CN107036946A - 一种高湿度环境下固体颗粒物浓度检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高湿度环境下固体颗粒物浓度检测装置，包括空气流道系统、加热系统、温控系统、测量系统、显示处理系统和电力系统；空气流道系统包括一个加热腔体，加热腔体内设有一个风扇和一个测量腔体，测量系统设于测量腔体内，测量系统包括激光器、扩束透镜与空间滤波器、散射光收集处理装置和光电转换器，加热系统包括一个电阻丝，温控系统包括温控开关和测温元件，显示处理系统包括滤波放大电路、微处理器和显示器，电力系统为整个颗粒物浓度检测装置提供电力。本发明采用加热法排除空气湿度对颗粒物浓度测量结果的影响，利用激光散射原理对颗粒物浓度进行测量，提高了测量结果的准确性与精确度。

Description

一种高湿度环境下固体颗粒物浓度检测装置

技术领域

本发明涉及一种新型固体颗粒物浓度的检测方法及系统装置，特别适用于高湿环境下对空气内固体颗粒物准确检测。

背景技术

近年来，虽然中国大力推进生态文明建设，但是在很多城市，空气污染仍然十分严重，空气中PM2.5颗粒物是导致空气污染的关键因素，是危害人类身体健康的罪魁祸首，长期暴露在污染环境中会显著增加呼吸系统疾病，心血管疾病，哮喘和肺癌恶化等疾病的发病率，因此准确检测空气中固体颗粒浓度是十分重要的。另外在一些特殊的工业生产场合，如金属抛光，铝制品制造会产生大量工业粉尘，这些直径约为2.5微米的粉尘颗粒不但会危害工人身体健康，而且遇明火会发生爆炸，严重危害生命财产安全。因此，实时监测空气中细小颗粒物浓度变得十分重要，所以迫切需要一种通用的适用于复杂环境下固体细颗粒物浓度监测的检测装置。

一方面，由于激光散射原理的不断成熟和广泛应用，目前已经存在多种以激光散射原理为测量方法的空气颗粒物浓度检测仪。另一方面，为防止工业粉尘爆炸，保证生产安全，多以湿法除尘原理进行工业除尘，即利用高压离心风机的吸力，把含尘气体压到装有一定高度水的水槽中，水浴会把一部分灰尘吸附在水中。经均布分流后，气体从下往上流动，而高压喷头则由上向下喷洒水雾，捕集剩余部分的尘粒。此时为了确定除尘效率，鉴定除尘后的空气中的微小颗粒物浓度是否在安全的浓度范围内，需要对除尘后的空气中的微小颗粒物浓度进行进一步的测量。但是在高湿环境进行空气中颗粒物浓度的检测时，由于空气中水分含量较大，而且最关键的是空气中的小液滴直径与空气中微小颗粒物直径相近，所以目前存在的颗粒物浓度检测仪内部用于检测的激光源发射出的激光在细小颗粒物表面发生散射的同时也在空气中的小液滴表面发生折射，造成收集散射光的装置收集的散射光强偏高，最终导致固体颗粒物浓度的测量结果出现错误，因此，目前急迫的需要一个在高湿环境下检测空气颗粒物浓度时可以排除掉空气中小液滴的干扰，从而得出准确的空气颗粒物浓度数据的检测装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于任何环境，特别是适用于高湿环境的，测量结果十分准确的空气固体颗粒物浓度的检测方法及其检测装置。根据上述这个目的设计了一种新型固体颗粒物浓度检测装置。该检测装置采用将空气加热充分汽化小液滴的方式来去除高湿度空气中的微小液滴，从而保证检测系统对实际固体颗粒物浓度的精确检测。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种高湿度环境下固体颗粒物浓度检测装置，包括空气流道系统、加热系统、温控系统、测量系统、显示处理系统和电力系统；

所述空气流道系统包括一个加热腔体，所述加热腔体内设有一个风扇和一个测量腔体，所述风扇和测量腔体分别设于加热腔体的两端；

所述测量系统设于所述测量腔体内，所述测量系统包括激光器、扩束透镜与空间滤波器、散射光收集处理装置和光电转换器；所述激光器通过产生的激光与扩束透镜与空间滤波器连接，所述扩束透镜与空间滤波器通过光学作用与所述散射光收集处理装置连接，所述散射光收集处理装置与所述光电转换器电性连接；

所述加热系统设置于所述加热腔体内，所述加热系统位于所述风扇和测量腔体之间；所述加热系统包括一个电阻丝；

所述温控系统包括温控开关和测温元件，所述温控开关与所述电阻丝和所述测温元件电性连接，所述测温元件设于所述加热腔体的壁上；

所述显示处理系统包括滤波放大电路、微处理器和显示器，所述滤波放大电路、微处理器和显示器依次电性连接，所述滤波放大电路与所述光电转换器电性连接；

所述电力系统电性连接所述风扇、温控系统、显示处理系统、测量系统和加热系统，所述电力系统为整个颗粒物浓度检测装置提供电力。

进一步原理如下：

该检测装置包括空气流道系统、加热系统、温控系统、测量系统、显示处理系统，电力系统。空气流道系统由风扇、加热腔体和测量腔体组成，为检测装置完成空气的吸入、空气的加热和空气中颗粒物浓度的测量提供必要的基本条件。加热系统由电阻丝构成，用于将检测装置吸入到加热腔体的空气进行加热。温控系统由测温元件、温控开关组成，用于自动控制加热系统从而控制加热腔体内部的温度，保证空气得到充分加热，空气中的小水滴充分气化。测量系统由激光器、扩束透镜与空间滤波器、散射光收集处理装置、光电转换器组成，用于完成颗粒物浓度的测量，得到散射光强随时间变化的曲线，并将其转变为电信号。显示处理系统由滤波放大电路、微处理器、显示器组成，用于将测量系统传递出的电信号进行放大和处理，得出空气颗粒物的浓度，并将该结果显示在显示器上。电力系统的作用是为整个颗粒物浓度检测装置提供电力。

与现有的颗粒物浓度检测仪相比，本新型高湿度固体颗粒物浓度检测装置充分考虑空气湿度对空气颗粒物浓度测量过程及结果的影响，采用加热去除高湿空气中的小液滴的办法，消除空气中小液滴的干扰。它同以往的颗粒物浓度检测仪相比，具有以下优点：

(1)检测装置采用加热法排除空气湿度对颗粒物浓度测量结果的影响，利用激光散射原理对颗粒物的浓度进行测量，极大的提高了测量结果的准确性与精确度。

(2)检测装置体积小，携带方便，测量快速，操作过程十分便捷，而且适用于任何环境下的空气固体颗粒物浓度的测量，解决了传统的颗粒物浓度检测仪在高湿环境下测量结果不准确的难题。

附图说明

图1：高湿度固体颗粒物浓度检测装置内部系统布置框图；

图2：加热腔体、测量腔体内部结构及电阻丝分布示意图；

图3：测量系统、显示处理系统工作原理图；

图4：温控系统工作原理图。

图中：1、加热腔体；2、测量腔体；3、电阻丝；4、激光器；5、扩束透镜与空间滤波器；6、散射光收集处理装置；7、光电转换器；8、滤波放大电路；9、微处理器；10、显示器；11、温控开关；12、测温元件

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述：

如图1～4所示，一种高湿度环境下固体颗粒物浓度检测装置，包括空气流道系统、加热系统、温控系统、测量系统、显示处理系统和电力系统；

所述空气流道系统包括一个加热腔体1，所述加热腔体1内设有一个风扇和一个测量腔体2，所述风扇和测量腔体2分别设于加热腔体1的两端；

所述测量系统设于所述测量腔体2内，所述测量系统包括激光器4、扩束透镜与空间滤波器5、散射光收集处理装置6和光电转换器7；所述激光器4通过产生的激光与扩束透镜与空间滤波器5连接，所述扩束透镜与空间滤波器5通过光学作用与所述散射光收集处理装置6连接，所述散射光收集处理装置6与所述光电转换器7电性连接；

所述加热系统设置于所述加热腔体1内，所述加热系统位于所述风扇和测量腔体2之间；所述加热系统包括一个电阻丝3；

所述温控系统包括温控开关11和测温元件12，所述温控开关11与所述电阻丝3控制电阻丝的开启和关闭和所述测温元件12电性连接，所述测温元件12设于所述加热腔体1的壁上测量加热腔体1内空气的温度；

所述显示处理系统包括滤波放大电路8、微处理器9和显示器10，所述滤波放大电路8、微处理器9和显示器10依次电性连接，所述滤波放大电路8与所述光电转换器7电性连接；

所述电力系统电性连接所述风扇、温控系统、显示处理系统、测量系统和加热系统，所述电力系统为整个颗粒物浓度检测装置提供电力。

本发明的主体包括空气流道系统、加热系统、温控系统、测量系统、显示处理系统，电力系统。在使用过程中，空气被风扇由外界吸入，以20mm/s-30mm/s的速度进入截面积为80mm²，全长为100mm的加热腔体，温控开关控制功率为500W的电阻丝对空气进行加热，维持加热腔体内部温度在120-200摄氏度之间，空气经过充分加热过程后，空气中的微小液滴进一步气化，气化后水蒸气分子直径约为0.0004um，远远小于固体空气中固体颗粒物的直径，从而排除了湿度很大的空气中的微小液滴对固体颗粒物浓度测量结果的影响，之后加热后的高温气体由加热腔体进入测量腔体，此时激光器发射出的激光，照射在空气中悬浮颗粒物上产生散射，同时散射光收集处理装置在某一特定角度收集散射光，得到散射光强随时间变化的曲线，进而光电转换器将该光信号转变为电信号，经滤波放大电路放大后，传递给微处理器，微处理器利用米氏理论的算法，得出颗粒物的等效粒径及单位体积内不同粒径的颗粒物数量，进而将颗粒物浓度显示在显示器上，从而得出准确的固体颗粒物浓度。

图2中，加热腔体结构采用S型结构，目的是延长空气在加热腔体内的流动时间，使空气能够的得到充分的加热。加热腔体内部的电阻丝功率为500W而且采用螺旋形结构，目的是增加空气与电阻丝的接触面积，充分加热气体。加热腔体内表面镀有汞，外表面涂有隔热涂料，目的是减少热量损失，使热量大部分分布在加热腔体内部，提高能量的利用率，另外还可防止加热腔体外表面温度过高对检测装置造成损坏。

图3中，测量系统包括激光器、扩束透镜与空间滤波器、散射光收集处理装置、光电转换器。测量系统安装在测量腔体内部，便于直接测量高温空气，得出精确的颗粒物浓度。在测量过程中，激光器发射出激光，经过扩束透镜与空间滤波器后，得到了一个平行单色光束，该光束照射到空气中的颗粒物上发生散射现象，研究表明，散射光的角度和颗粒直径成反比，散射光强随角度的增加呈对数衰减，散射光经过散射光收集处理装置收集处理后，得出散射光强随时间变化的曲线，光电转换器将该曲线信息转换为电信号，经滤波电路放大后传递给微处理器。显示处理系统由滤波放大电路、微处理器、显示器组成，微处理器接收到来自测量系统的电信号，利用米氏理论的算法，得出颗粒物的等效粒径及单位体积内不同粒径的颗粒物数量，从而得出准确的固体颗粒物浓度，进而将颗粒物浓度显示在显示器上。

图4中，温控系统由温控开关和测温元件组成，直接控制电阻丝的加热状态。测温元件用于测量加热腔体内部的温度，当测量出的温度在120摄氏度以下时，温控开关控制电阻丝开始加热。当温度在200摄氏度以上时控制电阻丝停止加热。控制加热腔体内部温度在120摄氏度以上目的是使空气得到充分加热，空气中微小液滴得到充分气化。控制加热腔体内部温度在200摄氏度以下目的是防止加热腔体温度过高对检测装置造成损坏。整个检测装置的用电装置全部由电力系统进行供电。

Claims (1)

1.一种高湿度环境下固体颗粒物浓度检测装置，其特征在于，包括空气流道系统、加热系统、温控系统、测量系统、显示处理系统和电力系统；

所述空气流道系统包括一个加热腔体(1)，所述加热腔体(1)内设有一个风扇和一个测量腔体(2)，所述风扇和测量腔体(2)分别设于加热腔体(1)的两端；

所述测量系统设于所述测量腔体(2)内，所述测量系统包括激光器(4)、扩束透镜与空间滤波器(5)、散射光收集处理装置(6)和光电转换器(7)；所述激光器(4)通过产生的激光与扩束透镜与空间滤波器(5)连接，所述扩束透镜与空间滤波器(5)通过光学作用与所述散射光收集处理装置(6)连接，所述散射光收集处理装置(6)与所述光电转换器(7)电性连接；

所述加热系统设置于所述加热腔体(1)内，所述加热系统位于所述风扇和测量腔体(2)之间；所述加热系统包括一个电阻丝(3)；

所述温控系统包括温控开关(11)和测温元件(12)，所述温控开关(11)与所述电阻丝(3)和所述测温元件(12)电性连接，所述测温元件(12)设于所述加热腔体(1)的壁上；

所述显示处理系统包括滤波放大电路(8)、微处理器(9)和显示器(10)，所述滤波放大电路(8)、微处理器(9)和显示器(10)依次电性连接，所述滤波放大电路(8)与所述光电转换器(7)电性连接；

所述电力系统电性连接所述风扇、温控系统、显示处理系统、测量系统和加热系统，所述电力系统为整个颗粒物浓度检测装置提供电力。