CN105865997A - 一种基于前向散射原理的大气扬尘浓度测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于前向散射原理的大气扬尘浓度测量装置及测量方法。测量装置包括空气源、气泵、过滤干燥器、光学测量腔、样气源、采样泵和切割器。光学测量腔包括光学腔、激光器、准直透镜、采样管、采用管固定座、圆环光阑、带孔圆环、第一光阑、第一透镜、第二透镜、第二光阑和探测器。在第一透镜与第二透镜中间安装有遮光套筒。光学腔上分别开设有洁净空气入口和气体出口；采样管固定座上开设有第一吹扫气入口。带孔圆环上开设有与第一吹扫气入口相连通的第二吹扫气入口。本发明能够满足环境恶劣的户外工况下的大气扬尘的在线监测需求，且无需定期校准和清洗，可实现长期连续的实时监测。

Description

一种基于前向散射原理的大气扬尘浓度测量装置及方法

技术领域

本发明涉及大气溶胶监测技术领域，具体涉及一种基于前向散射原理的大气扬尘浓度测量装置及方法。

背景技术

扬尘是当前大气污染的主要因素之一，扬尘主要分为道路扬尘、施工扬尘、堆场扬尘等。扬尘属于无组织污染源，对于城市PM2.5的贡献率有时甚至高达30%，但扬尘的防治难度很大，缺乏精细化监控和管理。现阶段我国扬尘测定的标准方法为滤膜采样称重法，但该方法采样时间长，不适合在建筑工地等工程施工现场进行监测使用。专利ZL 200410018167.7提出了一种激光尘埃粒子计数器的微型光学传感器，其采用的方法是通过接收侧向散射光的信号来反演粒子的浓度，但由于缺乏自清洁系统和自动校零系统，长时间的采样会对污染微型光学传感器中的球面反射镜，影响散射信号的收集，从而给测量结果带来误差。为了克服上述缺点，因此，急需设计一种大气扬尘浓度测量装置和测量方法，以满足在恶劣的户外工况下长期大气扬尘的在线监测需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于前向散射原理的大气扬尘浓度测量装置及方法，该测量装置及方法能够解决现有技术中存在的不足，满足环境恶劣的户外工况下的大气扬尘的在线监测需求，且无需定期校准和清洗，可实现长期连续的实时监测。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种基于前向散射原理的大气扬尘浓度测量装置，包括空气源、气泵、过滤干燥器、光学测量腔、样气源、采样泵和切割器。

所述光学测量腔包括两端开口的光学腔、由外向内依次设置在光学腔一端开口处的激光器与准直透镜、通过采样管固定座设置在光学腔中段且与光学腔内部相连通的采样管、由内向外依次设置在光学腔另一端开口处的圆环光阑、带孔圆环、第一光阑、第一透镜、第二透镜、第二光阑和探测器；所述第一透镜与第二透镜对称设置，且在第一透镜与第二透镜中间贯穿安装有遮光套筒；所述光学腔上分别开设有洁净空气入口、气体出口和第一吹扫气入口；所述带孔圆环上开设有与第一吹扫气入口相连通的第二吹扫气入口。

所述空气源的出气口经气泵、过滤干燥器后分别与洁净空气入口和第一吹扫气入口相连；所述样气源的出气口经采样泵、切割器后与采样管的进气口相连。

进一步的，所述激光器和准直透镜通过激光器固定座安装在光学腔的一端开口处；所述激光器固定座外侧设有激光器固定压盖；所述激光器固定座与光学腔之间设有密封圈。

进一步的，所述采样管的中下端嵌入安装在采样管固定座中，且采样管与采样管固定座之间设有密封圈。

进一步的，所述探测器通过探测器固定座安装在光学腔的另一端开口处；所述探测器固定座与第二光阑之间设有橡胶垫；探测器固定座的一端伸入至光学腔内，且探测器固定座该端部的外壁与光学腔内壁之间设有密封圈。

进一步的，所述洁净空气入口位于准直透镜与采样管之间的光学腔上。

进一步的，所述过滤干燥器的出口分别通过第一流量计、第二流量计与第一吹扫气入口、洁净空气入口相连。

进一步的，所述切割器的出口通过第三流量计与采样管的进气口相连。

进一步的，所述激光器连接有激光器驱动电路。

进一步的，所述第一光阑和第二光阑包括圆环状的光阑主体和对称开设在光阑主体上的两个圆弧状的光槽。

本发明还涉及一种上述大气扬尘浓度测量装置的测量方法，该方法包括以下步骤：

（1）空气源中的空气经气泵和过滤干燥器后得到洁净的空气。

（2）洁净的空气分成两路进入到光学测量腔，一路经过第一流量计从光学测量腔的第一吹扫气入口进入到带孔圆环，并通过带孔圆环上的第二吹扫气入口进入到光学腔中；另一路经过第二流量计从光学测量腔的洁净空气入口进入到光学腔中。

（3）样气源中的样气先由采样泵抽取进入到切割器，切割器对样气中的颗粒物进行切割，再经第三流量计通过采样管的进气口进入到光学腔中。

（4）激光器驱动电路点亮激光器，激光器发射出的激光经准直透镜后得到平行光，当平行光遇到样气中的颗粒物后产生各个方向上的散射光，其中的前向散射光经圆环光阑进入第一光阑后，得到中间的光束和上下两段弧形的光束，中间的光束进入到遮光套筒之后就停止传播，上下两段弧形的光束继续向前经过第一透镜和第二透镜后，再经过第二光阑上的光槽汇聚到探测器的面元上。

（5）根据汇聚到探测器的面元上的光信号，获取样气中颗粒物的质量浓度。

由以上技术方案可知，本发明能够解决现有技术中存在的不足，满足环境恶劣的户外工况下的大气扬尘的在线监测需求，且无需定期校准和清洗，可实现长期连续的实时监测。

附图说明

图1是大气扬尘浓度测量装置的原理框图；

图2是光学测量腔的结构示意图；

图3是光学测量腔的内部光路示意图；

图4是带孔圆环的结构示意图；

图5是第一光阑和第二光阑的结构示意图。

其中：

1、激光器固定压盖，2、激光器，3、激光器固定座，4、准直透镜，5、光学腔，6、洁净空气入口，7、采样管固定座，8、采样管，9、第一吹扫气入口，10、第一透镜，11、遮光套筒，12、第二透镜，13、探测器固定座，14、探测器，15、橡胶垫，16、第二光阑，17、第一光阑，18、带孔圆环，19、密封圈，20、圆环光阑，21、气体出口，22、光阑主体，23、光槽，24、第二吹扫气入口，31、空气源，32、气泵，33、过滤干燥器，34、第一流量计，35、第二流量计，36、光学测量腔，37、第三流量计，38、切割器，39、采样泵，40、样气源，41、信号处理电路，42、电路控制系统，43、上位机，44、流量控制系统，45、激光器驱动电路。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

如图1所示的一种基于前向散射原理的大气扬尘浓度测量装置，包括空气源31、气泵32、过滤干燥器33、光学测量腔36、样气源40、采样泵39和切割器38。所述激光器2连接有激光器驱动电路45。所述激光器驱动电路45，用于点亮激光器2，使激光器2开始工作。所述光学测量腔36的输出端连接有信号处理电路41，信号处理电路41用于对汇聚到探测器14面元上的光信号进行放大处理，并将处理后的光信号发送至上位机43，上位机43再根据光信号来获取样气中的颗粒物浓度。所述电路控制系统42，用于对激光器驱动电路45、信号处理电路42进行控制，且电路控制系统42与上位机43交互式连接。

如图2所示，所述光学测量腔36包括两端开口的光学腔5、由外向内依次设置在光学腔5一端开口处的激光器2与准直透镜4、通过采样管固定座7设置在光学腔5中段且与光学腔5内部相连通的采样管8、由内向外依次设置在光学腔5另一端开口处的圆环光阑20、带孔圆环18、第一光阑17、第一透镜10、第二透镜12、第二光阑16和探测器14。所述第一透镜10与第二透镜12对称设置，且在第一透镜10与第二透镜12中间贯穿安装有遮光套筒11。所述光学腔5上分别开设有洁净空气入口6、气体出口21和第一吹扫气入口9。所述采样管固定座7上开设有与第一吹扫气入口相连通的吹扫气通道。

所述激光器2、准直透镜4、圆环光阑20、第一光阑17、第一透镜10、第二透镜12、遮光套筒11、第二光阑16和探测器14均为同轴安装，以保证光路的中心线在同一个轴线上，不会因为安装的误差对测量结果产生影响。

所述激光器固定压盖1、激光器固定座3、光学腔5、采样管固定座7、带孔圆环18、遮光套筒11、探测器固定座13、第一光阑17、第二光阑16和圆环光阑20均采用铝材质，并进行氧化发黑处理，以避免产生杂散光，对测量结果产生影响。

所述第一透镜10和第二透镜12为尺寸相同的球面凸透镜，在第一透镜10和第二透镜12的中间开设有直径为8mm的通孔，第一透镜10和第二透镜12的凸面对称安装，遮光套筒11的两端分别安装在第一透镜10和第二透镜12的通孔中。

进一步的，所述激光器2和准直透镜4通过激光器固定座3安装在光学腔5的一端开口处。所述激光器固定座3外侧设有激光器固定压盖1。所述激光器固定座3与光学腔5之间设有密封圈。所述激光器2采用波长为670nm，功率为50mW，发散角为28°的激光二极管。所述激光器固定压盖1，用于激光器的线束穿过，并保证激光器与激光器固定座连接的稳固性。

进一步的，所述采样管8的中下端嵌入安装在采样管固定座7中，且采样管8与采样管固定座7之间设有密封圈19。所述探测器14通过探测器固定座13安装在光学腔5的另一端开口处；所述探测器固定座13与第二光阑16之间设有橡胶垫15；探测器固定座13的一端伸入至光学腔5内，且探测器固定座13该端部的外壁与光学腔5内壁之间设有密封圈19。所述密封圈19和橡胶垫15均用于保证光学腔的密封性，防止光信号从光学腔中泄漏，保证测量结果的准确性。

进一步的，所述洁净空气入口6位于准直透镜4与采样管8之间的光学腔5上。

进一步的，所述过滤干燥器33的出口分别通过第一流量计34、第二流量计35与第一吹扫气入口9、洁净空气入口6相连。所述切割器38的出口通过第三流量计37与采样管7的进气口相连。所述切割器38，用于对样气中的颗粒物进行切割。流量控制系统44，用于控制第一流量计34、第二流量计35和第三流量计37的流量。当第一流量计的流量为0，第一流量计和第二流量计有数值时，说明没有样气通入到光学腔中，此时通过第一流量计和第二流量计通入到光学腔中的洁净的空气，起到测量装置校零和清洁光学腔的作用；当第三流量计的流量不为0时，通过流量控制系统控制第一流量计和第二流量计的流量，能够调节通入到光学腔中的样气的浓度，对样气进行稀释。本发明所述的大气扬尘测量装置无需定期进行零校准，能够实现自动校零，测量结果可靠性高；且无需定期清洗，可以实现自动清洁，保证装置内部光学器件的清洁，减少了维护成本，适于恶劣环境下的连续监测。

进一步的，所述空气源31的出气口经气泵32、过滤干燥器33后分别与洁净空气入口6和第一吹扫气入口9相连。所述样气源40的出气口经采样泵39、切割器38后与采样管8的进气口相连。如图2所示，所述洁净空气入口6为开设在光学腔5左侧顶部的直径为6mm的通孔，用于将洁净的空气通入到光学腔中；当没有样气进入到光学腔中时，通过洁净空气入口进入到光学腔中的洁净的空气，起到测量装置校零的作用；当有样气进入到光学腔中时，通过洁净空气入口进入到光学腔中的洁净的空气，起到稀释样气浓度的作用。在光学腔右侧的采样管固定座及光学腔的顶部开设有两个相连通的直径为6mm的通孔，分别为吹扫气通道和第一吹扫气入口，二者用于向光学腔内通入吹扫气，可以避免样气对镜片的污染，保护透镜组。

如图4所示，所述带孔圆环18上开设有与第一吹扫气入口相连通的第二吹扫气入口24。所述带孔圆环18的中间腔体与光学腔5相连通。带孔圆环18上开设有8个均匀分布的直径小于0.8mm的通孔（即第二吹扫气入口24），以确保获得较为均匀稳定的吹扫气气流。具体地说，先在带孔圆环的外周开设有一个与第一吹扫气入口相连通的通气槽，再在通气槽内侧的带孔圆环上开设有若干个与通气槽相连通的第二吹扫气入口。

如图5所示，所述第一光阑17和第二光阑16包括圆环状的光阑主体和对称开设在光阑主体上的两个圆弧状的光槽。所述光阑主体采用厚度1mm的圆环片，其外径为19mm，其内径为6mm。圆弧状的光槽对应的圆心角为110度。通过在光阑主体上设置两个对称的光槽，并对圆弧状的光槽所对应的圆心角进行设计，使第一光阑和第二光阑只接收一定角度的散射光，以减少杂散光的影响，提高本发明所述测量装置的信噪比。

本发明还涉及一种上述大气扬尘浓度测量装置的测量方法，该方法包括以下步骤：

（1）空气源中的空气经气泵和过滤干燥器后得到洁净的空气。

（2）洁净的空气分成两路进入到光学测量腔，一路经过第一流量计从光学测量腔的第一吹扫气入口进入到带孔圆环，并通过带孔圆环上的第二吹扫气入口进入到光学腔中；另一路经过第二流量计从光学测量腔的洁净空气入口进入到光学腔中。

（3）样气源中的样气先由采样泵抽取进入到切割器，切割器对样气中的颗粒物进行切割，再经第三流量计通过采样管的进气口进入到光学腔中。

（4）激光器驱动电路点亮激光器，激光器发射出的激光经准直透镜后得到平行光，当平行光遇到样气中的颗粒物后产生各个方向上的散射光，其中的前向散射光经圆环光阑进入第一光阑后，得到中间的光束和上下两段弧形的光束，中间的光束进入到遮光套筒之后就停止传播，上下两段弧形的光束继续向前经过第一透镜和第二透镜后，再经过第二光阑上的光槽汇聚到探测器的面元上。

（5）根据汇聚到探测器的面元上的光信号，获取样气中颗粒物的质量浓度。

本发明的工作原理为：

光学测量腔要完成激光器发出光的准直，散射光的接收，且要避免杂散光的干扰。激光器发出的光，经过准直透镜后得到平行光，当光遇到样气中的颗粒物时，会产生各个方向上的散射光。为了测定特定角度上散射光的强度，需要禁止其他方向上的光继续传播，通过设计圆环光阑只保留了一部分光可以继续传播。由于靠近光路轴线方向上的光大部分还是激光器发出的光，不是散射光，因此，设计了遮光套筒将靠近光路轴线方向上的光全部遮挡住，只保留了散射光。进一步的，通过设置第二光阑，只留下与轴线方向成24°~28°角度范围内的光束继续向前传播，再经过第一透镜准直后进入第二透镜，最后通过第二透镜汇聚后进入第一光阑最终到达探测器面元。探测器将接收的光信号转换成电信号，经过放大和分析电路，可以计算出电信号脉冲的发生量，即可得到以每分钟脉冲数表示的颗粒物的相对浓度。当颗粒物性质一定时，可以通过称重法先求出每分钟脉冲数与质量浓度的转换系数K，根据K值将每分钟脉冲数值直接转换为颗粒物质量浓度。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于前向散射原理的大气扬尘浓度测量装置，其特征在于：包括空气源、气泵、过滤干燥器、光学测量腔、样气源、采样泵和切割器；

所述光学测量腔包括两端开口的光学腔、由外向内依次设置在光学腔一端开口处的激光器与准直透镜、通过采样管固定座设置在光学腔中段且与光学腔内部相连通的采样管、由内向外依次设置在光学腔另一端开口处的圆环光阑、带孔圆环、第一光阑、第一透镜、第二透镜、第二光阑和探测器；所述第一透镜与第二透镜对称设置，且在第一透镜与第二透镜中间贯穿安装有遮光套筒；所述光学腔上分别开设有洁净空气入口、气体出口和第一吹扫气入口；所述带孔圆环上开设有与第一吹扫气入口相连通的第二吹扫气入口；

所述空气源的出气口经气泵、过滤干燥器后分别与洁净空气入口和第一吹扫气入口相连；所述样气源的出气口经采样泵、切割器后与采样管的进气口相连。

2.根据权利要求1所述的一种基于前向散射原理的大气扬尘浓度测量装置，其特征在于：所述激光器和准直透镜通过激光器固定座安装在光学腔的一端开口处；所述激光器固定座外侧设有激光器固定压盖；所述激光器固定座与光学腔之间设有密封圈。

3.根据权利要求1所述的一种基于前向散射原理的大气扬尘浓度测量装置，其特征在于：所述采样管的中下端嵌入安装在采样管固定座中，且采样管与采样管固定座之间设有密封圈。

4.根据权利要求1所述的一种基于前向散射原理的大气扬尘浓度测量装置，其特征在于：所述探测器通过探测器固定座安装在光学腔的另一端开口处；所述探测器固定座与第二光阑之间设有橡胶垫；探测器固定座的一端伸入至光学腔内，且探测器固定座该端部的外壁与光学腔内壁之间设有密封圈。

5.根据权利要求1所述的一种基于前向散射原理的大气扬尘浓度测量装置，其特征在于：所述洁净空气入口位于准直透镜与采样管之间的光学腔上。

6.根据权利要求1所述的一种基于前向散射原理的大气扬尘浓度测量装置，其特征在于：所述过滤干燥器的出口分别通过第一流量计、第二流量计与第一吹扫气入口、洁净空气入口相连。

7.根据权利要求1所述的一种基于前向散射原理的大气扬尘浓度测量装置，其特征在于：所述切割器的出口通过第三流量计与采样管的进气口相连。

8.根据权利要求1所述的一种基于前向散射原理的大气扬尘浓度测量装置，其特征在于：所述激光器连接有激光器驱动电路。

9.根据权利要求1所述的一种基于前向散射原理的大气扬尘浓度测量装置，其特征在于：所述第一光阑和第二光阑包括圆环状的光阑主体和对称开设在光阑主体上的两个圆弧状的光槽。

10.根据权利要求1~9任意一项所述的大气扬尘浓度测量装置的测量方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

（1）空气源中的空气经气泵和过滤干燥器后得到洁净的空气；

（2）洁净的空气分成两路进入到光学测量腔，一路经过第一流量计从光学测量腔的第一吹扫气入口进入到带孔圆环，并通过带孔圆环上的第二吹扫气入口进入到光学腔中；另一路经过第二流量计从光学测量腔的洁净空气入口进入到光学腔中；

（3）样气源中的样气先由采样泵抽取进入到切割器，切割器对样气中的颗粒物进行切割，再经第三流量计通过采样管的进气口进入到光学腔中；

（4）激光器驱动电路点亮激光器，激光器发射出的激光经准直透镜后得到平行光，当平行光遇到样气中的颗粒物后产生各个方向上的散射光，其中的前向散射光经圆环光阑进入第一光阑后，得到中间的光束和上下两段弧形的光束，中间的光束进入到遮光套筒之后就停止传播，上下两段弧形的光束继续向前经过第一透镜和第二透镜后，再经过第二光阑上的光槽汇聚到探测器的面元上；

（5）根据汇聚到探测器的面元上的光信号，获取样气中颗粒物的质量浓度。