CN109632589A - 一种大气颗粒物检测装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种大气颗粒物检测装置，包括检测空间、进气嘴、出气嘴，第一检测点、第二检测点、用于检测所述第一检测点的颗粒物浓度与直径的第一检测单元，用于检测所述第二检测点的颗粒物成份的第二检测单元，以及连接所述第一检测单元与所述第二检测单元的光电检测电路，由于本发明通过第一检测单元检测第一检测点的气体内的颗粒物浓度、直径，当第一检测点的气体随着气流移动至第二检测点时通过第二检测单元再次检测该些气体内的颗粒物成份。

Description

一种大气颗粒物检测装置和方法
技术领域
本发明涉及气体检测领域，特别是一种用于测量大气中颗粒物的浓度、直径和成份的检测装置和方法。
背景技术
颗粒物（PM2.5、PM10）污染是大气环境污染的首要因素之一。目前，对颗粒物污染程度的描述是根据颗粒物的浓度来衡量的。然而，不同的颗粒物对人体危害程度亦不相同。例如，同样浓度的沙尘和含有重金属的气溶胶颗粒物，其危害程度差别很大。随着大气污染防治的进一步深入，单一的颗粒物浓度信息已经远远不能满足环境治理的需要。大气颗粒物成分检测系统可以测量颗粒物的成分。通过颗粒物的成分一方面就可以更准确的求出颗粒物的危害程度。另一方面，可以求出颗粒物的来源。为空气质量治理提供更加科学的依据。
大气颗粒物成分检测最初是通过颗粒物采样器，把颗粒物收集在滤膜上带回实验室，用实验室仪器进行离线分析。这种方式检测周期长，检测能力非常有限。后来，有一些公司通过自动在线方式，将颗粒物富集在滤膜上，再利用X射线荧光光谱法、中子活化分析法等原理进行检测。这类方法检测精度低，存在放射性风险，不能对单个颗粒物的成分进行检测。单颗粒物气溶胶质谱仪是利用质谱的方法，可以对单个颗粒物的成分进行检测。但是，单颗粒物气溶胶质谱仪结构复杂，体积笨重，不适合现场检测。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够检测大气中颗粒物的浓度、直径和成份的检测装置。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种大气颗粒物检测装置，包括检测空间、位于所述检测空间一端部的进气嘴、位于所述检测空间另一端部的出气嘴，设置在所述检测空间内靠近所述进气嘴的第一检测点、设置在所述检测空间内靠近所述进出嘴的第二检测点、用于检测所述第一检测点的颗粒物浓度与直径的第一检测单元，用于检测所述第二检测点的颗粒物成份的第二检测单元，以及连接所述第一检测单元与所述第二检测单元的光电检测电路，所述光电检测电路根据所述检测空间内气流速度计算出颗粒物自所述第一检测点移动到所述第二检测点需要的时间T，所述第二检测单元在所述第一检测单元检测到所述颗粒物的所述时间T后进行检测。
优选地，所述第一检测单元包括第一光源、将所述第一光源发出的检测光汇聚至所述第一检测点的第一汇聚透镜组、收集所述第一检测点的散射光的第一检测透镜组和光电探测器。
进一步优选地，所述第一光源为连续光功率的激光器。
进一步优选地，当所述颗粒物通过第一检测点时被检测光照射，所述颗粒物对检测光阻挡并产生散射光，所述第一汇聚透镜组将所述散射光汇聚到光电探测器，使得所述光电探测器产生一个脉冲幅度与所述颗粒物的直径成正比的脉冲信号。
进一步优选地，所述光电检测电路在接收到所述脉冲信号的后向所述第二检测单元发出检测信号，所述第二检测单元在收到所述检测信后延迟所述时间T后开始检测。
优选地，所述第二检测单元包括第二光源、将所述第二光源发出的检测光汇聚至所述第二检测点的第二汇聚透镜组、收集穿过所述第二检测点的辐射光谱的第二检测透镜组和光谱仪。
进一步优选地，所述第二光源包括脉冲激光器和触发所述脉冲激光器发出脉冲激光的脉冲激光触发器，所述光电检测电路在所述第一检测单元检测的时间T后通过所述脉冲激光触发器控制所述脉冲激光器发出脉冲激光。
进一步优选地，所述脉冲激光器至少设置有两个，所述光电检测电路通过所述第一检测单元检测到的颗粒物直径调节所述脉冲激光器发光的数量。
进一步优选地，所述脉冲激光器发光的数量与所述第一检测单元检测到的颗粒物直径成正比。
一种大气颗粒物检测方法，采用上述的大气颗粒物检测装置检测大气颗粒物的浓度、直径和成份。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
由于本发明通过第一检测单元检测第一检测点的气体内的颗粒物浓度、直径，当第一检测点的气体随着气流移动至第二检测点时通过第二检测单元再次检测该些气体内的颗粒物成份。
附图说明
附图1为本发明的示意图。
以上附图中：1、检测空间；11、进气嘴；12、出气嘴；21、第一检测点；22、第二检测点；3、光电检测电路；41、连续光功率激光器；42、第一汇聚透镜组；43、第一检测透镜组；44、光电探测器；51、脉冲激光器；52、脉冲激光触发器；53、第二汇聚透镜组；54、第二检测透镜组；55、光谱仪。
具体实施方式
下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步描述：
参见附图1所示，一种大气颗粒物检测装置，包括检测空间1、位于检测空间1一端部的进气嘴11、位于检测空间1另一端部的出气嘴12，设置在检测空间1内靠近进气嘴11的第一检测点21、设置在检测空间1内靠近进出嘴的第二检测点22、用于检测第一检测点21的颗粒物浓度与直径的第一检测单元，用于检测第二检测点22的颗粒物成份的第二检测单元，以及连接第一检测单元与第二检测单元的光电检测电路3。光电检测电路3根据检测空间1内气流速度计算出颗粒物自第一检测点21移动到第二检测点22需要的时间T，并控制第二检测单元在第一检测点21检测的时间T后进行检测。此时第二检测单元检测的气体内的颗粒物为时间T前第一检测位置的气体内的颗粒物。由此，便可以确定该颗粒物的浓度、直径和成份。
第一检测单元包括连续光功率激光器41、第一汇聚透镜组42、第一检测透镜组43和光电探测器44。
续光功率激光器发出激光第一汇聚透镜组42将激光汇聚至第一检测点21，在第一检测点21成一个细光斑。大气中的颗粒物通过进气嘴11进入检测空间1，在细光斑照射产生散射光，散射光被第一检测透镜组43汇聚到光电探测器44，产生一个微弱电流信号，光电检测电路3对微弱电流信号进行放大和处理，形成对应的脉冲信号，信号的幅度H和颗粒物的大小d成比例。根据脉冲信号的幅度H可以测量出通过检测区域的颗粒物的大小d。根据脉冲信号的数量，可以求出通过检测区域的颗粒物的数量。利用颗粒物的粒径大小d，计算颗粒物的体积：
v=(4/3)π(d/2)4，
将体积v乘以颗粒物的密度ρ，可以求出颗粒物的质量：
m=ρv，
将所有通过检测区域的颗粒物质量相加，得到通过检测区域的颗粒物的总质量M=Σm。假设单位时间内，流进气嘴11的气体为l，检测时间为t。则大气中的颗粒物浓度为：
N=M/（lt）。
第二检测单元包括两个脉冲激光器51、脉冲激光触发器52、第二汇聚透镜组53、第二检测透镜组54和光谱仪55，光电检测电路3连接光电探测器44与脉冲激光触发器52。
当某气体中的颗粒物在第一检测点21被第一检测单元检测后，光电探测器44在接收到光电探测器44发出的微弱电流信号后向脉冲激光触发器52发出光触发信号，脉冲激光触发器52接收到光触发信号后延迟时间T触发脉冲激光器51发出高能脉冲激光，通过第二汇聚透镜组53将高能脉冲激光汇聚至第二检测点22。
而被第一检测单元检测后的气体中的颗粒物经过时间T移动到了第二检测点22，此时高能脉冲激光被汇聚在颗粒物上颗粒物在高能脉冲激光的照射下激发电离，产生辐射光谱，辐射光谱被第二检测汇聚透镜汇聚至光谱仪55，通过光谱仪55读出光谱信号，求出颗粒物的辐射光谱波长。根据辐射光谱波长求出对应的元素，从而测量出颗粒物所含的元素成分。
此外，在本实施例中，光电检测电路3根据第一检测单元检测到的颗粒物散射的脉冲信号的幅度H控制两个脉冲激光器51发出高能脉冲激光，当颗粒物所产生的脉冲信号的幅度H幅度大于等于设定值Hp时，同时触发两个脉冲激光器51发光；当颗粒物所产生的脉冲信号的幅度H幅度小于设定值Hp时，只触发一个脉冲激光器51发光。从而提高检测的准确度。
因此，通过本发明可以求出大气中颗粒物的浓度，单个颗粒物的成分，以及不同大小的颗粒物所含成分的统计信息。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种大气颗粒物检测装置，其特征在于：包括检测空间、位于所述检测空间一端部的进气嘴、位于所述检测空间另一端部的出气嘴，设置在所述检测空间内靠近所述进气嘴的第一检测点、设置在所述检测空间内靠近所述进出嘴的第二检测点、用于检测所述第一检测点的颗粒物浓度与直径的第一检测单元，用于检测所述第二检测点的颗粒物成份的第二检测单元，以及连接所述第一检测单元与所述第二检测单元的光电检测电路，所述光电检测电路根据所述检测空间内气流速度计算出颗粒物自所述第一检测点移动到所述第二检测点需要的时间T，所述第二检测单元在所述第一检测单元检测到所述颗粒物的所述时间T后进行检测。
2.根据权利要求1所述的一种大气颗粒物检测装置，其特征在于：所述第一检测单元包括第一光源、将所述第一光源发出的检测光汇聚至所述第一检测点的第一汇聚透镜组、收集所述第一检测点的散射光的第一检测透镜组和光电探测器。
3.根据权利要求2所述的一种大气颗粒物检测装置，其特征在于：所述第一光源为连续光功率的激光器。
4.根据权利要求2所述的一种大气颗粒物检测装置，其特征在于：当所述颗粒物通过第一检测点时被检测光照射，所述颗粒物对检测光阻挡并产生散射光，所述第一汇聚透镜组将所述散射光汇聚到光电探测器，使得所述光电探测器产生一个脉冲幅度与所述颗粒物的直径成正比的脉冲信号。
5.根据权利要求4所述的一种大气颗粒物检测装置，其特征在于：所述光电检测电路在接收到所述脉冲信号的后向所述第二检测单元发出检测信号，所述第二检测单元在收到所述检测信后延迟所述时间T后开始检测。
6.根据权利要求1所述的一种大气颗粒物检测装置，其特征在于：所述第二检测单元包括第二光源、将所述第二光源发出的检测光汇聚至所述第二检测点的第二汇聚透镜组、收集穿过所述第二检测点的辐射光谱的第二检测透镜组和光谱仪。
7.根据权利要求6所述的一种大气颗粒物检测装置，其特征在于：所述第二光源包括脉冲激光器和触发所述脉冲激光器发出脉冲激光的脉冲激光触发器，所述光电检测电路在所述第一检测单元检测的时间T后通过所述脉冲激光触发器控制所述脉冲激光器发出脉冲激光。
8.根据权利要求5所述的一种大气颗粒物检测装置，其特征在于：所述脉冲激光器至少设置有两个，所述光电检测电路通过所述第一检测单元检测到的颗粒物直径调节所述脉冲激光器发光的数量。
9.根据权利要求6所述的一种大气颗粒物检测装置，其特征在于：所述脉冲激光器发光的数量与所述第一检测单元检测到的颗粒物直径成正比。
10.一种大气颗粒物检测方法，其特征在于：采用权利要求1-9任一项所述的大气颗粒物检测装置检测大气颗粒物的浓度、直径和成份。
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