CN101639435B

CN101639435B - 粒子计数器

Info

Publication number: CN101639435B
Application number: CN2009103054375A
Authority: CN
Inventors: 詹宁波; 吴太虎; 杜耀华; 陈锋; 朱友平; 程智; 赵丕成
Original assignee: Institute of Medical Equipment Chinese Academy of Military Medical Sciences
Current assignee: Institute of Medical Equipment Chinese Academy of Military Medical Sciences
Priority date: 2009-08-10
Filing date: 2009-08-10
Publication date: 2011-12-14
Anticipated expiration: 2029-08-10
Also published as: CN101639435A

Abstract

本发明公开了一种粒子计数器，包括密闭检测腔室、气路和光路；所述气路包括与密闭检测腔室固接的同轴设置的进样气管和接收管；所述光路包括发出发散光束的光源，在该光源发出的光束前进方向上依次设有与密闭检测腔室固接的入射透镜组、与密闭检测腔室固接的设置有开口的曲面反射镜，所述曲面反射镜的焦点位于所述光路和所述气路交汇处，所述曲面反射镜设置有侧向光收集检测装置；所述进样气管的外面套装有与其同轴的鞘流管，所述鞘流管与所述进样气管之间形成供洁净鞘流气体通过的环空，所述环空的出气端与进样管的出气端平齐，所述鞘流管的出气端连接有喷嘴。本发明可有效防止样品气流的扩散，从而提高了检测的准确性。

Description

粒子计数器

技术领域

本发明涉及一种空气洁净度检测设备，特别涉及一种粒子计数器。

背景技术

许多行业，如医药、电子、精密机械、彩管制造、微生物等等，对其厂房内空气洁净度有一个很高的要求，洁净厂房的洁净级别常以单位体积的空气中最大允许的颗粒数即粒子计数浓度来衡量。旧的美国联邦标准209E“洁净室及洁净区中空气悬浮粒子洁净度级别”已经在2001年11月29日被新的国际标准IS014644-1“洁净室及相关受控环境，第一部分：空气洁净度等级”和IS014644-2“洁净室及相关受控环境，第二部分：认证IS014644-1相符性的测试和监测技术条件”所取代。为了和国际标准尽快接轨，我国根据IS014644制定了新的国家标准GB50073-2001“洁净厂房设计规范”，此规范已在2002年1月开始执行。在国际标准IS014644和国家标准GB500073-2001中洁净室的洁净度划分为9级。

激光尘埃粒子计数器是用来检测空气中尘埃粒子数量及粒径分布的仪器，从而为空气洁净度的评定提供依据。现在常用的尘埃粒子计数器，如各种国产的尘埃粒子计数器、PMS的粒子监测仪等等，均是利用激光散射法来设计的。激光散射法是目前较为成熟的洁净度检测方法。当激光照射在空气中遇到颗粒物时就会发生散射，其散射的程度和颗粒物尺寸大小有关。当尺寸增大时，其表面积也相应增大，散射光的强度也会随之增大，这样只要测定出散射光的强度就可以推知微粒大小了。

使用激光散射法对空气中尘埃粒子进行检测时，为提高检测灵敏度，含粒子的待检测样本空气通常是通过高效浓缩采样获得，而且在某些特种场合事先无法评价粒子对人体的危害，所以现有尘埃粒子计数器往往含有小型化密闭检测腔室，这同时也是进一步研发小型化、便携式检测装置的需要。

目前现有的尘埃粒子计数器，气路部分均采用直喷结构，即气路部分包括一进样管和一排气管。已有专利，如中国科学院上海光学精密机械研究所拥有的、名称为“激光尘埃粒子计数器的微型光学传感器”，公开号为CN 1570604A的发明专利和苏州华达仪器设备有限公司拥有的、名称为“尘埃粒子计数器及其使用方法”，公开号为CN101162195A的发明专利中，进样气路部分均采用了直喷方式。这种进样方式结构简单，易于实现，但是存在明显的缺陷。主要表现在两方面：一是粒子易积聚，直喷进样结构无法解决这个问题；二是使用直喷结构时，粒子并行通过检测光斑，而检测光斑照明强度分布不可能完全均匀，这就导致了不同粒径的尘埃粒子经过检测光斑不同位置时可能得到相同的散射光强度信号，影响检测的准确性。另外，上述专利中提到的计数器检测光路单一，都是采用了检测粒子的侧向散射光，而没有检测相对较强的粒子前向散射光。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种能够提高检测准确性的粒子计数器。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种粒子计数器，包括密闭检测腔室、气路和光路；所述气路包括与密闭检测腔室固接的同轴设置的进样气管和接收气管；所述光路包括光源，在该光源发出的光束前进方向上依次设有与密闭检测腔室固接的入射透镜组、与密闭检测腔室固接的设置有开口的曲面反射镜，所述曲面反射镜的焦点位于所述光路和所述气路交汇处，所述曲面反射镜设置有侧向光收集检测装置；所述进样气管的外面套装有与其同轴的鞘流管，所述鞘流管与所述进样气管之间形成供洁净鞘流气体通过的环空，所述环空的出气端与进样管的出气端平齐，所述鞘流管的出气端连接有喷嘴。

在所述光源发出的光束前进方向上还设置有前向光收集检测装置，所述前向光收集检测装置的收集光路轴线与所述侧向光收集检测装置的收集光路轴线之间的夹角α＝20°～90°。

所述前向光收集检测装置包括依次设置的前向光收集透镜组和前向检测器，在所述前向光收集透镜组中近所述曲面反射镜侧的透镜中央放置用于遮挡所述光源直接发出光的遮光板。

所述光源采用激光器。

所述接收管上端设置有收口结构。

所述鞘流管出气端的外侧壁嵌装在所述喷嘴中，所述鞘流管出气端的内侧壁与所述喷嘴的内锥面拼接。

所述曲面反射镜为椭球面反射镜。

所述侧向光收集检测装置包括侧向光收集透镜组，所述侧向光收集透镜组、所述入射透镜组和所述前向光收集透镜组均固装在密闭检测腔室上。

本发明具有的优点和积极效果是：(一)气路部分改变了以往的直喷进样方式，采用鞘流进样方式，即由洁净无杂质的鞘流气体包裹着待测样本气流的进样方式。通过控制气流流速和设计气路的结构，可将样本气流聚焦在流路的轴心上，在这样的情况下，可有效防止样品气流的扩散，保证样本气流中的待测粒子在经过检测区时顺序沿直线通过，避免了粒子积聚同时经过检测区时造成信号叠加的干扰，减小了因激光检测斑照明强度不均匀造成的影响，从而提高了检测的准确性。

(二)光路部分改变了以往的单一光路检测，除了检测侧向散射光，还检测了相对较强的前向散射光。从而进一步提高了检测的准确性

(三)曲面反射镜采用了长轴侧有圆形开口的椭球面反射镜产成品，方便气路、光路放置，无需打孔，在实际操作中容易实现。

(四)密闭检测腔室内部包含光路、气路部分，将各个透镜组装配在密闭腔室上，结构紧凑，最终外形尺寸可以达到140×160×140(mm)，大大减小了体积，有助于小型化仪器的研发；可作为仪器的模块化器件，方便保养或者损坏时及时更换，降低了仪器维修成本。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的光路部分示意图；

图3是本发明的气路部分鞘流结构示意图。

图中：1、进样快插，2、鞘流快插，3、同心调整架，4、接收管，5、接收端快插，6、接收端法兰托，7、喷嘴，8、鞘流管，9、进样管，10、进样端法兰托，11、光源，12、入射透镜组，13、检测区，14、侧向光收集透镜组，15、侧向检测器，16、前向检测器，17、前向光收集透镜组，18、遮光板，19、曲面反射镜，20、镜架，21、密闭检测腔室。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参阅图1～图3，本发明一种粒子计数器，包括密闭检测腔室21、气路部分和光路部分。

请参见图1和图3，本发明一种粒子计数器的气路部分在进样端包括进样管9，进样管9的外面套装有与其同轴的鞘流管8，鞘流管8与进样气管9之间形成供洁净鞘流气体通过的环空，同心调整架3套装在鞘流管8的外壁，沿调整架3周向均布至少三颗调整螺钉，调整螺钉穿过鞘流管8末端顶紧在进样管9的外圆上，通过丝锥旋紧或旋松调整螺钉可调整进样管9和鞘流管8的同轴度；进样管9的进气端、鞘流管8进气端、进样快插1和鞘流快插2均固定在进样端法兰托10中，进样端法兰托10固装在密闭检测腔室21上；上述环空的出气端与进样管9的出气端相平齐，以确保洁净鞘流气体将进样气体紧密包裹，鞘流管8的出气端连接有加速喷嘴7。在本实施例中，鞘流管8外侧壁嵌套在加速喷嘴7中，其中鞘流管8出气端内侧壁与加速喷嘴7内锥面无间距且平滑过渡无突变，两者形成拼接；气体采样浓缩装置通过进样快插1与进样气路连接，洁净鞘流气体通过鞘流快插2进入鞘流气路。在本实施例中，进样管9直径为1.5mm，鞘流管8直径为2.76mm，加速喷嘴7内的锥台高为2mm，喷口直径为1.9mm。在本发明的气路部分接收端，接收管4与加速喷嘴7同轴，接收管4进气端与加速喷嘴7出气端距离为4mm；接收管4和接收端快插5均固定在接收端法兰托6中，接收端法兰托6固装在在密闭检测腔室21上，排气装置与接收端快插5连接。接收管4的内径可略大于加速喷嘴7的喷口直径，在本实施例中，接收管4的内径为2.7mm，且上端最好有锥面收口结构。进样气路、鞘流气路和接收气路可设置流量传感器、采样装置等。

上述各个快插均与所在的法兰托形成密封，鞘流管8顶端与进样端法兰托10内壁形成密封。进样端法兰托10和接收端法兰托6分别固定在密闭检测腔室21的进气口和排气口，并与密闭检测腔室21外侧壁密封固定。进样管9、鞘流管8、加速喷嘴7和接收管4处于同轴的位置，并在密闭检测腔室21中竖直放置。加速喷嘴7位于鞘流管8下端，设有锥面收口结构，下端收口为一狭小喷嘴，保证样品气体中粒子顺序直线通过检测区。

请参见图1和图2，本发明一种粒子计数器的光路部分为：光源11发出的光线经过固装在密闭检测腔室21上的入射透镜组12整形聚焦检测光斑于检测区13，检测区13为光路和上述气路的交汇处，同时为固接在密闭检测腔室21上的曲面反射镜19的焦点；待测进样气体的尘埃粒子在鞘流气体包裹下排队顺序通过检测区13时，在汇聚光斑照射下发出散射光，前向散射光通过固装在密闭检测腔室21上的前向光收集透镜组17收集后整形聚焦于前向检测器16，在前向光收集透镜组17中近曲面反射镜侧的透镜中央放置用于遮挡光源直接发出光的遮光板18；同时，曲面反射镜19收集各向散射光并通过固装在密闭检测腔室21上的侧向光收集透镜组14收集后整形聚焦于侧向检测器15；该计数器所得到的计数数据为前向检测器16和侧向检测器15所得数据的均值，从而使检测的结果更加准确。各个透镜组包含多片平凸或双凸透镜，上述光学元器件的位置关系满足几何光学的物像关系，属本领域公知常识，在此不累述。

更优地，光源11采用激光器，入射透镜组12聚焦检测激光斑于检测区13；在本实施例中，前向光收集透镜组17采用两片平凸透镜，直径均为18mm，靠近曲面反射镜19的透镜其焦距为34mm，并在该透镜近曲面反射镜19侧的中央放置遮光板18，靠近前向检测器16的透镜其焦距为15mm，使光线汇聚于前向检测器16；侧向光收集透镜组14采用多片平凸和双凸透镜，直径均为12.7mm，靠近侧向检测器15的透镜其焦距为12mm，使光线汇聚于检测器15。上述曲面反射镜19内侧壁为镀铝的椭球形，轴向距离35mm，下端截面圆直径为80mm，最好购买现成的产成品。上述光路部分的结构布置应满足几何光学的物像关系。前向光路轴线与侧向光路轴线的夹角为α，α＝20°～90°，优选地，取角度为30°。

上述前向检测器16可以为光电二极管或金属封装的微型光电倍增管或者固态光电倍增管，检测带宽不小于3MHz；遮光板18可以采用矩形结构；曲面反射镜19可以是椭球面反射镜或球面反射镜，曲面反射镜19可以由玻璃或者金属材质制成，内表面可以镀铝或银等；激光器可以是半导体激光器组件或者固体激光器组件，激光器的波长可以为375nm或者405nm或者780nm。

综上所述，本发明的光路包括前向光路和侧向光路。前向光路包括光源11、入射透镜组12、前向光收集透镜组17、遮光板18和前向检测器16。入射透镜组12用于将光源光线整形，使其聚焦于检测区13；前向光收集透镜组17用于收集并调整前向散射光使其聚焦于前向检测器16；遮光板18用于吸收光源自身发射光。侧向光路包括与前向光路共用的光源11、曲面反射镜19、侧向光收集透镜组14和一个侧向检测器15，曲面反射镜19通过镜架20固定安装在密闭检测腔室21内部，侧向光收集透镜组14用于收集并整形侧向散射光使其聚焦于侧向检测器15。入射透镜组12和前向光收集透镜组17、侧向光收集透镜组14分别固定在密闭检测腔室21的激光入射口和前向、侧向光收集口处并且它们都与密闭检测腔室21外侧壁密封固定。

在本发明的光路中，密闭检测腔室21的激光入射口和前向、侧向光收集口处均可固定光学窗口，相应的各个透镜组也可以固定放置在密闭检测腔室21外。

优选方案为，将各个透镜组装配在密闭检测腔室上，使结构更加紧凑。

请参见图1，密闭检测腔室21为一个带有顶盖的可密封容器，用于容纳光路部分和气路部分，密闭检测腔室21上留有进样端法兰托10、接收端法兰托6、入射透镜组12、前向光收集透镜组17和侧向光收集透镜组14的安装固定孔。曲面反射镜19通过镜架20固定安装在密闭检测腔室21内部，曲面反射镜19的焦点位于检测区13；密闭检测腔室21的形状及各向尺寸均与气路和光路尺寸相匹配。密闭检测腔室21的特点在于其体积小，能有效固定光路和气路部分、结构紧凑。

采用上述本发明一种粒子计数器进行尘埃粒子检测的方法：

采样浓缩器得到的待测样本气体通过进样快插1注入进样管9，进样流量为0.5～1.5升/分钟；用作鞘流的洁净气体通过鞘流快插2注入鞘流管8，流量为2～6升/分钟，进样气流与洁净鞘流气体的体积比为1∶3～1∶5。最好为1∶3。洁净鞘流气体包裹着样本气流经过狭小的加速喷嘴7被压缩，使进样气流中的尘埃粒子在洁净鞘流气体包裹下排队沿直线顺序经过检测区13，进入接收管4中。混合气流通过接收气路最后由接收快插5排出。

气路部分中，高效浓缩样品气体的获得由空气采样、浓缩装置提供，这些可以通过常规技术手段实现，例如常规的浓缩采样器。

光路部分同时检测侧向散射光和相对较强的前向散射光，计数器取两者的平均值显示，检测结果准确。

本发明的创新点在于：

第一，气路部分中，进样方式由以往的直喷进样方式改变为鞘流进样方式。采用鞘流进样时，可将样本气流聚焦在流路的轴心上，保证待测粒子排队沿直线顺序经过检测区。因此，鞘流进样结构可以有效防止直喷进样时粒子扩散和积聚，并减小由于激光检测斑照明强度不均匀而造成的影响，避免了由于粒子积聚同时经过检测区而造成信号叠加干扰，从而提高检测的准确性。

第二，光路部分改变了以往的单一光路检测，除了检测粒子侧向散射光，还添加了前向散射光检测光路，多路检测提高准确性。

第三，侧向光路中采用了椭球面反射镜实现了二次曲面直接共辄成像，相对于球面反射镜其散射光采集效率高。另外，在已有诸多尘埃粒子计数器产品和专利中，椭球面反射镜需要打孔，加工时容易炸裂，因而加工困难，而且成品率低；本发明中使用的椭球反射镜长轴两侧有开口，可以购买成品，方便气路、光路放置，无需打孔，不存在上述困难，因此在实际操作中容易实现。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种粒子计数器，包括密闭检测腔室、气路和光路；所述气路包括与密闭检测腔室固接的同轴设置的进样气管和接收气管；所述光路包括光源，在该光源发出的光束前进方向上依次设有与密闭检测腔室固接的入射透镜组、与密闭检测腔室固接的设置有开口的曲面反射镜，所述曲面反射镜的焦点位于所述光路和所述气路交汇处，所述曲面反射镜设置有侧向光收集检测装置；其特征在于，所述进样气管的外面套装有与其同轴的鞘流管，所述鞘流管与所述进样气管之间形成供洁净鞘流气体通过的环空，所述环空的出气端与进样管的出气端平齐，所述鞘流管的出气端连接有喷嘴。

2.根据权利要求1所述的粒子计数器，其特征在于，在所述光源发出的光束前进方向上还设置有前向光收集检测装置，所述前向光收集检测装置的收集光路轴线与所述侧向光收集检测装置的收集光路轴线之间的夹角α＝20°～90°。

3.根据权利要求2所述的粒子计数器，其特征在于，所述前向光收集检测装置包括依次设置的前向光收集透镜组和前向检测器，在所述前向光收集透镜组中近所述曲面反射镜侧的透镜中央放置用于遮挡所述光源直接发出光的遮光板。

4.根据权利要求1或3所述的粒子计数器，其特征在于，所述光源采用激光器。

5.根据权利要求1所述的粒子计数器，其特征在于，所述接收管上端设置有收口结构。

6.根据权利要求1所述的粒子计数器，其特征在于，所述鞘流管出气端的外侧壁嵌装在所述喷嘴中，所述鞘流管出气端的内侧壁与所述喷嘴的内锥面拼接。

7.根据权利要求1所述的粒子计数器，其特征在于，所述曲面反射镜为椭球面反射镜。

8.根据权利要求2所述的粒子计数器，其特征在于，所述侧向光收集检测装置包括侧向光收集透镜组，所述侧向光收集透镜组、所述入射透镜组和所述前向光收集透镜组均固装在密闭检测腔室上。