CN104390875B - 一种带有改进式pm2.5切割头的便携式检测仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种带有改进式PM2.5切割头的便携式检测仪，Ⅰ级PM2.5切割头通过颗粒传输通道与所述Ⅱ级PM2.5切割头相连通，所述Ⅱ级PM2.5切割头通过所述测试腔与所述石英微天平相连接，所述进气道设置在所述箱体的顶部，且一端穿过所述箱体与所述Ⅰ级PM2.5切割头相连通；通气道的一端头与所述Ⅱ级PM2.5切割头相连接，另一端头穿过Ⅱ级PM2.5切割头进入所述测试腔内，且位于所述石英微天平的正上方；所述清洗道与所述测试腔相连通，所述动力装置设置在所述清洗道上。本发明可以方便地被携带到需要测量的场地实时实地检测PM2.5，可以使用石英微天平称量气体中粉尘密度或者颗粒物重量，并利用动力装置吸入被检测气体。
Description
技术领域
本发明涉及一种带有改进式PM2.5切割头的便携式检测仪。
背景技术
石英晶体微天平(QCM)最基本的原理是利用了石英晶体的压电效应：石英晶体内部每个晶格在不受外力作用时呈正六边形，若在晶片的两侧施加机械压力，会使晶格的电荷中心发生偏移而极化，则在晶片相应的方向上将产生电场；反之，若在石英晶体的两个电极上加一电场，晶片就会产生机械变形，这种物理现象称为压电效应。如果在晶片的两极上加交变电压，晶片就会产生机械振动，同时晶片的机械振动又会产生交变电场。在一般情况下，晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅非常微小，但当外加交变电压的频率为某一特定值时，振幅明显加大，这种现象称为压电谐振。它其实与LC回路的谐振现象十分相似：当晶体不振动时，可把它看成一个平板电容器称为静电电容C，一般约几个PF到几十PF；当晶体振荡时，机械振动的惯性可用电感L来等效，一般L的值为几十mH到几百mH。由此就构成了石英晶体微天平的振荡器，电路的振荡频率等于石英晶体振荡片的谐振频率，再通过主机将测得的谐振频率转化为电信号输出。由于晶片本身的谐振频率基本上只与晶片的切割方式、几何形状、尺寸有关，而且可以做得精确，因此利用石英谐振器组成的振荡电路可获得很高的频率稳定度。
1959年Sauerbrey在假定外加持量均匀刚性地附着于QCM的金电极表面的条件下，得出了QCM的谐振频率变化与外加质量成正比的结论。对于刚性沉积物，晶体振荡频率变化△F正比于工作电极上沉积物的质量改变△M。通过这一关系式可得到QCM电极表面的质量变化。
QCM主要由石英晶体传感器、信号检测和数据处理等部分组成。石英晶体传感器的基本构成大致是：从一块石英晶体上沿着与石英晶体主光轴成35°15'切割(AT—CUT)得到石英晶体振荡片，在它的两个对应面上涂敷银层作为电极，石英晶体夹在两片电极中间形成三明治结构。在每个电极上各焊一根引线接到管脚上，再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器，其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。
石英称重天平的灵敏度是从Sauerbrey方程得来，石英振荡天平频率变化值△F和质量变化值△M有如下的关系：△F＝Cf·△M，其中△F为石英天平观察到的称重物质前后频率变化值，△M为石英天平观察到的称重物质前后质量变化值，Cf为石英天平称量物质质量时的恒定系数。从上述公式上看，QCM的灵敏度是由Cf决定的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种结构简单，携带方便的带有改进式PM2.5切割头的便携式检测仪。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种带有改进式PM2.5切割头的便携式检测仪，包括箱体、Ⅰ级PM2.5切割头、Ⅱ级PM2.5切割头、测试腔、石英微天平、进气道、通气道、清洗道及动力装置，所述Ⅰ级PM2.5切割头、Ⅱ级PM2.5切割头、测试腔及石英微天平均设置在所述箱体内，所述Ⅰ级PM2.5切割头通过颗粒传输通道与所述Ⅱ级PM2.5切割头相连通，所述Ⅱ级PM2.5切割头通过所述测试腔与所述石英微天平相连接，所述进气道设置在所述箱体的顶部，且一端穿过所述箱体与所述Ⅰ级PM2.5切割头相连通，用于将箱体外的空气导入所述Ⅰ级PM2.5切割头内；所述通气道的一端头与所述Ⅱ级PM2.5切割头相连接，另一端头穿过所述Ⅱ级PM2.5切割头进入所述测试腔内，且位于所述石英微天平的正上方；所述清洗道与所述测试腔相连通，所述动力装置设置在所述清洗道上；其中，所述石英微天平的上表面为敏感表面。
本发明的有益效果是：
本发明带有改进式PM2.5切割头的便携式检测仪可以很方便地被携带到需要测量的场地实时实地检测PM2.5，本发明不需要过滤网，减少操作程序，减少维护时间和成本。可以使用石英微天平称量气体中粉尘密度或者颗粒物重量，并利用动力装置吸入被检测气体。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述Ⅰ级PM2.5切割头内设有Ⅰ级第一碰撞面及Ⅰ级第二碰撞面，所述Ⅰ级第一碰撞面与所述Ⅰ级第二碰撞面为一体成型结构，且所述Ⅰ级第二碰撞面设置在所述Ⅰ级第一碰撞面的下部，所述Ⅰ级第一碰撞面位于所述进气道的正下方；所述Ⅰ级第一碰撞面及Ⅰ级第二碰撞面通过第一固定杆与所述Ⅰ级PM2.5切割头的内壁固定连接；其中，所述Ⅰ级第一碰撞面的形状呈凹形。
进一步，所述Ⅱ级PM2.5切割头内设有Ⅱ级第一碰撞面及Ⅱ级第二碰撞面，所述Ⅱ级第一碰撞面与所述Ⅱ级第二碰撞面为一体成型结构，且所述Ⅱ级第二碰撞面设置在所述Ⅱ级第一碰撞面的下部，所述Ⅱ级第一碰撞面及Ⅱ级第二碰撞面通过第二固定杆与所述Ⅱ级PM2.5切割头的内壁固定连接；所述颗粒传输通道的一端头与所述Ⅰ级第二碰撞面相连接，另一端头位于所述Ⅱ级第一碰撞面的正上方；其中，所述Ⅱ级第一碰撞面的形状呈凹形。
进一步，所述便携式检测仪还包括PM10切割顶盖，所述PM10切割顶盖设置在所述进气道的顶部，且与所述进气道相连接。
进一步，所述PM10切割顶盖呈圆锥形，且其底壁上设有呈蜂窝状排列的小孔，用于过滤PM10以上的颗粒。
进一步，所述进气道与所述Ⅰ级PM2.5切割头的连接、所述Ⅱ级PM2.5切割头与所述测试腔的连接以及所述测试腔与所述石英微天平的连接均是通过螺纹相连接。
进一步，所述带有改进式PM2.5切割头的便携式检测仪还包括第一阀门，所述第一阀门设在位于所述测试腔内的所述通气道内，且靠近所述通气道的端头。
采用上述进一步方案的有益效果是，关闭第一阀门，使气泵反向流动，这时气流就会瞬间把敏感表面表面收集的颗粒吹散到空气中，使石英微天平的频率有个瞬间的变化。
进一步，所述带有改进式PM2.5切割头的便携式检测仪还包括第二阀门，所述第二阀门设置在所述测试腔上，且靠近所述清洗道。
进一步，所述带有改进式PM2.5切割头的便携式检测仪还包括第三阀门，所述第三阀门设置在所述Ⅱ级PM2.5切割头的底部。
进一步，所述动力装置为气泵或者风扇。
进一步，所述清洗道与所述石英微天平的敏感表面形成的夹角小于180°，大于90°。
所述清洗道与所述石英微天平的敏感表面形成的夹角越大于90度，排气的效果越好。
进一步，所述箱体的一侧壁上设置有稳压电源。
进一步，所述箱体内设有数据处理单元及数据存储单元，所述箱体的侧壁上设有显示器及稳压电源，所述数据处理单元、所述数据存储单元及显示器均通过控制电路与所述稳压电源电连接，所述数据处理单元用于采集所述改进式PM2.5切割头的便携式检测仪检测到的数据，所述数据存储单元将采集到的数据进行存储，并通过所述显示器显示出来。
所述数据处理单元为有线GPRS、无线GPRS、WIFI、兰牙或ZIGBEE中的任意一种。
附图说明
图1为本发明带有改进式PM2.5切割头的便携式检测仪的整体结构示意图；
图2为本发明带有改进式PM2.5切割头的便携式检测仪的结构示意图；
图3为本发明带有改进式PM2.5切割头的便携式检测仪测试时的内部结构示意图；
图4为本发明带有改进式PM2.5切割头的便携式检测仪清洗时的内部结构示意图；
图5为本发明带有改进式PM2.5切割头的便携式检测仪的控制电路框图；
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、箱体，2、Ⅰ级PM2.5切割头，2-1、Ⅰ级第一碰撞平面，2-2、Ⅰ级第二碰撞平面，2-3、第一固定杆，3、Ⅱ级PM2.5切割头，3-1、Ⅱ级第一碰撞面，3-2、Ⅱ级第二碰撞面，3-3、第二固定杆，4、测试腔，5、石英微天平，5-1、敏感表面，6、进气道，7、通气道，8、清洗道，9、动力装置，10、第一阀门，11、第二阀门，12、第三阀门，13、稳压电源，14、数据处理单元，15、显示器，16、PM10切割顶盖,17、颗粒传输通道,18，数据存储单元。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
一种带有改进式PM2.5切割头的便携式检测仪，如图1至图3所示，包括箱体1、Ⅰ级PM2.5切割头2、Ⅱ级PM2.5切割头3、测试腔4、石英微天平5、进气道6、通气道7、清洗道8及动力装置9，所述Ⅰ级PM2.5切割头2、Ⅱ级PM2.5切割头3、测试腔4及石英微天平5均设置在所述箱体1内，所述Ⅰ级PM2.5切割头2通过颗粒传输通道17与所述Ⅱ级PM2.5切割头3相连通，所述Ⅱ级PM2.5切割头3通过所述测试腔4与所述石英微天平5相连接，所述进气道6设置在所述箱体1的顶部，且一端穿过所述箱体1与所述Ⅰ级PM2.5切割头2相连通，用于将箱体1外的空气导入所述Ⅰ级PM2.5切割头2内；所述通气道7的一端头与所述Ⅱ级PM2.5切割头3相连接，另一端头穿过所述Ⅱ级PM2.5切割头3进入所述测试腔4内，且位于所述石英微天平5的正上方；所述清洗道8与所述测试腔4相连通，所述动力装置9设置在所述清洗道8上；其中，所述石英微天平5的上表面为敏感表面5-1。
所述Ⅰ级PM2.5切割头2内设有Ⅰ级第一碰撞面2-1及Ⅰ级第二碰撞面2-2，所述Ⅰ级第一碰撞面2-1与所述Ⅰ级第二碰撞面2-2为一体成型结构，且所述Ⅰ级第二碰撞面2-2设置在所述Ⅰ级第一碰撞面2-1的下部，所述Ⅰ级第一碰撞面2-1位于所述进气道6的正下方；所述Ⅰ级第一碰撞面2-1及Ⅰ级第二碰撞面2-2通过第一固定杆2-3与所述Ⅰ级PM2.5切割头2的内壁固定连接；其中，所述Ⅰ级第一碰撞面2-1的形状呈凹形。
所述Ⅱ级PM2.5切割头3内设有Ⅱ级第一碰撞面3-1及Ⅱ级第二碰撞面3-2，所述Ⅱ级第一碰撞面3-1与所述Ⅱ级第二碰撞面3-2为一体成型结构，且所述Ⅱ级第二碰撞面3-2设置在所述Ⅱ级第一碰撞面3-1的下部，所述Ⅱ级第一碰撞面3-1及Ⅱ级第二碰撞面3-2通过第二固定杆3-3与所述Ⅱ级PM2.5切割头3的内壁固定连接；所述颗粒传输通道17的一端头与所述Ⅰ级第二碰撞面2-2相连接，另一端头位于所述Ⅱ级第一碰撞面3-1的正上方；其中，所述Ⅱ级第一碰撞面3-1的形状呈凹形。
所述便携式检测仪还包括PM10切割顶盖16，所述PM10切割顶盖16设置在所述进气道6的顶部，且与所述进气道6相连接。所述PM10切割顶盖16呈圆锥形，且其底壁上设有呈蜂窝状排列的小孔，用于过滤PM10以上的颗粒。
所述进气道6与所述Ⅰ级PM2.5切割头2的连接、所述Ⅱ级PM2.5切割头3与所述测试腔4的连接以及所述测试腔4与所述石英微天平5的连接均是通过螺纹相连接。
所述带有改进式PM2.5切割头的便携式检测仪还包括第一阀门10，所述第一阀门10设在位于所述测试腔4内的所述通气道7内，且靠近所述通气道7的端头。
所述带有改进式PM2.5切割头的便携式检测仪还包括第二阀门11，所述第二阀门11设置在所述测试腔4上，且靠近所述清洗道8。
所述带有改进式PM2.5切割头的便携式检测仪还包括第三阀门12，所述第三阀门12设置在所述Ⅱ级PM2.5切割头3的底部。
所述动力装置9为气泵或者风扇。
所述清洗道8与所述石英微天平5的敏感表面5-1形成的夹角小于180°，大于90°。
如图5所示，所述箱体1内设有数据处理单元14及数据存储单元18，所述箱体1的侧壁上设有显示器15及稳压电源13，所述数据处理单元14、所述数据存储单元18及显示器15均通过控制电路与所述稳压电源13电连接，所述数据处理单元14用于采集所述改进式PM2.5切割头的便携式检测仪检测到的数据，所述数据存储单元18将采集到的数据进行存储，并通过所述显示器15显示出来。
本发明的使用原理如下：
箱体1外的空气通过进气道6依次导入Ⅰ级PM2.5切割头2、Ⅱ级PM2.5切割头3内，颗粒物大于2.5微米的经过Ⅰ级第一碰撞面2-1及Ⅰ级第二碰撞面2-2，Ⅱ级第一碰撞面3-1及Ⅱ级第二碰撞面3-2后被收集。而小于2.5微米的颗粒会被气流冲到石英微天平5的敏感表面5-1，并会在敏感表面5-1上方的测试腔4内存在一段时间。
影响PM2.5颗粒物收集效率的因素包括：进气道6流速V0，进气道6横截面积A，气泵的功率，通气道7的横截面积，气体湿度，气体温度，敏感表面5-1上方的测试腔4的容积。
PM2.5检测仪的灵敏度可以通过调节气泵的转速和功率。这种调节可以通过气泵控制电路的可变电阻实现。调节气泵的转速和功率同时也调节了进气道的空气流速。
调节气泵的功率，转速以及由此而引起的进气道空气流速的变化，也会导致两级PM2.5切割头所能切割的颗粒大小的变化。
石英微天平5的校准可以通过调节如图4中所示的距离X来实现。PM2.5检测仪基准线的调节也可以通过调节X实现。所述X为进气道6最低点到Ⅰ级第一碰撞平面2-1的距离。
经过两级PM2.5切割头的PM2.5颗粒物，经过通气道8与石英微天平5发生碰撞，石英微天平5由于碰撞产生的频率变化和气流中PM2.5颗粒物的浓度成正比。石英微天平5敏感表面5-1的上方测试腔4是收集PM2.5颗粒的空间，其密度与气流(图3箭头所示)对石英微天平5敏感表面5-1的冲撞造成的石英微天平5频率变化成正比。
带有改进式PM2.5切割头的便携式检测仪的数据通过数据处理单元14进行采集，并通过显示器15进行显示。
本发明带有改进式PM2.5切割头的便携式检测仪的清洗方法是通过第一阀门10、第二阀门11及第三阀门12的开关闭进行控制，具体如下：
1、当清洗PM2.5以下的颗粒时，关闭第一阀门10，打开第二阀门11，使气泵反向吹气，这时气流就会瞬间把敏感表面5-1表面收集的PM2.5以下的颗粒经过第二阀门11吹散到检测仪外(如图4箭头所示)。
2、当清洗PM2.5以上的颗粒时，将第三阀门12打开，将落在PM2.5切割头底壁上的PM2.5以上的颗粒吹散到检测仪外。
所述清洗道在清洗时用作清洗道，当在测试时，用作测试道。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (13)
1.一种带有改进式PM2.5切割头的便携式检测仪，其特征在于：包括箱体、Ⅰ级PM2.5切割头、Ⅱ级PM2.5切割头、测试腔、石英微天平、进气道、通气道、清洗道及动力装置，所述Ⅰ级PM2.5切割头、Ⅱ级PM2.5切割头、测试腔及石英微天平均设置在所述箱体内，所述Ⅰ级PM2.5切割头通过颗粒传输通道与所述Ⅱ级PM2.5切割头相连通，所述Ⅱ级PM2.5切割头通过所述测试腔与所述石英微天平相连接，所述进气道设置在所述箱体的顶部，且一端穿过所述箱体与所述Ⅰ级PM2.5切割头相连通，用于将箱体外的空气导入所述Ⅰ级PM2.5切割头内；所述通气道的一端头与所述Ⅱ级PM2.5切割头相连接，另一端头穿过所述Ⅱ级PM2.5切割头进入所述测试腔内，且位于所述石英微天平的正上方；所述清洗道与所述测试腔相连通，所述动力装置设置在所述清洗道上；其中，所述石英微天平的上表面为敏感表面。
2.根据权利要求1所述的带有改进式PM2.5切割头的便携式检测仪，其特征在于：所述Ⅰ级PM2.5切割头内设有Ⅰ级第一碰撞面及Ⅰ级第二碰撞面，所述Ⅰ级第一碰撞面与所述Ⅰ级第二碰撞面为一体成型结构，且所述Ⅰ级第二碰撞面设置在所述Ⅰ级第一碰撞面的下部，所述Ⅰ级第一碰撞面位于所述进气道的正下方；所述Ⅰ级第一碰撞面及Ⅰ级第二碰撞面通过第一固定杆与所述Ⅰ级PM2.5切割头的内壁固定连接；其中，所述Ⅰ级第一碰撞面的形状呈凹形。
3.根据权利要求2所述的带有改进式PM2.5切割头的便携式检测仪，其特征在于：所述Ⅱ级PM2.5切割头内设有Ⅱ级第一碰撞面及Ⅱ级第二碰撞面，所述Ⅱ级第一碰撞面与所述Ⅱ级第二碰撞面为一体成型结构，且所述Ⅱ级第二碰撞面设置在所述Ⅱ级第一碰撞面的下部，所述Ⅱ级第一碰撞面及Ⅱ级第二碰撞面通过第二固定杆与所述Ⅱ级PM2.5切割头的内壁固定连接；所述颗粒传输通道的一端头与所述Ⅰ级第二碰撞面相连接，另一端头位于所述Ⅱ级第一碰撞面的正上方；其中，所述Ⅱ级第一碰撞面的形状呈凹形。
4.根据权利要求1至3任一项所述的带有改进式PM2.5切割头的便携式检测仪，其特征在于：所述便携式检测仪还包括PM10切割顶盖，所述PM10切割顶盖设置在所述进气道的顶部，且与所述进气道相连接。
5.根据权利要求4所述的带有改进式PM2.5切割头的便携式检测仪，其特征在于：所述PM10切割顶盖呈圆锥形，且其底壁上设有呈蜂窝状排列的小孔，用于过滤PM10以上的颗粒。
6.根据权利要求1至3任一项所述的带有改进式PM2.5切割头的便携式检测仪，其特征在于：所述进气道与所述Ⅰ级PM2.5切割头的连接、所述Ⅱ级PM2.5切割头与所述测试腔的连接以及所述测试腔与所述石英微天平的连接均是通过螺纹相连接。
7.根据权利要求1至3任一项所述的带有改进式PM2.5切割头的便携式检测仪，其特征在于：所述便携式检测仪还包括第一阀门，所述第一阀门设在位于所述测试腔内的所述通气道内，且靠近所述通气道的端头。
8.根据权利要求1至3任一项所述的带有改进式PM2.5切割头的便携式检测仪，其特征在于：所述便携式检测仪还包括第二阀门，所述第二阀门设置在所述测试腔上，且靠近所述清洗道。
9.根据权利要求1至3任一项所述的带有改进式PM2.5切割头的便携式检测仪，其特征在于：所述便携式检测仪还包括第三阀门，所述第三阀门设置在所述Ⅱ级PM2.5切割头的底部。
10.根据权利要求1至3任一项所述的带有改进式PM2.5切割头的便携式检测仪，其特征在于：所述动力装置为气泵或者风扇。
11.根据权利要求1至3任一项所述的带有改进式PM2.5切割头的便携式检测仪，其特征在于：所述清洗道与所述石英微天平的敏感表面形成的夹角小于180°，大于90°。
12.根据权利要求1至3任一项所述的带有改进式PM2.5切割头的便携式检测仪，其特征在于：所述箱体内设有数据处理单元及数据存储单元，所述箱体的侧壁上设有显示器及稳压电源，所述数据处理单元、所述数据存储单元及显示器均通过控制电路与所述稳压电源电连接，所述数据处理单元用于采集所述带有改进式PM2.5切割头的便携式检测仪检测到的数据，所述数据存储单元将采集到的数据进行存储，并通过所述显示器显示出来。
13.根据权利要求12所述的带有改进式PM2.5切割头的便携式检测仪，其特征在于：所述数据处理单元为有线GPRS、无线GPRS、WIFI、兰牙或ZIGBEE中的任意一种。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C53 | Correction of patent for invention or patent application | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 100087 Beijing City, Haidian District Zhongguancun North Street, No. 2 room 202-3 127-1 Applicant after: BEIJING MAKESENSE SENSOR TECHNOLOGY INSTITUTE CO., LTD. Address before: 100089, room 2, floor 127-1, No. 202-3 North Main Street, Haidian District, Beijing, Zhongguancun Applicant before: Beijing Zhi Gan Science and Technology Ltd. |
|
| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: APPLICANT; FROM: BEIJING ZHIGAN TECHNOLOGY CO., LTD. TO: BEIJING ZHIGAN SENSOR TECHNOLOGY INSTITUTE CO., LTD. |
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Granted publication date: 20170215 Termination date: 20181023 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |