一种反射加透射法雾霾浓度冗余测量光路的制作方法

本实用新型属于雾霾在线测量领域，具体涉及一种反射加透射法雾霾浓度冗余测量光路。

背景技术：

雾霾是对大气中各种悬浮颗粒物含量超标的笼统表述。大气中随风漂浮的大量的悬浮颗粒的集合被称为颗粒流。单个颗粒的粒径大小从1微米(pm) 到10微米、到几十微米不等。颗粒流中，粒径等于或接近2.5微米的颗粒，简称pm2.5。pm2.5颗粒对人体危害最大，pm2.5颗粒流浓度达到一定数值后，气象预报定义为严重污染天气。测量颗粒流浓度方法，根据光散射原理：在光的传播过程中，当光线照射到颗粒流粒子时，如果粒子的粒径大于入射光波长很多倍，则产生逆向的反射光，同时透射光明显减弱；如果粒子的粒径小于入射光波长，则产生全方向的散射光，可以在全方向上测量散射光强度，而透射光无明显减弱。具体应用技术分析，可见光波的波长是400--660nm，1pm＝1000nm，粒径pm2.5 是2500nm。由此可见，这些颗粒的粒径远大于可见光波的波长，光线照射到颗粒时，呈现明显的逆向反射光，或透射光减弱；而且，伴随颗粒流的浓度增大，反射光的强度则增大，透射光则减弱，二者之间，呈现线性相关联系。因此，用测颗粒反射光强度或透射光强度的方法，都可以测量雾霾颗粒浓度。用光散射法测量雾霾颗粒浓度的方法是科学正确的选择。具体颗粒流浓度测量技术方案：颗粒流浓度测量装置的主体是两端加遮光密封帽的圆筒体，圆筒体的一端是圆锥体状内凹遮光密封帽，另一端是瓶盖状遮光密封帽；圆筒体外部，进气嘴在瓶盖状遮光密封帽一侧的圆筒体上，出气嘴在圆筒体的中端、出气嘴与进气嘴沿圆筒体轴线对称。进气嘴与出气嘴之间的圆筒体内部部分，叫测量气室；雾霾，以两相颗粒流从进气嘴进入，经过测量气室，从出气嘴排出；圆筒体内部，除去测量气室外，另一侧叫光学元件室。发射光路安装在光学元件室；发射光路的光源采用一体化的LED光源。一体化的LED光源包括瓶状散热筒、LED发光管和扩散透镜，LED发光管和扩散透镜安装在瓶状散热筒。一体化的LED光源安装在圆筒体内部外环内星形支架的环心；外环内星形支架外部是一个圆环，圆环内有三个间隔120度的支撑臂，三个支撑臂相交在环心，构成星形，三个支撑臂之间是接近110度的弧形空间；外环内星形支架的外圆环直径小于圆筒体的内径；外环内星形支架插入圆筒体内部，被前后圆筒夹挤固定，一体化的LED光源安装在外环内星形支架的环心；LED发光管和扩散透镜的光轴与圆筒体的轴线同轴；外环内星形支架中心的LED发光管位于扩散透镜的焦点上，LED发光管的发光通过扩散透镜后，成沿轴线15度的点发散环状光线；调整一体化的LED光源的位置，让点发散环状光线照亮气室中线截面，截面上的颗粒流产生反射光；测量光路1(反射)：气室中线上全部颗粒流的反射光逆向透过外环内星形支架的三个间隔110度的弧形空隙，照在圆筒体端口的会聚透镜上，聚焦在会聚透镜另一侧 4/3焦距处，即聚焦在圆锥体状内凹遮光密封帽的内部中心安装的光电接收管1 上，构成测量光路1，这是主测量光路；光电接收管1接受测量反射光强度，变反射光强度为微弱电压信号，该电压信号与颗粒流浓度相关，呈正比关系；测量光路2(透射光)：LED发光管的点发散光，穿过测量气室，与测量气室内的颗粒流碰撞衰减，衰减后的透射光照在光电接收管2，这是测量光路2；由于测量光路2的光源不是严格的平行光源，光电接收管2接受测量透射光强度，不满足严格的朗博定律，仅用作参考；透射光强度为微弱电压信号2，该信号也与颗粒流浓度相关，呈现反比关系；测量气室内，为减少雾霾颗粒在光学器件表面堆积，在进气嘴附近，设置气流阻挡板，防止进气直吹光电接收管2；在出气嘴远离进气嘴位置，设置气流导流板，防止颗粒在LED光源表面堆积。在后，两路信号经过固定的比例放大，经过模数转换，输入MCU最小系统；测量：MCU最小系统按设定修正程序处理数字电压信号，以反射光测量为主，以透射光测量为辅，冗余反射和透射两光路测量结果，显示颗粒浓度，或经串口把浓度信号传送给上位机。深入检索有关光散射法测量雾霾颗粒浓度的专利资料，没有逆向反射法雾霾测量记录。

技术实现要素：

本实用新型的技术方案：一种反射加透射法雾霾浓度冗余测量光路，包括发光光路、测量光路1和测量光路2，其特征是，如图1所示，发光光路、测量光路1和测量光路2都安装在圆筒体内，发光光路、测量光路1和测量光路2 的光轴，与圆筒体的轴线同轴；发光光路包括瓶状散热筒、LED发光管和扩散透镜，瓶状散热筒的本体是遮光材料，瓶状散热筒固定在圆筒体的轴线上，LED 发光管和扩散透镜安装在瓶状散热筒内，LED发光管位于扩散透镜的焦点上， LED发光管的发光通过扩散透镜后，经瓶状散热筒限束，变成沿圆筒体轴线15 度的点发散环状光线，该点发散光线的照明面积随距离扩大，调整瓶状散热筒的位置，使点发散光线正好照亮测量气室中线上的全截面。

所述的一种反射加透射法雾霾浓度冗余测量光路，其特征是，测量光路1 是反射光光路，反射光光路是从测量气室中线截面经会聚透镜到光电接收管1，测量气室中线到圆筒体端口会聚透镜的距离是4倍焦距，测量气室中线上全部颗粒流的反射光沿圆筒体的轴线到达圆筒体端口的会聚透镜上，聚焦在会聚透镜像方4/3焦距处，光电接收管1安装在会聚透镜像方4/3焦距处的圆锥体状内凹遮光密封帽的内部中心，会聚透镜的直径等于圆筒体的外径，圆锥体状内凹遮光密封帽卡接在圆筒体端口，把会聚透镜固定在圆筒体端口位置；所述的测量光路2 是透射光路，一体化LED光源的发光透射测量气室，经过与气室内颗粒流吸收衰减后，到达光电接收管2上。

所述的一种反射加透射法雾霾浓度冗余测量光路，其特征是，智能管理电路包括光电接收管1、光电接收管2、线性电压放大器、模数转换电路、MCU 最小系统、光源管理模块、显示电路和RS232串口传输模块，光电接收管1和光电接收管2电连接线性电压放大器，线性电压放大器电连接MCU最小系统， MCU最小系统电连接光源管理模块、显示电路和RS232串口传输模块。

本实用新型的工作原理简述：本实用新型的发光光路、测量光路1和测量光路2，都在圆筒体内部。如图1所示，圆筒体的一侧是测量气室，控制光源位置，使发光光路的点发散光线，照亮测量气室中线上的全截面。雾霾气体，从进气嘴进入气室，气室长度10厘米，压力一个大气压，流速1升/分钟，从排气口排出。在测量气室中线上，颗粒两相流的颗粒沿圆筒体轴线，由右向左运动，与发光光路逆向。发光光路的光源是一体化LED光源，包括瓶状散热筒、LED 发光管和扩散透镜，LED发光管和扩散透镜安装在瓶状散热筒内，LED发光管在扩散透镜的焦点上。瓶状散热筒固定在圆筒体的轴心，瓶状散热筒是不透明的，瓶状散热筒的瓶口限制LED发光管的光束，LED发光管的发光通过扩散透镜后，变成沿轴线15度的点发散光线。调节前圆筒的长度，即调整光源的位置，用沿轴线15度的点发散光线，照亮测量气室中线的全部截面，中线前后的颗粒流产生反射光，穿过外环内星形支架三支臂间110度弧形空隙，照射到圆筒体端口的会聚透镜上，聚焦在4/3焦距的光电接收管1上，构成测量光路1，光电接收管 1的电压与颗粒流浓度成正比；同时，发散透射光穿过测量气室，经过颗粒流吸收衰减，到瓶盖状遮光密封帽的中心的光电接收管2上，构成测量光路2。测量光路1，颗粒流的反射光逆向透过外环内星形支架的三个120度弧形空隙，照在圆筒体另一端的接受会聚透镜上，会聚透镜的另一侧4/3f(像方焦距)处，即在圆锥体状内凹遮光密封帽的凹部中心，安装光电接收管1，圆锥体状内凹遮光密封帽与会聚透镜之间是遮光的黑室；光电接收管1接受测量反射光强度，变反射光强度为微弱电压信号，电压信号强弱与颗粒流浓度正相关，呈现正比关系；与此，发散透射光穿过气室，照射在光电接收管2上；测量光电接收管2上透射光强的用途有三：其一，用干净空气(标气)供气时，气室无吸收，光电接收管2 的电压，如实地反应了LED发光管的光强，构成闭环光强测量系统；如果太低，可能是发散透镜污染，或者是发光管损坏，需要维修；其二，以透射光电接收管 2的电压，为发光基准，比较测量发散光电接收管1的电压，光电接收管1的电压减去光电接收管2的电压满足定值，由此可以修正电压变化引起的测量结果，构成动态跟随系统；其三，反射光强与颗粒流浓度成正比，以反射光强测量为主，透射光光强与浓度成反比，反射测量与透射测量结果冗余，得到正确结果。

本实用新型的有益之处是，一种反射加透射法雾霾浓度冗余测量光路部分，都安装在圆筒体内部，元件少结构简单，安装拆解方便，适合定期快速保养；发射光路与透射光路联动，构成光源光强闭环管理；用标气供气时，透射光强达不到要求，说明光电接收管收到污染，可分解清洗；反射光强与透射光强的数值减法，可以动态监测光路正常与否；反射或透射光强转换为微电压信号，微电压信号的强弱与雾霾颗粒流的浓度成正比，MCU计算冗余修正后，输出雾霾颗粒流的浓度，数值准确。

附图说明

图1一种反射加透射法雾霾浓度冗余测量光路的整体结构图。

图中：1、圆锥体状内凹遮光密封帽，2、光电接收管1，3、会聚透镜，4、圆筒体，5、后圆筒,6、外环内星形支架，6.1外环，6.2、间隔120度的星形臂，6.3、120度弧形透光区，7、一体化LED光源，7.1、圆筒形散热片，7.2、 LED发光管，7.3、扩散透镜，8、前圆筒，9、进气嘴，10、瓶盖状遮光密封帽， 11、气流阻挡板，12、光电接收管2，13、出气嘴，14、气流导流板，17、恒流控制电路，18、线性放大器，19、模数转换模块，20、MCU最小系统，21、显示器，22、RS232串口传输模块。

具体实施方式

以山西鑫华翔有限公司生产的XHX-CEMS系统雾霾颗粒流浓度测量子系统,为实施例说明如下：一种反射加透射法雾霾浓度冗余测量光路，装置的主体圆筒体采用长度38厘米的Φ50不锈钢管。不锈钢管的两端用压延法压延形成的双宝塔形管口。两端遮光密封帽采用工程塑料注塑，卡接在双宝塔形管口。两端遮光密封帽的作用：1、密封作用；2、内部黑体，中心安装光电接收管；3、固定其他组件，圆锥体状内凹遮光密封帽固定会聚透镜，瓶盖状遮光密封帽安装气流阻挡板。不锈钢管瓶盖状遮光密封帽一端打Φ5孔，安装压延Φ5管，作为进气嘴。在进气嘴对面、圆筒体的中端打Φ5孔，安装压延Φ5管，作为出气嘴。进气嘴和出气嘴之间长度10厘米的圆筒体内部是测量气室；当圆筒体两端卡接遮光密封帽，关闭进气嘴出气嘴，圆筒体内部保持气密性和遮光环境；瓶盖状遮光密封帽的内表面是黑体，瓶盖状遮光密封帽的中心安装光电接收管2，当瓶盖状遮光密封帽卡接在圆筒体上，其光电接收管的光轴与圆筒体的中轴同轴；瓶盖状遮光密封帽内部，靠近进气嘴处设置一个2倍于光电接收管高度，直径2倍于光电接收管的圆弧形气流阻挡板，气流阻挡板可以防止雾霾直吹光电接收管2，减少雾霾吸附；在圆筒体内靠近出气嘴处的气流导流板，气流导流板能够减少扩散透镜和会聚透镜表面的雾霾吸附，延长维护周期；实际上，气流导流板是出气管远离进气嘴的一边管沿；所述的进气嘴与出气嘴之间的气密性圆筒体内部部分，称作测量气室；测量气室的长度是10--20厘米。测量气室的长度越长，测量灵敏度越高，这里气室取20厘米。圆锥体状内凹遮光密封帽下的会聚透镜，采用Φ50，焦距8厘米。圆锥体状内凹遮光密封帽内部的圆锥高度11厘米。电路方面，MCU控制一体化光源发光采用恒流控制电路供电，恒流可调，光强可调，工作时光强恒定。线性放大器采用双放大器，分别连接光电接收管1和光电接收管2，再分别连接模数转换模块，模数转换模块连接MCU最小系统，用LCD 显示器测量结果，用RS232串口传输模块与上位机传送测量数据。

本实用新型的有益之处是，一种反射加透射法雾霾浓度冗余测量光路部分，都在圆筒体内部，结构简单，安装拆解方便，适合定期快速保养；发射光路与透射光路联动，构成光源光强闭环管理；用标气供气时，透射光强达不到要求，说明光电接收管收到污染，可分解清洗；反射光强与透射光强的数值减法，可以动态监测光路正常与否；反射或透射光强转换为微电压信号，微电压信号的强弱与雾霾颗粒流的浓度成正比，MCU计算冗余修正后，输出雾霾颗粒流的浓度，数值准确。