CN108279193A - 基于积分球的粉尘气体浓度检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种检测装置。目的是提供一种粉尘气体浓度检测装置，该装置能依次检测气体中的粉尘浓度和有害气体含量，具有检测数据准确、检测效率高以及检测成本较低的特点。技术方案是：基于积分球的粉尘气体浓度检测装置；其特征在于该装置包括通过管路依序连通的粉尘与气体预处理单元、积分球检测单元以及排放口，所述积分球检测单元的入口与出口之间又通过带有阀门的管道接入粉尘与气体回流单元；积分球检测单元还通过数据线将检测信号输至数据信号的分析处理单元。
Description
技术领域
本发明涉及一种检测装置，尤其是粉尘与气体浓度的检测装置。
背景技术
近年来，随着国家和民众对生态环境要求的不断提高，空气质量特别是工业领域空气质量受到人们越来越多的关注。在不少的工业领域，粉尘与有害气体同时存在；而目前的装置只能对粉尘气体或有害气体中的一种进行检测，如要检测两种则必须要两台不同的仪器；不但增加了检测工作量，降低了检测工作效率，也增大了投资费用和检测成本。
发明内容
本发明的目的是克服上述背景技术的不足，提供一种粉尘气体浓度检测装置，该装置能依次检测气体中的粉尘浓度和有害气体含量，具有检测数据准确、检测效率高以及检测成本较低的特点。
本发明提供的技术方案是：基于积分球的粉尘气体浓度检测装置；其特征在于该装置包括通过管路依序连通的粉尘与气体预处理单元、积分球检测单元以及排放口，所述积分球检测单元的入口与出口之间又通过带有阀门的管道接入粉尘与气体回流单元；积分球检测单元还通过数据线将检测信号输至数据信号的分析处理单元。
所述粉尘与气体预处理单元设有相互独立的空白气体管路、标准浓度粉尘或气体管路、待测粉尘或气体管路；三条管路并联接入气体混合稀释容器后，再输入积分球检测单元；三条管路中的每条管路均依序布置有过滤网、气泵以及流量计。
所述粉尘与气体回流单元包括并联相接的粉尘回流支路以及气体回流支路；所述粉尘回流支路由除尘器与气泵连接而成；所述气体回流支路由气体处理装置与气泵连接而成。
所述粉尘与气体预处理单元与积分球检测单元连通的管路上配置着温度计、湿度计和气压计。便于实时了解粉尘气体或有害气体的状态，避免在测量时因这些因素而产生误差。
所述气体混合稀释容器制作有一个空白气体进气孔、四个待测气体进气孔和一个出气孔，每个待测气体进气孔均安装单向阀。
所述积分球制作有三个入口和三个出口，每个入口处均安装流量计和单向阀，使得每个入口的样本气体流量分别可调且相互独立。通过三个入口与出口以及流量计的设置，确保进入积分球内部的待测气体能快速达到均匀状态，保证检测的稳定性。同时这三个入口与出口均在同一个平面上且对称分布。
每个入口的积分球内侧对应安装着挡板，以使从入口流入的待测粉尘气体快速、均匀地充满整个积分球。
所述三个出口与三个入口对称布置，以使待测气体在积分球内分布更均匀。
所述积分球上分别开设有可见光的光源进口以及光源出口；光源进口与光源出口的轴线相互垂直。
所述积分球上分别开设有紫外光的紫外光进口和紫外光出口；紫外光进口与紫外光出口的轴线相互垂直。
上诉的可见光与紫外光的出入口在积分球的同一平面上，粉尘或有害气体的出入口也在同一平面上，且这两个平面互相垂直。
光源出口部位分别安装有CCD传感器和紫外光传感器。
数据信号分析处理单元由数据分析与计算模块、浓度比较与显示模块两部分组成。数据分析与计算模块可计算出粉尘气体或有害气体的浓度值；浓度比较与显示模块可显示所测得的浓度值，并将所得的浓度值与国家标准比较，在未达标时发出警报声。
本发明的工作原理是：
检测粉尘或有害气体时先通过预处理单元进行稀释、流量计算等处理，接着进入积分球检测装置，与光完全发生作用后产生特征光谱，然后再对其产生的信号进行分析与计算，得到粉尘或有害气体浓度的数据；最后排放被检气体。
检测粉尘与气体的混合物时，先由积分球检测装置检测粉尘浓度，然后通过回流装置除去粉尘颗粒物，再由积分球检测装置检测有害气体的浓度。
本发明的有益效果是：
1)稀释系统：在工业领域中粉尘气体和有害气体的浓度较大，通常检测时由于其较高的浓度而使检测结果的精确性受到较大影响。本发明采用的稀释系统，可将高浓度的粉尘气体和有害气体稀释到任意倍数，再通过对检测结果的换算得出待测样本的原始浓度，提高了可检测的浓度范围。
2)积分球装置：目前的任何检测方法都有检测的浓度下限，当粉尘气体或有害气体的浓度低于下限时，该检测装置就无法准确的检测出结果。而目前通用的方法是扩大检测腔室或增加反射的次数，但该方法会造成检测装置体积的大大增加，且存在部分不被光线照到的区域，即造成部分体积的浪费。本发明采用了积分球装置，光线进入积分球内部后，会在积分球内部形成多次反射，充分利用了积分球内部的每一寸空间，在同样的体积下大大扩大了光程，提高了检测范围。
3)目前的大多数装置只能对含粉尘气体和有害气体中的一种进行检测，如要检测两种则必须要两台不同的仪器。本发明提供了一种能检测粉尘气体和有害气体两种物质的装置，大大提高了检测效率。
附图说明
图1是本发明的结构框架示意图。
图2是本发明中的气体流程示意图。
图3是本发明中气体混合稀释容器的结构示意图。
图4是本发明中积分球的气路结构示意图。
图5是本发明中积分球的光路结构示意图。
图6是本发明中可见光信号处理流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图所示的实施例进一步说明。
一、检测原理
(1)粉尘检测原理：当一束光强已知的可见光照向粉尘气体时，部分光被粉尘吸收，部分光通过粉尘发生散射，其余的按原方向继续前进。其中余下的光的强度与粉尘的浓度存在一定的比例关系，具体的原理是朗伯比尔定律，即
I＝I0e-kLC (1)
其中：I为透射光强度；I0为入射光强度；L为光程；C为待测的粉尘浓度；
k为消光系数，它与光的波长，粉尘的粒径分布和粉尘的折射率等有关。通常情况下对于粒径分布按其性质通过计算取其平均值。
实际检测粉尘时，先通过标定步骤，得到光学数据与粉尘之间的数学关系，再由积分球检测装置对待测粉尘进行检测，得出光学数值，通过已经得到的数学关系计算出待测粉尘的浓度值。
(2)气体检测原理：紫外光与可见光一样，都具有波粒二象性，在研究其与气体相互作用时考虑其粒子性，即气体分子只有在吸收的辐射光子能量与其自身的能级差一致时，才会发生强烈的吸收反应。
气体浓度与紫外辐射能量之间的关系遵循朗伯比尔定律，即：
式中，λ表示波长；I(λ)为紫外辐射与气体作用后的紫外光强度；I0(λ)为紫外光的初始强度；σi(λ)为第i种气体的吸收截面；Ci为第i种气体的浓度；L为光程；n为所测的气体的种类数；εR(λ)和εR(λ)分别表示瑞利散射系数和米散射造成的光强衰减。
在实际检测过程中：
σi(λ)＝σ′i(λ)+σ″i(λ) (3)
式中，σ′i表示宽带吸收；σ″i表示窄带吸收。将(3)式代入1式并经过变形后得：
式中A(λ)为衰减因子。
再将4式变形后得：
由(5)式可知出射光强I与浓度c之间存在数学关系。
二、装置构成
图1所示的基于积分球的粉尘气体浓度检测装置中：粉尘与气体预处理单元、积分球检测单元以及排放口通过管路依序连通，所述积分球检测单元的入口与出口之间又通过带有阀门的管道接入了粉尘与气体回流单元；积分球检测单元还通过数据线将检测信号输至数据信号的分析处理单元。
(一)气路系统
此系统主要包括粉尘气体预处理单元、气体稀释装置、积分球中的气路设计。
如图2所示，粉尘气体预处理单元分别设有空白气体管路、标准浓度粉尘或气体管路、待测粉尘或气体管路，这三种管路之间相互独立。图中所示的单通阀、三通阀、过滤网、气泵和流量计均选用同一型号的产品，以防止不同型号产品可能带来的系统误差。
1.标定过程：检测粉尘时，取已知浓度为c1，c2，...，cn的粉尘样本n个(其中浓度ci＜ci+1)，先将c1浓度的粉尘样本通入积分球检测装置，得到一组图像与粉尘浓度的数据值。而后依次通入浓度为c2，c3，...，cn的粉尘样本，得到n组图像与粉尘浓度的数据值。对这n组数据进行数学计算后可拟合出图像数据与粉尘质量浓度之间的对应关系。但在样本改变时需要对其重新进行标定，即不同种类的样本与图像数据之间的对应关系是唯一的，在检测某种样本时，只能用该种样本与图像数据之间的对应关系计算。
检测有害气体时，通过光学装置，在积分球内用不同波长的紫外光对有害气体进行检测，得到多组数据，再对这些数据进行分析与计算可得出每种气体的浓度情况。
2.检测过程：
①单独检测粉尘气体：将待测的粉尘气体通入管路后，依次经过过滤网、气泵、流量计、温度计、湿度计和气压计，然后再进入积分球，通过积分球上的光学装置测得粉尘的图像数据，再通过粉尘浓度与图像数据间的对应关系计算出粉尘的浓度值。
②单独检测有害气体：将待测的气体通入管路后，依次经过过滤网、气泵、流量计、温度计、湿度计和气压计，然后再进入积分球，通过积分球上的光学装置测得紫外光与气体充分作用后的光强信号，再运用数学方法对光强信号进行分析与计算后可得出有害气体的浓度值。
③检测粉尘与气体的混合物：将待测的粉尘气体混合物通入管路后，依次经过过滤网、气泵、流量计、温度计、湿度计和气压计，然后再进入积分球。先打开粉尘气体的光学检测装置，对粉尘浓度进行检测；得到检测数据后再打开一号三通阀1和三号三通阀3，让粉尘气体混合物通过回流装置中的除尘器以去除粉尘颗粒物；接着将除尘后的气体再次通入积分球，打开有害气体的光学检测装置，对有害气体浓度进行检测，从而分别得到粉尘与有害气体的浓度值。
气体处理装置为一个装有化学溶剂的密闭容器，操作时将有害气体通入该溶器，利用有害气体与溶剂发生化学反应的特性将其除去。溶剂选择能与有害气体发生化学反应的化学溶剂。在有害气体种类发生变化时需对溶剂进行调整。气体处理装置也可以采用其它的处理方法，如吸附法、电子束照射法等。
(二)稀释系统
如图3所示，待测样本(待测气体)在一气体混合稀释容器(图中显示是圆球形密封容器)内稀释。空白气体从空白气体进气孔11进入，通过输入管道上的气孔13向周围喷射。待测样本分别从4个待测气体进气孔121，孔122，孔123，孔124进入，每个孔的入口处均安装有单向阀。待测样本进入容器后与管道孔13上喷射出的空白气体相互碰撞、混合，最后稀释后的气体在推流作用下从出气孔14处流出。
如图4所示，待测样本稀释后分为3份，分别从积分球23的三个入口221，入口222，入口223进入，每个入口处均安装由流量计和单向阀，使得每个入口的样本气体流量分别可调且相互独立。在每个样本气体入口内部(位于积分球内部)分别安装挡板211，挡板212，挡板213，挡板的表面涂有和积分球内表面相同材料的涂层。待测样本从入口流入后遇到挡板，使得待测样本向四周流动，从而保证待测样本能快速、均匀地充满整个积分球。随后待测样本从积分球三个出口251，出口252，出口253处流出，并汇合到同一管路，出口251，出口252，出口253的位置分别与入口231，入口232，入口233的位置相互对称，以增加待测样本在积分球内的均匀性。
在检测时，当待测样本(待测气体)浓度过高，超过积分球检测装置的检测范围时，就会使得检测出的结果不准确甚至无效。通过稀释装置(图3所示)，利用流量计控制空白气体与待测气体的体积比值，达到对待测气体稀释倍数的精确控制，使得本发明可以对任意高浓度样本进行检测。
(三)光路系统
检测粉尘气体与有害气体的过程相同；打开积分球上的固定光源(紫外光源或可见光源)，光线在积分球内部发生多次反射，与积分球内部的待测样本完全作用，产生特征光谱并照射到积分球上的CCD传感器或紫外传感器上；通过传感器将所得的光信号转换成可用的电信号，再通过进一步的信号处理得到可用的数据和最终的检测值。
具体如图5所示；在积分球上开一光源进口31作为可见光的光源入口，在与光源进口垂直的位置另开一个光源出口32作为可见光的光源出口(即可见光传感器的设置点)。光线从可见光的光源进口31进入积分球内部后，在积分球内表面图层24上发生多次漫反射且与粉尘完全作用，在光源出口32处产生特征光谱，并被安置在该部位的CCD传感器接收，然后再对接收到的数据信号分析与计算，得到最后的粉尘浓度值。
同样的，在积分球上与光源出口32相对称的位置开一紫外光的光源进口34作为紫外光的光源入口，在与可见光的光源进口31相对称的位置开一紫外光源出口35作为紫外光的光源出口(即紫外光传感器的设置点)。紫外光线从紫外光源进口进入积分球内部后，在积分球内与有害气体完全作用，在紫外光源出口处产生特征光谱，并被安置在该部位的紫外光传感器接收，然后再对接收到的数据信号分析与计算，得到最后的有害气体的浓度情况。
1、光源
光源是一个提供有效入射光的装置，它必须能产生适当强度的光线，且光强可调，光源稳定，光源的波长符合设计要求，以保证检测时的稳定性和有效性。
可见光源：基于粉尘的性质采用单一的红色激光源。
紫外光源：由于煤炭燃烧后的污染物以SO2、NOX为主，故选择波长可调的紫外光源。
2、透镜(CCD传感器自带)
透镜的作用是将积分球内各个方向射来的光线汇聚在一个焦点上，起到聚光的作用。CCD传感器与紫外光传感器分别对准透镜的焦点，便于光线的聚集。
(四)信号处理系统
信号处理系统包括可见光信号处理模块和紫外光信号处理模块(可外购获得)。
①可见光信号处理模块：主要由CCD传感器、信号放大器、A/D转换器组成。
总体流程如下图6所示，CCD传感器(图像传感器)将收到光信号转化为电信号，经PGA(可编程增益放大器)放大后，通过A/D转换器转化为数字信号，再通过DSP对数字信号进行处理，通过NTSC编码器进行编码，以方便传输。然后由D/A转换器转化为可用的图像信号，再对图像进行后期处理得到有用的图像数据。
有关图像数据处理的硬件种类较多，且经过多年发展目前已有集成化的硬件芯片组合。这种产品能通过CCD传感器搜集光学信号，实现光电转换，然后对电信号进行放大、滤波等处理，完成对图像的修正等处理，并将电信号转换成数字信号保存到特定的存储区域。实现了一步操作，大大简化了过程。在图像后期处理时，只需要通过特定的仪器将储存的信号还原成图像，再对图像进行特定的计算。建立图像数据与粉尘浓度之间的关系，而后利用这一关系得到最终的粉尘浓度值。
②紫外光信号处理模块：主要由光电倍增管、信号放大器、A/D转换器组成。
光电倍增管将接收到的紫外光信号转换成电信号，然后通过放大电路将电信号放大，由A/D转换器将电信号转换成数字信号，再由计算机接收到数字信号并进行分析与计算。通过对光谱的平移、压缩和拉伸等动作除去信号中的一些干扰因素，最后利用数学方法可得出各种气体的浓度值。
Claims (7)
1.基于积分球的粉尘气体浓度检测装置；其特征在于该装置包括通过管路依序连通的粉尘与气体预处理单元、积分球检测单元以及排放口，所述积分球检测单元的入口与出口之间又通过带有阀门的管道接入粉尘与气体回流单元；积分球检测单元还通过数据线将检测信号输至数据信号的分析处理单元。
2.根据权利要求1所述的基于积分球的粉尘气体浓度检测装置，其特征在于：所述粉尘与气体预处理单元设计有相互独立的空白气体管路、标准浓度粉尘或气体管路、待测粉尘或气体管路；三条管路并联接入气体混合稀释容器后，再输入积分球检测单元；三条管路中的每条管路均依序布置有过滤网、气泵以及流量计。
3.根据权利要求2所述的基于积分球的粉尘气体浓度检测装置，其特征在于：所述粉尘与气体回流单元包括并联相接的粉尘回流支路以及气体回流支路；所述粉尘回流支路由除尘器与气泵连接而成；所述气体回流支路由气体处理装置与气泵连接而成。
4.根据权利要求3所述的基于积分球的粉尘气体浓度检测装置，其特征在于：所述粉尘与气体预处理单元与积分球检测单元连通的管路上配置着温度计、湿度计和气压计。
5.根据权利要求4所述的基于积分球的粉尘气体浓度检测装置，其特征在于：所述气体混合稀释容器制作有一个空白气体进气孔、四个待测气体进气孔和一个出气孔，每个待测气体进气孔均安装有单向阀。
6.根据权利要求5所述的基于积分球的粉尘气体浓度检测装置，其特征在于：所述积分球上分别开设有可见光的光源进口(31)以及光源出口(32)；光源进口与光源出口的轴线相互垂直。
7.根据权利要求6所述的基于积分球的粉尘气体浓度检测装置，其特征在于：所述积分球上分别开设有紫外光的紫外光进口(34)和紫外光出口(35)；紫外光进口与紫外光出口的轴线相互垂直。
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