CN103728229A

CN103728229A - 测量大气颗粒物的平均粒径和浓度的测量装置及测量方法

Info

Publication number: CN103728229A
Application number: CN201310662638.7A
Authority: CN
Inventors: 魏计林; 李传亮; 邱选兵; 刘路路; 吴应发; 张棚
Original assignee: Taiyuan University of Science and Technology
Current assignee: Taiyuan University of Science and Technology
Priority date: 2013-12-09
Filing date: 2013-12-09
Publication date: 2014-04-16

Abstract

本发明公开了一种大气环保光学检测仪器，特别是公开了一种大气可吸入颗粒平均粒径测量和颗粒浓度检测，多波长输出激光器在DSP控制模块的驱动下，发出某一波长的激光，该光束经过单模光纤后利用光纤耦合器耦合从入射孔进入多光程样品池，与待测气体相互作用，主要是散射和吸收作用，同时在样品池中多次反射后经过入射孔射出样品池，被散射和吸收后的气体，再经过入射孔射出样品池的激光信号进入光电探测器中，并转换为微弱电信号，该电信号经过信号调理电路调理后输入至高速DSP控制器的A/D转换模块中，在计算程序的控制下，进行平均粒径和浓度计算，最后显示在LCD液晶显示模块上，同时该信息也可通过无线通信模块传输给远程的监控设备。

Description

测量大气颗粒物的平均粒径和浓度的测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及一种大气环保光学检测仪器，特别是涉及一种大气可吸入颗粒平均粒径测量和颗粒浓度检测。

背景技术

随着工业化进程的发展、汽车车辆的增加、人口的快速增长、房地产的密集开发，导致城市空气质量急剧下降，而其中最为显著的一个指标就是空气中可吸入颗粒物的增加。可吸入颗粒物主要指大气中直径小于10μm的粒子，一般称作PM10。它们能够在呼吸过程中直接进入人体的呼吸道并积聚在肺部，人体长期的吸入会引发肺炎、气喘、肺功能下降等各种呼吸道疾病。而且在空气中持续时间长，对人体健康影响很大，可吸入颗粒物含量已被定为空气质量检测的重要指标之一。

此装置基于Mie氏散射原理，根据可吸入粒子对激光的散射和颗粒对不同波长激光的依赖特性测量大气中可吸入颗粒的平均粒径以及颗粒浓度。采用Herriott多光程池作为样品池，可以大大提高激光与粒子作用距离，从而提高检测精度和灵敏度。此仪器应用于大气环境中颗粒监测，以及工业生产环境中气体颗粒标定和工业生产和其他场所颗粒测量。

目前颗粒物检测的主要方法有：筛分法、显微镜法、沉降法、电感应法和光散射法等。其中筛选法是众多测定方法中最通行的方法，优点在于设备简单、操作容易、易于实现，但测定时间长，方法粗糙，另外在筛分过程中有颗粒破损或者断裂，导致测量误差增大，此方法不适用于分析小颗粒。显微镜法也是一种最基本最实用的测量方法，经常用来作为对其他方法的校准和标定，其最大缺点是测量速度慢，成本高。而电感应法对电导率有一定要求，被检测溶液是非电解质时必须加入电解质溶液，因而操作不方便，而且容易带来二次污染。而沉降法是通过颗粒物在液体中的沉降速度来测定颗粒粒度分布的，基本不用于气体颗粒的检测。光散射法以其适用性广、测量范围大、测量准确、精度高、重复性好、测量速度快、所需知被测颗粒物物理参数少，非接触性不破坏被测颗粒结构和特性等优点，已经在颗粒物测量领域占据了主导地位。可吸入颗粒物的直径相对来说较小，尤其是PM2.5的直径和近红外光比拟，所以散射效应会非常强。因此可以通过研究光与颗粒物的相互作用，利用光散射法来测得可吸入颗粒物的浓度。

通常采用散射消光法测量粒子浓度的方法是根据单波长激光通过含有颗粒物的样品，根据光强的衰减量获知样品中颗粒物的浓度。如申请号：201220522529 一种新型的PM2.5质量浓度实施检测装置。传统光散射法测量颗粒物平均粒径是通过CCD测量散射角度进行反演。如申请号201110148346.2基于光纤耦合的颗粒装置和检测方法中采用的上述方法测量颗粒平均粒径。常见的散射消光法测量颗粒物平均粒径、三波长消光法测定微粒的粒径及其分布，文献（《仪器仪表学报》，21（2）208-210，2000）中根据激光单次通过样品池与粒子相互作用所产生的消光效应反推出粒子的粒径和浓度分布，这种方法具有非介入、无二次污染和不中毒的有点，但是一般样品池较短，在测量低浓度粒子时灵敏度较低。为此我们提出了基于三波长-多光程-远程智能化的颗粒粒径和浓度检测仪大大增加了激光与粒子之间作用距离从而提高了检测灵敏度和精度。

发明内容

本发明的目的就是针对上述存在的问题，提供一种具有高精度、高灵敏度、操作简单，可以测量多种大气颗粒平均粒径和浓度的测量装置及方法。

本发明的测量大气颗粒物的平均粒径和浓度的测量装置，包括多波长单模激光器、多光程样品池和电路控制单元；

所述多波长单模激光器是一种能发出三种不同中心波长的激光器，所述多波长单模激光器连接有单模光纤，在所述单模光纤上设置有所述光纤耦合器，所述光纤耦合器将激光耦合后从多光程样品池的入射孔进入多光程样品池内；

所述多光程样品池包括壳体和设置在壳体内两端的反射镜，所述多光程样品池是一种使激光可以从一侧光入射孔处射入并在气室中多次反射，最后从入射孔处传输出去的一种特殊样品池，在壳体的下端壁上设气体进入口和气体出口，所述气体进入口通过管路连接有干燥器，干燥器的进入口与进气管连通，所述进气管上设有可控流量计，所述气体出口通过管路连接有气泵，在气体出口和气泵之间的管路上设有气压计；

所述电路控制单元包括光电探测器、高速DSP控制器、LCD液晶显示模块和远程无线通信模块；

所述光电探测器位于所述多光程样品池的入射口处用于接收从多光程样品池反射出来的激光信号，并且将该激光信号转换成电信号，电信号通过信号调理电路调理后输入至高速DSP控制器的A/D转换模块上；

所述高速DSP控制器在计算程序的控制下驱动多波长单模激光器依次发出三种不同波长的激光信号，高速DSP控制器将A/D转换模块的数据进行数字滤波，然后根据三个消光系数比值计算平均粒径D，接着计算平均消光系数，在根据消光系数比确定浊度，然后根据浊度计算其浓度；

所述LCD液晶显示模块用于实时显示气体中颗粒物的平均粒径和浓度；

所述远程无线通信模块用于将大气中的颗粒物的平均粒径和浓度传输给远程的监控设备。

所述多光程样品池的壳体上设置有气帘，所述气帘位于所述多光程样品池内的反射镜的两侧。

所述干燥器的内设置有过滤网。

所述多光程样品池是一种Herriott型多次反射的多光程样品池，其反射次数在20次以上，有效光程在5米以上。

一种利用测量大气颗粒物的平均粒径和浓度的测量装置的测量方法，平均粒径和浓度是按照以下步骤确定：

一、高速DSP控制器在计算程序的控制下驱动多波长单模激光器发出依次发出三种不同波长的激光信号；

二、激光信号通过单模光纤后利用光纤耦合器耦合从入射孔进入多光程样品池，与待测气体发生散射和吸收作用，同时在多光程样品池中多次反射后经过入射孔射出多光程样品池；

三、被散射和吸收后的气体，再经过入射孔射出多光程样品池的激光信号进入光电探测器中，并转换为微弱电信号，该电信号经过信号调理电路调理后输入至高速DSP控制器的A/D转换模块上；

四、进行数字滤波，然后根据三个消光系数比值计算平均粒径D，接着计算平均消光系数，在根据消光系数比确定浊度，然后根据浊度计算其浓度后，实时存储在内部存储器中，最后将平均粒径值和浓度值显示在LCD液晶显示模块上。

本发明中待测气体的循环如下：

通过可控流量计进入干燥器中，在干燥器中设有过滤网，其作用是根据系统的需求设置不同的大小的滤网，使得测量装置可以测量不同直径的颗粒物；经过过滤后的待测气体由气泵进入多光程样品池中，与激光信号相互作用及散射和吸收后，通过气压计流出样品池，并构成一次气流的循环过程。

激光信号的传输过程如下：

多波长输出激光器在高速DSP控制器的驱动下，发出某一波长的激光，该光束经过单模光纤后利用光纤耦合器耦合从入射孔进入多光程样品池，与待测气体相互作用，主要是散射和吸收作用，同时在样品池中多次反射后经过入射孔射出多光程样品池，被散射和吸收后的气体，再经过入射孔射出多光程样品池的激光信号进入光电探测器中。

本发明工作原理为：

多波长输出激光器在DSP控制模块的驱动下，发出某一波长的激光，该光束经过单模光纤后利用光纤耦合器耦合从入射孔进入多光程样品池，与待测气体相互作用，主要是散射和吸收作用，同时在多光程样品池中多次反射后经过入射孔射出多光程样品池，被散射和吸收后的气体，再经过入射孔射出样品池的激光信号进入光电探测器中，并转换为微弱电信号，该电信号经过信号调理电路调理后输入至高速DSP控制器的A/D转换模块中，在计算程序的控制下，进行平均粒径和浓度计算，最后显示在液晶显示器上，同时该信息也可通过无线通信模块传输给远程的监控设备。

与现有技术相比本发明的有益效果为：

一、可以测量颗粒物的粒径分布和浓度的测量装置：本发明装置通过控制激光输出三种不同的波长，根据粒子散射与波长的关系可以得到粒子的粒径分布，再对粒径分布进行积分处理可以得到颗粒浓度值，使得装置具有粒度和浓度测量功能。

二、DSP控制系统：由于在平均粒径和消光系数的计算过程中需要浮点的复杂运算，本专利采用高速浮点DSP控制器，大大减小了系统的响应时间；

三、测量装置和方法的精度和准确度更高：本发明的样品池采用Herriott池，使得光与粒子的作用光程大大提高，从了提高了实验灵敏度和精度。

附图说明

图1是测量大气颗粒物的平均粒径和浓度的测量装置的结构示意图。

图2是对PM2.5采样气体测得的平均粒径。

图3是对PM10采样气体测得的平均粒径。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

参见图1，一种测量大气颗粒物的平均粒径和浓度的测量装置，包括多波长单模激光器1、多光程样品池4和电路控制单元；

多波长单模激光器1是一种能发出三种不同中心波长的激光器，多波长单模激光器1连接有单模光纤2，在单模光纤2上设置有光纤耦合器3，光纤耦合器3将激光耦合后从多光程样品池4的入射孔进入多光程样品池4内。

多光程样品池4包括壳体41和设置在壳体41内两端的反射镜42，多光程样品池4是一种Herriott型多次反射的多光程样品池4，其反射次数在20次以上，有效光程在5米以上,多光程样品池4是一种使激光可以从一侧光入射孔处射入并在气室中多次反射，最后从入射孔处传输出去的一种特殊样品池，多光程样品池4的壳体41上设置有气帘6，气帘6位于多光程样品池4内的反射镜42的两侧；气帘6用于保持反射镜42表面的洁净度，使待测气体尽可能沿着气流进出多光程样品池4，而不吸附在两侧的发射镜42的镜面上。

在壳体41的下端壁上设气体进入口43和气体出口44，气体进入口43通过管路连接有干燥器7，干燥器7的内设置有过滤网71，其作用是根据系统的需求设置不同的大小的过滤网71，使得测量装置可以测量不同直径的颗粒物,干燥器7的进入口与进气管连通，进气管上设有可控流量计8，气体出口44通过管路连接有气泵9，在气体出口44和气泵9之间的管路上设有气压计10。

电路控制单元包括光电探测器5、高速DSP控制器1111、LCD液晶显示模块12和远程无线通信模块13。

光电探测器5位于多光程样品池4的入射口处用于接收从多光程样品池4反射出来的激光信号，并且将该激光信号转换成电信号，电信号通过信号调理电路调理后输入至高速DSP控制器11的A/D转换模块上。

高速DSP控制器11在计算程序的控制下驱动多波长单模激光器1依次发出三种不同波长的激光信号，高速DSP控制器11将A/D转换模块的数据进行数字滤波，然后根据三个消光系数比值计算平均粒径D，接着计算平均消光系数，在根据消光系数比确定浊度，然后根据浊度计算其浓度。

LCD液晶显示模块12用于实时显示气体中颗粒物的平均粒径和浓度。

远程无线通信模块13用于将大气中的颗粒物的平均粒径和浓度传输给远程的监控设备。

一种测量大气颗粒物的平均粒径和浓度的测量装置的测量方法，平均粒径和浓度是按照以下步骤确定：

一、高速DSP控制器11在计算程序的控制下驱动多波长单模激光器1发出依次发出三种不同波长的激光信号；

二、激光信号通过单模光纤2后利用光纤耦合器3耦合从入射孔进入多光程样品池4，与待测气体发生散射和吸收作用，同时在多光程样品池4中多次反射后经过入射孔射出多光程样品池4；

三、被散射和吸收后的气体，再经过入射孔射出多光程样品池4的激光信号进入光电探测器5中，并转换为微弱电信号，该电信号经过信号调理电路调理后输入至高速DSP控制器11的A/D转换模块上；

四、进行数字滤波，然后根据三个消光系数比值计算平均粒径D，接着计算平均消光系数，在根据消光系数比确定浊度，然后根据浊度计算其浓度后，实时存储在内部存储器中，最后将平均粒径值和浓度值显示在LCD液晶显示模块12上。

颗粒物的粒径分布和浓度计算过程如下：

当一束平行入射光通过一定体积的含有悬浮颗粒的介质时，由于颗粒物的散射效应会导致出射光强产生一定程度衰减，其衰减程度以浊度或消光表示，与颗粒的大小和数量（浓度）有关，出射光强与入射光强之间的关系可表示为:

（1）

式（1）称为Lambert-Beer定律，其中I₀是入射光强度、I是出射光强度、τ是浊度(单位体积内颗粒的总消光截面)，L样品池长度。对简单情况而言，设大气中可吸入颗粒物是N个直径为D的球形颗粒（特指单位体积中），那么由于颗粒物的散射和吸收效应，总浊度τ为

（2）

其中N是颗粒数目，K消光系数（K是入射光波长

，颗粒折射率m以及颗粒直径D的函数），σ为颗粒迎面光面积。代入式（2）取对数后得到：

(3)

由式（3）可知，当入射光与光程（多光程样品池4）不变时，出射光强度是根据颗粒物浓度而变化的，所以通过检测出射光强度即可反演出颗粒物的浓度。

根据Mie散射理论，对于单个球形颗粒来说，其消光因子Q_ext可表述为：

（4）

其中x=πD/λ为粒径尺寸参数，a_n、b_n为Mie散射系数：

（5）

（6）

式中

和

分别为n阶第一类和第二类Bessel函数，和分别为其导数。

m为复折射率，其实部与虚部分别与可吸入颗粒物对光的散射和吸收效应相对应。对于颗粒折射率m的计算，对式（3）做归化处理：

j=1,2，……..n （7）

式（7）中I₀、I为待测量值，λ_j为已知，假定颗粒直径D分别为2.5μm和10μm，本文所用的三波长可以满足唯一折射率求解的需求，即可求出两种粒径的颗粒折射率m₁、m₂。

消光因子Q_ext仅仅是单分散系颗粒物消光特性的体现，实际情况下，颗粒群是有许多颗粒组成的，颗粒物的粒径一般是不一致的，而是具有一定尺寸范围的多分散颗粒系统，严格意义上来讲是不连续的，当测量的数目比较大的时候，可认为是连续的。通常情况下，颗粒的尺寸分布可认为服从一定的分布规律，目前常用的分布算法一般有两种，即分布函数算法和无分布函数算法。无分布函数算法仍处于发展阶段，还没有固定的模式；分布式函数算法即假定被测颗粒系统可以近似用解析式的形式表示，其中大多是双参分布函数，及该函数是由两个特定的参数来确定的，一个是表征颗粒系力度大小的尺寸参数，另一个是表征颗粒系粒度分布情况的分布参数。常用的粒径分布函数有Rosin—Rammler分布函数，对数正态分布，

分布等。其中对数正态分布不仅可以表示粒度的分布状态, 而且还可以用解析的方法求解各种平均径、比表面积、单位质量的颗粒数等，其分布函数如下：

（8）

式中f(D)是粒径D服从一个位置参数为Dg、尺度参数为σg的概率分布函数。Dg和σg分别为中值粒径和几何标准差，颗粒系中与Dg尺寸越接近的粒子分布概率越大，σg越小分布越集中于Dg，当σg=1时是仅含有单一尺寸粒径的理想单分散分布颗粒系，实际情况下，当㏑σg<0.2即可认为是单分散的，㏑σg>0.2（σg>1.22）即可认为颗粒系呈多分散性。

一般情况下，形状不同的颗粒需用不同的方法来表示其粒径。对于形状规则的颗粒一个尺寸即可表示，但是在大自然中，颗粒的尺寸通常都是以无规则的形态存在。在颗粒测量中，颗粒的尺寸大多用等效直径来表示，即不管粒子的折射率、形状、分布如何变化，只要产生散射光的强度与仪器标定时所采用的某一粒径的散射光强度相同，即认为被测颗粒物的直径与标准颗粒相同。但是由于测量原理的不同，得到的等效直径相互之间是不具有可比性的。

在多波长的基础上由式（3）可得：

，i≠j，i，j=1,2,3,4 （9）

选用激光光源波长范围比较宽的(分别为405nm，638nm，850nm)三个不同波长的单色光对同一样本进行测量，根据3个波长下的消光测量值可得，

，

，

，采用最优正则化算法对采集到了光信号进行处理，引入消光系数比因子，求出泛函极小和构筑一组正则化近似，并从中找出最佳解，求解颗粒粒径分布得出D32即式（7）中的D_g。

不同比例的曲线与消光系数比相交后，有一点对应的为其共同解，从图2和图3中我们可以得知，采样分离后的PM2.5和PM10气体颗粒的平均粒径分别为1.19μm和8.98μm。

对于可吸入颗粒物系，其平均消光系数可表示为：

（9）

代入式（2）得

（10）

假设τ=N*α，前文已经说明当σ>1.22，颗粒系可看作是多分散性的，本文中选取σ=1.25，选用不同波长计算出α值，代入式（9）和式（1）即可求得所测颗粒的分布函数N(D)，此时体积浓度可表示为:

（12）

乘以颗粒密度以后即可得颗粒系的重量浓度Cm；

（13）

本发明中改进后的装置可以通过标定消光系数，使得颗粒物和浓度计算更加准确，直接计算气体中的颗粒物的平均粒径和实际浓度值。

从以上所述仅是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些也应视为本发明的保护范围。