CN104390891B - 一种改进的便携式pm2.5检测仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种改进的便携式PM2.5检测仪，所述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PM2.5切割头相连通，用于将箱体外的空气导入所述PM2.5切割头内；所述PM2.5切割头内设有第一碰撞面及第二碰撞面，所述第一碰撞面与所述第二碰撞面为一体成型结构，所述通气道的一端头与所述第二碰撞面相连接，另一端头穿过所述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
本发明涉及空气质量检测设备技术领域，尤其涉及一种改进的便携式PM2.5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，携带方便的改进的便携式PM2.5检测仪。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种改进的便携式PM2.5检测仪，包括箱体、PM2.5切割头、测试腔、石英微天平、进气道、PM10切割顶盖、通气道、清洗道及动力装置，所述PM2.5切割头、测试腔及石英微天平均设置在所述箱体内，且所述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PM2.5切割头相连通，用于将箱体外的空气导入所述PM2.5切割头内；所述PM10切割顶盖设置在所述进气道的顶部，所述PM2.5切割头内设有第一碰撞面及第二碰撞面，所述第一碰撞面与所述第二碰撞面为一体成型结构，且所述第二碰撞面设置在所述第一碰撞面的下部，所述第一碰撞面位于所述进气道的正下方；所述第一碰撞面及第二碰撞面通过固定杆与所述PM2.5切割头的内壁固定连接；所述通气道的一端头与所述第二碰撞面相连接，另一端头穿过所述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，
所述第一碰撞面的形状呈凹形，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：
本发明改进的便携式PM2.5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，所述进气道与所述PM2.5切割头的连接、所述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，所述改进的便携式PM2.5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，所述改进的便携式PM2.5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，所述改进的便携式PM2.5检测仪还包括第三阀门，所述第三阀门设置在所述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的便携式PM2.5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、蓝牙或ZIGBEE中的任意一种。
附图说明
图1为本发明改进的便携式PM2.5检测仪的整体结构示意图；
图2为图1的前视图；
图3为本发明改进的便携式PM2.5检测仪测试时的内部结构示意图；
图4为本发明改进的便携式PM2.5检测仪清洗时的内部结构示意图；
图5为本发明改进的便携式PM2.5检测仪的控制电路框图；
图6为本发明改进的便携式PM2.5检测仪的信号与时间的变化曲线图；每一个锯齿代表一次测试。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、箱体，2、PM2.5切割头，2-1、第一碰撞面，2-2、第二碰撞面，2-3、固定杆，3、测试腔，4、石英微天平，4-1、敏感表面，5、进气道，6、通气道，7、清洗道，8、动力装置，9、第一阀门，10、第二阀门，11、第三阀门，12、稳压电源，13、数据处理单元，14、显示器，15、PM10切割顶盖，16、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。
一种改进的便携式PM2.5检测仪，如图1至图4所示，包括箱体1、PM2.5切割头2、测试腔3、石英微天平4、进气道5、PM10切割顶盖15、通气道6、清洗道7及动力装置8，所述PM2.5切割头2、测试腔3及石英微天平4均设置在所述箱体1内，且所述PM2.5切割头2通过所述测试腔3与所述石英微天平4相连接，所述进气道5设置在所述箱体1的顶部，且一端穿过所述箱体1与所述PM2.5切割头2相连通，用于将箱体1外的空气导入所述PM2.5切割头2内；所述PM10切割顶盖15设置在所述进气道5的顶部，所述PM2.5切割头2内设有第一碰撞面2-1及第二碰撞面2-2，所述第一碰撞面2-1与所述第二碰撞面2-2为一体成型结构，且所述第二碰撞面2-2设置在所述第一碰撞面2-1的下部，所述第一碰撞面2-1位于所述进气道5的正下方；所述第一碰撞面2-1及第二碰撞面2-2通过固定杆2-3与所述PM2.5切割头2的内壁固定连接；所述通气道6的一端头与所述第二碰撞面2-2相连接，另一端头穿过所述PM2.5切割头2进入所述测试腔3内，且位于所述石英微天平4的正上方；所述清洗道7与所述测试腔3相连通，所述动力装置8设置在所述清洗道7上；其中，
所述第一碰撞面2-1的形状呈凹形，所述石英微天平4的上表面为敏感表面4-1。
所述进气道5与所述PM2.5切割头2的连接、所述PM2.5切割头2与所述测试腔3的连接以及所述测试腔3与所述石英微天平4的连接均是通过螺纹相连接。
所述改进的便携式PM2.5检测仪还包括第一阀门9，所述第一阀门9设在位于所述测试腔3内的所述通气道6内，且靠近所述通气道6的端头。
所述改进的便携式PM2.5检测仪还包括第二阀门10，所述第二阀门10设置在所述测试腔3上，且靠近所述清洗道7。
所述改进的便携式PM2.5检测仪还包括第三阀门11，所述第三阀门11设置在所述PM2.5切割头2的底部。
所述动力装置8为气泵或者风扇。
所述清洗道7与所述石英微天平4的敏感表面4-1形成的夹角小于180°，大于90°。
所述PM10切割顶盖15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。
如图5所示，所述箱体1内设有数据处理单元13及数据存储单元16，所述箱体1的侧壁上设有显示器14及稳压电源12，所述数据处理单元13、所述数据存储单元16及显示器14均通过控制电路与所述稳压电源12电连接，所述数据处理单元13用于采集所述改进的便携式PM2.5检测仪检测到的数据，所述数据存储单元16将采集到的数据进行存储，并通过所述显示器14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5导入所述PM2.5切割头2内，颗粒物大于2.5微米的经过第一碰撞面2-1及第二碰撞面2-2，会被第一碰撞面2-1及第二碰撞面2-2收集。而小于2.5微米的颗粒会被气流冲到石英微天平4的敏感表面4-1，并会在敏感表面4-1上方的测试腔3内存在一段时间。
影响PM2.5颗粒物收集效率的因素包括：进气道流速V0，进气道横截面积A，气泵的功率，通气道的横截面积，气体湿度，气体温度，敏感表面上方的测试腔的容积。
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PM2.5切割头所能切割的颗粒大小的变化。
石英微天平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为进气道最低点到第一碰撞面的距离。
图6为本发明改进的便携式PM2.5检测仪的信号与时间的变化曲线图,每一个锯齿代表一次测试。如图6所示，当风扇突然反转，改变气体流动方向时，QCM表面信号会瞬间清零。这个瞬间变化的频率是与QCM从测量开始到测量结束导致的气体密度的变化成反比。
经过PM2.5切割头的PM2.5颗粒物，经过通气道与石英微天平发生碰撞，石英微天平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。石英微天平敏感表面的上方测试腔是收集PM2.5颗粒的空间，其密度与气流(图3箭头所示)对石英微天平敏感表面的冲撞造成的石英微天平频率变化成正比。
改进的便携式PM2.5检测仪的数据通过数据处理单元进行采集，并通过显示器进行显示。
本发明改进的便携式PM2.5检测仪的清洗方法是通过第一阀门、第二阀门及第三阀门的开关闭进行控制，具体如下：
1、当清洗PM2.5以下的颗粒时，关闭第一阀门9，打开第二阀门10，使气泵反向吹气，这时气流就会瞬间把敏感表面表面收集的PM2.5以下的颗粒经过第二阀门10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11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 (10)
1.一种改进的便携式PM2.5检测仪，其特征在于：包括箱体、PM2.5切割头、测试腔、石英微天平、进气道、PM10切割顶盖、通气道、清洗道及动力装置，所述PM2.5切割头、测试腔及石英微天平均设置在所述箱体内，且所述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PM2.5切割头相连通，用于将箱体外的空气导入所述PM2.5切割头内；所述PM10切割顶盖设置在所述进气道的顶部，所述PM2.5切割头内设有第一碰撞面及第二碰撞面，所述第一碰撞面与所述第二碰撞面为一体成型结构，且所述第二碰撞面设置在所述第一碰撞面的下部，所述第一碰撞面位于所述进气道的正下方；所述第一碰撞面及第二碰撞面通过固定杆与所述PM2.5切割头的内壁固定连接；所述通气道的一端头与所述第二碰撞面相连接，另一端头穿过所述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，
所述第一碰撞面的形状呈凹形，所述石英微天平的上表面为敏感表面。
2.根据权利要求1所述的改进的便携式PM2.5检测仪，其特征在于：所述进气道与所述PM2.5切割头的连接、所述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。
3.根据权利要求1所述的改进的便携式PM2.5检测仪，其特征在于：所述改进的便携式PM2.5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。
4.根据权利要求1所述的改进的便携式PM2.5检测仪，其特征在于：所述改进的便携式PM2.5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。
5.根据权利要求1所述的改进的便携式PM2.5检测仪，其特征在于：所述改进的便携式PM2.5检测仪还包括第三阀门，所述第三阀门设置在所述PM2.5切割头的底部。
6.根据权利要求1至5任一项所述的改进的便携式PM2.5检测仪，其特征在于：所述动力装置为气泵或者风扇。
7.根据权利要求1至5任一项所述的改进的便携式PM2.5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°。
8.根据权利要求1至5任一项所述的改进的便携式PM2.5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。
9.根据权利要求1至5任一项所述的改进的便携式PM2.5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改进的便携式PM2.5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。
10.根据权利要求9所述的改进的便携式PM2.5检测仪，其特征在于：所述数据处理单元为有线GPRS、无线GPRS、WIFI、蓝牙或ZIGBEE中的任意一种。
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