本发明涉及一种空气颗粒物检测装置及方法，特别是关于一种在线自校空气颗粒物检测装置及其自校、状态自诊断方法。
背景技术：
随着我国国民经济发展及城市化、工业化的快速推进，颗粒物污染已成为全社会各方面关注的重要问题。我国于2015年签署巴黎气候协议，同时加大环境监测及整治力度。各地方也逐步细化了环境监管的明确目标。其中空气颗粒物的监测是重要内容之一。
空气颗粒物检测装置也经历了由抽检到长期连续监测、单点检测到网格化布局、单纯数据检查到大数据分析的过程。在此过程中，对于空气颗粒物检测装置的远程自动功能及可靠性、测量数据的准确性及易于维护等方面都提出了新的要求。
一方面，由于空气颗粒物检测装置绝大多数在室外进行连续监测，不同的使用环境、气候变化及系统时间漂移对于空气颗粒物检测装置自身气路、光路、电路等部分会产生一定影响。另一方面，由于空气颗粒物监测的网格化应用，空气颗粒物检测装置逐步遍布城乡，数量大、距离远，人工维护不便，成本高。
技术实现要素：
针对上述问题，本发明的目的是提供一种在线自校空气颗粒物检测装置及其自校、状态自诊断方法，该装置能够根据使用环境、气候、地域的不同进行自动校准或远程校准，同时，具有远程状态自诊断及故障判断等功能。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种在线自校空气颗粒物检测装置，包括颗粒物浓度检测装置，其特征在于：其包括与所述颗粒物浓度检测装置相连的档位自动切换装置、气路切换装置和控制装置；所述控制装置根据本地或远程控制指令发送控制信号到所述档位自动切换装置和气路切换装置，所述档位自动切换装置和气路切换装置根据接收到的控制信号进行档位切换和气路切换，使所述颗粒物浓度检测装置处于不同工作模式；所述档位自动切换装置设置在装置外壳内，其包括旋钮、与所述旋钮联动的机械装置、用于为所述机械装置提供支撑的支撑装置、用于为所述机械装置提供动力的动力装置以及用于对所述旋钮位置进行检测的位置检测装置；所述旋钮一端与所述颗粒物浓度检测装置中的标准透光模板相连，另一端与所述机械装置相连；所述气路切换装置与所述颗粒物浓度检测装置中的气路进口相连。
所述机械装置包括依次连接的联轴器、导引轴、螺杆和定位销，所述联轴器的另一端与所述旋钮相连，所述导引轴上设置用于使所述导引轴与所述螺杆联动的所述定位销，所述螺杆另一端安装在所述支撑装置中。
所述支撑装置包括支撑座、轴承和轴承盖，所述支撑座上设置有供所述螺杆穿出的圆孔，所述螺杆另一端由所述支撑座穿出后安装在所述轴承上，并由所述轴承盖固定。
所述动力装置包括电机和两传动机构，所述电机固定设置在所述装置外壳和支撑座上，由所述控制装置控制；所述电机的输出端与两所述传动机构相连，所述传动机构带动所述螺杆动作；所述位置检测装置包括位置感应元件和位置传感器，所述位置感应元件设置在所述联轴器上，用于根据所述旋钮的位置发送位置信号到所述位置传感器，所述位置传感器将接收到的位置信号发送到所述控制装置。
所述控制装置包括设置在所述装置壳体上的控制板，所述控制板中设置有控制模块，所述控制模块包括自动控制模块、本地控制模块、远程控制模块、自校零模块、自校准模块和自诊断模块；所述自动控制模块用于在所述颗粒物浓度检测装置开机时，对所述颗粒物浓度检测装置进行初始化设置和上电自校，并控制所述颗粒物浓度检测装置进入测量状态；所述远程控制模块用于接收上位机发送的远程指令发送到本地控制模块，并向上位机上传所述本地控制模块的反馈信息；所述本地控制模块用于接收本地或远程控制指令，将其转换为控制信号并发送到自校零模块或自校准模块，同时接收返回的校零、校准或状态自诊断信息；所述自校零模块用于根据接收到的自校零控制信号，对所述颗粒物浓度检测装置进行测量值零点校准，并将自校零结果发送到所述本地控制模块；所述自校准模块用于根据接收到的自校准控制信号，对所述颗粒物浓度检测装置进行测量值校准，并将自校准结果发送到所述本地控制模块；所述自诊断模块用于根据本地控制模块中的自校零或自校准结果，对所述颗粒物浓度检测装置进行状态自诊断并将状态信息返回到所述本地控制模块。
所述自动控制模块包括初始化控制模块和开机自校模块；所述初始化控制模块用于在所述颗粒物浓度检测装置开机时，对所述颗粒物浓度检测装置进行初始化设置；所述开机自校模块用于依次发送控制信号到自校准模块和自校零模块完成上电自校，并根据自诊断模块收集的状态信息控制所述颗粒物浓度检测装置进入测量状态；所述本地控制模块包括定时自校零模块、定时自校准模块、远程控制指令处理模块以及数据存储模块；所述定时自校零控制模块用于根据预设自校零周期，周期性的发送自校零控制信号到所述自校零模块；所述定时自校准控制模块用于根据预设自校准周期，周期性的发送自校准控制信号到所述自校准模块；所述远程控制指令处理模块用于接收所述远程控制模块发送的上位机远程指令，并将所述上位机远程指令转换为控制信号发送到所述自校零模块或自校准模块；所述数据存储模块用于接收并存储所述自校零模块、自校准模块或自诊断模块返回的校零、校准和状态诊断信息。
一种在线自校空气颗粒物检测装置的自校、状态自诊断方法，其特征在于包括以下步骤：1)检测装置开机后，由自动控制模块对自身和颗粒物浓度检测装置进行初始化设置和上电自校后，控制颗粒物浓度检测装置进入测量状态；2)本地或上位机通过控制板向本地控制模块或远程控制模块发送控制指令，本地控制模块将接收到的控制指令转换为相应控制信号发送到自校零模块或自校准模块；3)自校准模块接收到自校准控制信号后，进入相应自校准模式，发送控制信号到档位自动切换装置和颗粒物浓度检测装置，对颗粒物浓度检测装置进行测量值校准，并将校准结果发送到本地控制模块；4)自校零模块接收到自校零控制信号后，进入相应自校零模式，发送控制信号到进气阀和颗粒物浓度检测装置，对颗粒物浓度检测装置进行测量值零点校准，并将校零结果返回到本地控制模块；5)自诊断模块根据本地控制模块中的自校零和自校准的测量结果，对颗粒物浓度检测装置的状态进行判断，并返回相应状态信息。
所述步骤3)中，自校准模块对颗粒物浓度检测装置进行测量值校准的方法，包括以下步骤：①自校准模块发送控制信号到电机，使得电机正转，并通过传动机构带动螺杆正转；②螺杆通过定位销带动导引轴运动，进而通过联轴器使得旋钮旋转，将旋钮推进至校准位置，此时标准透光模板位于光路中；③位置感应元件发送位置信号到位置传感器，位置传感器将旋钮的位置信号发送到控制板；④当控制板接收到位置传感器发出的位置信号后，控制电机停止运动，并使旋钮保持在校准位置；⑤光学检测单元开始测量，经过若干测量周期后，将测量值调整为标定值并存储；⑥自动校准模块控制电机反转，使传动机构带动螺杆反转，螺杆通过定位销带动导引轴运动，使旋钮旋转并推进至测量位置，自校准过程结束。
所述步骤4)中，自校零模块对检测装置进行测量值零点校准的方法，包括以下步骤：①自校零模块发送控制信号到进气阀，切断颗粒物浓度检测装置内部气路与外部气体的通路，使得颗粒物浓度检测装置内部形成闭合气路；②自校零模块发送控制信号到颗粒物浓度检测装置启动气泵，气体经内部过滤单元过滤后进入光学检测单元，使得颗粒物浓度检测装置内部空气在闭合气路内不断循环过滤，直到光学检测单元测得的内部空气的颗粒物浓度不再变化为止，记录此时的测量值；③自校零模块发送控制信号到进气阀，使得颗粒物浓度检测装置内部气路与外部气体连通，该次自校零过程完毕；④重复步骤①～③若干次，将得到的各测量值进行平均得到平均值，作为颗粒物浓度检测装置的基本噪声值，进行保存，自校零过程完毕。
所述步骤5)中，自诊断模块对颗粒物浓度检测装置的状态进行判断的方法为：若校准后返回的测量值在标定值允许误差范围内，且校零后的零值低于前次校零值则判断系统状态为零漂；若校准后测量值与标定值相对误差值绝对值大于10％，则判断为光学检测单元内部器件损坏，提示维修；若上述两项正常，而运行周期达到采样动力系统生命周期，提示维修。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明设置有档位自动切换装置和气路切换装置，能够根据要求对颗粒物浓度检测装置的工作模式进行自动切换，实现测量和自校的不同功能。2、本发明控制装置中设置有自校零模块、自校准模块和自诊断模块，能够根据外界环境实现颗粒物浓度检测装置的自校零、自校准或状态自诊断功能。3、本发明控制装置中设置有远程控制模块，能够接收远程控制指令，实现颗粒物浓度检测装置远程状态自诊断及故障判断等功能，对于数量大、距离远的空气颗粒物浓度检测装置而言，有效降低了其人工维护成本。因而本发明可以广泛应用于空气颗粒物检测领域中。
附图说明
图1是本发明在线自校空气颗粒物检测装置的结构示意图；
图中，1、旋钮；2、联轴器；3、导引轴；4、螺杆；5、支撑座；6、轴承；7、轴承盖；8、传动机构；9、电机；10、定位销；11、位置感应元件；12、控制板；13、控制板；14、接线端子；15、前侧外壳；16、后侧外壳；17、端部外壳；18、进气阀；19、采样器；20、颗粒物浓度检测装置；21、标准透光模板；22、螺钉；23、光学检测单元；24、气泵；25、内部过滤单元；26、位置传感器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的进行详细的描述。
如图1所示，本发明提供的一种在线自校空气颗粒物检测装置，包括与现有颗粒物浓度检测装置20相连的档位自动切换装置、气路切换装置和控制装置，控制装置根据本地或远程控制指令发送控制信号到档位自动切换装置和气路切换装置，档位自动切换装置和气路切换装置根据接收到的控制信号进行档位切换和气路切换，使颗粒物浓度检测装置20处于不同工作模式。其中，颗粒物浓度检测装置20、档位自动切换装置和控制装置均设置在装置外壳内，通过接线端子14与外部的电源线、控制线或信号线等连接，气路切换装置设置在装置机壳外，与颗粒物浓度检测装置20的气路进口相连。
档位自动切换装置包括旋钮1、与旋钮1联动的机械装置、用于为机械装置提供支撑的支撑装置、用于为机械装置提供动力的动力装置以及用于对旋钮位置进行检测的位置检测装置。旋钮1一端与颗粒物浓度检测装置20相连，另一端与机械装置相连。机械装置包括依次连接的联轴器2、导引轴3和螺杆4，且联轴器2的另一端与旋钮1相连，导引轴3上设置用于使导引轴3与螺杆4联动的定位销10，螺杆4另一端安装在支撑装置中。支撑装置包括支撑座5、轴承6和轴承盖7，支撑座5上设置有供螺杆4穿出的圆孔，螺杆4另一端由支撑座5穿出后安装在轴承6上，并由轴承盖7固定。动力装置包括电机9和两传动机构8，电机9通过螺钉22固定设置在装置外壳和支撑座5上，由控制装置控制；电机9的输出端与两传动机构8相连，传动机构8带动螺杆4动作。位置检测装置包括位置感应元件11和位置传感器26，位置感应元件11设置在联轴器2上，用于根据旋钮1的位置发送位置信号到位置传感器26，位置传感器26将接收到的位置信号发送到控制装置。
颗粒物浓度检测装置20包括与气路切换装置即进气阀18相连的用于切割不同粒径分布的颗粒物浓度的采样器19、用于检测待测气体中颗粒物浓度的光学检测单元23、用于引导待测气体进入光学检测单元23的气泵24以及用于清洁监测装置内部气路的内部过滤单元25。光学检测单元23内部设置有标准透光模板21，标准透光模板21通过内部结构与档位自动切换装置中的旋钮1相连。
控制装置包括设置在装置壳体上的两控制板12、13，两控制板12、13中设置有控制模块，控制模块包括自动控制模块、远程控制模块、本地控制模块、自校零模块、自校准模块和自诊断模块。其中，自动控制模块用于在颗粒物浓度检测装置20开机时，对颗粒物浓度检测装置20进行初始化设置和上电自校，并控制颗粒物浓度检测装置20进入测量状态；远程控制模块用于接收上位机发送的远程指令发送到本地控制模块，并向上位机上传本地控制模块的反馈信息；本地控制模块用于接收本地或远程控制指令，并将接收到的本地或远程控制指令转换为控制信号发送到自校零模块或自校准模块，同时接收返回的校零、校准或状态自诊断信息；自校零模块用于根据接收到的自校零控制信号，对颗粒物浓度检测装置20进行测量值零点校准，并将自校零结果发送到本地控制模块；自校准模块用于根据接收到自校准控制信号，对颗粒物浓度检测装置20进行测量值校准，并将自校准结果发送到本地控制模块；自诊断模块根据本地控制模块中的自校零和自校准结果，对颗粒物浓度检测装置20进行状态自诊断并将状态信息返回到本地控制模块。
自动控制模块包括初始化控制模块和开机自校模块。初始化控制模块用于在颗粒物浓度检测装置20开机时，对自身和颗粒物浓度检测装置20进行初始化设置；开机自校模块用于依次发送控制信号到自校准模块和自校零模块完成上电自校，并根据自诊断模块收集的状态信息控制颗粒物浓度检测装置20进入测量状态。
本地控制模块包括定时自校零模块、定时自校准模块、远程控制指令处理模块以及数据存储模块。定时自校零控制模块用于根据预设自校零周期，周期性的发送自校零控制信号到自校零模块；定时自校准控制模块用于根据预设自校准周期，周期性的发送自校准控制信号到自校准模块。远程控制指令处理模块用于接收远程控制模块发送的上位机远程指令，并将上位机远程指令转换为控制信号发送到自校零模块或自校准模块。数据存储模块用于接收并存储自校零模块、自校准模块或自诊断模块返回的校零、校准和状态诊断信息。
装置外壳包括前侧外壳15、后侧外壳16和端部外壳17。
基于上述在线自校空气颗粒物检测装置，本发明还提供一种在线自校空气颗粒物检测装置的自校、状态自诊断方法，包括以下步骤：
1)颗粒物浓度检测装置20开机后，由自动控制模块对自身和颗粒物浓度检测装置20进行初始化设置和上电自校后，控制颗粒物浓度检测装置20进入测量状态。
具体的，初始化控制模块用于完成初始化设置，开机自校模块用于依次发送控制信号到自校准模块和自校零模块完成上电自校，并根据自诊断模块收集的状态信息控制颗粒物浓度检测装置20进入自动测量状态。
2)本地或上位机通过控制板12、13向本地控制模块或远程控制模块发送控制指令，本地控制模块将接收到的控制指令转换为相应控制信号发送到自校零模块或自校准模块。
3)自校准模块接收到自校准控制信号后，进入相应自校准模式，发送控制信号到电机9，对颗粒物浓度检测装置20进行测量值校准后，将校准结果发送到本地控制模块。
颗粒物浓度检测装置20在出厂前其测量值会经过标定实验，达到技术标准要求的误差范围。当使用一段时间后或外界环境发生变化，由于光学检测单元内部污染、电气部件老化、震动导致的光学系统偏差等产生系统误差，或受使用环境、气候、时漂等外界因素的影响，其灵敏度发生变化，导致测量值可能超出误差允许的范围，此时应进行校准。由于本发明检测装置是利用光散射法测量颗粒物浓度，因此校准时将已知散射光强度的标准透光模板21(已经过标定，符合误差要求)置于系统光路中，产生一定强度的散射光，该强度的散射光对应一定的测量值，也即标定值s(仪器出厂前s值经过标定，记录在仪器外壳的检验表上)。若此时检测装置的测量值在标定值s的误差范围内，则不需要校准，若测量值超出标定值s的误差范围，则需通过调整使测量值进入误差范围内，从而实现测量值校准的目的。
自校准模块根据接收到的自校准控制信号，进入相应自校准模式，本发明将自校准模式分为开机自校准、定时自校准以及实时远程控制自校准模式。其中，开机自校准模式是指：根据自动控制模块中的开机自校模块发送的自校准信号，对颗粒物浓度检测装置20进行自校准，主要修正开机启动前由于环境、气候、时漂等外界因素引起的测量值漂移；定时自校准模式是指：根据本地控制模块中定时自校准控制模块发送的周期性自校准信号，对颗粒物浓度检测装置20进行自校准，主要修正一定周期内由于环境、气候、时漂等长期因素引起的测量值漂移；实时远程控制自校准模式是指：根据远程控制模块发送的远程校准指令，对颗粒物浓度检测装置20进行自校准，主要修正由于环境、气候等外界因素突然变化引起的测量值漂移或故障诊断。
自校准模块对颗粒物浓度检测装置20进行测量值校准的方法，包括以下步骤：
①自校准模块发送控制信号到电机9，使得电机9正转，并通过传动机构8带动螺杆4正转。
②螺杆4通过定位销10带动导引轴3运动，进而通过联轴器2使得旋钮1旋转，将旋钮1推进至校准位置，此时标准透光模板21位于光路中。
③位置感应元件11发送位置信号到位置传感器26，位置传感器26将旋钮1的位置信号发送到控制装置。
其中，位置感应元件11发送的位置信号可以采用电、光、磁等形式的信号。
④当控制装置接收到位置传感器26发出的位置信号后，控制电机9停止运动，并使旋钮1保持在校准位置。
⑤光学检测单元23开始测量，经过若干测量周期后，将测量值(即散值)调整为标定值以恢复出厂灵敏度，并存储该值作为自诊依据。
⑥自动校准模块控制电机9反转，使传动机构8带动螺杆4反转，螺杆4通过定位销10带动导引轴3运动，使旋钮1旋转并推进至测量位置，自校准过程结束。
4)自校零模块接收到自校零控制信号后，进入相应自校零模式，发送控制信号到进气阀18和颗粒物浓度检测装置20，对颗粒物浓度检测装置20进行测量值零点校准，并将校零结果返回本地控制模块。
为克服使用环境不同及时间漂移对颗粒物浓度检测装置20的光路、气路、电路等方面的参数及测量结果产生的影响，需要对颗粒物浓度检测装置20进行校零。这是因为，任何测量仪器或测量装置的气路、光路、电路等组件在一定环境下工作都会表现出一定的噪声值，即基本噪声值。为获得准确的测量结果，须从测量值中去除基本噪声值后才能得到被测物理量的值。而基本噪声值又会随测量装置的使用环境、气候、时漂等外界因素引起相应变化，从而造成的测量值零点的漂移。因此须要根据外界因素的变化情况进行测量值零点校准，即校零。
同样，自校零模块根据接收到的自校零控制信号，进入相应自校零模式，本发明将自校零模式分为开机自校零、定时自校零以及实时远程控制自校零模式。其中，开机自校零模式是指：根据自动控制模块中开机自校模块发送的自校零控制信号，对颗粒物浓度检测装置20进行自校零，主要用于修正开机启动前由于环境、气候、时漂等外界因素引起的测量值零点漂移；定时自校零模式是指：根据本地控制模块中定时自校零控制模块发送的自校零控制信号，对颗粒物浓度检测装置20进行自校零，主要用于修正一定周期内由于环境、气候、时漂等长期因素引起的测量值零点漂移；实时远程控制自校零模式是指：根据远程控制模块发送的自校零控制信号，对颗粒物浓度检测装置20进行自校零，主要用于修正由于环境、气候、等外界因素突然变化引起的测量值零点漂移或故障诊断。
自校零模块对颗粒物浓度检测装置20进行测量值零点校准的方法，包括以下步骤：
①自校零模块发送控制信号到进气阀18，切断颗粒物浓度检测装置20内部气路与外部气体的通路，使得颗粒物浓度检测装置20内部形成闭合气路。
②自校零模块发送控制信号到颗粒物浓度检测装置20，启动气泵24，气体经内部过滤单元25过滤进入光学检测单元23，使得颗粒物浓度检测装置20内部空气在闭合气路内不断循环过滤，直到光学检测单元23测得的内部空气的颗粒物浓度不再变化为止，记录此时的测量值。
③自校零模块发送控制信号到进气阀18，使得颗粒物浓度检测装置20内部气路与外部气体连通，该次自校零过程完毕。
④重复步骤①～③若干次，将得到的各测量值进行平均得到平均值，作为颗粒物浓度检测装置20的基本噪声值，进行保存，自校零过程完毕。
5)自诊断模块根据本地控制模块中保存的自校零和自校准的测量结果，对颗粒物浓度检测装置20的状态进行判断，并返回相应状态信息。
由于使用环境、气候、时漂等外界因素的变化，有时会出现检测装置测量值为0或测量值较正常值偏低的情况，这时自诊断模块根据自校零和自校准结果，对检测装置的状态进行判断，判断方法为：
若校准后返回的测量值在标定值允许误差范围内，且校零后的零值低于前次校零值则判断系统状态为零漂；
若校准后测量值与标定值相对误差值绝对值大于10％，甚至测量值接近零值时，则判断为光学检测单元内部某些器件损坏，提示维修；
若上述两项正常，而运行周期达到采样动力系统生命周期，提示维修。
上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。