测量大气颗粒物的平均粒径和浓度的测量装置及测量方法
【专利摘要】本发明公开了一种大气环保光学检测仪器，特别是公开了一种大气可吸入颗粒平均粒径测量和颗粒浓度检测，多波长输出激光器在DSP控制模块的驱动下，发出某一波长的激光，该光束经过单模光纤后利用光纤耦合器耦合从入射孔进入多光程样品池，与待测气体相互作用，主要是散射和吸收作用，同时在样品池中多次反射后经过入射孔射出样品池，被散射和吸收后的气体，再经过入射孔射出样品池的激光信号进入光电探测器中，并转换为微弱电信号，该电信号经过信号调理电路调理后输入至高速DSP控制器的A/D转换模块中，在计算程序的控制下，进行平均粒径和浓度计算，最后显示在LCD液晶显示模块上，同时该信息也可通过无线通信模块传输给远程的监控设备。
【专利说明】测量大气颗粒物的平均粒径和浓度的测量装置及测量方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种大气环保光学检测仪器，特别是涉及一种大气可吸入颗粒平均粒径测量和颗粒浓度检测。
【背景技术】
[0002]随着工业化进程的发展、汽车车辆的增加、人口的快速增长、房地产的密集开发，导致城市空气质量急剧下降，而其中最为显著的一个指标就是空气中可吸入颗粒物的增力口。可吸入颗粒物主要指大气中直径小于10 μ m的粒子，一般称作PM10。它们能够在呼吸过程中直接进入人体的呼吸道并积聚在肺部，人体长期的吸入会引发肺炎、气喘、肺功能下降等各种呼吸道疾病。而且在空气中持续时间长，对人体健康影响很大，可吸入颗粒物含量已被定为空气质量检测的重要指标之一。
[0003]此装置基于Mie氏散射原理，根据可吸入粒子对激光的散射和颗粒对不同波长激光的依赖特性测量大气中可吸入颗粒的平均粒径以及颗粒浓度。采用Herriott多光程池作为样品池，可以大大提高激光与粒子作用距离，从而提高检测精度和灵敏度。此仪器应用于大气环境中颗粒监测，以及工业生产环境中气体颗粒标定和工业生产和其他场所颗粒测量。
[0004]目前颗粒物检测的主要方法有:筛分法、显微镜法、沉降法、电感应法和光散射法等。其中筛选法是众多测定方法中最通行的方法，优点在于设备简单、操作容易、易于实现，但测定时间长，方法粗糙，另外在筛分过程中有颗粒破损或者断裂，导致测量误差增大，此方法不适用于分析小颗粒。显微镜法也是一种最基本最实用的测量方法，经常用来作为对其他方法的校准和标定，其最大缺点是测量速度慢，成本高。而电感应法对电导率有一定要求，被检测溶液是非电解质时必须加入电解质溶液，因而操作不方便，而且容易带来二次污染。而沉降法是通过颗粒物在液体中的沉降速度来测定颗粒粒度分布的，基本不用于气体颗粒的检测。光散射法以其适用性广、测量范围大、测量准确、精度高、重复性好、测量速度快、所需知被测颗粒物物理参数少，非接触性不破坏被测颗粒结构和特性等优点，已经在颗粒物测量领域占据了主导地位。可吸入颗粒物的直径相对来说较小，尤其是PM2.5的直径和近红外光比拟，所以散射效应会非常强。因此可以通过研究光与颗粒物的相互作用，利用光散射法来测得可吸入颗粒物的浓度。
[0005]通常采用散射消光法测量粒子浓度的方法是根据单波长激光通过含有颗粒物的样品，根据光强的衰减量获知样品中颗粒物的浓度。如申请号:201220522529 —种新型的PM2.5质量浓度实施检测装置。传统光散射法测量颗粒物平均粒径是通过CCD测量散射角度进行反演。如申请号201110148346.2基于光纤耦合的颗粒装置和检测方法中采用的上述方法测量颗粒平均粒径。常见的散射消光法测量颗粒物平均粒径、三波长消光法测定微粒的粒径及其分布，文献(《仪器仪表学报》，21 (2) 208-210,2000)中根据激光单次通过样品池与粒子相互作用所产生的消光效应反推出粒子的粒径和浓度分布，这种方法具有非介入、无二次污染和不中毒的有点，但是一般样品池较短，在测量低浓度粒子时灵敏度较低。为此我们提出了基于三波长-多光程-远程智能化的颗粒粒径和浓度检测仪大大增加了激光与粒子之间作用距离从而提高了检测灵敏度和精度。
【发明内容】
[0006]本发明的目的就是针对上述存在的问题，提供一种具有高精度、高灵敏度、操作简单，可以测量多种大气颗粒平均粒径和浓度的测量装置及方法。
[0007]本发明的测量大气颗粒物的平均粒径和浓度的测量装置，包括多波长单模激光器、多光程样品池和电路控制单元；
所述多波长单模激光器是一种能发出三种不同中心波长的激光器，所述多波长单模激光器连接有单模光纤，在所述单模光纤上设置有所述光纤耦合器，所述光纤耦合器将激光耦合后从多光程样品池的入射孔进入多光程样品池内；
所述多光程样品池包括壳体和设置在壳体内两端的反射镜，所述多光程样品池是一种使激光可以从一侧光入射孔处射入并在气室中多次反射，最后从入射孔处传输出去的一种特殊样品池，在壳体的下端壁上设气体进入口和气体出口，所述气体进入口通过管路连接有干燥器，干燥器的进入口与进气管连通，所述进气管上设有可控流量计，所述气体出口通过管路连接有气泵，在气体出口和气泵之间的管路上设有气压计；
所述电路控制单元包括光电探测器、高速DSP控制器、LCD液晶显示模块和远程无线通信模块；
所述光电探测器位于所述多光程样品池的入射口处用于接收从多光程样品池反射出来的激光信号，并且将该激光信号转换成电信号，电信号通过信号调理电路调理后输入至高速DSP控制器的A/D转换模块上；
所述高速DSP控制器在计算程序的控制下驱动多波长单模激光器依次发出三种不同波长的激光信号，高速DSP控制器将A/D转换模块的数据进行数字滤波，然后根据三个消光系数比值计算平均粒径D，接着计算平均消光系数，在根据消光系数比确定浊度，然后根据浊度计算其浓度；
所述LCD液晶显示模块用于实时显示气体中颗粒物的平均粒径和浓度；
所述远程无线通信模块用于将大气中的颗粒物的平均粒径和浓度传输给远程的监控设备。
[0008]所述多光程样品池的壳体上设置有气帘，所述气帘位于所述多光程样品池内的反射镜的两侧。
[0009]所述干燥器的内设置有过滤网。
[0010]所述多光程样品池是一种Herriott型多次反射的多光程样品池，其反射次数在20次以上，有效光程在5米以上。
[0011]一种利用测量大气颗粒物的平均粒径和浓度的测量装置的测量方法，平均粒径和浓度是按照以下步骤确定:
一、高速DSP控制器在计算程序的控制下驱动多波长单模激光器发出依次发出三种不同波长的激光信号；
二、激光信号通过单模光纤后利用光纤耦合器耦合从入射孔进入多光程样品池，与待测气体发生散射和吸收作用，同时在多光程样品池中多次反射后经过入射孔射出多光程样品池;
三、被散射和吸收后的气体，再经过入射孔射出多光程样品池的激光信号进入光电探测器中，并转换为微弱电信号，该电信号经过信号调理电路调理后输入至高速DSP控制器的A/D转换模块上；
四、进行数字滤波，然后根据三个消光系数比值计算平均粒径D，接着计算平均消光系数，在根据消光系数比确定浊度，然后根据浊度计算其浓度后，实时存储在内部存储器中，最后将平均粒径值和浓度值显示在LCD液晶显示模块上。
[0012]本发明中待测气体的循环如下:
通过可控流量计进入干燥器中，在干燥器中设有过滤网，其作用是根据系统的需求设置不同的大小的滤网，使得测量装置可以测量不同直径的颗粒物；经过过滤后的待测气体由气泵进入多光程样品池中，与激光信号相互作用及散射和吸收后，通过气压计流出样品池,并构成一次气流的循环过程。
[0013]激光信号的传输过程如下:
多波长输出激光器在高速DSP控制器的驱动下，发出某一波长的激光，该光束经过单模光纤后利用光纤耦合器耦合从入射孔进入多光程样品池，与待测气体相互作用，主要是散射和吸收作用，同时在样品池中多次反射后经过入射孔射出多光程样品池，被散射和吸收后的气体，再经过入射孔射出多光程样品池的激光信号进入光电探测器中。
[0014]本发明工作原理为:
多波长输出激光器在DSP控制模块的驱动下,发出某一波长的激光,该光束经过单模光纤后利用光纤耦合器耦合从入射孔进入多光程样品池，与待测气体相互作用，主要是散射和吸收作用，同时在多光程样品池中多次反射后经过入射孔射出多光程样品池，被散射和吸收后的气体，再经过入射孔射出样品池的激光信号进入光电探测器中，并转换为微弱电信号，该电信号经过信号调理电路调理后输入至高速DSP控制器的A/D转换模块中，在计算程序的控制下，进行平均粒径和浓度计算，最后显示在液晶显示器上，同时该信息也可通过无线通信模块传输给远程的监控设备。
[0015]与现有技术相比本发明的有益效果为:
一、可以测量颗粒物的粒径分布和浓度的测量装置:本发明装置通过控制激光输出三种不同的波长，根据粒子散射与波长的关系可以得到粒子的粒径分布，再对粒径分布进行积分处理可以得到颗粒浓度值，使得装置具有粒度和浓度测量功能。
[0016]二、DSP控制系统:由于在平均粒径和消光系数的计算过程中需要浮点的复杂运算，本专利采用高速浮点DSP控制器，大大减小了系统的响应时间；
三、测量装置和方法的精度和准确度更高:本发明的样品池采用Herriott池，使得光与粒子的作用光程大大提高，从了提高了实验灵敏度和精度。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1是测量大气颗粒物的平均粒径和浓度的测量装置的结构示意图。
[0018]图2是对PM2.5采样气体测得的平均粒径。
[0019]图3是对PMlO采样气体测得的平均粒径。【具体实施方式】
[0020]下面结合附图和实施例，对本发明的【具体实施方式】作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
[0021]参见图1，一种测量大气颗粒物的平均粒径和浓度的测量装置，包括多波长单模激光器1、多光程样品池4和电路控制单元；
多波长单模激光器I是一种能发出三种不同中心波长的激光器，多波长单模激光器I连接有单模光纤2，在单模光纤2上设置有光纤耦合器3，光纤耦合器3将激光耦合后从多光程样品池4的入射孔进入多光程样品池4内。
[0022]多光程样品池4包括壳体41和设置在壳体41内两端的反射镜42，多光程样品池4是一种Herriott型多次反射的多光程样品池4，其反射次数在20次以上，有效光程在5米以上，多光程样品池4是一种使激光可以从一侧光入射孔处射入并在气室中多次反射，最后从入射孔处传输出去的一种特殊样品池，多光程样品池4的壳体41上设置有气帘6，气帘6位于多光程样品池4内的反射镜42的两侧；气帘6用于保持反射镜42表面的洁净度，使待测气体尽可能沿着气流进出多光程样品池4，而不吸附在两侧的发射镜42的镜面上。
[0023]在壳体41的下端壁上设气体进入口 43和气体出口 44，气体进入口 43通过管路连接有干燥器7，干燥器7的内设置有过滤网71，其作用是根据系统的需求设置不同的大小的过滤网71，使得测量装置可以测量不同直径的颗粒物，干燥器7的进入口与进气管连通，进气管上设有可控流量计8，气体出口 44通过管路连接有气泵9，在气体出口 44和气泵9之间的管路上设有气压计10。
[0024]电路控制单元包括光电探测器5、高速DSP控制器1111、IXD液晶显示模块12和远程无线通信模块13。
[0025]光电探测器5位于多光程样品池4的入射口处用于接收从多光程样品池4反射出来的激光信号，并且将该激光信号转换成电信号，电信号通过信号调理电路调理后输入至高速DSP控制器11的A/D转换模块上。
[0026]高速DSP控制器11在计算程序的控制下驱动多波长单模激光器I依次发出三种不同波长的激光信号，高速DSP控制器11将A/D转换模块的数据进行数字滤波，然后根据三个消光系数比值计算平均粒径D，接着计算平均消光系数，在根据消光系数比确定浊度，然后根据浊度计算其浓度。
[0027]IXD液晶显示模块12用于实时显示气体中颗粒物的平均粒径和浓度。
[0028]远程无线通信模块13用于将大气中的颗粒物的平均粒径和浓度传输给远程的监控设备。
[0029]一种测量大气颗粒物的平均粒径和浓度的测量装置的测量方法，平均粒径和浓度是按照以下步骤确定:
一、高速DSP控制器11在计算程序的控制下驱动多波长单模激光器I发出依次发出三种不同波长的激光信号；
二、激光信号通过单模光纤2后利用光纤耦合器3耦合从入射孔进入多光程样品池4，与待测气体发生散射和吸收作用，同时在多光程样品池4中多次反射后经过入射孔射出多光程样品池4 ；
三、被散射和吸收后的气体，再经过入射孔射出多光程样品池4的激光信号进入光电探测器5中，并转换为微弱电信号，该电信号经过信号调理电路调理后输入至高速DSP控制器11的A/D转换模块上；
四、进行数字滤波，然后根据三个消光系数比值计算平均粒径D，接着计算平均消光系数，在根据消光系数比确定浊度，然后根据浊度计算其浓度后，实时存储在内部存储器中，最后将平均粒径值和浓度值显示在IXD液晶显示模块12上。
[0030]颗粒物的粒径分布和浓度计算过程如下:
当一束平行入射光通过一定体积的含有悬浮颗粒的介质时，由于颗粒物的散射效应会导致出射光强产生一定程度衰减，其衰减程度以浊度或消光表示，与颗粒的大小和数量(浓度)有关，出射光强与入射光强之间的关系可表示为:
【权利要求】
1.一种测量大气颗粒物的平均粒径和浓度的测量装置，其特征在于:包括多波长单模激光器、多光程样品池和电路控制单元； 所述多波长单模激光器是一种能发出三种不同中心波长的激光器，所述多波长单模激光器连接有单模光纤，在所述单模光纤上设置有所述光纤耦合器，所述光纤耦合器将激光耦合后从多光程样品池的入射孔进入多光程样品池内； 所述多光程样品池包括壳体和设置在壳体内两端的反射镜，所述多光程样品池是一种使激光可以从一侧光入射孔处射入并在气室中多次反射，最后从入射孔处传输出去的一种特殊样品池，在壳体的下端壁上设气体进入口和气体出口，所述气体进入口通过管路连接有干燥器，干燥器的进入口与进气管连通，所述进气管上设有可控流量计，所述气体出口通过管路连接有气泵，在气体出口和气泵之间的管路上设有气压计； 所述电路控制单元包括光电探测器、高速DSP控制器、LCD液晶显示模块和远程无线通信模块； 所述光电探测器位于所述多光程样品池的入射口处用于接收从多光程样品池反射出来的激光信号，并且将该激光信号转换成电信号，电信号通过信号调理电路调理后输入至高速DSP控制器的A/D转换模块上； 所述高速DSP控制器在计算程序的控制下驱动多波长单模激光器依次发出三种不同波长的激光信号，高速DSP控制器将A/D转换模块的数据进行数字滤波，然后根据三个消光系数比值计算平均粒径D，接着计算平均消光系数，在根据消光系数比确定浊度，然后根据浊度计算其浓度； 所述LCD液晶显示模块用于实时显示气体中颗粒物的平均粒径和浓度； 所述远程无线通信模块用于将大气中的颗粒物的平均粒径和浓度传输给远程的监控设备。
2.如权利要求1所述的测量大气颗粒物的平均粒径和浓度的测量装置，其特征在于:所述多光程样品池的壳体上设置有气帘，所述气帘位于所述多光程样品池内的反射镜的两侧。
3.如权利要求1所述的测量大气颗粒物的平均粒径和浓度的测量装置，其特征在于:所述干燥器的内设置有过滤网。
4.如权利要求1所述的测量大气颗粒物的平均粒径和浓度的测量装置，其特征在于:所述多光程样品池是一种Herriott型多次反射的多光程样品池，其反射次数在20次以上，有效光程在5米以上。
5.一种利用权利要求1所述的测量大气颗粒物的平均粒径和浓度的测量装置的测量方法，其特征在于:平均粒径和浓度是按照以下步骤确定: 一、高速DSP控制器在计算程序的控制下驱动多波长单模激光器发出依次发出三种不同波长的激光信号； 二、激光信号通过单模光纤后利用光纤耦合器耦合从入射孔进入多光程样品池，与待测气体发生散射和吸收作用，同时在多光程样品池中多次反射后经过入射孔射出多光程样品池； 三、被散射和吸收后的气体，再经过入射孔射出多光程样品池的激光信号进入光电探测器中，并转换为微弱电信号，该电信号经过信号调理电路调理后输入至高速DSP控制器的A/D转换模块上； 四、进行数字滤波，然后根据三个消光系数比值计算平均粒径D，接着计算平均消光系数，在根据消光系数比确定浊度，然后根据浊度计算其浓度后，实时存储在内部存储器中，最后将平均粒径值 和浓度值显示在LCD液晶显示模块上。
【文档编号】G01N15/02GK103728229SQ201310662638
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2013年12月9日 优先权日:2013年12月9日
【发明者】魏计林, 李传亮, 邱选兵, 刘路路, 吴应发, 张棚 申请人:太原科技大学