CN107664674A - 多参数空气品质采集器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多参数空气品质采集器，它涉及空气质量监测技术领域。它包括面盖、底壳、风道挡板、电路板、CO2传感器、TVOC传感器、PM2.5传感器、温湿度传感器和风扇，底壳与安装在上方的面盖组成了采集器的外壳，底壳上安装有电路板，电路板的中部安装有风道挡板，风道挡板一侧的电路板上安装有CO2传感器、TVOC传感器、PM2.5传感器、温湿度传感器、风扇，风道挡板另一侧的电路板上安装有通讯模块，电路板上开设有进线槽孔，面盖与底壳组成的外壳侧面设置有排风口、进风口、网线过线槽、电源线过线槽。本发明实现五项空气质量参数的在线实时监测，降低数据采集的成本，提高了空气质量采集的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及的是空气质量监测技术领域，具体涉及多参数空气品质采集器。
背景技术
由于室内空气品质监测包括多个参数，并不是一个单一参数就能体现室内空气质量的好坏，根据污染物的组成，通常监测参数应包括空气的二氧化碳浓度、细微颗粒物含量、多种有害气体总挥发性有机物的浓度，以及空气的温度和相对湿度，而传统的空气普遍采用单一参数的监测模式，要实现上述所有空气指标的实时监测，就得增加在现场布线的工作量和信道，这样不仅大大提高了数据采集的成本，空气质量采集的可靠性也难以保证，基于此，设计一种新型的多参数空气品质采集器还是很有必要的。
发明内容
针对现有技术上存在的不足，本发明目的是在于提供一种多参数空气品质采集器，结构简单，设计合理，实现五项空气质量参数的在线实时监测，降低数据采集的成本，提高了空气质量采集的可靠性，实用性强，易于推广使用。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：多参数空气品质采集器，包括面盖、底壳、风道挡板、电路板、CO2传感器、TVOC传感器、PM2.5传感器、温湿度传感器和风扇，底壳与安装在上方的面盖组成了采集器的外壳，底壳上安装有电路板，电路板的中部安装有风道挡板，风道挡板一侧的电路板上安装有CO2传感器、TVOC传感器、PM2.5传感器、温湿度传感器、风扇，风道挡板另一侧的电路板上安装有通讯模块，电路板上开设有进线槽孔，面盖与底壳组成的外壳侧面设置有排风口、进风口、网线过线槽、电源线过线槽。
作为优选，所述的面盖与底壳扣接，CO2传感器、TVOC传感器、PM2.5传感器、温湿度传感器、风扇、通讯模块均采用插拔式结构安装在电路板上。
作为优选，所述的进风口设置有两个，网线过线槽、电源线过线槽设置在两个进风口之间，排风口、其中的一个进风口对应设置在风道挡板的同侧，另一个进风口、网线过线槽、电源线过线槽设置在风道挡板的另一侧，风道挡板与装配中心线重合。
作为优选，所述的面盖及底壳组成的采集器外壳采用3003H14、5052铝合金壳体中的一种，面盖表面乳白喷塑，可靠、美观，具有屏蔽干扰，屏蔽内部激光外泄的功能。
作为优选，所述的电路板通过多个自攻平头螺丝安装在底壳上，每个自攻平头螺丝均穿设在定位圆垫柱上，底壳外侧安装有钣金件，钣金件上设置有利于锁紧的凸起部，钣金件上安装有锁钣金件盘头螺丝。
作为优选，所述的CO2传感器采用CO2红外浓度传感器，TVOC传感器采用测量多种污染气体VOC，s浓度的空气质量传感器，PM2.5传感器采用激光粒子PM2.5传感器，温湿度传感器采用数字式温湿度一体化传感器。
本发明的有益效果：能够准确反映室内空气的质量水平，实现空气质量参数的在线实时监测，并减少现场布线的工作量和信道，既能保证空气质量数据的采集具有可靠性和代表性，又能降低数据的采集成本，精度高，可靠性好。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明；
图1为本发明的立体结构示意图；
图2为本发明的平面结构示意图；
图3为图2的右视图；
图4为图2的左视图；
图5为图2的俯视图；
图6为图2的后视图；
图7为本发明电路板与底壳的安装示意图；
图8为本发明钣金件的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
参照图1-8，本具体实施方式采用以下技术方案：多参数空气品质采集器，包括面盖1、底壳2、风道挡板3、电路板4、CO2传感器5、TVOC传感器6、PM2.5传感器7、温湿度传感器8和风扇9，底壳2与安装在上方的面盖1组成了采集器的外壳，底壳2上安装有电路板4，电路板4的中部安装有风道挡板3，风道挡板3一侧的电路板4上安装有CO2传感器5、TVOC传感器6、PM2.5传感器7、温湿度传感器8、风扇9，风道挡板3另一侧的电路板4上安装有通讯模块10，电路板4上开设有进线槽孔11，面盖1与底壳2组成的外壳侧面设置有排风口12、进风口13、网线过线槽14、电源线过线槽15。
值得注意的是，所述的面盖1与底壳2扣接，CO2传感器5、TVOC传感器6、PM2.5传感器7、温湿度传感器8、风扇9、通讯模块10均采用插拔式结构安装在电路板4上；为了方便维护，传感器模块、通讯模块、风扇模块等与主板的连接方式，均要求为插拔式(非焊接)以便利检修、更换和现场安装；仪器壳体要求方便开启，产品应提供免螺丝刀拆卸方法，方便用户现场连接内部RS485接口，并方便客户现场对内部沉积的灰尘进行清理。
值得注意的是，所述的进风口13设置有两个，网线过线槽14、电源线过线槽15设置在两个进风口13之间，排风口12、其中的一个进风口13对应设置在风道挡板3的同侧，另一个进风口13、网线过线槽14、电源线过线槽15设置在风道挡板3的另一侧，风道挡板3与装配中心线重合。
此外，所述的电路板4通过多个自攻平头螺丝16安装在底壳2上，每个自攻平头螺丝16均穿设在定位圆垫柱上，底壳2外侧安装有钣金件18，钣金件18上设置有利于锁紧的凸起部19，钣金件18上安装有锁钣金件盘头螺丝17。
本具体实施方式通讯模块10同时具备WIFI、以太网、RS485三种类型的通讯接口：(1)WIFI接口应支持网络协议IEEE802.11 B/G/N和IEEE802.1X；支持绝大多数WIFI加密方式和算法WEP/WAP-PSK/WAP2-PSK/WAPI；支持加密类型WEP64/WEP128/TKIP/AES；支持通讯协议MODBUS-TCP；故障检测应具有WIFI连接自动监测功能，WIFI连接中断仪器应能自动重启，恢复连接。(2)以太网接口为10/100M自适应RJ45端口；支持通讯协议MODBUS-TCP。(3)RS485接口工作方式为半双工；传输介质为双绞线；传输距离≤1Km；波特率为9600；通讯协议为MODBUS-RTU。
本具体实施方式CO2传感器5采用CO2红外浓度传感器，并具备内部校准功能，在工作温度及工作湿度范围内符合精度指标：
(1)工作原理：红外非扩散式(NDIR)；
(2)测量范围：0-2000ppm(0-3928.6mg/m3，相当于空气中占比0-0.2%，可扩展)；
(3)输出分辨率：1ppm；
(4)测量精度：±40ppm+读数的3%；测量值若超过精度控制范围，用户应能利用标准仪器在现场校正传感器计量的漂移偏差；仪器测量精度还应重点确保在以下标准值附近量程上的数据采集的准确：
①由美国空军Armstrong试验室推荐并采用为美国空军的最低警戒水平的室内空气中的CO2浓度限值≤1080mg/m3(约550ppm，相当于0.055%)；目前国际组织(如USAF)推荐用于保证所有人(包括各种健康状况的敏感人群)长期居住或停留群都感到空气清新、舒适的室内空气环境优异的CO2浓度限值≤0.055%(550ppm约1080mg/m3 ,1h平均)；此标准限值可代表更高舒适度的空气中CO2浓度水平和更优异的室内环境；
②澳大利亚国际健康建筑有限公司(HBI)建议标准规定的室内空气中的CO2浓度限值≤0.07%(700ppm约1375mg/m3,1h平均)；
③世界卫生组织(WHO)和美国加热、制冷和空调工程师协会(ASHREA)推荐标准规定的室内空气中可以接受的CO2浓度限值 ≤0.09%(900ppm约1800mg/m3,1h平均)；
④国家现行标准(GB/T18883)规定的室内空气中的CO2浓度限值 ≤0.1%(1000ppm约1964.3mg/m3,1h平均)，正在修订的国家标准(征求意见稿)规定的室内空气中的CO2浓度调整为限值 ≤0.09%(900ppm约1800mg/m3,1h平均)；
⑤石油大厦现行运行标准依据毒理学和流行病学的研究结果规定的室内空气中的CO2浓度限值≤0.07%(700ppm约1375mg/m3,1h平均)；该研究结果说明：“室内空气中的CO2浓度在0.07%(700ppm约1375mg/m3)时，各类人群人体感觉良好；室内空气中的CO2浓度达到0.1%(1000ppm约1964.3mg/m3)时，个别敏感者有不舒适感，人们长期居住在这样的室内，就会感到难受、精神不振，甚至影响健康。”
(5)工作温度：5-30 ℃；
(6)工作湿度：0-85% RH不结露；
(7)供电电源：4.5-7.0V；
(8)输出方式：PWM输出、串口输出；
(9)使用寿命：10-15年(室内正常使用)。
TVOC传感器6采用测量多种污染气体VOC，s浓度的空气质量传感器，要求灵敏度高，结构紧凑，空气质量TVOC浓度传感器采用微机械技术的金属氧化物半导体(MOS)工艺，可测量VOC，s气体浓度,直接以总挥发性有机物浓度TVOC数值输出，并具有自校正功能，能够在使用过程中自动基线校准。
传感器技术参数：(1)传感技术：采用对多种污染气体VOC，s 敏感的 MEMS 金属氧化物半导体工艺，利用VOC，s与CO2的相关性原理，解决缺少适合在线实时探测VOC，s的感应器件的问题，采取逆新陈代谢规则的RMR技术，能模拟人体对空气质量的感知；计量模块具有自动基线校正功能，其控制算法能够校正传感器的漂移和老化，进而保证工作的一致性；模块通过I2C接口，实现灵活的通讯，方便与微控制器(单片机)连接；
①测量范围：115-2000ppb(0.196-3.413mg/m³, 可扩展)；
②输出分辨率：1ppb(0.001mg/m3)；
③测量精度：±10ppb+读数的10%(±0.01mg+读数的10%)；测量值若超过精度控制范围，用户应能利用标准仪器在现场校正传感器计量的漂移偏差；仪器测量精度还应重点确保在以下标准值附近量程上的数据采集的准确：
Ⅰ、国家绿色奥运建筑评估体系(GOBAS)一级评价标准和美国标准(US-EPA〔1996〕)规定的室内空气中总挥发性有机物TVOC浓度≤0.2mg/m³ (约117ppb, 8h平均)；
Ⅱ、国家绿色奥运建筑评估体系(GOBAS)二级评价标准和德国标准(Seifert〔1990〕)规定的室内空气中总挥发性有机物TVOC浓度≤0.3 mg/m³(约176ppb,8h平均)；
Ⅲ、国家绿色奥运建筑评估体系(GOBAS)三级评价标准和国家现行标准(GB/T18883)规定的室内空气中总挥发性有机物TVOC浓度≤0.6 mg/m³ (约352ppb,8h平均)；
④重复精度：10%。
(2)电特性：①电源：5.0±0.25V，最大20 mV的纹波；②功率消耗 45mA；③输出信号选项I2C0-5V；④第一次开启后读数需要时间15分钟。
(3)环境温度范围：①工作温度：0-50 ℃；②存储温度：-25～50 ℃；③湿度范围：5-95％RH不结露。
(4)使用寿命：5-7年(室内正常使用)。
PM2.5传感器7采用激光粒子PM2.5传感器，可以用于获得单位体积内空气中0.3-10微米悬浮颗粒物个数，即颗粒物浓度，并以数字接口形式输出，同时也可输出每种粒子的质量数据，具有双频数据采集功能，50个标定锚点进行标定，响应书读＜10秒，具备内部校准功能，在工作温度及工作相对湿度范围内符合精度指标。
由于“称重法”使用的采集仪器体积大而价格昂贵，不适合现场在线实时监测，本装置采用基于“激光散射法”的PM2.5传感器，计量的是细颗粒物个数浓度，要想与国家标准规定的质量浓度对接，测量中尚需要将细颗粒物个数浓度准确换算成质量浓度输出，其换算精确度易受环境温湿度等因素的影响。因此，一方面要求传感器的供应商在芯片算法编程时，应充分依据环境温湿度的变化和污染物中重金属组分的变化规律(通过大量的实验数据建立换算模型)自动调整样本的测量精度，另一方面还应具备用户定期使用“称重法”检测仪器或美国TSI DUSTTRAK II 8530 型气溶胶监测仪等精度较高的便携检测仪现场标定修正的手段，即传感器在现场测量的精度超出规定范围时，用户可在现场校正传感器计量的漂移偏差。
(1)测量范围：颗粒直径0.3-10微米，质量浓度0-600μg/m³(微克/立方米，可扩展)；
(2)默认读数：PM2.5、PM10质量浓度 ##.#μg/m³(微克/立方米)
(3)输出分辨率：0.1μg/m³(微克/立方米)
(4)测量精度：±5%；测量值若超过精度控制范围，用户应能利用标准仪器在现场校正传感器计量的漂移偏差；仪器测量精度还应重点确保在以下标准值附近量程上的数据采集的准确：
①世界卫生组织(WHO)“准则值”标准和澳大利亚控制标准规定的空气中PM2.5含量 ≤25μg/m³(24h平均)；
②国家一级控制标准(GB3095—2012)和美国、日本控制标准规定的空气中PM2.5含量≤35μg/m³(24h平均)；
③国家二级控制标准(GB3095—2012)规定的空气中PM2.5含量 ≤75μg/m³(24h平均)；
④国家室内车内环境及环保产品质量监督检验中心规定室内和车内PM2.5测试评价标准为PM2.5含量≤35μg/m3(24h平均)；
(5)响应时间：＜10s；
(6)一致性：±5%；
(7)工作温度：-10-50 ℃；
(8)工作湿度：0～99% RH不结露；
(9)平均无故障时间：＞5年(实时连续运行)；
(10)避免激光外泄。
温湿度传感器8采用数字式温湿度一体化传感器，具有测量精度高，响应时间快，稳定性高等特点。
湿度测量：(1)相对湿度测量范围：0-100％RH；(2)输出分辨率：0.01% RH；(3)测量精度：＜±3％RH；测量值若超过精度控制范围，用户应能利用标准仪器在现场校正传感器计量的漂移偏差；(4)工作温度范围：-40-110 ℃；(5)响应时间：5s；(6)供电：DC 5V；(7)抗结露；(8)使用寿命：＞10年(室内正常使用)。
温度测量：(1)温度测量范围：-40～80 ℃；(2)输出分辨率：0.01oC；(3)测量精度：＜±0.5 ℃，测量值若超过精度控制范围，用户应能利用标准仪器在现场校正传感器计量的漂移偏差；(4)工作温度范围：-40～110 ℃；(5)响应时间：5s；(6)抗结露；(7)使用寿命：＞10年(室内正常使用)。
传感器、电子元器件均应选择低漂移系数的产品，从源头消除长期工作或温湿度影响造成的精度漂移问题；采集器算法软件应具有温湿度补偿功能，根据环境温湿度变化，对采集的数据自动进行修正补偿，保证数据的准确性；产品还应提供用户校准接口，对于监测的5个参数各提供一个零点修正参数和一个增益修正参数，用户可以在现场通过产品内部的RS485 接口对监测值偏差进行校准。
本具体实施方式面盖1及底壳2组成的采集器外壳采用3003H14、5052铝合金壳体中的一种，专业工业级设计，面盖1表面乳白喷塑，可靠、美观，具有屏蔽干扰，屏蔽内部激光外泄的功能，全密闭铝合金结构，具有气闭性和屏蔽性，确保激光无外漏，并提高抗干扰能力。
本具体实施方式采用模块化设计结构，将用于CO2浓度、PM2.5含量、TVOC浓度以及空气的温度和相对湿度等五项参数采集的传感器模块集成在一个主板上，组合成一部整体的空气品质监测仪器，采集器根据现场采用壁挂或吸顶安装方式，利用建筑现有的数据局域网和第三方运营商提供的WIFI无线局域网实现与楼宇自控系统的连接，三个外部通讯接口可根据现场实际情况进行选择使用。
本具体实施方式完全依照数字化精度设计，具有较高的分辨率，具有精度高、一致性好、长期使用稳定可靠的特性，最大程度的降低测量值受环境温湿度变化的影响，传感器芯片中的程序和算法应能够自动调整补偿测量精度，还能够根据需要人为定期校正传感器测量的漂移偏差，特别是对国家或国际空气质量标准规定值及空调调控设置参数的测量点附近的检测数据尤其要求准确；风道设计要求通风良好，确保各传感器测量的是流动空气，并方便污染物清理，避免因风道堵塞、空气流通不畅而影响传感器测量的准确性。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (7)
1.多参数空气品质采集器，其特征在于，包括面盖(1)、底壳(2)、风道挡板(3)、电路板(4)、CO2传感器(5)、TVOC传感器(6)、PM2.5传感器(7)、温湿度传感器(8)和风扇(9)，底壳(2)与安装在上方的面盖(1)组成了采集器的外壳，底壳(2)上安装有电路板(4)，电路板(4)的中部安装有风道挡板(3)，风道挡板(3)一侧的电路板(4)上安装有CO2传感器(5)、TVOC传感器(6)、PM2.5传感器(7)、温湿度传感器(8)、风扇(9)，风道挡板(3)另一侧的电路板(4)上安装有通讯模块(10)，电路板(4)上开设有进线槽孔(11)，面盖(1)与底壳(2)组成的外壳侧面设置有排风口(12)、进风口(13)、网线过线槽(14)、电源线过线槽(15)。
2.根据权利要求1所述的多参数空气品质采集器，其特征在于，所述的面盖(1)与底壳(2)扣接，CO2传感器(5)、TVOC传感器(6)、PM2.5传感器(7)、温湿度传感器(8)、风扇(9)、通讯模块(10)均采用插拔式结构安装在电路板(4)上。
3.根据权利要求1所述的多参数空气品质采集器，其特征在于，所述的进风口(13)设置有两个，网线过线槽(14)、电源线过线槽(15)设置在两个进风口(13)之间，排风口(12)、其中的一个进风口(13)对应设置在风道挡板(3)的同侧，另一个进风口(13)、网线过线槽(14)、电源线过线槽(15)设置在风道挡板(3)的另一侧，风道挡板(3)与装配中心线重合。
4.根据权利要求1所述的多参数空气品质采集器，其特征在于，所述的面盖(1)及底壳(2)组成的采集器外壳采用3003H14、5052铝合金壳体中的一种。
5.根据权利要求1所述的多参数空气品质采集器，其特征在于，所述的电路板(4)通过多个自攻平头螺丝(16)安装在底壳(2)上，每个自攻平头螺丝(16)均穿设在定位圆垫柱上。
6.根据权利要求1所述的多参数空气品质采集器，其特征在于，所述的底壳(2)外侧安装有钣金件(18)，钣金件(18)上设置有利于锁紧的凸起部(19)，钣金件(18)上安装有锁钣金件盘头螺丝(17)。
7.根据权利要求1所述的多参数空气品质采集器，其特征在于，所述的CO2传感器(5)采用CO2红外浓度传感器，TVOC传感器(6)采用测量多种污染气体VOC，s浓度的空气质量传感器，PM2.5传感器(7)采用激光粒子PM2.5传感器，温湿度传感器(8)采用数字式温湿度一体化传感器。
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