CN105334144B - 一种基于光散射的单分散气溶胶粒径及浓度测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于光散射的单分散气溶胶粒径及浓度测量装置，涉及测量技术。激光器发出光束经光学衰减器、扩束镜、第一光阑，穿过散射腔后进入光陷阱，散射腔上、下壁设有进气管和出气管，进气管和出气管的连线与光束交叉区域形成光敏区，射腔内设有球面镜，球面镜的焦点与光敏区中心重合。本发明解决了现有仪器对标准气溶胶发生器产生的高浓度单分散气溶胶粒径与浓度无法同时快速检测的技术问题。本发明的有益效果为：利用光散射原理，通过脉冲探测的粒子计数法和直流电平探测的光度法结合，在没有采用滤膜、破坏气溶胶颗粒状态的前提下，得到单分散气溶胶粒径和浓度的快速探测。为气溶胶粒径和浓度探测相关仪器的校准和溯源提供了技术手段。

Description

一种基于光散射的单分散气溶胶粒径及浓度测量装置

技术领域

本发明涉及测试测量装置，尤其是涉及一种用于PM2.5自动监测仪校准的气溶胶粒径和浓度测量装置。

背景技术

气溶胶灰霾给人们生活和社会发展带来诸多不利影响，其中增加最显著、对人体影响最大的就是直径小于10um的可吸入颗粒物，也就是通常称作PM2.5和PM10。因此对细颗粒物的监测也越来越重视。目前国内外用到的空气颗粒物自动监测主要基于β射线法和微量振荡天平法。由于测量原理不同，两种监测仪器得到的数据存在一定的差距。由于我国针对PM2.5自动监测仪器未出台相应标准，相应的量值溯源体系处于空白，无法保证监测数据的统一，影响PM2.5数据的公正性，因此急需建立PM2.5监测仪器的量值溯源体系。目前国内外都倾向于利用标准粒子的方法开展PM2.5监测仪器的校准，但是由于细小颗粒在空气中的物理、化学性状随时间极易发生变化，导致颗粒制作和颗粒应用之间产生了较大的偏差，无法保证被校准的现场监测仪器测量结果的一致性。因此，标准粒子发生器需要配备无损监测装置，对发生粒子的粒径和浓度进行实时监测，才能保证校准的一致性和准确性。

目前现有的仪器中只有粒径谱仪可以同时测量颗粒的粒径和浓度，粒径谱仪分为两种原理，第一种是粒子计数法，如专利申请公布号CN103575638A申请公布日2014年2月12日，名称为“一种光散射式粒子计数器及其粒径分布算法”，的发明专利申请文件，提供了一种粒子计数器及其粒径分布算法。但这种方法无法满足高浓度粒子浓度的监测。第二种是粒子计数法结合称重法，这种方法可以实现大范围粒径和大范围质量浓度测量，由于称重法测量时间和操作流程限制，测量实时性较差，也无法满足气溶胶发生状态的监测。中国专利申请公布号CN103728229A，申请公布日2014年4月16日，名称为“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”的发明专利申请文件，提供了一种基于多波长消光法探测颗粒物的平均粒径和浓度的测量装置及测量方法，该技术方案探测的粒径为平均粒径，而非粒径分布。

发明内容

为了解决现有技术存现有仪器对标准气溶胶发生器产生的高浓度单分散气溶胶粒径与浓度无法同时快速检测的技术问题，本发明提供一种基于光散射原理的光度法与粒子计数法相结合的测量装置，在同一装置内实现对单分散气溶胶大范围粒径及大范围浓度的快速测量。该监测装置与气溶胶发生器配合使用，组成标准粒子发生及监测系统，可用于颗粒物监测仪器的校准。

本发明的技术方案是：一种基于光散射的单分散气溶胶粒径及浓度测量装置，它包括激光器和散射腔，散射腔为长方体密闭腔体结构，散射腔左、右壁设有增透镜和光陷阱，激光器发出的光束依次经过设置的光学衰减器、扩束镜、第一光阑，从增透镜进入散射腔，穿过散射腔后进入光陷阱，散射腔上、下壁设有管状的进气管和出气管，在散射腔内进气管和出气管的连线与光束交叉区域形成光敏区，靠近散射腔前、后壁散射腔内设有光电倍增管和球面镜，球面镜的焦点与光敏区中心重合，光电倍增管与设置在散射腔外的数据采集卡、电脑依次电连接。利用光散射原理，通过脉冲探测的粒子计数法，实现低浓度气溶胶粒径和浓度探测，利用光度法，实现高浓度气溶胶浓度探测，在没有采用滤膜、破坏气溶胶颗粒状态的前提下，得到单分散气溶胶粒径和浓度的快速探测，具有较大的粒径和浓度测量范围。测量装置简单合理，成本低，测量量程大、测量效率高。为气溶胶粒径和浓度探测相关仪器的校准和溯源提供了技术手段。

作为优选，激光器发出的光束为直径为1mm准直光束。

作为优选，第一光阑为孔径光阑，光阑的孔径为2.5—3.5mm；截取光束光斑中心区域。

作为优选，第一光阑与增透镜之间设有柱面镜，柱面镜的焦点与光敏区的中心重合；将圆形光束光斑转换成一字型光斑，使气溶胶颗粒通过时，脉冲更窄，响应更快，能够适用于测量较高浓度粒子的粒径分布。

作为优选，散射腔内设有一对第二光阑，第二光阑在增透镜和光陷阱的光路上以光敏区为中心对称布置；减小杂散光。

作为优选，进气管外套接有管状的鞘气；鞘气将气溶胶包裹在中心，防止气溶胶扩散产生杂散光。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：利用光散射原理，通过脉冲探测的粒子计数法，实现低浓度气溶胶粒径和浓度探测；通过直流电平探测的光度法，实现高浓度气溶胶浓度的探测。两种方法的结合，在没有采用滤膜、破坏气溶胶颗粒状态的前提下，得到单分散气溶胶粒径和浓度的快速探测。基于光衰减器的激光功率切换使得装置在低功率下运行时依然保持较高的测量精度，具有较大的粒径和浓度测量范围。这种将光度法与粒子计数法有机结合的技术，利用同一装置实现气溶胶粒径和浓度的快速检测，测量装置简单合理，成本低，测量量程大、测量效率高。为气溶胶粒径和浓度探测相关仪器的校准和溯源提供了技术手段。

附图说明

附图1为本发明正面连接示意图；

附图2为图1中A-A剖视连接示意图。

图中：1-激光器；2-光学衰减器；3-扩束镜；4-第一光阑；5-柱面镜；6-散射腔；7-数据采集卡；8-电脑；61-增透镜；62-第二光阑；63-光敏区；64-出气管；65-球面镜；66-光陷阱；67-光电倍增管；68-进气管；69-鞘气进气管。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例1：

如图1和2所示，一种基于光散射的单分散气溶胶粒径及浓度测量装置，它包括激光器1、光学衰减器2、扩束镜2、第一光阑4、柱面镜5、散射腔6、数据采集卡7和电脑8。图中，细实线表示光路箭头表示光传播方向；双点划线表示气路，箭头表示气流方向；虚线表示电连接线。激光器1采用632nm的He-N2激光器，功率约20mW，发出的光束直径为1mm准直光束。第一光阑4为孔径光阑，光阑的孔径为3mm。柱面镜5的焦点位于光敏区的中心，第一光阑4射出的光束通过柱面镜5光束变为“一”字形光斑，焦点处，光斑长约3mm，宽约0.8mm。散射腔6为长方体密闭腔体结构。图1中，图左、右方，为散射腔6的左侧、右侧；图上、下方，为散射腔6的上方、下方。图2中，图的左、右方，为散射腔6的左侧、右侧；图的上、下方，为散射腔6的后方、前方。散射腔6左、右壁设有增透镜61和光陷阱66。散射腔6的左、右壁相对应的位置各开一个孔，各自贯通散射腔6的侧壁。散射腔6的左侧壁孔安装增透镜61，散射腔6的右侧壁孔安装光陷阱66。增透镜61的中心与光陷阱66的中心连线与散射腔6的上、下侧壁平行。散射腔6上、下壁设有管状的进气管68和出气管64。出气管64为圆管，设置在散射腔6的下壁，上端与散射腔6内腔连通，上端口与散射腔6内腔齐平；下端伸出散射腔6外与被校准仪器的入口(图中未示)连通。进气管68为圆管，设置在散射腔6的上壁，下端与散射腔6的内腔连通，下端口与散射腔6内腔齐平；上端伸出散射腔6外连接有气溶胶发生器(图中未示)。进气管68外套接有管状的鞘气进气管69。鞘气进气管69为圆管，鞘气进气管69的内壁与进气管68的外壁构成鞘气进气管69的管道。鞘气进气管69的管道与进气管68的管道中轴线重合。鞘气进气管69下端与散射腔6内腔连通，下端口与散射腔6内腔齐平；上端伸出散射腔6外连接有鞘气气泵(图中未示)。激光器1发出的直径为1mm准直光束经过光学衰减器2和扩束镜3将光斑直径扩大，使得光斑中心区域的光强分布均匀。光束经过第一光阑4成为直径为3mm光束。直径3mm光束经过柱面镜5成为长为3mm宽约0.8mm的一字型光束。一字型光束从增透镜61进入散射腔6，穿过散射腔6后进入光陷阱66。在散射腔6内进气管68和出气管64的连线与光束交叉区域形成光敏区63。进气管68与出气管64在散射腔6内形成圆柱体气路。一字型光束与圆柱体气路的交叉区域为光敏区63。散射腔6内设有一对第二光阑62。第二光阑62为孔径光阑，光阑的孔径为3mm。第二光阑62在增透镜61和光陷阱66的光路上以光敏区63为中心对称布置。靠近散射腔6前、后壁散射腔6内设有光电倍增管67和球面镜65。球面镜65为凹面镜，球面镜65的焦点与光敏区63中心重合。光电倍增管67的中心落在球面镜65的主轴上。光电倍增管67与设置在散射腔6外的数据采集卡7和电脑8依次电连接。

根据Mie散射理论，当散射颗粒物的粒径较小时，Mie散射的散射光强度的表达式近似写为：

式中：

θ为散射角；

I_s(θ)为θ方向上的散射光；

I₀为入射光的强度；

d为颗粒物的直径；

m为折射率。

当粒子浓度较小时，相当于单个粒子通过光敏区，每个粒子产生散射光脉冲信号。由公式(1)，当系统一定时，散射光强与d⁴成正比，通过探测散射光强度，得到粒径的大小，通过计数脉冲个数，得到粒子数浓度。

当粒子浓度较高时，颗粒群中各颗粒的散射光相叠加，即

其数量浓度N与质量浓度W质检的关系为

将(3)式代入(2)式可得

由于在测量过程中入射光的波长、入射光的强度、颗粒物的直径、折射率以及散射光接收系统的空间立体角均为定值，由以上推导可知，一定立体角内的散射光的强度与其质量浓度成正比。测量颗粒群在一定空间立体角内的散射光强的叠加，经转换便可进气管得出颗粒群的质量浓度。打开激光器1调整好光路；同时，在鞘气进气管69中泵入氮气，将气溶胶发生的单分散颗粒稀释到一定的浓度通入到进气管68；运行软件，测量气溶胶颗粒的粒径和质量浓度。在出气管64出口处，接入被校准仪器的入口，记录被校准仪器的测量结果；对该装置和被校准装置的结果进行分析。

Claims (5)

1.一种基于光散射的单分散气溶胶粒径及浓度测量装置，它包括激光器（1）和散射腔（6），其特征在于：所述散射腔（6）为长方体密闭腔体结构，散射腔（6）左、右壁设有增透镜（61）和光陷阱（66），所述激光器（1）发出的光束依次经过设置的光学衰减器（2）、扩束镜（3）、第一光阑（4），从增透镜（61）进入散射腔（6），穿过散射腔（6）后进入光陷阱（66），所述散射腔（6）上、下壁设有管状的进气管（68）和出气管（64），在散射腔（6）内进气管（68）和出气管（64）的连线与光束交叉区域形成光敏区（63），靠近散射腔（6）前、后壁散射腔（6）内设有光电倍增管（67）和球面镜（65），所述球面镜（65）的焦点与光敏区（63）中心重合，所述光电倍增管（67）与设置在散射腔（6）外的数据采集卡（7）、电脑（8）依次电连接，所述第一光阑（4）与增透镜（61）之间设有柱面镜（5），柱面镜（5）的焦点与光敏区（63）的中心重合。

2.根据权利要求1所述的一种基于光散射的单分散气溶胶粒径及浓度测量装置，其特征在于：所述激光器（1）发出的光束为直径为1mm准直光束。

3.根据权利要求1所述的一种基于光散射的单分散气溶胶粒径及浓度测量装置，其特征在于：第一光阑（4）为孔径光阑，光阑的孔径为2.5—3.5mm。

4.根据权利要求1所述的一种基于光散射的单分散气溶胶粒径及浓度测量装置，其特征在于：所述散射腔（6）内设有一对第二光阑（62），第二光阑（62）在增透镜（61）和光陷阱（66）的光路上以光敏区（63）为中心对称布置。

5.根据权利要求1所述的一种基于光散射的单分散气溶胶粒径及浓度测量装置，其特征在于：所述进气管（68）外套接有管状的鞘气进气管（69）。