CN106769719A - 颗粒物在线监测仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种颗粒物在线监测仪，包括CPU控制模块、与CPU控制模块相连的开关电源、质量流量控制模块、显示模块、电机驱动模块、光电耦合器，还包括高压模块、纸盘电机、走纸电机、采样泵；CPU控制模块包括微处理器、盖格计数器、与微处理器相互通信的RS232通讯模块、AD采集模块、IO控制模块；盖格计数器的输入端与高压模块相连、输出端与微处理器相连，RS232通讯模块的输出端与显示模块相连，IO控制模块与光电耦合器相连。本发明内置的盖格计数器电路结构简单，监测精度高，质量流量控制模块能够实现实时在线监测，运行稳定可靠、费用低，安装和维护简便，无需测量人员监守。
Description
技术领域
本发明涉及光学仪器领域，特别是涉及一种颗粒物在线监测仪。
背景技术
空气中的颗粒物无论是大粒径还是小粒径均成为大气污染的主要原因，特别是PM2.5(小于或者等于2.5微米颗粒物)可吸入颗粒物会对人体的健康造成影响，主要对呼吸系统和心血管系统造成伤害，因此空气中颗粒物的监测对治理环境和保护人体健康意义重大。
目前国内测量空气中颗粒物的方法主要有滤膜称重法、β射线吸收法、压电晶体差频法、光散射法等，其中β射线吸收法已普遍应用于大气中颗粒物的监测中，且技术比较成熟。β射线是从核素放射性衰变中释放出来的高速电子流，电离本领小，穿透能力大。天然放射系列放出的β粒子能量在0—4Mev，温度、压力、磁场等都不能显著影响β射线的发射，应用放射源作为测量手段具有较强的抗干扰能力，保证测量结果稳定可靠。β射线法工作原理是利用利用β射线衰减量来测量采样期间增加的颗粒物质量。当β射线通过介质时，β粒子与介质中的电子相互碰撞损失能量而被吸收，在低能条件下，吸收程度取决于介质的质量，与颗粒物粒径、成分、颜色及分散状态无关。环境气体透过滤纸后，颗粒物被收集在滤纸上，当β射线穿过收集有颗粒物的滤纸时能量衰减，通过测量衰减前后的β粒子数，可以计算出颗粒物的浓度。
大气中颗粒物的浓度是随时变化的，现有的颗粒物监测仪不能实时对大气进行采样测量，且测量精度不高，而应用高精度的颗粒物监测仪运行费用昂贵，安装与维护工作复杂。因此亟需提供一种新型的颗粒物监测仪来解决上述问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种颗粒物在线监测仪，能够实时在线监测且监测精度高。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种颗粒物在线监测仪，包括CPU控制模块、与CPU控制模块相连的开关电源、质量流量控制模块、显示模块、电机驱动模块、光电耦合器，还包括高压模块、纸盘电机、走纸电机、采样泵；纸盘电机、走纸电机、采样泵的输入端均与电机驱动模块的输出端相连，质量流量控制模块与AD采集模块相互通信，质量流量控制模块包括质量流量控制器；
CPU控制模块包括微处理器、盖格计数器、与微处理器相互通信的RS232通讯模块、AD采集模块、IO控制模块；盖格计数器的输入端与高压模块相连、输出端与微处理器相连，RS232通讯模块的输出端与显示模块相连，IO控制模块与光电耦合器相连；
盖格计数器包括脉冲检测电路、整形电路、信号电平升高电路；
脉冲检测电路包括盖格管U1，用于产生检测脉冲；
整形电路用于将脉冲检测电路提供的脉冲信号转换为矩形波信号；
信号电平升高电路用于将整形电路输出信号的电压升高，最终将信号输出至微处理器。
其中，脉冲检测电路包括盖格管U1、电阻R1、R2、电容C1、三极管Q1，电阻R1与三极管Q1的基极、发射级并联并接地，三极管Q1的基极与盖格管U1的1脚相连，电阻R2与电容C1并联后一端与高压模块相连、另一端与盖格管U1的2脚相连；整形电路包括电阻R3、R4、电容C2、反相器U2A，电阻R4的一端与三极管Q1的集电极相连、另一端与反相器U2A的输入端相连，电阻R3的一端与三极管Q1的集电极相连、另一端与反相器U2A的14脚相连，电容C2的一端与三极管Q1的集电极相连、另一端接地，U2A的14脚连接5V电压、7脚接地；信号电平升高电路包括电阻R5、R6、R7、电容C3、反相器U2B，电阻R5的一端与电容C3的一端相连、另一端与反相器U2B的输入端相连，电容C3的另一端接地，电阻R6、R7的一端均与反相器U2B的输出端相连，R6的另一端接地，R7的另一端连接24V电压相连。
在本发明一个较佳实施例中，开关电源提供24V电压，高压模块提供500V电压。
在本发明一个较佳实施例中，显示模块包括LCD液晶触摸屏。
在本发明一个较佳实施例中，电机驱动模块采用固态继电器，由于开关电源提供的电压为24V，而电机需220V电压驱动，固态继电器既具有放大驱动作用又有隔离作用，可将开关电源提供的电压转换为电机所需电压。
在本发明一个较佳实施例中，AD采集模块包括模数转换器、数模转换器。进一步的，质量流量控制器与模数转换器、数模转换器串接。模数转换器将质量流量控制器输出的流量大小转换为相应的电压信号传输至微处理器，数模转换器将微处理器输出的电压信号转换为流量大小传输给质量流量控制器。
本发明的有益效果是：本发明内置的盖格计数器电路结构简单，监测精度高，质量流量控制模块能够实现实时在线监测，运行稳定可靠、费用低，安装和维护简便，无需测量人员监守。
附图说明
图1是本发明颗粒物在线监测仪一较佳实施例的结构框图；
图2是所述质量流量控制模块的原理框图；
图3是所述盖格计数器的电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
请参阅图1，本发明实施例包括：
一种颗粒物在线监测仪，包括CPU控制模块、与CPU控制模块相连的开关电源、质量流量控制模块、显示模块、电机驱动模块、光电耦合器，还包括高压模块、纸盘电机、走纸电机、采样泵；纸盘电机、走纸电机、采样泵的输入端均与电机驱动模块的输出端相连，质量流量控制模块与AD采集模块相互通信；CPU控制模块包括微处理器、盖格计数器、与微处理器相互通信的RS232通讯模块、AD采集模块、IO控制模块；盖格计数器的输入端与高压模块相连、输出端与微处理器相连，RS232通讯模块的输出端与显示模块相连，IO控制模块与光电耦合器相连。
开关电源作为所述颗粒物在线监测仪的电源部分，为整个电路部分提供24V电压。电机驱动模块用于驱动纸盘电机、走纸电机及采样泵，其采用固态继电器，由于开关电源提供的电压为24V，而电机需220V电压驱动，固态继电器既具有放大驱动作用又有隔离作用，可将开关电源提供的电压转换为电机所需电压。纸盘电机驱动放置滤纸的纸盘，走纸电机驱动滤纸带的转动，采样泵利用负压抽取气体进行采样，通过其内部的机械装置使泵内部的隔膜做往复式运动，从而对固定容积的泵腔内的体积进行压缩、拉伸形成真空，在泵抽气口处与外界大气压产生压力差，在压力差的作用下，将气体压入泵腔，再从排气口排出，排出的气体经过滤纸后，采样气体中的颗粒物被收集在滤纸上。CPU控制模块为所述颗粒物在线监测仪的核心控制模块，其中微处理器采用ST公司的ARM控制器stm32f103系列，内部资源丰富，是CPU控制模块的控制核心。IO控制模块用于控制光电耦合器的通断，光电耦合器的作用是控制电机的转动与停止。显示模块包括LCD液晶触摸屏。RS232通讯模块作为微处理器与外界的串口通讯接口，主要作用是完成数据采集与处理的工作以及控制LCD液晶触摸屏。
结合图2，所述颗粒物在线监测仪采用质量流量控制技术，能够使仪器在不同的阻力下快速自动恒流及具有温度、压力补偿功能，其通过质量流量控制模块实现。质量流量控制模块包括质量流量控制器，AD采集模块包括模数转换器、数模转换器，质量流量控制器与模数转换器、数模转换器串接。质量流量控制器可实时检测当前的气体流量，并由模数转换器将流量信号转换为0—5V电压，此电压一方面在LCD液晶触摸屏上显示，另一方面传给上位机，用于监测气体浓度信息和工作状态信息，同时生成报表、存储数据、记录历史数据、与环保部门联网通信等，同时可根据需要设定检测流量值，通过数模转换器向质量流量控制器提供相应的输入电压，直至达到设定值为止。所述质量流量控制模块使所述监测仪实现了实时在线监测跟踪流量，保证了监测精度。
请参阅图3，盖格计数器包括脉冲检测电路、整形电路、信号电平升高电路。脉冲检测电路用于产生检测脉冲，其包括盖格管U1、电阻R1、R2、电容C1、三极管Q1，电阻R1与三极管Q1的基极、发射级并联并接地，三极管Q1的基极与盖格管U1的1脚相连，电阻R2与电容C1并联后一端与高压模块(HV)相连、另一端与盖格管U1的2脚相连。整形电路将脉冲检测电路提供的脉冲信号转换成标准的矩形波信号，其包括电阻R3、R4、电容C2、反相器U2A，电阻R4的一端与三极管Q1的集电极相连、另一端与反相器U2A的输入端相连，电阻R3的一端与三极管Q1的集电极相连、另一端与反相器U2A的14脚相连，电容C2的一端与三极管Q1的集电极相连、另一端接地，U2A的14脚连接5V电压、7脚接地，图3中T2点为一测试点。信号电平升高电路可将整形电路输出信号的5V电压升高，用于后续检测电路(下限为14V)使用，其包括电阻R5、R6、R7、电容C3、反相器U2B，电阻R5的一端与电容C3的一端相连、另一端与反相器U2B的输入端相连，电容C3的另一端接地，电阻R6、R7的一端均与反相器U2B的输出端相连，R6的另一端接地，R7的另一端连接24V电压相连，图3中T3点为一测试点。
所述盖格计数器的工作原理是盖格管U1内填充有氩气，在盖格管的电极上加上直流高压HV，由高压模块提供500V电压，β射线穿过滤纸上的颗粒打到盖格管内的气体产生放电，其放电次数与β射线的强度有关，当β射线带电粒子数目比较多时，放电次数就比较多，则颗粒物的浓度比较低，当β射线带电粒子数目比较少时，放电次数比较少，则颗粒物的浓度比较高。R2和C1组成充放电电路，当有β射线通过管内气体时，产生放电电流，电流通过三极管Q1的基极输入，再从集电极输出(变成信号Gg_S)到电阻R4的输入端，经过反相器U2A转换为矩形波信号，经反相器U2B输出后由24V供电电压和电阻R7将矩形波信号的电压升高，变成信号I0.3输出至微处理器，由其进行计数处理，其中反相器U2A与U2B的供电电压是5V。
所述颗粒物在线监测仪采用美国EPA认可的β射线作为辐射源，利用抽气泵对大气进行实时采样，采样时监测仪可实时监控气路的流量，大气中的悬浮颗粒被吸附在β源和盖格计数器之间的滤纸表面，抽气前后盖格计数器计数值的改变反映了滤纸上吸附灰尘的质量，由此可以得到单位体积空气中悬浮颗粒物的浓度。
本发明内置的盖格计数器电路结构简单，监测精度高，质量流量控制模块能够实现实时在线监测，运行稳定可靠、费用低，安装和维护简便，无需测量人员监守。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (6)
1.一种颗粒物在线监测仪，其特征在于，包括CPU控制模块、与CPU控制模块相连的开关电源、质量流量控制模块、显示模块、电机驱动模块、光电耦合器，还包括高压模块、纸盘电机、走纸电机、采样泵；纸盘电机、走纸电机、采样泵的输入端均与电机驱动模块的输出端相连，质量流量控制模块与AD采集模块相互通信，质量流量控制模块包括质量流量控制器；
CPU控制模块包括微处理器、盖格计数器、与微处理器相互通信的RS232通讯模块、AD采集模块、IO控制模块；盖格计数器的输入端与高压模块相连、输出端与微处理器相连，RS232通讯模块的输出端与显示模块相连，IO控制模块与光电耦合器相连；
盖格计数器包括脉冲检测电路、整形电路、信号电平升高电路；
脉冲检测电路包括盖格管U1，用于产生检测脉冲；
整形电路用于将脉冲检测电路提供的脉冲信号转换为矩形波信号；
信号电平升高电路用于将整形电路输出信号的电压升高，最终将信号输出至微处理器。
2.根据权利要求1所述的颗粒物在线监测仪，其特征在于，开关电源提供24V电压，高压模块提供500V电压。
3.根据权利要求1所述的颗粒物在线监测仪，其特征在于，显示模块包括LCD液晶触摸屏。
4.根据权利要求1所述的颗粒物在线监测仪，其特征在于，电机驱动模块采用固态继电器。
5.根据权利要求1所述的颗粒物在线监测仪，其特征在于，AD采集模块包括模数转换器、数模转换器。
6.根据权利要求1或5所述的颗粒物在线监测仪，其特征在于，质量流量控制器与模数转换器、数模转换器串接。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Chen Qinghua Inventor after: Hong Yu Inventor after: Zuo Changyu Inventor after: Wang Fang Inventor after: Xing Huafeng Inventor before: Chen Qinghua Inventor before: Hong Yu Inventor before: Zuo Changyu Inventor before: Wang Fang |
|
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Chen Qinghua Inventor after: Hong Yu Inventor after: Zuo Changyu Inventor after: Wang Fang Inventor before: Chen Qinghua Inventor before: Hong Yu Inventor before: Zuo Changyu Inventor before: Wang Fang Inventor before: Xing Huafeng |