CN105424563A - 一种基于局部压强差异的差分式粉尘传感器 - Google Patents

Abstract

本发明为一种基于局部压强差异的差分式粉尘传感器，其特征在于该传感器包括“垂直板壁1”、“弹簧铰链2”、“细长杆支架3”、“方盒4”、“托板5”、“弹簧铰链6”、“细长杆支架7”、“方盒8”、“托板9”、“激光光源10”，“激光光源11”、“感光器12”、“感光器13”、“镜面14”及“镜面15”。其中，“方盒4”置于“托板5”上方构成密封腔体，“感光器12”可获得“托板5”的倾斜角度，下开口“方盒8”置于“托板9”下方，“感光器13”获得“托板9”的倾斜角度。“托板9”倾斜角度与粉尘浓度具有直接相关性。考虑大气压强和温度湿度等因素并修正后，可求解得到“托板9”上空与“方盒4”等体积开放空间中的总粉尘浓度。

Description

一种基于局部压强差异的差分式粉尘传感器

技术领域

本发明涉及一种粉尘传感器，尤其是一种通过检测局部压强差异进而实时检测空气中粉尘浓度的传感器。

背景技术

我国是全球职业病高发国家。近年来，随着工业化进程的快速推进，尘肺病、职业中毒等职业病发病率居高不下，群发性职业病事件时有发生，又由于人们环境和健康意识的增强，实体经济发展所带来的粉尘问题越来越引起政府和研究人员的关注。

粉尘是悬浮在空气中的固体微粒。国际标准化组织将粒径小于75μm的固体悬浮物定义为粉尘，一般可按照颗粒大小分为如下几类：

1、飘尘，系指大气中粒径小于10μm的固体微粒，它能较长期地在大气中漂浮，有时也称为浮游粉尘，也被称为可吸入颗粒物，英文缩写为PM10。人们常说的PM2.5是指环境空气中空气动力学当量直径小于等于2.5微米的颗粒物。与较粗的大气颗粒物相比，PM2.5粒径小，面积大，活性强，易附带重金属、微生物等有毒有害物质，且在大气中的停留时间长、输送距离远，因而对人体健康和大气环境质量的影响更大。

2、降尘，系指大气中粒径大于10μm的固体微粒，在重力作用下，它可在较短的时间内沉降到地面。

3、总悬浮微粒，系指大气中粒径小于100μm的所有固体微粒。也被称为总悬浮颗粒物，英文缩写为TSP。

粉尘的来源主要有两个方面，一是自然界固有的地质或生物演化活动，如火山喷发、土壤和岩石风化、地震、花粉及孢子等有机颗粒等，二是人类改造自然的活动，如采石场爆破、破碎等开矿作业，熔炼，焊接、浇铸、研磨、切削、钻孔等机械加工作业，切割、磨粉、焚烧等农林产品加工作业等。与自然界固有的活动相比，人类改造自然的活动往往具有更多的毒害物质，如铬、锰、镉、铅、汞、砷、石英、石棉、滑石等无机粉尘以及农药、染料、树脂、橡胶、纤维、烟尘类有机粉尘等。人体吸入粉尘后，小于5μm的微粒，极易深入肺部，引起中毒性肺炎或矽肺，有时还会引起肺癌。沉积在肺部的污染物一旦被溶解，就会直接侵入血液，引起血液中毒，未被溶解的污染物，也可能被细胞所吸收，导致细胞结构的破坏。

大气中的粉尘对于地球和人类健康具有重要意义，一方面可以在白天反射一部分来自太阳的能量，另一方面也可以防止进入地球的能量发散至地外空间，粉尘对于保持地球温度的稳定具有重要意义；粉尘也是空气中云，雾，雪等雨水循环重要凝结核，没有了粉尘，雨水循环将受到严重影响；此外，粉尘还可以阻挡一部分紫外线和宇宙射线，从而减少紫外线和宇宙射线对人类健康的危害。但是过多的粉尘对人类的生命健康则是极为有害的，特别是近年来，随着实体经济活动的扩散和普及，早期相对集中的局部工业污染问题已经成为全国性的困扰人们日常生活的普遍问题。工业污染或多或少会含有一些有害物质，易诱发多种疾病，进而危害人们的健康，这方面标志性的事件如2009年6月发生在河南省的张海超开胸验肺事件。此外，局部空间中特定的高浓度粉尘遇明火时还可能引发爆炸从而酿成严重的安全事故。近年来，我国粉尘爆炸事故频发，仅2014年就发生6起粉尘爆炸事故，如8月2日上午7时37分，江苏昆山中荣金属制品有限公司汽车轮毂抛光车间发生导致75死120余伤的惨烈爆炸，国家安监局的调查表明，这是一起车间漂浮的高浓度铝粉所导致的安全责任事故；6月21日17时15分左右，乌苏市新疆天玉生物科技有限公司发生粉尘爆炸，所幸未造成人员伤亡；5月27日下午4时许，广东溢达纺织有限公司辅料包装厂车纽车间除尘室发生粉尘爆炸事故，造成5人受伤；4月16日10时左右，江苏省南通市如皋市东陈镇双马化工有限公司硬脂酸造粒塔发生硬脂酸粉尘爆炸事故，造成8人死亡，9人受伤；2月8日晚11时许，常州市新北区新桥镇史墅村华达化工厂发生金属粉尘爆炸；2月5日10时青冈县黑龙江龙凤玉米有限公司淀粉包装车间爆炸，事故共造成1亡9名伤。目前已知七类粉尘具有爆炸性：金属(如镁粉、铝粉)；煤炭；粮食(如小麦、淀粉)；饲料(如血粉、鱼粉)；农副产品(如棉花、烟草)；林产品(如纸粉、木粉)；合成材料(如塑料、染料)。

如果能对大气和局部空间中的粉尘进行有效的检测和实时监测，无疑将有助于人们及时采取措施对潜在污染和爆炸风险进行及时的干预控制，进而维护良好的自然环境、生活环境和安全环境。

在粉尘检测方法方面，目前国内外的技术手段主要包括：重量法、光散射法、β射线法、静电感应法。

1)重量法。国家标准即采用重量法作为粉尘浓度的基础检测方法，即以手工采样的重量法作为基准，其他方法的监测值是否准确，需要与手工采样的结果进行比较，手工采样测得的数值才被认为是真值。重量法检测时，还可通过具有一定切割特性的采样器，以恒速抽取定量体积空气，使环境空气中PM2.5和PM10被截留在已知质量的滤膜上，根据采样前后滤膜的重量差和采样体积，计算出PM2.5和PM10的浓度。该方法成本低廉、数据可靠，不足之处在于检测时间较长，通常以小时计算。

2)光散射法。如直读式激光粉尘仪，该仪器通过检测由粉尘所折射的激光强度进而检测粉尘浓度。激光粉尘仪以激光为光源，内置滤膜收集颗粒物样品，并实现PM2.5、PM5、PM10、TSP，PM1。测量时，粉尘仪通过气泵将待测气溶胶吸入检测舱，待测气溶胶在分支处分流成为两部分，一部分经过一个高效过滤器后被过滤为干净的空气，作为保护鞘气来保护传感器室的元器件不受待测气体污染；另一部分气溶胶作为待测样品进入传感器室。传感器室内的器件包括激光二极管、透镜组和光电检测器。检测时，激光二极管发出的激光通过透镜组形成一个薄层面光源。薄层光照射在流经传感器室的待测气溶胶时，会产生散射，该散射光强度正比于气溶胶的质量浓度。所以，光电探测器检测出该散射光强后乘以电压校准系数即可以探测出粉尘浓度。光散射法已被多个国家部委作为行业标准采纳，如卫生部行业标准WS/T206-2001，劳动部行业标准LD98-1996和铁道部行业标准TB/T2323-92等。光散射法的不足之处在于多次使用后透镜组和光路易被粉尘污染，从而逐渐丧失精度。

3)β射线吸收法：其原理为β射线穿过待测定物质后，其强度衰减程度仅与被穿透物质的质量有关，而与其物理、化学性质无关，即粉尘粒子吸收β射线的量与粉尘粒子的质量成正比关系。检测时，可让β射线先后穿过清洁滤纸和有尘滤纸，即可以测出β射线两次吸收量的差异，进而计测出粉尘的质量浓度。该方法不受粉尘粒子大小及颜色的影响，快速，操作简便。β射线粉尘仪不足之处在于需要放射源，存在一定的安全隐患。

4)静电吸附式压电法：石英压电晶体有一定的振荡频率，当石英晶体表面沉积有一定量的粉尘粒子时，就会改变其振荡频率，根据频率的变化得出相对粉尘浓度。根据换算系数算出粉尘的质量浓度。采样时间一般为24秒或120秒，测定后石英晶体的清洗较复杂。

上述除重量法之外的非国标规定检测方法通常只能得到微小区域的粉尘瞬时值，与实际呼吸性粉尘和总粉尘的测值相关性不大，所检测数据通常不能作为执法依据，而以重量法作为执法依据，又存在检测时间过长的问题，给实时取证带来很大困难。

本发明即是在上述背景下提出的一种基于局部压强差异的差分式粉尘传感器，该传感器可实现大气环境或局部空间总粉尘的实时检测。

发明内容

技术问题：

本发明的目的是针对上述非国标规定检测方法通常只能得到微小区域的粉尘瞬时值，与实际呼吸性粉尘和总粉尘的测值相关性不大，所检测数据通常不能作为执法依据，而以重量法作为执法依据，又存在检测时间过长的问题，难以实现实时取证等不足，提供一种基于局部压强差异的差分式粉尘传感器，该传感器可实现大气环境或局部空间总粉尘的实时检测。

技术方案：

1)在垂直板壁上固定两个可上下摆动的弹簧铰链；

2)在两个弹簧铰链的另一端分别固定一个水平细长杆支架，细长杆支架与弹簧铰链联接后可以在外力的作用下上下摆动，但不能侧向转动；

3)在两个细长杆支架的另一端通过分别固定一个方形托板，两个方形托板的大小重量完全一致。方形托板与细长杆之间为刚性连接。

4)在上述两个托板上分别固定一个开口向下的方盒，其中一个方盒置于托板上方，另一个方盒至于托板下方；置于托板上方的方盒与托板之间完全密封，密封腔内为纯净空气，并通过微细小孔与外部保持气压平衡。置于托板下方的方盒与托板之间为刚性连接，方盒开口向下，其内部与外部空气直接相通。

5)在方盒和托板的下方分别斜向布置一激光源，两个激光源的角度和方向一致，分别指向方盒置于上方的托板底部及方盒置于下方的方盒顶部。

6)在方盒置于上方的托板底部及方盒置于下方的方盒顶部分别放置一镜面，以反射来自光源的激光束。

7)在反射光束的方向上分别放置激光探测器，以探测反射激光束的空间位置。

8)两个细长杆支架上的载荷应完全相同，弹簧铰链的弹性亦应通过选配确保完全一致，以确保两个激光束经镜面反射后的位置相同。

9)当上述传感器置于待检测的空气环境中时，如果空气中存在粉尘时，方盒置于托板上方的细长杆支架将由于方盒所封闭的空间内为纯净空气而承受相对较小的压强，而方盒置于托板下方的细长杆支架则由于其上方等体积的开放空间内存在粉尘而承受相对较大的压强。由此导致各自所反射的激光束的偏转角度也有所不同，进而可以反向求解得到等体积开放空间中的粉尘浓度。

有益效果：

本发明一种基于局部压强差异的差分式粉尘传感器能够针对现有非国标规定粉尘检测方法通常只能得到微小区域的粉尘瞬时值，与实际呼吸性粉尘和总粉尘的测值相关性不大，所检测数据通常不能作为执法依据，而以重量法作为执法依据，又存在检测时间过长的问题，难以实现实时取证等不足，提供一种基于局部压强差异的差分式粉尘传感器，该传感器可实现大气环境或局部空间总粉尘的实时检测。

本发明为原创性具有自主知识产权的成果，不仅为粉尘检测提供了新的方法，而且为执法取证提供了技术手段。

附图说明

图1为本发明一种基于局部压强差异的差分式粉尘传感器的结构示意图。其中有“垂直板壁1”、“弹簧铰链2”、“细长杆支架3”、“方盒4”、“托板5”、“弹簧铰链6”、“细长杆支架7”、“方盒8”、“托板9”、“激光光源10”，“激光光源11”、“感光器12”、“感光器13”、“镜面14”及“镜面15”。

图2为本发明一种基于局部压强差异的差分式粉尘传感器的数学模型图。图中有“托板5”和“托板9”。

图3为本发明一种基于局部压强差异的差分式粉尘传感器的计算分析图。图中有“方盒4”、“托板5”、“方盒8”和“托板9”。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进一步说明。

图1为本发明一种基于局部压强差异的差分式粉尘传感器的结构示意图。其中有“垂直板壁1”、“弹簧铰链2”、“细长杆支架3”、“方盒4”、“托板5”、“弹簧铰链6”、“细长杆支架7”、“方盒8”、“托板9”、“激光光源10”，“激光光源11”、“感光器12”、“感光器13”、“镜面14”及“镜面15”。其中，“弹簧铰链2”的两个活动组件分别通过铆焊工艺与“垂直板壁1”和“细长杆支架3”构成刚性整体，“细长杆支架3”与“弹簧铰链2”联接后可以在外力的作用下相对于“垂直板壁1”上下摆动，但不能侧向转动，“细长杆支架3”与“托板5”通过铆焊工艺构成刚性整体，“方盒4”置于“托板5”上方以构成密封腔体，“托板5”下方设置有“镜面14”以反射来自“激光光源10”的激光束，激光束被反射后激发“感光器12”以获得“托板5”的倾斜角度；类似地，“弹簧铰链6”的两个活动组件分别通过铆焊工艺与“垂直板壁1”和“细长杆支架7”构成刚性整体，“细长杆支架7”与“弹簧铰链2”联接后可以在外力的作用下相对于“垂直板壁1”上下摆动，但不能侧向转动，“细长杆支架7”与“托板9”通过铆焊工艺构成刚性整体，“方盒8”置于“托板9”下方，“方盒8”内部的顶部设置有“镜面15”以反射来自“激光光源11”的激光束，激光束被反射后激发“感光器13”以获得“托板9”的倾斜角度。

实施粉尘检测时，首先在超净室内通过铆焊工艺将“方盒4”与“托板5”构成一密封腔体内，密封腔内为纯净空气，气压为一个大气压左右。

完成密封腔铆焊后，可通过配重调节使得“托板5”、“托板9”、“细长杆支架3”、“细长杆支架7”等高并处于与“垂直板壁1”垂直的同一水平面。

图2为本发明一种基于局部压强差异的差分式粉尘传感器的数学模型图。图中有“托板5”和“托板9”。由图中关系可以得到：

l₁＝htgα

L₂＝h-L₁tgθ₁

L₃＝h-L₁tgθ₂

F₁L₁＝kθ₀

F₂L₂＝kθ₁

F₃L₃＝kθ₂

β＝α-θ₁

γ＝α-θ₂

l₂＝(h-L₁tgθ₁)[tgα+tg(2β-α)]-htgα

＝(h-L₁tgθ₁)[tgα+tg(α-2θ₁)]-htgα

＝f₁(θ₁)＝f₁(F₂L₂/k)

所以有

F₂＝g₁(l₂)

l₃＝(h-L₁tgθ₂)[tgα+tg(2γ-α)]-htgα

＝(h-L₁tgθ₂)[tgα+tg(α-2θ₂)]-htgα

＝f₂(θ₁)＝f₂(F₂L₂/k)

所以有

F₃＝g₂(l₃)

由此可见，测得“托板5”和“托板9”对激光束的反射后的光斑位置后，即可依据l₂，l₃的大小反向求解出F₂和F₃的值，进而求解出等体积空间中的气体物质所产生的压力差异。

图3为本发明一种基于局部压强差异的差分式粉尘传感器的计算分析图。图中有“方盒4”、“托板5”、“方盒8”和“托板9”。

F₂＝P_v1*S

$P_{v1}=\underset{0}{\overset{\∞}{\∫}}\mathrm{\ρ}\left(h\right)g\left(h\right)\mathrm{dh}=P_{\mathrm{sky}}+P_{\mathrm{hV}1}$

F₃＝P_v2*S

$P_{v2}=\underset{0}{\overset{\∞}{\∫}}\mathrm{\ρ}\left(h\right)g\left(h\right)\mathrm{dh}=P_{\mathrm{sky}}+P_{\mathrm{hV}2}$

所以有

ΔF＝F₂-F₃＝(P_v1-P_v2)*S＝[(P_sky+P_hV1)-(P_sky+P_hV2)]*S

＝(P_hV1-P_hV2)*S＝P_hV1*S-P_hV2*S

＝ρ_V1*V1-ρ_V2*V2(V₁和V₂等体积，均为V)

＝(ρ_V1-ρ_V2)*V

由此可见，“托板5”和“托板9”所受力的大小与等体积空间V中的粉尘浓度具有直接相关性。

综上所述，考虑大气压强和温度湿度等因素并进行修正后，通过差分求解两个托板之间的压力差就可以求解得到“托板9”上空与“方盒4”等体积开放空间中的总粉尘浓度。

本发明基于局部压强差异的差分式粉尘传感器，该传感器不需要收集粉尘即可以对总粉尘量进行直接测量，为原创性具有自主知识产权的粉尘传感器。

Claims (9)

1.一种基于局部压强差异的差分式粉尘传感器。其特征在于该粉尘传感器包括“垂直板壁1”、“弹簧铰链2”、“细长杆支架3”、“方盒4”、“托板5”、“弹簧铰链6”、“细长杆支架7”、“方盒8”、“托板9”、“激光光源10”，“激光光源11”、“感光器12”、“感光器13”、“镜面14”及“镜面15”。

2.根据权利要求1所述的一种基于局部压强差异的差分式粉尘传感器，其特征在于所述的粉尘传感器的“弹簧铰链2”的两个活动组件分别通过铆焊工艺与“垂直板壁1”和“细长杆支架3”构成刚性整体，“细长杆支架3”与“弹簧铰链2”联接后可以在外力的作用下相对于“垂直板壁1”上下摆动，但不能侧向转动。

3.根据权利要求1所述的一种基于局部压强差异的差分式粉尘传感器，其特征在于所述的粉尘传感器的“细长杆支架3”与“托板5”通过铆焊工艺构成刚性整体。

4.根据权利要求1所述的一种基于局部压强差异的差分式粉尘传感器，其特征在于所述的粉尘传感器的“方盒4”置于“托板5”上方以构成密封腔体，密封腔内为纯净空气，并通过微细小孔与外部保持气压平衡。

5.根据权利要求1所述的一种基于局部压强差异的差分式粉尘传感器，其特征在于所述的粉尘传感器的“托板5”下方设置有“镜面14”以反射来自“激光光源10”的激光束，激光束被反射后激发“感光器12”以获得“托板5”的倾斜角度。

6.根据权利要求1所述的一种基于局部压强差异的差分式粉尘传感器，其特征在于所述的粉尘传感器的“弹簧铰链6”的两个活动组件分别通过铆焊工艺与“垂直板壁1”和“细长杆支架7”构成刚性整体，“细长杆支架7”与“弹簧铰链2”联接后可以在外力的作用下相对于“垂直板壁1”上下摆动，但不能侧向转动。

7.根据权利要求1所述的一种基于局部压强差异的差分式粉尘传感器，其特征在于所述的粉尘传感器的“细长杆支架7”与“托板9”通过铆焊工艺构成刚性整体。

8.根据权利要求1所述的一种基于局部压强差异的差分式粉尘传感器，其特征在于所述的粉尘传感器的下开口“方盒8”置于“托板9”下方，“方盒8”内部的顶部设置有“镜面15”以反射来自“激光光源11”的激光束，激光束被反射后激发“感光器13”以获得“托板9”的倾斜角度。

9.根据权利要求1所述的一种基于局部压强差异的差分式粉尘传感器，其特征在于所述的粉尘传感器的“托板5”、“托板9”、“细长杆支架3”、“细长杆支架7”等高并处于与“垂直板壁1”垂直的同一水平面。