CN103983602A

CN103983602A - 一种红外油烟浓度传感器

Info

Publication number: CN103983602A
Application number: CN201410244229.XA
Authority: CN
Inventors: 顾文秀; 邹路易; 杨光东; 刘世伟; 卢先领; 徐升; 吴志江
Original assignee: Jiangnan University
Current assignee: Jiangnan University
Priority date: 2014-06-04
Filing date: 2014-06-04
Publication date: 2014-08-13

Abstract

一种红外油烟浓度传感器，主要包括：检测光发射端、检测光接收端、压力传感器、温度传感器和连接杆；检测光发射端的光源经反射分光镜分成平行的两路；两路光分别通过油烟特征吸收波长滤光片和非吸收波长滤光片，得到特征数据和参比数据，通过检测器的光电转换，将信号传输给CPU处理，经压力和温度校正后得到准确的油烟浓度数据。本发明的红外油烟浓度传感器，采用单光源双光路，可以保证样品光源和参比光源完全一致，没有光学活动件，且疏水疏油蓝宝石保护玻璃在保证红外透光率的基础上起到抗油烟粘附污染的作用，能实现油烟浓度的准确在线监测，测量精度高、性能稳定、结果可靠、结构简单、体积小巧、易于生产。

Description

一种红外油烟浓度传感器

技术领域

本发明涉及一种油烟浓度传感器，特别涉及一种基于红外消光的油烟浓度传感器。

背景技术

近年来，随着我国国民经济水平的不断发展和提高，饮食行业油烟污染已经成为城市环境污染的一大问题，统计数据表明：2004年我国食用油消费量1560万吨，2010年食用油消费量达到2000万吨，这些油在烹饪过程中产生大量的油烟是造成城市空气污染的主要来源。其排放的大气污染物主要为气、液和固三相组成的气溶胶，其中含有食用油及食品在高温下的挥发物，食用油及食品的氧化、裂解、水解而形成的醛类、酮类、链烷类和链烯类、多环芳烃等产物，成分极为复杂。油烟液固相颗粒物的粒径一般小于l0μm，粘着性强，大部分不溶于水，极性小。随着各研究机构对厨房油烟研究的深入，厨房油烟对人体的危害越来越引起人们的广泛关注。

2000年，国家环保总局发布《关于加强饮食业油烟污染防治监督管理的通知》（环发[2000]191号），要求全国各省、市、自治区、直辖市环境保护局（厅）将油烟污染问题列入正常环境管理工作范围。现在几乎所有的餐饮店都安装了油烟净化设备，目前广泛应用的几类油烟净化技术，主要有高压静电净化器、水喷淋和机械旋风分离式净化器。经净化处理后，油烟中90％左右的颗粒物都会被过滤在净化装置内，对环境造成的污染大大减少。但一些餐饮业单位为减少成本，尽量少用甚至不用油烟净化设备，或者有的单位油烟净化设备已经损坏而没有察觉，出现油烟直接排放到空气中的情况，造成极大的环境污染。目前，各地油烟污染问题日益突出，油烟对人体健康的影响也越来越受到人们的关注，已成为环保投诉的热点之一，因此加强对餐饮业油烟排放的日常监督检查已非常迫切。

现有的国标检测方法有很大的局限性，难以满足日常监督检查的需要。国家环境保护总局颁布的GB18483-2001《饮食业油烟排放标准(试行)》附录A中规定的油烟采样及分析方法为现场不锈钢金属滤筒采样，实验室红外分光光度法分析(简称国标法)。所规定的具体测量方法是：先用特定的采样机在规定的条件下对油烟雾采样，让含油烟雾的气流通过装有不锈钢丝网滤芯的采集头以截留微小的油烟气溶胶颗粒，然后将收集了油烟的滤芯取出放于盛有四氯化碳溶剂的容器中，在超声波作用下让油烟凝结物溶解，将溶有油烟凝结物的溶剂移入比色管中定容，最后用红外分光光度法测出其油烟含量，再换算成所测的油烟浓度。该方法由于步骤繁多，测量精度受采样过程和设备、四氯化碳纯度、操作人员经验等因素的影响较大，四氯化碳的致癌性也使得分析人员心存顾虑。虽然文件规定了餐饮业单位油烟的最高允许排放浓度(不大于2.0mg/m³)和油烟净化设备的最低去除效率(要求小型单位净化效率不小于60％，中型单位不小于75％，大型单位不小于85％)，但使用国标法检测，样品需带回实验室分析，监测周期长、费用高、步骤繁琐、现场测试条件要求高，常常是执法人员来到现场，“案发地”已经改颜换貌难以取证了，难以满足餐饮业油烟监督检查和现场执法监测的需要。另外，由于城市餐饮店数量多、覆盖面广、污染源分散，相关环保部门不可能有这样多的人力、财力和时间来监督所有的餐饮业单位的油烟排放。只能对少数大型的宾馆或饭店进行不定期抽查，很容易被不自觉的店主想到各种办法逃避检查，使国家法律形同虚设。因此急需准确测量、实时传感油烟浓度的新型油烟传感器，在此基础上构建实时在线监控系统来使环保监管部门随时了解数量庞大的油烟净化设备的运行情况、各餐饮店的油烟排放情况，对那些油烟排放不符合国家标准的单位及时进行监管和处理。

现有技术在油烟在线监测上虽有少数初步探索，但属于监控油烟净化系统各个设备的开停状态，一般是风机和净化器，只要各设备是正常开启的，就认为油烟排放也是达标的；又或者监控油烟净化设备的运行功率和状态等，根据这些参数的变化以判别油烟净化设备的工作状态和洁净程度，从而估算设备是否需要进行清洗，以及油烟排放是否达标。实际上，由于设备的运行与油烟浓度之间并没有严格的关系，所以从技术上来讲，这些方法实际上用的是净化设备监控的方法，即这些方法只能监控相关设备的运行状态，并不能得知油烟排放的实际情况，因此监测结果不能准确反映油烟浓度，和国标法结果及实际油烟排放情况有较大的偏差，很难起到真正的监管作用。另外，由于油烟性质的复杂和特殊性，且检测装置所处烟道环境的恶劣性，因此，一些基于工业粉尘检测的技术无法满足油烟浓度在线监测的要求。即现有技术存在的问题：一是没有很好地解决准确在线获取油烟浓度；另一个为油烟极易污染检测装置、从而影响检测装置寿命及检测结果的准确性这两个关键问题。因此，为了能够对餐饮业的油烟排放进行真正有效的监管，需要采用新的方法和技术手段，对油烟进行实时采样分析，以得到油烟浓度的准确量化数据，便于接入环保监管网络，从而真正将餐饮业油烟排放纳入污染源在线监控系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能有效解决上述问题，能准确在线获取油烟浓度、抗污染、寿命长、性能可靠、适用于烟道恶劣环境的油烟浓度传感器。

本发明的技术方案如下：

一种红外油烟浓度传感器，主要包括：检测光发射端、检测光接收端、压力传感器、温度传感器和连接杆；

其进一步的方案为：所述的检测光发射端，主要包括：红外光源、反射分光镜、保护壳体和疏水疏油蓝宝石保护玻璃；

其进一步的方案为：所述的检测光接收端，主要包括：红外检测器、两片窄带红外滤光片、保护壳体和疏水疏油蓝宝石保护玻璃；

其进一步的方案为：所述的连接杆将检测光发射端和检测光接收端连为一体，检测光发射端和检测光接收端之间为开放型油烟检测通道；

其进一步的方案为：所述的反射分光镜将光源发射的红外光分成平行的两路；

其进一步的方案为：所述的两片窄带红外滤光片为波长3.4μm和波长0.63μm的滤光片；

其进一步的方案为：所述的疏水疏油蓝宝石保护玻璃的制备工艺为：正硅酸乙酯:二甲基二乙氧基硅烷体积比为2:1的混合溶液3mL，加入到60mL无水乙醇中，搅拌均匀；然后，按二甲基二乙氧基硅烷：含氟硅烷摩尔比为17:3加入含氟硅烷，搅拌均匀，得混合硅烷溶液；然后将浓氨水（25wt%）1.0～1.5mL滴加到上述混合硅烷溶液中，室温搅拌1～2h，放置老化48h；使用前，按1:1体积比用无水乙醇稀释，搅拌均匀，得含氟杂化SiO₂纳米涂层液；将干净的蓝宝石玻璃以50mm/min的速度浸入含氟杂化SiO₂纳米涂层液中，停留15min，然后以200mm/min的速度匀速提拉镀膜，将制备的膜片在50℃的干燥箱中干燥1h后，在110℃下热处理1～2h，得所述的疏水疏油蓝宝石保护玻璃；所述的含氟硅烷优选为：1H,1H,2H,2H-全氟癸基三甲氧基硅烷(CF₃(CF₂)₇CH₂CH₂Si(OCH₃)₃)或1H,1H,2H,2H-全氟癸基三乙氧基硅烷(CF₃(CF₂)₇CH₂CH₂Si(OCH₂CH₃)₃)。该制备工艺我们另行申请专利。

本发明的油烟浓度检测原理为：如图1所示，油烟组分中多数的烃在波长3.4μm （2930cm^-1）附近具有强的光吸收，对应于C-H键的伸缩振动。

红外光源发射的光通过油烟检测区时，由于油烟对红外光的特征吸收，另外加之散射、反射及不透光性所造成的光强度的衰减，使得光强度降低。要根据此光强度的降低来准确获取油烟的浓度，需要两组测量数据，一组为在油烟的非吸收波长处的透射测试以确定散射、反射及不透光性造成的光强度的衰减；另一组为在油烟的吸收波长处的透射测试以确定由于油烟的吸收造成的光强度的衰减和散射、反射及不透光性造成的光强度的衰减总值，两者的差值与油烟的浓度相关，从而精确地获取油烟的浓度。

具体阐述为：忽略散射光和反射光造成的影响的前提下，消光系数I/I ₀可以分解为不透光性造成的光强度的降低和由于油烟吸收组分对光的吸收造成的光强度的降低两部分，沿光程积分后，得消光公式：

其中，C _n为密度下降数，N(D)是下降尺寸D的分布，k _v是油烟摩尔吸光系数，l _s和l _v分别为散射光路长度和油烟测试通道的长度。Q _ext为消光系数，P _v为油烟的浓度，平均视距用上横线表示。该公式也可以用光学厚度t表示为：

要得到油烟浓度，需要两个消光测量值：一是在吸收波长处的消光值，如公式（1）所述，另一个为在非吸收波长处的消光值，非吸收波长典型的为可见光波长0.63μm，此处，光强度的降低仅仅由散射光损失造成，这种情况下，光强变化方程为：

如果将方程（3）代入消光总公式（1）里，可得到下面的平均视距油烟浓度结果：

其中，R为两个波长处下降的光学厚度的比值。由此，可精确得出待测油烟的浓度。

本发明的有益效果为：本发明的红外油烟浓度传感器，采用单光源双光路，可以保证样品光源和参比光源完全一致，没有光学活动件，有疏水疏油蓝宝石保护玻璃，抗污染、测量精度高、性能稳定、结果可靠、结构简单、体积小巧、易于生产。可以在线监测，能方便地将数据传给上位机，接入环保监管网络，实现对油烟污染快速反应、有的放矢地进行高效率的监管，实现从人防到技防的转变，可大大提高环保监管的反应速度和效率。

附图说明

图1 为油烟透光率与波长关系图。

图2 为本发明实施例1的红外油烟浓度传感器立体图。

图3 为本发明实施例1的红外油烟浓度传感器结构示意图。

图4 为本发明实施例1的红外油烟浓度传感器测量电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

实施例1

本实施例为本发明一种红外油烟浓度传感器的结构。如图2和3所示一种红外油烟浓度传感器，主要包括：检测光发射端1a、检测光接收端1b、压力传感器11、温度传感器12和连接杆8；所述检测光发射端1a，主要包括：红外光源3、反射分光镜9、保护壳体10a和疏水疏油蓝宝石保护玻璃2a；所述检测光接收端1b，主要包括：红外检测器6、窄带红外滤光片4、窄带红外滤光片5、保护壳体10b和疏水疏油蓝宝石保护玻璃2b；所述连接杆8将检测光发射端1a和检测光接收端1b连为一体，检测光发射端1a和检测光接收端1b之间为开放型油烟检测通道7；所述反射分光镜9将光源3发射的红外光分成平行的两路；一路穿过油烟检测通道7，通过波长为3.4μm的窄带滤光片4，到达红外检测器6，得到由于油烟的吸收、散射、反射和不透光所造成的光强度的下降总值；另一路穿过油烟检测通道7，通过波长为0.63μm的窄带滤光片5，到达红外检测器6，得到仅由于油烟的散射、反射和不透光所造成的光强度下降值；该数据通过检测器的光电转换，传输给CPU，见图4，通过CPU的数据处理，综合压力传感器11和温度传感器12的测量值进行压力和温度校正后得到准确的油烟浓度数据，CPU控制发送、接收电路的工作及数据处理，可以很方便地将数据传给上位机，从而实现油烟浓度的准确在线监测。另外，疏水疏油蓝宝石保护玻璃既保证了很高的红外透光率，又起到抗油烟粘附污染的作用，保证了测量的精确度和传感器的寿命，不需要经常维护、使用方便、性能可靠。

实施例2

本实施例为实施例1所述红外油烟浓度传感器的测试结果与国标法结果对比，见表1。由表1结果可知：本发明红外油烟浓度传感方法所得结果与国标法相比较，结果可靠、没有显著性差异。

表1

本发明中涉及的未说明部分与现有技术相同。

以上所述仅为本发明的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围内。

Claims

1.一种红外油烟浓度传感器，主要包括：检测光发射端、检测光接收端、压力传感器、温度传感器和连接杆。

2.根据权利要求1所述的一种红外油烟浓度传感器，其特征在于：所述的检测光发射端，主要包括：红外光源、反射分光镜、保护壳体和疏水疏油蓝宝石保护玻璃。

3.根据权利要求1所述的一种红外油烟浓度传感器，其特征在于：所述的检测光接收端，主要包括：红外检测器、两片不同波长的窄带红外滤光片、保护壳体和疏水疏油蓝宝石保护玻璃。

4.根据权利要求1所述的一种红外油烟浓度传感器，其特征在于：所述的连接杆将检测光发射端和检测光接收端连为一体，检测光发射端和检测光接收端之间为开放型油烟检测通道。

5.根据权利要求2所述的反射分光镜，其特征在于：所述的反射分光镜将光源发射的红外光分成平行的两路。

6.根据权利要求3所述的两片不同波长的窄带红外滤光片，其特征在于：所述的两片不同波长的窄带滤光片一个为波长3.4μm的滤光片，另一个为波长0.63μm的滤光片。