方式】
[0020]下面結合附圖和實施例，對本發明的【具體實施方式】作進一步詳細描述。以下實施例用於說明本發明，但不用來限制本發明的範圍。
[0021]參見圖1，一種測量大氣顆粒物的平均粒徑和濃度的測量裝置，包括多波長單模雷射器1、多光程樣品池4和電路控制單元；
多波長單模雷射器I是一種能發出三種不同中心波長的雷射器，多波長單模雷射器I連接有單模光纖2，在單模光纖2上設置有光纖耦合器3，光纖耦合器3將雷射耦合後從多光程樣品池4的入射孔進入多光程樣品池4內。
[0022]多光程樣品池4包括殼體41和設置在殼體41內兩端的反射鏡42，多光程樣品池4是一種Herriott型多次反射的多光程樣品池4，其反射次數在20次以上，有效光程在5米以上，多光程樣品池4是一種使雷射可以從一側光入射孔處射入並在氣室中多次反射，最後從入射孔處傳輸出去的一種特殊樣品池，多光程樣品池4的殼體41上設置有氣簾6，氣簾6位於多光程樣品池4內的反射鏡42的兩側；氣簾6用於保持反射鏡42表面的潔淨度，使待測氣體儘可能沿著氣流進出多光程樣品池4，而不吸附在兩側的發射鏡42的鏡面上。
[0023]在殼體41的下端壁上設氣體進入口 43和氣體出口 44，氣體進入口 43通過管路連接有乾燥器7，乾燥器7的內設置有過濾網71，其作用是根據系統的需求設置不同的大小的過濾網71，使得測量裝置可以測量不同直徑的顆粒物，乾燥器7的進入口與進氣管連通，進氣管上設有可控流量計8，氣體出口 44通過管路連接有氣泵9，在氣體出口 44和氣泵9之間的管路上設有氣壓計10。
[0024]電路控制單元包括光電探測器5、高速DSP控制器1111、IXD液晶顯示模塊12和遠程無線通信模塊13。
[0025]光電探測器5位於多光程樣品池4的入射口處用於接收從多光程樣品池4反射出來的雷射信號，並且將該雷射信號轉換成電信號，電信號通過信號調理電路調理後輸入至高速DSP控制器11的A/D轉換模塊上。
[0026]高速DSP控制器11在計算程序的控制下驅動多波長單模雷射器I依次發出三種不同波長的雷射信號，高速DSP控制器11將A/D轉換模塊的數據進行數字濾波，然後根據三個消光係數比值計算平均粒徑D，接著計算平均消光係數，在根據消光係數比確定濁度，然後根據濁度計算其濃度。
[0027]IXD液晶顯示模塊12用於實時顯示氣體中顆粒物的平均粒徑和濃度。
[0028]遠程無線通信模塊13用於將大氣中的顆粒物的平均粒徑和濃度傳輸給遠程的監控設備。
[0029]一種測量大氣顆粒物的平均粒徑和濃度的測量裝置的測量方法，平均粒徑和濃度是按照以下步驟確定:
一、高速DSP控制器11在計算程序的控制下驅動多波長單模雷射器I發出依次發出三種不同波長的雷射信號；
二、雷射信號通過單模光纖2後利用光纖耦合器3耦合從入射孔進入多光程樣品池4，與待測氣體發生散射和吸收作用，同時在多光程樣品池4中多次反射後經過入射孔射出多光程樣品池4 ；
三、被散射和吸收後的氣體，再經過入射孔射出多光程樣品池4的雷射信號進入光電探測器5中，並轉換為微弱電信號，該電信號經過信號調理電路調理後輸入至高速DSP控制器11的A/D轉換模塊上；
四、進行數字濾波，然後根據三個消光係數比值計算平均粒徑D，接著計算平均消光係數，在根據消光係數比確定濁度，然後根據濁度計算其濃度後，實時存儲在內部存儲器中，最後將平均粒徑值和濃度值顯示在IXD液晶顯示模塊12上。
[0030]顆粒物的粒徑分布和濃度計算過程如下:
當一束平行入射光通過一定體積的含有懸浮顆粒的介質時，由於顆粒物的散射效應會導致出射光強產生一定程度衰減，其衰減程度以濁度或消光表示，與顆粒的大小和數量(濃度)有關，出射光強與入射光強之間的關係可表示為:
【權利要求】
1.一種測量大氣顆粒物的平均粒徑和濃度的測量裝置，其特徵在於:包括多波長單模雷射器、多光程樣品池和電路控制單元； 所述多波長單模雷射器是一種能發出三種不同中心波長的雷射器，所述多波長單模雷射器連接有單模光纖，在所述單模光纖上設置有所述光纖耦合器，所述光纖耦合器將雷射耦合後從多光程樣品池的入射孔進入多光程樣品池內； 所述多光程樣品池包括殼體和設置在殼體內兩端的反射鏡，所述多光程樣品池是一種使雷射可以從一側光入射孔處射入並在氣室中多次反射，最後從入射孔處傳輸出去的一種特殊樣品池，在殼體的下端壁上設氣體進入口和氣體出口，所述氣體進入口通過管路連接有乾燥器，乾燥器的進入口與進氣管連通，所述進氣管上設有可控流量計，所述氣體出口通過管路連接有氣泵，在氣體出口和氣泵之間的管路上設有氣壓計； 所述電路控制單元包括光電探測器、高速DSP控制器、LCD液晶顯示模塊和遠程無線通信模塊； 所述光電探測器位於所述多光程樣品池的入射口處用於接收從多光程樣品池反射出來的雷射信號，並且將該雷射信號轉換成電信號，電信號通過信號調理電路調理後輸入至高速DSP控制器的A/D轉換模塊上； 所述高速DSP控制器在計算程序的控制下驅動多波長單模雷射器依次發出三種不同波長的雷射信號，高速DSP控制器將A/D轉換模塊的數據進行數字濾波，然後根據三個消光係數比值計算平均粒徑D，接著計算平均消光係數，在根據消光係數比確定濁度，然後根據濁度計算其濃度； 所述LCD液晶顯示模塊用於實時顯示氣體中顆粒物的平均粒徑和濃度； 所述遠程無線通信模塊用於將大氣中的顆粒物的平均粒徑和濃度傳輸給遠程的監控設備。
2.如權利要求1所述的測量大氣顆粒物的平均粒徑和濃度的測量裝置，其特徵在於:所述多光程樣品池的殼體上設置有氣簾，所述氣簾位於所述多光程樣品池內的反射鏡的兩側。
3.如權利要求1所述的測量大氣顆粒物的平均粒徑和濃度的測量裝置，其特徵在於:所述乾燥器的內設置有過濾網。
4.如權利要求1所述的測量大氣顆粒物的平均粒徑和濃度的測量裝置，其特徵在於:所述多光程樣品池是一種Herriott型多次反射的多光程樣品池，其反射次數在20次以上，有效光程在5米以上。
5.一種利用權利要求1所述的測量大氣顆粒物的平均粒徑和濃度的測量裝置的測量方法，其特徵在於:平均粒徑和濃度是按照以下步驟確定: 一、高速DSP控制器在計算程序的控制下驅動多波長單模雷射器發出依次發出三種不同波長的雷射信號； 二、雷射信號通過單模光纖後利用光纖耦合器耦合從入射孔進入多光程樣品池，與待測氣體發生散射和吸收作用，同時在多光程樣品池中多次反射後經過入射孔射出多光程樣品池； 三、被散射和吸收後的氣體，再經過入射孔射出多光程樣品池的雷射信號進入光電探測器中，並轉換為微弱電信號，該電信號經過信號調理電路調理後輸入至高速DSP控制器的A/D轉換模塊上； 四、進行數字濾波，然後根據三個消光係數比值計算平均粒徑D，接著計算平均消光係數，在根據消光係數比確定濁度，然後根據濁度計算其濃度後，實時存儲在內部存儲器中，最後將平均粒徑值 和濃度值顯示在LCD液晶顯示模塊上。
【文檔編號】G01N15/02GK103728229SQ201310662638
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2013年12月9日 優先權日:2013年12月9日
【發明者】魏計林, 李傳亮, 邱選兵, 劉路路, 吳應發, 張棚 申請人:太原科技大學