CN107144517A - 颗粒物计数器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种颗粒物计数器，包括：进气管、粒径筛分器、微悬臂梁质敏传感器和控制单元，其中，粒径筛分器设置在进气管上，进气管的一端与微悬臂梁质敏传感器的内腔连通，微悬臂梁质敏传感器与控制单元电连接。本发明提供的颗粒物计数器，通过粒径筛分器筛分出待测气体中的纳米级颗粒物，然后通过微悬臂梁质敏传感器吸附筛分出的颗粒物，进而在吸附的颗粒物的作用下产生频移量，并将频移量转化为电信号发送给控制单元，再通过控制单元对电信号进行处理确定出待测气体中的颗粒物的质量，进而计算出颗粒物的数量，可以实现纳米级颗粒物的数量测量。
Description
技术领域
本发明涉及环境监控设备技术领域，尤其涉及一种颗粒物计数器。
背景技术
“十三五”规划进一步强调建设环境友好型社会，对清洁燃煤、低污染燃烧等技术发展的需求持续增长。相关研究表明：机动车、燃煤等高温燃烧源产生的颗粒物是大气环境中一次源颗粒物的主要来源，不同区域、不同季节条件下质量占比在25％-75％之间。
上述这些高温燃烧源产生的颗粒物比较微小，例如：发动机排放的颗粒物浓度峰值粒径小于50纳米。而研究表明，细颗粒物(PM2.5)，尤其是直径小于100纳米的超细颗粒物(PM0.1)对环境和健康的危害很大，其在人体呼吸道中的沉积率高于50％，且越是细小的颗粒物越能深入呼吸道末梢，甚至可以穿透人体肺泡进入血液，引起哮喘、肺癌和心血管疾病等。空气中细小颗粒物的数量越多，对人体的危害越大，因此，有必要对这些颗粒物的数量进行检测，以便于人们了解空气质量参数，进而采取有力有利措施，改善空气质量，降低和避免颗粒物对人体健康的影响。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种颗粒物计数器，用于测量颗粒物的数量。
本发明提供一种颗粒物计数器，包括：进气管、粒径筛分器、微悬臂梁质敏传感器和控制单元，其中，粒径筛分器设置在进气管上，进气管的一端与微悬臂梁质敏传感器的内腔连通，微悬臂梁质敏传感器与控制单元电连接；
进气管用于将待测气体输送至微悬臂梁质敏传感器的内腔；粒径筛分器用于对待测气体中颗粒物的粒径进行筛分；微悬臂梁质敏传感器用于在吸附的待测气体中的颗粒物的作用下产生频移量，并将频移量转化为电信号发送给控制单元；控制单元用于根据电信号确定待测气体中的颗粒物的数量。
在本发明的一实施例中，进气管的另一端连接有气罐。
在本发明的一实施例中，微悬臂梁质敏传感器内设置有加热器，加热器与控制单元电连接；
加热器用于在控制单元的控制下对微悬臂梁质敏传感器的内腔进行加热。
在本发明的一实施例中，微悬臂梁质敏传感器内还设置有温度传感器，温度传感器与控制单元电连接；
温度传感器用于检测微悬臂梁质敏传感器的内腔中待测气体的温度值，并将温度值传输至控制单元，以使控制单元根据温度值控制微悬臂梁质敏传感器的内腔温度。
在本发明的一实施例中，微悬臂梁质敏传感器的外表面包裹有保温套，保温套的外表面覆盖有绝缘材料。
在本发明的一实施例中，颗粒物计数器还包括：出气管，出气管的一端与微悬臂梁质敏传感器的内腔连通。
在本发明的一实施例中，出气管上设置有高效空气过滤器。
在本发明的一实施例中，出气管上设置有泵，泵用于将进气管中的待测气体输送至微悬臂梁质敏传感器的内腔。
在本发明的一实施例中，微悬臂梁质敏传感器的内腔中设置有电风扇，电风扇与控制单元电连接，电风扇用于将微悬臂梁质敏传感器的内腔中的颗粒物吹出。
本发明实施例提供的颗粒物计数器，通过粒径筛分器筛分出待测气体中的纳米级颗粒物，然后通过微悬臂梁质敏传感器吸附筛分出的颗粒物，进而在吸附的颗粒物的作用下产生频移量，并将频移量转化为电信号发送给控制单元，再通过控制单元对电信号进行处理确定出待测气体中的颗粒物的质量，进而计算出颗粒物的数量，实现了纳米级颗粒物的数量测量。
附图说明
图1为本发明提供的颗粒物计数器实施例一的结构示意图；
图2为本发明提供的颗粒物计数器实施例二的结构示意图。
附图标记说明：
1-进气管；
2-粒径筛分器；
3-微悬臂梁质敏传感器；
4-控制单元；
5-气罐；
6-加热器；
7-温度传感器；
8-出气管；
9-高效空气过滤器；
10-泵；
11-电风扇。
具体实施方式
针对目前空气中纳米级颗粒物对环境和健康的危害，本发明提供一种颗粒物计数器，主要通过微悬臂梁质敏传感器对空气中的颗粒物进行检测，再通过控制单元计算出颗粒物的数量，以便于人们了解空气质量参数，进而采取有力有利措施，改善空气质量，降低和避免颗粒物对人体健康的影响。
下面结合附图，对本发明的实施例进行描述。
图1为本发明提供的颗粒物计数器实施例一的结构示意图，如图1所示，本实施例提供的颗粒物计数器包括：进气管1、粒径筛分器2、微悬臂梁质敏传感器3和控制单元4，其中，粒径筛分器2设置在进气管1上，进气管1的一端与微悬臂梁质敏传感器3的内腔连通，微悬臂梁质敏传感器3与控制单元4电连接；进气管1用于将待测气体输送至微悬臂梁质敏传感器3的内腔；粒径筛分器2用于对待测气体中颗粒物的粒径进行筛分；微悬臂梁质敏传感器3用于在吸附的待测气体中的颗粒物的作用下产生频移量，并将频移量转化为电信号发送给控制单元4；控制单元4用于根据电信号确定待测气体中的颗粒物的数量。
具体的，进气管1与微悬臂梁质敏传感器3之间可通过螺栓连接，并使用密封胶密封连接处，以保证气密性；当然，进气管1与微悬臂梁质敏传感器3之间也可以为一体结构，具体可根据需要选择，本实施例不做特别限制。
粒径筛分器2可以筛分出待测气体中不同粒径的颗粒物，本实施例中，通过选择合适的粒径筛分器2，可以筛分出纳米级颗粒物。另外，待测气体通过粒径筛分器2筛分后，进入微悬臂梁质敏传感器3的颗粒物的粒径分布会比较均匀，则最终计算出的颗粒物的数量会更加准确。
微悬臂梁质敏传感器3由压电材料层和微悬臂梁等部件组成，当待测气体中的颗粒物吸附在压电材料层时，微悬臂梁的共振频率会发生变化，频移的大小反映了吸附的颗粒物的多少。通过检测微悬臂梁的振动频率的变化，将频移量转化为电信号，再进行信号处理，就可以得到颗粒物的总质量。微悬臂梁质敏传感器3使用自激振荡电路测量微悬臂梁质敏传感器3的频率信号(即上述电信号)，并实时将频率信号传送给控制单元4。
控制单元4具体可以是单片机等处理设备，其可以通过使能端ENB和数据传输端D1-D4与微悬臂梁质敏传感器3电连接。控制单元4具体可以包括信号采集单元、处理单元和外部通信单元等。控制单元4可以通过信号采集单元采集微悬臂梁质敏传感器3的电信号；通过处理单元对采集的电信号进行处理，获得颗粒物的质量信号；通过外部通信单元(如串口通信等)与下位机(如屏幕、操控平台等)以及上位机(如PC等)进行通信。下位机或这上位机中编有程序，可对颗粒物计数器的各项参数(如经过控制单元4处理后的电信号)进行显示以及设置，并实时以数字和变化图谱的形式显示，在此，本发明不做具体论述。
本实施例提供的颗粒物计数器在具体使用时，先通过进气管1将待测气体输送至微悬臂梁质敏传感器3的内腔；当待测气体中的颗粒物吸附在微悬臂梁质敏传感器3的压电材料层时，微悬臂梁的共振频率发生变化，频移量的大小反映了吸附的颗粒物的多少，微悬臂梁质敏传感器3将检测到的微悬臂梁的频移量转化为电信号发送给控制单元4；控制单元4接收到该电信号后，对该电信号进行信号处理，可以得到颗粒物的总质量，又已知单个颗粒物的质量，就可以计算出颗粒物的数量。
本实施例提供的颗粒物计数器，通过粒径筛分器筛分出待测气体中的纳米级颗粒物，然后通过微悬臂梁质敏传感器吸附筛分出的颗粒物，进而在吸附的颗粒物的作用下产生频移量，并将频移量转化为电信号发送给控制单元，再通过控制单元对电信号进行处理确定出待测气体中的颗粒物的质量，进而计算出颗粒物的数量，实现了纳米级颗粒物的数量测量。
图2为本发明提供的颗粒物计数器实施例二的结构示意图，本实施例是对上述图1所示实施例的进一步优化补充。如图2所示，在上述图1所示实施例的基础上，本实施例提供的颗粒物计数器，进气管1的另一端连接有气罐5。
具体的，气罐5中盛装待测气体，控制单元4可以根据气罐5的体积计算颗粒物的浓度。
本实施例中的所有部件均可以在常温或高温下使用，不受采样温度的限制。采样高温待测气体时，为了防止待测气体中的挥发性物质冷凝，可以在微悬臂梁质敏传感器3内设置加热器6和温度传感器7，加热器6和温度传感器7均与控制单元4电连接。在使用时，通过温度传感器7检测微悬臂梁质敏传感器3的内腔中待测气体的温度值，并将该温度值传输至控制单元4，控制单元4根据该温度值控制加热器6对微悬臂梁质敏传感器3的内腔进行加热，使微悬臂梁质敏传感器3的内腔达到预设温度(例如250℃)。
另外，为了减少散热损失，并保证微悬臂梁质敏传感器3内部温度尽量均匀，可以在微悬臂梁质敏传感器3的外表面包裹保温套(未示出)，并且可以进一步在保温套的外表面覆盖绝缘材料(未示出)，以保证安全性。
作为一种可选的实施方式，本实施例中的颗粒物计数器还可以包括：出气管8，出气管8的一端与微悬臂梁质敏传感器3的内腔连通。当测量完待测气体后，通过出气管8将微悬臂梁质敏传感器3的内腔中的待测气体排出。
具体的，出气管8与微悬臂梁质敏传感器3之间可通过螺栓连接，并使用密封胶密封连接处，以保证气密性；当然，出气管8与微悬臂梁质敏传感器3之间也可以为一体结构，具体可根据需要选择，本实施例不做特别限制。
进一步的，为了减少环境污染，可以在出气管8上设置高效空气过滤器9(HighEfficiency Particulate Air filter，HEPA)，通过该高效空气过滤器9对微悬臂梁质敏传感器3的内腔中排出的待测气体进行过滤，滤除待测气体中的颗粒物，以降低环境污染。
另外，还可以在出气管8上设置泵10，在进行检测时，通过泵10将进气管1中的待测气体快速输送至微悬臂梁质敏传感器3的内腔。
此外，微悬臂梁质敏传感器3的内腔中还可以设置电风扇11，电风扇11与控制单元4电连接。当检测完待测气体，将待测气体从微悬臂梁质敏传感器3的内腔中排出时，可以通过控制单元4启动电风扇11，将微悬臂梁质敏传感器3的内腔中压电材料层上吸附的颗粒物吹出，以保证下次检测的准确性。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (9)
1.一种颗粒物计数器，其特征在于，包括：进气管、粒径筛分器、微悬臂梁质敏传感器和控制单元，其中，所述粒径筛分器设置在所述进气管上，所述进气管的一端与所述微悬臂梁质敏传感器的内腔连通，所述微悬臂梁质敏传感器与所述控制单元电连接；
所述进气管用于将待测气体输送至所述微悬臂梁质敏传感器的内腔；所述粒径筛分器用于对所述待测气体中颗粒物的粒径进行筛分；所述微悬臂梁质敏传感器用于在吸附的所述待测气体中的颗粒物的作用下产生频移量，并将所述频移量转化为电信号发送给所述控制单元；所述控制单元用于根据所述电信号确定所述待测气体中的颗粒物的数量。
2.根据权利要求1所述的颗粒物计数器，其特征在于，所述进气管的另一端连接有气罐。
3.根据权利要求1所述的颗粒物计数器，其特征在于，所述微悬臂梁质敏传感器内设置有加热器，所述加热器与所述控制单元电连接；
所述加热器用于在所述控制单元的控制下对所述微悬臂梁质敏传感器的内腔进行加热。
4.根据权利要求3所述的颗粒物计数器，其特征在于，所述微悬臂梁质敏传感器内还设置有温度传感器，所述温度传感器与所述控制单元电连接；
所述温度传感器用于检测所述微悬臂梁质敏传感器的内腔中待测气体的温度值，并将所述温度值传输至所述控制单元，以使所述控制单元根据所述温度值控制所述微悬臂梁质敏传感器的内腔温度。
5.根据权利要求3所述的颗粒物计数器，其特征在于，所述微悬臂梁质敏传感器的外表面包裹有保温套，所述保温套的外表面覆盖有绝缘材料。
6.根据权利要求1所述的颗粒物计数器，其特征在于，还包括：出气管，所述出气管的一端与所述微悬臂梁质敏传感器的内腔连通。
7.根据权利要求6所述的颗粒物计数器，其特征在于，所述出气管上设置有高效空气过滤器。
8.根据权利要求6所述的颗粒物计数器，其特征在于，所述出气管上设置有泵，所述泵用于将所述进气管中的所述待测气体输送至所述微悬臂梁质敏传感器的内腔。
9.根据权利要求6所述的颗粒物计数器，其特征在于，所述微悬臂梁质敏传感器的内腔中设置有电风扇，所述电风扇与所述控制单元电连接，所述电风扇用于将所述微悬臂梁质敏传感器的内腔中的颗粒物吹出。
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| TA01 | Transfer of patent application right | ||
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Effective date of registration: 20180426 Address after: 430223 -1, No. 13, Huazhong University of Science and Technology, East Lake New Technology Development Zone, Wuhan, Hubei, 3, No. 2, R & D building, 1, R & D building, modern service center, Huazhong University of Science and Technology park. Applicant after: Tianjin Airlines (Wuhan) Technology Co., Ltd. Address before: 100191 Beijing Haidian District Xueyuan Road 37 new main building of Beihang University D315 Applicant before: Beihang University |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20170908 |