基于拉曼光谱的游离二氧化硅粉尘浓度在线连续检测装置

1.本发明属于粉尘成分检测技术领域，具体是一种基于拉曼光谱的游离二氧化硅粉尘浓度在线连续检测装置。


背景技术：

2.随着工业化和经济的快速发展，作业场所单位时间内生产、加工等过程中产生的粉尘量在不断增加，其中含有大量的游离二氧化硅粉尘，这些粉尘被作业人员吸入后，会对其肺部造成严重的损害，甚至会引起全身性的疾病。为了确保作业人员的安全，需要对作业场所的游离二氧化硅粉尘浓度进行实时性检测，以便于能实时快速的判断出是否需要停止作业或采取必要的粉尘防治处理措施。
3.目前检测粉尘中游离二氧化硅的技术主要有焦磷酸质量法、x射线衍射法、红外分光光度法等，以上三种方法均存在一定的不足之处。其中，焦磷酸质量法所需样品量大、操作繁琐，并且实验中用到的腐蚀性试剂及高温环境有可能会威胁人体健康；虽然，现阶段多采用x射线衍射法作为标准的测定方法，但是x射线衍射法虽然是无损分析方法，但容易受相互元素干扰和叠加峰影响，且成本较高；红外分光光度法应用范围较广，但灵敏度低，操作步骤较多，测量结果容易受其他成分影响。
4.拉曼光谱技术的基础是拉曼散射效应，即一束单色光在入射试样后，部分光被散射，而散射光中的一小部分由于分子振动和分子转动的作用波长会发生偏移，这种波长发生偏移的光的光谱就是拉曼光谱。在测试时，光谱中所出现的尖锐的峰是试样中某些特定分子的特征，并且拉曼光谱的峰强度与相应分子的浓度成正比，故拉曼光谱同时具有对试样进行定性分析和定量分析的能力。
5.经过多年的发展，拉曼光谱技术在测定游离二氧化硅粉尘方面具有显著的优越性。该技术操作简单、快速，可实现无损分析，且所需样品量少，并且样品通常不需要进行处理，可直接进行测量。这些特点均有利于实现简单快速的游离二氧化硅粉尘在线连续检测装置。


技术实现要素：

6.针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于拉曼光谱的游离二氧化硅粉尘含浓度在线连续检测装置，该装置结构简单，能连续方便的进行检测操作，且可以在线式的对二氧化硅粉尘浓度进行实时检测。
7.为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于拉曼光谱的游离二氧化硅粉尘浓度在线连续检测装置，包括底座、旋转柱体、滤纸取用系统、游离二氧化硅粉尘采集系统和拉曼光谱系统；
8.所述旋转柱体竖直的设置在底座上端面的中心，并通过安装在底座内部的驱动电机a驱动；
9.所述滤纸取用系统包括取纸机、滤板、滤纸夹、空气泵、软管和滤纸回收盒；所述取
纸机包括箱式壳体、横隔板、导纸机构和切纸机构；所述箱式壳体设置在旋转柱体中部的左侧，且里侧通过横向连接架a与旋转柱体的左侧壁固定连接；所述横隔板固定连接在箱式壳体内腔的中部，并将箱式壳体的内腔分为位于上部的储纸盒和位于下部的出纸盒；横隔板的中部开设有下纸口；所述出纸盒的右侧壁下侧开设有出纸口；所述导纸机构包括导纸板、导纸辊和驱动电机b，所述导纸板由上部竖直段、中部倾斜段和下部水平段组成；所述上部竖直段的上端固定连接在下纸口的左侧，所述中部倾斜段左高右低倾斜的设置，所述下部水平段的右端位于出纸口的下侧，并与出纸盒的右侧壁内侧固定连接；所述导纸辊通过其中心的转轴可转动的安装在出纸盒中，其左端辊面与上部竖直段的右侧面接触配合，并通过安装在箱式壳体的外部的驱动电机b驱动；所述切纸机构位于出纸口的内部，其包括位于上部的直线式电动伸缩推杆、位于中部的连接板、左右并排设置在下部的压纸板和切纸刀；所述直线式电动伸缩推杆的固定座端安装在出纸口上端的右侧壁的内部，所述连接板的上端中心与直线式电动伸缩推杆的推杆端固定连接，所述压纸板的上端和切纸刀上端的刀柄均固定连接在连接板的下端面，且压纸板的下端和切纸刀的刀刃部分相平齐的设置，并均与出纸口的下端沿配合；所述滤板为网状筛板制成，其水平的设置在旋转柱体下部的左侧，其到旋转柱体表面的距离与横向连接架a的长度相等；滤板通过位于其下部的立式支撑架支撑，所述立式支撑架的底部与底座的外侧壁固定连接；所述滤纸夹安装在滤板上；所述空气泵安装在立式支撑架上；所述软管的一端与空气泵的进气口连接，其另一端固定设置在滤板中心的下方，且进气端朝上的设置；所述滤纸回收盒位于滤板的下方；
10.所述游离二氧化硅粉尘采集系统由旋风式粒径切割头、采样头、气流管路、收缩喷嘴、隔离罩和流量计组成；气流管路设置在在旋转柱体中部的前侧，且其里侧通过横向连接架b与旋转柱体的前侧壁固定连接；所述旋风式粒径切割头和采样头由上到下同轴心设置在气流管路的上方，且采样头的大径端和小径端分别与旋风式粒径切割头的下端和气流管路的上端固定连接；所述收缩喷嘴同轴心的固定连接在气流管路的下端；所述隔离罩固定套装在气流管路下端的外侧，且其下开口端位于收缩喷嘴下端的下方；所述流量计安装在气流管路上；
11.所述拉曼光谱系统包括开设在旋转柱体右侧的竖向滑槽、设置在竖向滑槽内部上方的丝杆电机、设置在竖向滑槽内部下方的丝杆、通过螺纹配合套装在丝杆外部的滑块和设置在旋转柱体右侧的拉曼光谱仪；所述丝杆电机的底座固定连接在竖向滑槽的顶部，所述丝杆的上端与丝杆电机的输出轴连接，丝杆的下端与固定连接在竖向滑槽底部的轴承座可转动的连接；所述滑块与竖向滑槽径向限位且竖向滑动的配合；所述拉曼光谱仪的里端与横向连接架c的外端固定连接，所述横向连接架c的里端与滑块固定连接。
12.进一步，为了方便观察滤纸纸卷的余量，所述箱式壳体由透明材料制成。
13.进一步，为了使输出轴的转动更加平稳顺滑，所述底座于竖向通道a中部的外侧开设有环形空腔b，且环形空腔b中安装有轴承，所述轴承套装在输出轴的外部。
14.进一步，为了方便进行数据处理和过程控制，还包括计算机，所述计算机分别与拉曼光谱仪、驱动电机a、驱动电机b、直线式电动伸缩推杆、丝杆电机、空气泵和流量计连接。
15.作为一种优先选，所述滤板通过销轴可转动的连接在立式支撑架的顶部，其在销轴的支撑下实现水平状态和竖直状态的改变，滤板在水平状态时用于接收并承载滤纸，其在竖直状态时用于将滤纸排入滤纸回收盒中。
16.本发明中，通过取纸机的设置，能方便的取用滤纸，同时，设置在取纸机内的导纸机构能保证滤纸由下纸口连续的导流到出纸口；通过切纸机构的设置能方便的对到达出纸口的滤纸进行切割，同时，压纸板和切纸刀的同步配合即能有效提高切纸的效果，能使滤纸的切面更加平整；使滤板通过立式支撑架支设在取纸机的下方，并在滤板上设置有滤纸夹，这样，可以方便接收由切纸刀切割形成的块状滤纸，并将其稳定的夹持在滤板上；通过在滤板下方设置滤纸回收盒，可以方便的将使用过的滤纸进行回收；通过丝杆电机对丝杆的驱动，能使套设在丝杆外部的滑块在竖向滑槽中的高度发生变化，进而可以方便改变拉曼光谱仪相对于滤板的距离，从而能提高拉曼光谱仪的检测精度；通过驱动电机a、驱动齿轮和内齿圈的配合，能方便的控制取纸盒、游离二氧化硅粉尘采集系统和拉曼光谱系统依次转动到滤板的上方，能而能便于进行在线连续式的检测作业。通过收缩喷嘴的设置，能使待检测气溶胶以较大的压力喷到滤纸上，从而便于进行有效的采样；通过空气泵的设置，能方便的向气流管路中提供负压，进而能将空气由旋风式粒径切割头和采样头吸入气流管路内并经过收缩喷嘴喷到滤纸上。通过隔离罩的设置，能方便将空气泵所提供的负压更好的作用于气流管路；本发明在采集游离二氧化硅粉尘后，可以方便地对其进行拉曼光谱检测，并能实时的将数据传输到计算机，因而，可以实现对游离二氧化硅粉尘的近实时在线连续检测。此外，可在计算机的控制下对采集频率和检测频率、采集空气体积进行方便的控制，以实现在不同使用现场的检测工作。
附图说明
17.图1是本发明的结构示意图；
18.图2是本发明中旋转柱体与底座的配合结构示意图；
19.图3是本发明中取纸机的结构示意图；
20.图4是图3的a
‑
a向剖视图；
21.图5是图4中b部的局部放大图；
22.图6是本发明中游离二氧化硅粉尘采集系统的结构示意图；
23.图7是本发明中收缩喷嘴与隔离罩的装配示意图。
24.图中:1、计算机，2、拉曼光谱仪，3、竖向滑槽，31、丝杆电机，32、丝杆，33、滑块，4、底座，41、竖向通道a，42、电机容纳腔，43、环形空腔b，44、轴承，5、旋转柱体，51、内齿圈,52、驱动电机a，53、竖向通道b，54、环形空腔a，55、驱动齿轮，56、输出轴，6、游离二氧化硅粉尘采集系统，61、旋风式粒径切割头，62、采样头，63、流量计，64、气流管路，65、隔离罩，66、收缩喷嘴，7、取纸机，71、储纸盒，72、翻盖，73、出纸盒，74、出纸口，75、导纸机构，76、切纸机构，77、导纸辊，78、下纸口，79、箱式壳体，710、横隔板，711、导纸板，712、直线式电动伸缩推杆，713、压纸板，714、切纸刀，715、连接板，8、滤板，9、滤纸夹，10、空气泵，11、软管，12、滤纸回收盒，13、横向连接架a，14、横向连接架b，15、横向连接架c，16、立式支撑架。
具体实施方式
25.下面结合附图对本发明作进一步说明。
26.如图1至图7所示，本发明提供一种基于拉曼光谱的游离二氧化硅粉尘浓度在线连续检测装置，包括底座4、旋转柱体5、驱动电机a52、横向连接架a13、横向连接架b14、横向连
接架c15、滤纸取用系统、游离二氧化硅粉尘采集系统6和拉曼光谱系统；
27.所述底座4的内部开设有电机容纳腔42，并于电机容纳腔42的上方开设有竖向通道a41，竖向通道a41的下端与电机容纳腔42上部的中心连通，其上端延伸到底座4的上端面；所述旋转柱体5竖直的设置在底座4上端面的中心，其下部轴心处对应竖向通道a41的位置开设有竖向通道b53，并于竖向通道b53中部的外侧开设有环形空腔a54，所述竖向通道b53的下端延伸到旋转柱体5的下端面，所述环形空腔a54的内环面与竖向通道b53相连通，环形空腔a54的外环侧安装有内齿圈51；所述驱动电机a52安装在电机容纳腔42中，其输出轴56穿过竖向通道a41后延伸到竖向通道b53的顶部，并于环形空腔a54的部分套装有驱动齿轮55；所述驱动齿轮55与内齿圈51相啮合；
28.所述横向连接架a13、横向连接架b14和横向连接架c15的长度相同，横向连接架a13的里端和横向连接架b14的里端分别径向的固定连接在旋转柱体5的左侧和前侧，且横向连接架a13和横向连接架b14之间呈90度的布置；所述横向连接架c15径向的设置在旋转柱体5的右侧；横向连接架b14和横向连接架c15之间呈90度的布置；
29.所述滤纸取用系统包括取纸机7、滤板8、滤纸夹9、空气泵10、软管11和滤纸回收盒12；所述取纸机7包括箱式壳体79、横隔板710、导纸机构75和切纸机构76；所述箱式壳体79设置在旋转柱体5中部的左侧，且里侧与横向连接架a13的外端固定连接；所述横隔板710固定连接在箱式壳体79内腔的中部，并将箱式壳体79的内腔分为位于上部的储纸盒71和位于下部的出纸盒73；横隔板710的中部开设有连通储纸盒71和出纸盒73的下纸口78；所述储纸盒71中装有柔性镀银疏水性带卷式滤纸，柔性镀银疏水性带卷式滤纸的自由端由下纸口78穿入出纸盒73中；所述储纸盒71的右部上侧设置有翻盖72；所述出纸盒73的右侧壁下侧开设有出纸口74；所述导纸机构75包括导纸板711、导纸辊77和驱动电机b，所述导纸板711由上部竖直段、中部倾斜段和下部水平段组成；所述上部竖直段的上端固定连接在下纸口78的左侧，所述中部倾斜段左高右低倾斜的设置，所述下部水平段的右端位于出纸口74的下侧，并与出纸盒73的右侧壁内侧固定连接；所述导纸辊77通过其中心的转轴可转动的安装在出纸盒中，其左端辊面与上部竖直段的右侧面接触配合，用于在转动过程中将柔性镀银疏水性带卷式滤纸向下导流；所述驱动电机b安装在箱式壳体79的外部，并与导纸辊77中心的转轴连接；所述切纸机构76位于出纸口74的内部，其包括位于上部的直线式电动伸缩推杆712、们于中部的连接板715、左右并排设置在下部的压纸板713和切纸刀714；所述直线式电动伸缩推杆712的固定座端安装在出纸口74上端的右侧壁的内部，所述连接板715的上端中心与直线式电动伸缩推杆712的推杆端固定连接，所述压纸板713的上端和切纸刀714上端的刀柄均固定连接在连接板715的下端面，且压纸板713的下端和切纸刀714的刀刃部分相平齐的设置，并均与出纸口74的下端沿配合；所述滤板8为网状筛板制成，其水平的设置在旋转柱体5下部的左侧，其到旋转柱体5表面的距离与横向连接架a13的长度相等；滤板8通过位于其下部的立式支撑架16支撑，所述立式支撑架16的底部与底座4的外侧壁固定连接；所述滤纸夹9安装在滤板8上，用于对置于滤板8上表面的滤纸进行夹紧；所述空气泵10安装在立式支撑架16上；所述软管11的一端与空气泵10的进气口连接，其另一端通过连接件固定设置在滤板8中心的下方，且进气端朝上的设置；所述滤纸回收盒12位于滤板8的下方，且固定安装在立式支撑架16上；
30.所述游离二氧化硅粉尘采集系统6由旋风式粒径切割头61、采样头62、气流管路
64、收缩喷嘴66、隔离罩66和流量计63组成；气流管路64设置在在旋转柱体5中部的前侧，且其里侧与横向连接架b14的端部固定连接；所述旋风式粒径切割头61和采样头62由上到下同轴心设置在气流管路64的上方，且采样头62的大径端和小径端分别与旋风式粒径切割头61的下端和气流管路64的上端固定连接；所述收缩喷嘴66同轴心的固定连接在气流管路65的下端；所述隔离罩66固定套装在气流管路64下端的外侧，且其下开口端位于收缩喷嘴66下端的下方；所述流量计63安装在气流管路65上，用于对通过气流管路65的空气流量进行计量；
31.所述拉曼光谱系统包括开设在旋转柱体5右侧的竖向滑槽3、设置在竖向滑槽3内部上方的丝杆电机31、设置在竖向滑槽3内部下方的丝杆32、通过螺纹配合套装在丝杆32外部的滑块33和设置在旋转柱体5右侧的拉曼光谱仪2；所述丝杆电机31的底座固定连接在竖向滑槽3的顶部，所述丝杆32的上端与丝杆电机31的输出轴通过联轴器连接，丝杆32的下端与固定连接在竖向滑槽3底部的轴承座可转动的连接；所述滑块33与竖向滑槽3径向限位且竖向滑动的配合；所述拉曼光谱仪2的里端与横向连接架c15的外端固定连接，所述横向连接架c15的里端与滑块33固定连接。
32.为了方便观察滤纸纸卷的余量，所述箱式壳体79由透明材料制成。可以采用玻璃制成，也可以采用塑料制成，当然也可以采用其他透明材料制成。
33.为了对气溶胶粒径进行筛选，所述采样头62呈漏斗形状，其进气口处设置有旋风式粒径切割头61。
34.为了使输出轴的转动更加平稳顺滑，所述底座4于竖向通道a41中部的外侧开设有环形空腔b43，且环形空腔b43中安装有轴承44，所述轴承44套装在输出轴56的外部。
35.为了方便进行数据处理和过程控制，还包括计算机1，所述计算机1分别与拉曼光谱仪2、驱动电机a52、驱动电机b、直线式电动伸缩推杆712、丝杆电机31、空气泵10和流量计63连接。所述计算机1用于对接收拉曼光谱仪2发出的处理结果信号，用于分别对驱动电机a52、直线式电动伸缩推杆712、丝杆电机31、空气泵10和空气泵b63进行动作控制，用于根据接收的信号进行处理，以完成控制测量变量、存储和分析数据的功能，并根据处理结果对对应的执行部件进行动作控制，进而实现游离二氧化硅的在线式连续检测；
36.作为一种优先选，所述滤板8通过销轴可转动的连接在立式支撑架16的顶部，其在销轴的支撑下实现水平状态和竖直状态的改变，滤板8在水平状态时用于接收并承载滤纸，其在竖直状态时用于将滤纸排入滤纸回收盒12中。
37.具体在使用时：
38.在进行滤纸切割时，通过计算机1进行控制，先控制直线式电动伸缩推杆712回缩，以使压纸板713和切纸刀714同步向上抬起，再控制驱动电机b驱动导纸辊77逆时针转动，以带动导纸板711上的滤纸向下并进入出纸口74中，最后再控制直线式电动伸缩推杆712伸出，通过压纸板713压住滤纸，并封闭出纸口74，同时通过切纸刀714将滤纸切开。将切掉的滤纸放在处于水平状态下的滤板8上，并通过滤纸夹9夹紧；
39.通过计算机1的控制，使驱动电机a52转动，再通过输出轴56、驱动齿轮55和内齿圈51的配合，驱动旋转柱体5绕底座4的旋转中心旋转90度，使游离二氧化硅粉尘采集系统6中的收缩喷嘴65到达滤板8的上方，并正对滤板8上的滤纸；同时，收缩喷嘴65正对着软管11的上开口端；
40.通过计算机1控制空气泵10启动，向软管11提供负压，软管11的上端将负压作用于气流管路64，进而使空气由旋风式粒径切割头61、采样头62导入气流管路64，通过出口逐渐减少的收缩喷嘴66以较大的冲击力喷射到滤纸上，隔离罩65能为滤纸采样提供更好的负压环境。
41.通过计算机1的控制，使驱动电机a52转动，通过输出轴56、驱动齿轮55和内齿圈51的配合，驱动旋转柱体5绕底座4的旋转中心旋转90度，使拉曼光谱仪2到达滤板8的上方，并正对滤板8上的滤纸；根据需要通过丝杆电机31驱动丝杆32转动，调整拉曼光谱仪2与待分析滤纸的距离；通过拉曼光谱仪2对滤纸上的拉曼光谱进行采集，并将采集数据传输到计算机1中进行分析处理，并由计算机1输出分析结果，获得空气中二氧化硅粉尘的浓度，具体地，采样空气中的游离二氧化硅浓度由c＝ms/qt进行计算，其中：q为流量计测得采样空气流量，t为采样时间，ms为二氧化硅的质量，通过拉曼信号强度以及校正曲线获取；在完成对滤纸的检测合，使滤板8转动到竖直状态，打开滤纸夹9，将使用过的滤纸移除并放入滤纸回收盒12中，然后将滤板8复位到水平状态；
42.通过计算机1的控制，使驱动电机a52转动，通过输出轴56、驱动齿轮55和内齿圈51的配合，驱动旋转柱体5绕底座4的旋转中心旋转180度，使取纸盒7重新到达滤板8的上方，装置完成复位，这样就完成了一个采样周期。如此反复即可实现游离二氧化硅粉尘的近实时在线连续检测。