CN107036947B - 一种高湿度环境下细微固体颗粒物浓度的检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高湿度环境下细微固体颗粒物浓度的检测装置包括外壳、控制系统、以及与控制系统连接的显示处理系统、降压系统和测量系统，降压系统包括两个电机、旋转底盘、第一螺纹移动块、第二螺纹移动块、第一螺纹杆、第二螺纹杆、剪叉壁、第一移动块、第二移动块、旋转杆、移动圆盘、封闭圆盘以及辅助降压装置，降压系统使空气中的微小液滴充分气化，从而排除微小液滴对测量结果的影响，测量系统利用激光散射原理对空气中的颗粒物浓度进行测量，显示处理系统利用米氏理论算法得出精确的测量结果，本发明易操作，携带方便，能实现对空气中固体颗粒物进行实时监控，并适用于易燃爆等特殊场合的环境内颗粒物浓度的测量。
Description
技术领域
本发明涉及检测装置，尤其涉及一种高湿度环境下对空气内细微固体颗粒物浓度的检测装置。
背景技术
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。PM2.5粒径小，面积大，活性强，易附带有毒、有害物质例如，重金属、微生物等，而且人体的呼吸系统不能对其进行有效的过滤，长期暴露在PM2.5浓度较高的环境中会引发心血管病、呼吸道疾病以及肺癌等疾病。另外在一些工业生产过程中极易产生PM2.5工业粉尘，化石燃料的燃烧，金属加工中的抛光、切割过程都会产生大量的PM2.5工业粉尘，空气中工业粉尘浓度过高则极易发生爆炸事故，所以，为保证员工身体健康，实现排放的废气达到环保要求，最重要的是控制空气中的PM2.5工业粉尘浓度在安全的浓度范围。因此对空气中的细小颗粒物浓度进行实时、准确的监测十分必要。
由于应用激光散射原理检测颗粒物浓度的方法有效率高，经济性强的优势，使其在近几年得到了快速发展。目前，市场上大多数的颗粒物浓度检测装置都应用了此原理，但是已有的装置在对高湿度空气进行检测时，如检测用湿法除尘原理处理过的空气中的细小颗粒物浓度时，检测结果与实际情况有很大偏差。这是由于空气中小液体的直径与颗粒物的直径相近，传感器会将小液滴识别为固体颗粒物，从而导致检测结果偏高。所以为了准确检测空气中的细小颗粒物浓度，需要设计发明一种可以排除掉空气中小液滴对检测过程的干扰，准确测量空气内固体颗粒物浓度的检测方法与装置。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种尤其适用于检测环境湿度很大情况下悬浮固体颗粒物浓度检测装置，该检测装置采用将空气降压的方式使空气中的微小液滴完全气化，从而排除小液滴这种干扰物对正常的颗粒物浓度检测过程的干扰，该测量方式无热源，可适用于易燃易爆场合下固体细颗粒物浓度的准确检测。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种高湿度环境下细微固体颗粒物浓度的检测装置，包括外壳、控制系统、显示处理系统以及位于外壳内降压系统和测量系统；
所述降压系统的上方设有风扇，降压系统包括第一电机、第二电机、旋转底盘、第一螺纹移动块、第二螺纹移动块、第一螺纹杆、第二螺纹杆、剪叉臂、第一移动块、第二移动块、第一旋转杆、第一移动圆盘和封闭圆盘；
所述第一电机控制旋转底盘转动，所述第二电机、第一螺纹杆和第二螺纹杆设于旋转底盘内，所述第二电机控制第一螺纹杆和第二螺纹杆转动，所述第一螺纹移动块通过螺纹连接安装在第一螺纹杆上，所述第二螺纹移动块通过螺纹连接安装在第二螺纹杆上，所述剪叉臂的一端与第一螺纹移动块和第二螺纹移动块连接，剪叉臂的另一端通过第一移动块和第二移动块与第一旋转杆的一端连接；
第一旋转杆的另一端穿过第一降压腔体和测量腔体，所述测量腔体位于第一降压腔体的下方并与第一降压腔体贯通，第一旋转杆与第一移动圆盘通过螺纹连接，第一降压腔体上设有滑道，所述第一移动圆盘的侧面沿圆周方向设有凸起部分，所述第一移动圆盘通过凸起部分与第一降压腔体的滑道滑动连接，所述封闭圆盘通过弹簧安装在外壳的底部，第一旋转杆向下移动使得封闭圆盘向下移动；
所述测量系统位于测量腔体内，测量系统包括激光器、空间滤波器与扩束透镜一体装置、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空间滤波器与扩束透镜一体装置连接，所述空间滤波器与扩束透镜一体装置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连接；
所述显示处理系统包括滤波放大器、微处理器和显示器，所述滤波放大器、微处理器和显示器依次电连接，所述滤波放大器与所述光电转换器电连接，微处理器可以将降压后测得的颗粒物浓度进行换算，目的是将颗粒物浓度换算成测量腔体体积没有发生变化时的颗粒物浓度，保证结果的正确性。
所述控制系统包括测压元件、测温元件和控制器，所述测压元件和测温元件固定于测量腔体的内壁上，所述控制器与风扇、测压元件、测温元件、降压系统以及测量系统电连接，用于控制降压系统，保证空气得到充分降压，空气中的小水滴充分气化。当测量腔体内部的空气压强降低到此时空气温度下的水的气化压强时，控制器控制降压系统停止工作，提高能量的利用率与测量时间。
优选地，所述降压系统还包括辅助降压装置，所述辅助降压装置包括两个相同的降压结构，所述降压结构包括第二旋转杆、第二移动圆盘，所述第二旋转杆的一端与旋转底盘通过齿轮副连接，第二旋转杆的另一端与第二移动圆盘通过螺纹连接，所述第二移动圆盘与第二降压腔体滑动连接，第二移动圆盘能够上下滑动，不能转动，所述第二降压腔体与测量腔体连通。
优选地，所述外壳内还设有空气流道，所述空气流道贯通外壳的上下表面。
优选地，所述降压腔体的滑道两端分别设有第一行程开关和第二行程开关，所述第一行程开关和第二行程开关与控制器电连接，以控制第一移动圆盘的位移量。
优选地，所述第一电机与旋转底盘采用圆柱齿轮高副连接，所述旋转底盘与辅助降压装置中的第二旋转杆采用圆柱齿轮高副连接。
优选地，所述第二电机与第一螺纹杆和第二螺纹杆采用锥齿轮传动。
本发明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，采用降压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装置相比具有以下有益效果：
1)本发明采用降压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。
3)本发明采用降压气化的方法，在检测空气中含有的易燃易爆的固体颗粒物的浓度时，有效的解决了加热等其他除去空气中的小液滴办法的不安全性。
2)本发明检测装置体积小，携带方便，测量快速，操作过程十分便捷，而且适用于特殊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装置在高湿环境下测量结果不准确的难题。
附图说明
图1为本发明所述高湿度环境下细微固体颗粒物浓度的检测装置的系统布置简图。
图2为本发明所述高湿度环境下细微固体颗粒物浓度的检测装置的机械结构示意图。
图3为图2的A-A剖视图。
图4为图2的B-B剖视图。
图5为图4的C-C剖视图。
图6为本发明所述控制系统工作原理图。
图7为本发明所述测量系统、显示处理系统工作原理图。
其中：
1.风扇；2.第一螺纹移动块；3.第一螺纹杆；4.剪叉臂；5.第一移动块；6.第一行程开关；7.第二旋转杆；8.第二移动圆盘；9.第二行程开关；10.弹簧；11.封闭圆盘；12.测量腔体；13.测压元件；14.测温元件；15.第一移动圆盘；16.空气流道；17.第一降压腔体；18.第一旋转杆19.第二移动块；20.第二螺纹杆；21.第二螺纹移动块；22.第二电机；23.第一电机；24.旋转底盘；25.辅助降压装置；26.第二降压腔体；27.控制器；28.激光器；29.空间滤波器与扩束透镜一体装置；30.散射光收集处理装置；31.光电转换器；32.滤波放大器；33.微处理器；34.显示器。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
如图1所示，本发明所述的一种高湿度环境下细微固体颗粒物浓度的检测装置，包括外壳、控制系统、显示处理系统以及位于外壳内降压系统和测量系统，降压系统用于将检测装置吸入到测量腔体12内的空气进行降压，降压系统包括第一电机23、第二电机22、旋转底盘24、第一螺纹移动块2、第二螺纹移动块21、第一螺纹杆3、第二螺纹杆20、剪叉臂4、第一移动块5、第二移动块19、第一旋转杆18、第一移动圆盘15、封闭圆盘11和辅助降压装置25。第一电机23与旋转底盘24采用圆柱齿轮高副连接，控制旋转底盘24转动，所述第二电机22、第一螺纹杆3和第二螺纹杆20设于旋转底盘24内，第二电机22与第一螺纹杆3和第二螺纹杆20采用锥齿轮传动，使第二电机22的竖直转动转变为第一螺纹杆3和第二螺纹杆20的水平转动。第一螺纹移动块2通过螺纹连接安装在第一螺纹杆3上，第二螺纹移动块21通过螺纹连接安装在第二螺纹杆20上，第一螺纹杆3和第二螺纹杆20的转动能够使得第一螺纹移动块2和第二螺纹移动块21移动，剪叉臂4的一端与第一螺纹移动块2和第二螺纹移动块21连接，剪叉臂4的另一端通过第一移动块5和第二移动块19与第一旋转杆18的一端连接，第一移动块5和第二移动块19能够左右滑动，剪叉臂4的伸缩带动第一旋转杆18上下运动，旋转底盘24的转动使得第一旋转杆18绕自身轴线转动。
第一旋转杆18的另一端穿过第一降压腔体17和测量腔体12，测量腔体12位于第一降压腔体17的下方并与第一降压腔体17连通，第一旋转杆18与第一移动圆盘15通过螺纹连接，第一降压腔体17上设有滑道，所述第一移动圆盘15的侧面沿圆周方向设有凸起部分，第一移动圆盘15通过凸起部分与第一降压腔体17的滑道滑动连接，目的是使第一移动圆盘15可以顺利的进入第一降压腔体17内，另一方面保证了第一移动圆盘15只会竖直移动而不会发生转动。
所述第一降压腔体17的滑道两端分别设有第一行程开关6和第二行程开关9，所述第一行程开关6和第二行程开关9与控制器27电连接，以控制第一移动圆盘15的位移量。旋转底盘24的转动带动第一旋转杆18转动，第一旋转杆18转动使得第一移动圆盘15沿着滑道上下移动。所述封闭圆盘11为圆台，通过弹簧10安装在外壳的底部，目的是使封闭圆盘11可以完全封闭空气入口，为后续的降压系统的工作提供前提条件，第一旋转杆18向下移动使得封闭圆盘11向下移动，从而使得空气进入降压系统内。
辅助降压装置25包括两个相同的降压结构，所述降压结构包括第二旋转杆7、第二移动圆盘8，所述第二旋转杆7的一端与旋转底盘24通过齿轮副连接，第二旋转杆7的另一端与第二移动圆盘8通过螺纹连接，所述第二移动圆盘8上设有凸起部分，第二降压腔体26内设有供第二移动圆盘8滑动的滑道，第二移动圆盘8与第二降压腔体26滑动连接，旋转底盘24旋转使得第二旋转杆7转动，从而使得第二移动圆盘8在第二降压腔体26内滑动，第二降压腔体26与测量腔体12连通。辅助降压装置25保证本发明的降压腔体的体积是测量腔体体积的180倍以上。
如图7所示，测量系统位于测量腔体12内，测量系统包括激光器28、空间滤波器与扩束透镜一体装置29、散射光收集处理装置30和光电转换器31，激光器28通过产生的激光与空间滤波器与扩束透镜一体装置29连接，所述空间滤波器与扩束透镜一体装置29通过光学作用与所述散射光收集处理装置30连接，所述散射光收集处理装置30与所述光电转换器31电连接。
显示处理系统包括滤波放大器32、微处理器33和显示器34，所述滤波放大器32、微处理器33和显示器34依次电连接，所述滤波放大器32与所述光电转换器31电连接，在测量过程中，激光器28发射出激光，经过空间滤波器与扩束透镜一体装置29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30收集处理后，得出散射光强随时间变化的曲线，光电转换器31将该曲线信息转换为电信号，经滤波放大器32后传递给微处理器33。微处理器33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34上。
如图6所示，控制系统包括测压元件13、测温元件14和控制器27，所述测压元件13和测温元件14固定于测量腔体12的内壁上，控制器27与测压元件13和测温元件14电连接，测温元件14测得的测量腔体12内部的空气温度T传递给控制器27，控制器27根据Antoine方程计算出水的气化压强P0并与测压元件13测得的测量腔体12内的空气压力P相比较，当P小于P0时控制器27控制降压系统中的第一电机23停止工作，测量系统开始测量。测温元件14与测压元件13都放在测量腔体12内，目的是实时测量测量腔体12内部空气的温度和压强。控制系统有助于提高能量的利用率，节省测量时间。
本发明的工作过程：
控制器27控制第二电机22反转，经第二电机22与第一螺纹杆3和第二螺纹杆20的两对锥齿轮啮合作用，带动第一螺纹杆3和第二螺纹杆20旋转，从而带动第一螺纹移动块2和第二螺纹移动块21沿旋转底盘24径向向内运动，使得剪叉臂4伸长，从而使第一旋转杆18沿其轴线向远离风扇1的方向运动，克服弹簧10的拉力将封闭圆盘11顶出，空气被风扇1由外界吸入，进入测量腔体12内，两秒后控制器27控制第二电机22正转，带动第一螺纹杆3和第二螺纹杆20转动，从而使得第一螺纹移动块2、第二螺纹移动块21在旋转底盘24中沿旋转底盘24的径向向外侧移动，使剪叉臂4收缩，使得第一旋转杆18沿其轴线向靠近风扇1的方向运动，导致第一旋转杆18顶部与封闭圆盘11分离，封闭圆盘11受到弹簧10拉力的作用阻止空气进入测量腔体12和第一降压腔体17内，此时第二电机22停止转动，空气由外界经由空气流道16流动，防止风扇1发生损坏。之后控制系统中的测温元件14测出空气的温度，控制器27根据该温度利用Antoine方程计算出此时温度下的液滴的气化压强，然后控制器27控制第一电机23正转，经旋转底盘24、剪叉臂4的转动使第一旋转杆18转动，经第一旋转杆18与第一移动圆盘15的螺纹传动，使第一移动圆盘15沿第一旋转杆18轴线向靠近风扇1的方向运动，第一移动圆盘15触碰到第一行程开关6或第二行程开关9中的任何一个行程开关时，控制器27控制第二电机22或第一电机23立刻停止运作。旋转底盘24带动辅助降压装置25中的两个第二旋转杆7转动，使第二移动圆盘8向靠近风扇1的方向运动，上述两种过程同时工作对测量腔体12内的空气降压，直至动态跟踪测量的测压元件13所测得的空气压强比控制器27计算的气化压强低时控制器27控制第一电机23停止转动，降压过程结束，此时空气中的小液滴已经充分的气化，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，最后，激光器28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30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31将该光信号转变为电信号，经滤波放大器32放大后，传递给微处理器33，微处理器33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34上。上述的为检测装置的工作过程，由降压结束后状态回到工作初始状态靠控制器27控制第一电机23反向运转即可，在此不再赘述，如此循环往复测量，增大测量精度。另外第一行程开关6与第二行程开关9是为了保证第一移动圆盘15在设计的行程内滑动而设计的保护装置，当第一移动圆盘15触碰到任何一个行程开关时，第二电机22或第一电机23立刻停止运作。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种高湿度环境下细微固体颗粒物浓度的检测装置，其特征在于，包括外壳、控制系统、显示处理系统以及位于外壳内的降压系统和测量系统；
所述降压系统的上方设有风扇(1)，降压系统包括第一电机(23)、第二电机(22)、旋转底盘(24)、第一螺纹移动块(2)、第二螺纹移动块(21)、第一螺纹杆(3)、第二螺纹杆(20)、剪叉臂(4)、第一移动块(5)、第二移动块(19)、第一旋转杆(18)、第一移动圆盘(15)和封闭圆盘(11)；
所述第一电机(23)控制旋转底盘(24)转动，所述第二电机(22)、第一螺纹杆(3)和第二螺纹杆(20)设于旋转底盘(24)内，所述第二电机(22)与第一螺纹杆(3)和第二螺纹杆(20)采用锥齿轮传动，所述第二电机(22)控制第一螺纹杆(3)和第二螺纹杆(20)转动，所述第一螺纹移动块(2)通过螺纹连接安装在第一螺纹杆(3)上，所述第二螺纹移动块(21)通过螺纹连接安装在第二螺纹杆(20)上，所述剪叉臂(4)的一端与第一螺纹移动块(2)和第二螺纹移动块(21)连接，剪叉臂(4)的另一端通过第一移动块(5)和第二移动块(19)与第一旋转杆(18)的一端连接；
第一旋转杆(18)的另一端穿过第一降压腔体(17)和测量腔体(12)，所述测量腔体(12)位于第一降压腔体(17)的下方并与第一降压腔体(17)贯通，第一旋转杆(18)与第一移动圆盘(15)通过螺纹连接，第一降压腔体(17)上设有滑道，所述第一移动圆盘(15)的侧面沿圆周方向设有凸起部分，所述第一移动圆盘(15)通过凸起部分与第一降压腔体(17)的滑道滑动连接，所述封闭圆盘(11)通过弹簧(10)安装在外壳的底部，第一旋转杆(18)向下移动使得封闭圆盘(11)向下移动，所述外壳内还设有空气流道(16)，所述空气流道(16)贯通外壳的上下表面；
所述测量系统位于测量腔体(12)内，测量系统包括激光器(28)、空间滤波器与扩束透镜一体装置(29)、散射光收集处理装置(30)和光电转换器(31)，所述激光器(28)通过产生的激光与空间滤波器与扩束透镜一体装置(29)连接，所述空间滤波器与扩束透镜一体装置(29)通过光学作用与所述散射光收集处理装置(30)连接，所述散射光收集处理装置(30)与所述光电转换器(31)电连接；
所述显示处理系统包括滤波放大器(32)、微处理器(33)和显示器(34)，所述滤波放大器(32)、微处理器(33)和显示器(34)依次电连接，所述滤波放大器(32)与所述光电转换器(31)电连接；所述控制系统包括测压元件(13)、测温元件(14)和控制器(27)，所述测压元件(13)和测温元件(14)固定于测量腔体(12)的内壁上，所述控制器(27)与风扇(1)、测压元件(13)、测温元件(14)、降压系统以及测量系统电连接，控制器(27)控制第一电机(23)和第二电机(22)的正反转来控制降压系统中的工作，控制器(27)根据Antoine方程计算出水的气化压强P0并与测压元件(13)测得的测量腔体(12)内的空气压力P相比较，当P小于P0时控制器27控制降压系统中的第一电机(23)停止工作，测量系统开始测量。
2.根据权利要求1所述的一种高湿度环境下细微固体颗粒物浓度的检测装置，其特征在于，所述降压系统还包括辅助降压装置(25)，所述辅助降压装置(25)包括两个相同的降压结构，所述降压结构包括第二旋转杆(7)、第二移动圆盘(8)，所述第二旋转杆(7)的一端与旋转底盘(24)通过齿轮副连接，第二旋转杆(7)的另一端与第二移动圆盘(8)通过螺纹连接，所述第二移动圆盘(8)与第二降压腔体(26)滑动连接，所述第二降压腔体(26)与测量腔体(12)连通。
3.根据权利要求1所述的一种高湿度环境下细微固体颗粒物浓度的检测装置，其特征在于，所述第一降压腔体(17)的滑道两端分别设有第一行程开关(6)和第二行程开关(9)，所述第一行程开关(6)和第二行程开关(9)与控制器(27)电连接，以控制第一移动圆盘(15)的位移量。
4.根据权利要求1所述的一种高湿度环境下细微固体颗粒物浓度的检测装置，其特征在于，所述第一电机(23)与旋转底盘(24)采用圆柱齿轮高副连接，所述旋转底盘(24)与辅助降压装置(25)中的第二旋转杆(7)采用圆柱齿轮高副连接。
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