一种户外组合式射线法颗粒物监测装置的制作方法

1.本发明涉及环境监测设备技术领域，尤其涉及一种户外组合式射线法颗粒物监测装置。


背景技术：

2.大气颗粒物中含有的大量有害物质及微生物会危害人类健康，世界大多数发达国家都对大气中颗粒物进行检测以了解空气污染的情况。现有的监测大气颗粒物质量浓度的仪器有多种原理，包括重量法、微量振荡天平法、β射线法和光散射法等。重量法是所有监测颗粒物浓度中最直接、最可靠的方法，它的问题是测量速度太慢，采一个数据要至少几个小时。这种方法是无法进行在线即时测量的。微量振荡天平法的监测数据相比重量法有季节性差异，夏、秋两季振荡天平法监测的质量浓度高于重量法，冬、春两季则相反。光散射法易受环境湿度和颗粒物成分的影响，目前国家尚未出台相关的光散射法测量颗粒物物浓度的国家标准。β射线法要求样品量很少，可每小时自动得出一个监测数据，实时反映空气中颗粒物浓度的变化情况，并可进行数据传输，有利于远程监测和自动控制，并极大的减少了人工工作量。因此，β射线法已经成为大气环境颗粒物浓度的连续自动监测仪的主要测量方法之一。
3.目前商业上现有的在线测量设备主要是应用于城市空气质量检测站里，均需建设配套的标准站房。它们虽然测量精度高但是设备庞大笨重而且价格昂贵。为了克服上述缺点，因此，急需设计一种便携式β射线法颗粒物浓度监测系统，以满足在恶劣的户外工况下长期在线监测大气颗粒物的需求。


技术实现要素：

4.本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种户外组合式射线法颗粒物监测装置。
5.本发明是通过以下技术方案实现的：一种户外组合式射线法颗粒物监测装置，包括切割器、采样管、机箱一、机箱二、集成在机箱一内的检测系统、动态加热系统、流量调节系统和集成在机箱二内的气泵减震散热系统；所述切割器的进口端连通机箱一外部空间，所述采样管上端与切割器相连，下端与动态加热系统的连接管相连，连接管下端与检测系统的进气管相连，检测系统的出气管通过pu管连接流量调节系统的进气端，流量调节系统的出气端连接气泵减震散热系统的抽气泵，在所述的检测系统内还设有纸带，由所述气泵减震散热系统中的抽气泵抽气，采样气体依次通过流量调节系统、检测系统、动态加热系统、采样管、切割器从机箱一外大气引入富含颗粒物的待测样气，颗粒物流经检测系统内的纸带并富集在纸带上形成颗粒物尘斑。
6.所述的切割器是tsp切割器、pm10切割器、pm2 .5切割器、pm1切割器中的一种，通过接不同的切割器，测量不同种类颗粒物的浓度。
7.所述的检测系统包括有进气管、上气道座、压纸板、下气道座、β射线探测器、β放射
源、出气管、纸带、纸带压紧装置及走纸装置，所述上、下气道座之间设有供纸带穿过的间隙，上气道座内设有上气道，上气道座朝向下气道座的底面设为使上气道敞开的开放面，上气道座一侧设有所述的进气管，进气管连通至上气道，从上气道座顶部向上气道内安装有β射线探测器，且β射线探测器的探测面正对上气道座底面的开放面；下气道座内设有下气道，下气道座顶部设有圆形卡槽，下气道上端连通至圆形卡槽，下气道座一侧设有与下气道连通的出气管，下气道座顶部的圆形卡槽内竖直滑动安装有导向套，上、下气道座之间设有压纸板，压纸板与下气道座顶部之间连接有若干个压缩弹簧，导向套上端与压纸板连接为一体，且压纸板中设有通孔与导向套内部连通，由压缩弹簧向压纸板施加弹力使压纸板将纸带压紧，下气道座的下气道中设有所述的β放射源，β放射源的出射面正对导向套内部，采样气体经进气管进入上气道座的上气道内，透过纸带后从压纸板的通孔、导向套进入至下气道座的下气道内，并最终从出气管流出，下气道座内的β放射源出射的射线经导向套内、压纸板的通孔后，再透射过纸带进入至上气道座内的上气道中，并最终入射至β射线探测器；所述的纸带压紧装置用于将纸带压紧或放松在上下气道接触的接触面；走纸装置用于存储和定量传输纸带。
8.所述的纸带压紧装置包括有连接杆、压轮触板、偏心压轮、旋转压轴、光电开关挡片一和旋转电机一，所述压轮触板通过连接杆与压纸板连接为一体，压轮触板上方设置有偏心压轮，偏心压轮安装在旋转压轴上，旋转压轴连接有旋转电机一，旋转电机一旋转带动旋转压轴上的光电开关挡片一及偏心压轮旋转，偏心压轮转到一定位置开始推动压轮触板和压纸板向下运动，当光电开关挡片一的槽口通过一个光电开关，旋转电机一停止转动，压纸板下压到最低点，纸带被放松。通过压缩弹簧压紧压纸板与上气道座之间的纸带，压纸板通过连接杆与压轮触板连接位一体，压轮触板上方设置有偏心压轮，偏心压轮在旋转电机一的驱动下做凸轮运动，推动压轮触板和压纸板上下移动，旋转电机一附近设置有光电开关，通过光电开关的通断，从而使纸带准确的保持压紧或放松状态。
9.所述的走纸装置包括有安装主架、旋转电机二、光电开关挡片二、放纸轮、收纸轮和两个滚轮，安装主架上分别安装有左右平行放置的放纸轮和收纸轮，收纸轮与旋转电机二相连，所述旋转电机二转动，收纸轮上的纸带开始旋转收纸，纸带依次带动右方的滚轮、左方的滚轮和放纸轮转动，纸带实现平移，滚轮带动光电开关挡片二开始转动，当光电开关挡片二转动一定角度后，旋转电机二停止旋转；旋转电机一接着旋转，直到光电开关挡片一通过另一个光电开关停止时，压纸板上升到最高点，纸带被压紧。
10.安装主架上分别安装有左右平行放置的放纸轮和收纸轮，收纸轮与驱动电机相连，在安装主架上还安装有左右平行放置的滚轮，右方滚轮的轮轴上安装有光电开关挡片，光电开关挡片附近安装有光电开关，光电开关挡片通过光电开关，纸带卷绕于放纸轮，其分别通过左滚轮和右滚轮再收卷于收纸轮，通过收纸轮上的爪机电机的旋转来拉动纸带的走纸，纸带动右方的滚轮和光电开关挡片转动，控制光电开关的通断，从而精确的监控电机的转动量和纸带的走纸量。
11.所述的流量调节系统包括有流量计与流量控制装置，流量计的进气端与检测装置的出气端用气管连通，流量计的出气端与流量控制装置的进气端用气管连通。流量计与主控板电连，用于检测通过气道的流量；所述主控板通过对流量计所测流量的实时监测数据
以实时调节所述流量控制装置的开度，从而实现采样流量的控制，使流量在设备工作过程中保持在16.67 l/min。
12.所述的气泵减震散热系统包括有抽气泵、散热风扇、减震弹簧、气泵安装板和气泵驱动器，所述抽气泵与气泵驱动器安装在气泵安装板上，气泵安装板与机箱二之间安装有若干减震弹簧，用于减少气泵工作时产生的震动，气泵上还安装有消音器，散热风扇安装在抽气泵的两侧，减少气泵工作时产生的热量，在抽气泵上还安装有消音器；抽气泵的进气端通过气管与流量调节系统中的流量控制装置的出气端连通。
13.所述的动态加热系统包括有加热主体、加热器、管壁温度传感器、连接管、采样温湿度传感器，所述连接管分别连接采样管与检测系统的进气管，加热主体包覆在连接管上，加热器与管壁温度传感器安装固定在加热主体内，采样温湿度传感器安装在检测系统的下气道座的气道内。管壁温度传感器、采样温湿度传感器分别与主控板电连接，主控板还与加热器控制连接，主控板根据管壁温度传感器、采样温湿度传感器所采集到的连接管管壁温度、待测样气温湿度数据，动态调整加热器的加热功率，实现对采样气流温、湿的动态监测和控制。
14.在所述的机箱一内还集成有控制系统、触控显示屏和大气压传感器，在机箱一外侧上端安装有室外温湿度传感器；所述的控制系统包括有主控板、驱动板和电源模块，主控板分别与β射线探测器、流量控制系统、触控显示屏、大气压传感器和室外温湿度传感器电连接，触控显示屏与主控板电连接，从而实现对系统的控制和数据的显示，主控板还与β放射源控制连接，β放射源出射的β射线穿过纸带后被β射线探测器接收，通过β射线探测器得到纸带未富集颗粒物前无尘斑时β射线穿过纸带后的β射线强度i0，以及纸带富集颗粒物后有尘斑时β射线穿过纸带后的β射线强度i1，纸带上的尘斑中富集颗粒物的质量m与β放射穿过纸带后β射线强度的衰减符合朗伯比尔定律，结合采样系统所采集的待测样气的体积计算出颗粒物的浓度；所述的电源模块包括交流电电源滤波器、12v电源转换器及按钮开关，电源模块将220v交流电转换成12v直流电，电源模块连接驱动板，并给驱动板提供220v强电及12v弱电；按钮开关控制整个装置的启动与停止；所述的主控板还分别与旋转电机一、旋转电机二、流量计、抽气泵、管壁温度传感器、采样温湿度传感器电连。
15.所述的机箱一与机箱二是两个相互独立的机箱，机箱一与机箱二之间安装有快速夹具，方便机箱一与机箱二的安装拆卸，机箱一与机箱二连通有气管与导线，机箱二下方固定有可折叠的支撑架。
16.本发明的优点是：本发明体积小，价格低，测量精度高，将气泵减震散热系统单独安装在机箱二中与检测部分分离，有效的减小了采样泵产生的热量和震动对检测部分的影响，同时分散了机箱的重量，使其便于携带且能在恶劣的环境中稳定运行。
附图说明
17.图1是户外组合式射线法颗粒物监测装置结构正向示意图；图2是户外组合式射线法颗粒物监测装置结构侧向示意图；图3是户外组合式射线法颗粒物监测装置结构剖面示意图；
图4是户外组合式射线法颗粒物监测装置结构后向示意图；图5是检测系统的正面示意图；图6是检测系统的侧面示意图；图7是电源模块的示意图；图8是动态加热系统的示意图；图9是控制系统的示意图；图10是气泵减震散热系统的示意图。
18.图中标记：切割器1，采样管2，机箱一3，机箱二4，支撑架5，触控显示屏6，检测系统7，电源模块8，动态加热系统9，流量调节系统10，控制系统11，大气压传感器12，流量计13，流量控制装置14，气泵减震散热系统15，室外温湿度传感器16，快速夹具17，进气管701，β放射源702，上气道座703，压纸板704，支柱705，出气管706，纸带707，β射线探测器708，光电开关挡片二709，压缩弹簧710，下气道座711，主架712，偏心压轮713，旋转压轴714，连接杆715，压轮触板716，光电开关挡片一717，旋转电机一718，放纸轮719，收纸轮720，滚轮721，旋转电机二722，交流电电源滤波器801，12v电源转换器802，按钮开关803，连接管901，加热主体902，加热器903，管壁温度传感器904，采样温湿度传感器905，驱动板111，主控板112，气泵151，散热风扇152，气泵安装板153，减震弹簧154，气泵驱动器155。
具体实施方式
19.下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
20.如图1-图4所示，本发明公开的一种户外组合式射线法颗粒物监测装置，包括切割1、采样管2、支撑架5、室外温湿度传感器16、大气压传感器12以及集成在机箱一3内的检测系统7、控制系统11、流量调节系统10、动态加热系统9、触控显示屏6和集成在机箱二4内的气泵减震散热系统15。所述切割器1的进口端连通机箱一3外部空间，所述采样管2上端与切割器1相连，下端与动态加热系统9的连接管901相连，连接管下端与检测系统7的进气管701相连；由抽气泵提供采样动力，采样气流经过进气管进入到检测系统7气道中，并流过纸带707，从检测系统7出气管流出，通过pu软管流入流量计13和流量控制装置14，再通过pu 软管连接到抽气泵，经切割器1切割的大气颗粒物通过气道并流经纸带富集至纸带707上形成颗粒物尘斑；所述切割器1可以是tsp切割器、pm10切割器、pm2 .5切割器、pm1切割器，通过接不同的切割器，可以测量不同种类颗粒物的浓度；所述切割器1、采样管2、连接管901、进气管701、出气管706的相应连接处均设有橡胶密封圈与外界空气隔离；如图5、6所示，所述的检测系统7包括有进气管701、上气道座703、压纸板704、下气道座711、β射线探测器708、β放射源702、出气管706、纸带707、纸带压紧装置及走纸装置，所述上、下气道座之间设有供纸带707穿过的间隙，上气道座703内设有上气道，上气道座朝向下气道座711的底面设为使上气道敞开的开放面，上气道座703一侧设有所述的进气管701，进气管701连通至上气道，从上气道座顶部向上气道内安装有β射线探测器708，且β射线探测器708的探测面正对上气道座703底面的开放面；下气道座711内设有下气道，下气道座顶部设有圆形卡槽，下气道上端连通至圆形卡槽，下气道座711一侧设有与下气道连通的出气管706，下气道座711顶部的圆形卡槽内竖直滑动安装有导向套，上、下气道座之间设有压纸
板704，压纸板704与下气道座711顶部之间连接有若干个压缩弹簧710，导向套上端与压纸板704连接为一体，且压纸板704中设有通孔与导向套内部连通，由压缩弹簧710向压纸板704施加弹力使压纸板704将纸带压紧，下气道座711的下气道中设有所述的β放射源702，β放射源702的出射面正对导向套内部，采样气体经进气管701进入上气道座703的上气道内，透过纸带707后从压纸板704的通孔、导向套进入至下气道座711的下气道内，并最终从出气管706流出，下气道座711内的β放射源702出射的射线经导向套内、压纸板的通孔后，再透射过纸带进入至上气道座内的上气道中，并最终入射至β射线探测器708；所述的纸带707穿过检测系统7位于所述的β放射源702和β射线探测器708之间，所述的检测系统7中的β射线探测器708可以检测纸带707未富集颗粒物前无尘斑时β放射源702穿过纸带707的β射线强度i0和纸带707富集颗粒物后有尘斑时β放射源702穿过纸带707的β射线强度i1，纸带707上的尘斑中富集颗粒物的质量m与所述β放射源702穿过纸带707后β射线强度的衰减符合朗伯比尔定律，结合所采集样气的体积可计算出颗粒物的浓度。
21.所述进气管701上端插入所述的连接管901下端，进气管701的下端插入上气道座703凹槽中；所述的上气道座703通过螺钉固定在安装主架712上；所述的下气道座711通过支柱705和螺钉固定在上气道座703下方；所述的压纸板704位于上气道座703和所述的下气道座711之间；所述的压缩弹簧710位于压纸板704与下气道座711之间，所述的压缩弹簧710用于将压纸板704压紧在上气道座703下方，使设备抽气时保证采样通道的密封。所述的穿过检测系统的纸带707位于压纸板704和所述上气道座703之间；所述的β射线探测器708安装在上气道座703上，所述的β放射源702安装在所述的下气道座711上，所述β射线探测器708的检测面与所述的β放射源702放射面之间是相通的，且所述两个面平行、两者的中轴线在同一直线上，采样检测过程中β射线探测器708、纸带707、β放射源702之间的位置固定不变。
22.所述纸带压紧装置包括连接杆715、压轮触板716、偏心压轮713、旋转压轴714、光电开关挡片一717、旋转电机一718，所述压轮触板716通过连接杆715与压纸板704连接为一体，压轮触板716上方设置有偏心压轮713，偏心压轮713安装在旋转压轴714上，旋转压轴714连接有旋转电机一718，旋转电机一718与主控板112相电连，由主控板112发出第一个信号，旋转电机一718接收信号旋转带动旋转压轴714上的光电开关挡片一717及偏心压轮713旋转，偏心压轮713转到一定位置开始推动压轮触板716和压纸板704向下运动，当光电开关挡片一717的槽口通过一个光电开关，旋转电机一718停止转动，压纸板704下压到最低点，纸带707被放松；所述走纸装置包括安装主架712，安装主架712上分别安装有左右平行放置的放纸719和收纸轮720，收纸轮720与旋转电机二722相连，所述主控板112与旋转电机二722相电连，由主控板112向旋转电机二722发出第二个信号，所述旋转电机二7开始转动，收纸轮720上的纸带707开始旋转收纸，纸带707依次带动右方的滚轮721、左方的滚轮721和放纸轮719转动，纸带707实现平移，滚轮721带动光电开关挡片二709开始转动，当光电开关挡片二709转动一定角度后，光电开关开始发出信号，旋转电机二722停止旋转；再由主控板112向旋转电机一718发出信号三，旋转电机一718接着旋转，直到光电开关挡片一717通过另一个光电开关停止时，压纸板704上升到最高点，纸带707被压紧；所述流量调节系统10通过对所述流量计13所测流量的实时监测，通过主控板112
和驱动板111实时调节所述流量控制装置14的开度，从而实现采样流量的控制，作为本发明的一个特例，所述采样流量控制在16.67l/min。
23.所述室外温湿度传感器16用于测量户外组合式射线法颗粒物监测装置运行环境的温、湿度值，所述的气压传感器12用于测量户外组合式射线法颗粒物监测装置运行环境的大气压值，通过所述环境温度及大气值可求得标况状态下的采样体积，从而获得标况下的颗粒物浓度。
24.如图10所示，所述气泵减震散热系统15中的气泵151收到主控板112相电连，气泵151通过切割器1从机箱外引入采样空气，所述抽气泵151与气泵驱动器155安装在气泵安装板153上，气泵安装板153与机箱二4之间安装有若干减震弹簧154，用于减少气泵151工作时产生的震动，散热风扇152安装在气泵151的两侧，用于消除气泵151工作时产生的热量，气泵151上还安装有消音器，用于消除气泵工作产生的噪音；如图8所示，所述动态加热系统9包括加热主体902、加热器903、管壁温度传感器904、连接管901、采样温湿度传感器905，所述连接管901连接采样管2与进气管701，加热主体902包覆在连接管701上，加热器903与管壁温度传感器904安装固定在加热主体902内，采样温湿度传感器905安装在检测系统7的下气道座711的气道内，管壁温度传感器904、采样温湿度传感器905分别与主控板112电连接，主控板112还与加热器903控制连接，主控板112根据管壁温度传感器904、采样温湿度传感器905所采集到的连接管901管壁温度、待测样气温湿度数据，动态调整加热器903的加热功率，实现对采样气流温、湿的动态监测和控制；所述的触控显示屏6与所述的主控板112电性连接，从而实现对系统的控制和数据的显示；如图9所示，所述的控制系统包括有主控板、驱动板和电源模块，主控板分别与β射线探测器、流量控制系统、触控显示屏、大气压传感器和室外温湿度传感器电连接，触控显示屏与主控板电连接，从而实现对系统的控制和数据的显示，主控板还与β放射源控制连接，β放射源出射的β射线穿过纸带后被β射线探测器接收，通过β射线探测器得到纸带未富集颗粒物前无尘斑时β射线穿过纸带后的β射线强度i0，以及纸带富集颗粒物后有尘斑时β射线穿过纸带后的β射线强度i1，纸带上的尘斑中富集颗粒物的质量m与β放射穿过纸带后β射线强度的衰减符合朗伯比尔定律，结合采样系统所采集的待测样气的体积计算出颗粒物的浓度；所述的驱动板111与所述的流量控制装置14、气泵151、旋转电机一718、旋转电机二722电性连接，与主控板112一同实现对所述流量控制装置14、气泵151、旋转电机一718、旋转电机二722的控制；如图7所示，所述电源模块8包括交流电电源滤波器801、12v电源转换器802、及按钮开关803，电源模块8将220v交流电转换成12v直流电，电源模块8连接驱动板111，并给驱动板111提供220v强电及12v弱电，按钮开关803控制整个装置的启动与停止；所述机箱一3与机箱二4是两个相互独立的机箱，之间安装有快速夹具17，方便机箱一3与机箱二4的快速安装拆卸，同事也分散了机箱的重量，使设备更容易搬运和携带；所述机箱二4下方固定有的支撑架5，支撑架5上安装有类似铰链结构，可使支撑架折叠在机箱二下表面，减少占用空间，方便运输。