CN110672479A - 一种气溶胶粒子粒径检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种气溶胶粒子粒径检测方法，所述方法采用气溶胶粒子粒径检测装置实现，所述方法包括：启动所述气泵，令气体通过进气管进入光学检测室形成气路；开启所述光源和所述光电探测器，获取所述光电探测器的计算结果；其中，所述光电探测器计算的粒径D与所述激发光束的预定光脉冲宽度W满足如下关系：D＝a0+a1W+a2W2+…+aiWi；式中，a0、a1、a2…ai为标定系数，i为大于1的正整数。本发明的气溶胶粒子粒径检测方法是一种单光程飞行时间气动力学气溶胶粒径检测方法，与双光程飞行时间法一样具有不受颗粒材质、色度、折射率的影响的特点，本发明的检测方法相比双光程飞行时间法更容易实现，而且可检测气溶胶的浓度更高。
Description
技术领域
本发明涉及气溶胶粒子检测技术领域，尤其涉及一种气溶胶粒子粒径检测装置及方法。
背景技术
气溶胶是悬浮在气体介质中的固态或液态颗粒所组成的气态分散系统，其颗粒大小一般从0.001～100μm，分为烟、雾和灰尘，可自然产生或人工形成。一定浓度的气溶胶会影响人体健康，在某些特殊环境需要严格地控制气溶胶的浓度。
气溶胶粒子由于测量方法不同而有不同的等效粒径，按照测量原理划分包括：几何等效粒径、光学粒径、气动力学质量粒径。
几何等效粒径：应用TEMS/EM分析铜网采集的气溶胶颗粒，统计电镜照片中颗粒的投影面积和长度，得到几何等效粒径。电镜是最直接的观察方法，但其会损失颗粒的空间分布信息，因此几何等效粒径估算偏大，并且只适合于实验室采样分析，不能用于现场实时监测分析。
光学粒径：基于Mei散射理论的激光散射粒度技术，它分析颗粒衍射散射光斑强度得到等效光学直径与体积百分比浓度的关系，常规的尘埃粒子计数器、PM2.5激光检测仪多是基于该原理的。此方法具有测量范围极宽、速度快、光学方法不干扰流场的优势，但是光学粒径受气溶胶颗粒的材料、色度、形状和折射系数影响较大，系统的标定常基于聚苯乙烯标准微球，实际测量时气溶胶粒子的化学组成、形状、颜色等千差万别，因此基于散射强度反演测量的等效粒径不准确。
气动力学质量粒径：主要有质量撞击法和飞行时间法两组技术。质量撞击法通过一个多级撞击采样器，利用颗粒的惯性沉积，当气流经过每级采样盘的环形间隙，流速不断增大，当颗粒质量足够大而不能随气流带走时，就沉积在采样盘上；根据颗粒浓度和每级采样收集效率曲线，反演颗粒粒径分布，并通过称重等方法来检测相应尺寸的气溶胶粒子的浓度。典型的飞行时间法有美国TSI公司营业的双光程飞行时间技术，激光通过整形后形成紧密排布的两束，在气路喷嘴处气溶胶颗粒被气流加速快速穿过两束激光，由于质量和密度不同，颗粒得到的重力沉降速度不同，记录前向散射强度和两次散射强度峰之间的时间差，得到颗粒的飞行速度，与标准密度小球的速度数据比较，计算颗粒等效气动学直径、光学直径和颗粒浓度。
其中，质量撞击法是基于颗粒的惯性沉积分辨颗粒等效气动学粒径的大小，由质量支配，但当颗粒密度较小时，气动学粒径对颗粒估算偏小，其同样需要一定的时间采样分析，不能现场实时监测分析；飞行时间法是基于颗粒在气流中的重力沉降速率差来分辨颗粒的大小，所以不受颗粒材质、色度、折射率的影响，测量精度更高。但是双光程飞行时间法由于双光斑激光空间布置距离相对较长，颗粒光斑容易产生重叠误差，当前一颗粒还未飞出检测双光斑区域时，后一颗粒已经开始进入，所以其最大可检测气溶胶浓度一般较低，适用范围受限。
发明内容
本发明旨在解决上面描述的问题。本发明的一个目的是提供一种解决以上问题中的任何一个的气溶胶粒子粒径检测方法。具体地，本发明提供一种适用范围广、实现简单、检测精度高的气溶胶粒子粒径检测方法。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种气溶胶粒子粒径检测方法，所述方法采用气溶胶粒子粒径检测装置实现，所述气溶胶粒子粒径检测装置包括：
进气管，用作预定粒径范围的粒子通道，所述进气管的出口端为锥形结构；
光学检测室，为气密结构，所述光学检测室的顶部与所述进气管的出口端相连通，所述光学检测室的侧壁上设置有光学窗口用于光束的传输和检测；
出气管和气泵，所述出气管的第一端与所述光学检测室的底端相连通，所述出气管的第二端与所述气泵的进气口相连通；
光源，设置在所述光学检测室的第一光学窗口处，用于发射预定光脉冲宽度W的激发光束；
消光陷阱，设置在所述光学检测室的第二光学窗口处，与所述光源相对设置，用于吸收激发光束；
光电探测器，设置在所述光学检测室的第三光学窗口处，用于粒子粒径尺寸计算；
所述方法包括：
启动所述气泵，令气体通过进气管进入光学检测室形成气路；
开启所述光源和所述光电探测器，获取所述光电探测器的计算结果；
其中，所述光电探测器计算的粒径D与所述激发光束的预定光脉冲宽度W满足如下关系：
D＝a0+a1W+a2W2+…+aiWi
式中，a0、a1、a2…ai为标定系数，i为大于1的正整数。
其中，所述气溶胶粒子粒径检测装置还包括：
光束整形系统，用于将所述光源发出的激发光束整形并汇聚投射到所述光学检测室中的粒子穿梭路径上。
其中，所述光束整形系统整形后的光束在粒子穿梭路径上的光斑尺寸为10～200μm。
其中，所述进气管的输入端设置有气体过滤装置和粒径切割装置，用于过滤及切割气体中的粒子，形成预定粒径范围的粒子通道。
其中，所述进气管的出口端的出口直径为0.8～1.5mm，出口锥度为1.6～2.4。
本发明的气溶胶粒子粒径检测方法是一种单光程飞行时间气动力学气溶胶粒径检测方法，与双光程飞行时间法一样具有不受颗粒材质、色度、折射率的影响的特点，本发明的检测方法相比双光程飞行时间法更容易实现，而且可检测气溶胶的浓度更高。
参照附图来阅读对于示例性实施例的以下描述，本发明的其他特性特征和优点将变得清晰。
附图说明
并入到说明书中并且构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且与描述一起用于解释本发明的原理。在这些附图中，类似的附图标记用于表示类似的要素。下面描述中的附图是本发明的一些实施例，而不是全部实施例。对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示例性地示出了气溶胶粒子粒径检测装置的结构示意图；
图2示例性地示出了图1的A-A剖视图；
图3示例性地示出了一种粒子粒径与光脉冲宽度的拟合曲线图；
图4示例性地示出了一种实测气溶胶粒子粒径米散射脉冲波形图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
本发明提出了一种单光程飞行时间气动力学气溶胶粒径检测方法，与双光程飞行时间法一样具有不受颗粒材质、色度、折射率的影响的特点，同时其可检测气溶胶浓度相比双光程飞行时间法的可检测气溶胶浓度更高，适用范围更广，而且其实现过程更简单。
下面结合附图，对根据本发明所提供的气溶胶粒子粒径检测方法进行详细描述。
本发明提供了一种易于实现、适用范围广、可检测浓度高的气溶胶粒子粒径检测方法，该方法采用气溶胶粒子粒径检测装置实现，图1示出了该气溶胶粒子粒径检测装置的一种具体实施例的结构示意图，图2为图1的A-A剖视图，参照图1和图2所示，该气溶胶粒子粒径检测装置包括：进气管1、光学检测室2、出气管3、气泵(图中未示出)、光源4、消光陷阱5和光电探测器6。
其中，进气管1用作预定粒径范围的粒子通道。例如，在进气管1的输入端设置有气体过滤装置和粒径切割装置，用于过滤及切割气体中的粒子，形成预定粒径范围的粒子通道。进气管1的前端长且直径较大，气溶胶粒子进入进气管1内后的运动速度趋同于空气流速；进气管1的出口端11为锥形结构，使得气溶胶粒子在短时间内被气流加速，并且出射时小粒径粒子由于惯性小而速度快，大粒径粒子出射时由于惯性大而速度稍慢，进而将粒径不同的粒子进行分离流通。
在该检测装置中，进气管1的传输主体部分为圆柱状管路，长度大于等于100mm，以保证足够的加速和缓冲行程，确保不同粒径的粒子在该区域的速度趋同，与气体流速的相对速度接近于零。其出口端11为旋转对称的锥形结构，锥角范围为80～100度，其出口直径为0.8～1.5mm，锥度为1.6～2.4。在经过锥形结构的出口端11位置时，气流速度急剧变化，并对气溶胶粒子进行短时间的加速，受质量和惯性影响，小粒子加速相对较快，大粒子加速相对较慢，并且能保证粒径大于0.1μm的粒子速度都低于气流速度的1/2，同时小于20μm的粒子不至于撞击吸附于出口端的侧壁上，确保不同粒径的气溶胶粒子经出口端11后以不同的速度进入光学检测室2中。
当检测浓度不超过气溶胶粒子粒径检测装置的检测阈值时，气溶胶粒子在进气管1内单个逐一通过出口端11。
光学检测室2为气密结构，用于气溶胶粒子的米散射探测，即用于气溶胶粒子的计数和粒径尺寸探测；光学检测室2的顶部与进气管1的出口端相连通，光学检测室2的侧壁上设置有光学窗口用于光束的传输和检测。具体地，光学窗口的设置既可以保证光学检测室2的气密性，有能够透过米散射光，必要时可以在光学窗口设置米散射滤光片，使用与激发光束同波段的带通滤光片，以有效阻隔荧光等非米散射光信号的干扰。
出气管3的第一端与光学检测室2的底端相连通，出气管3的第二端与气泵的进气口相连通，由气泵驱动气流及气溶胶粒子依次流经进气管1、光学检测室2和出气管3。
光源4设置在光学检测室2的第一光学窗口21处，用于发射预定光脉冲宽度W的激发光束，以照射进入检测区域的气溶胶粒子，便于光电探测器6进行粒子计数和粒径检测。
消光陷阱5设置在光学检测室2的第二光学窗口22处，与光源4相对设置，用于吸收激发光束，避免未经过气溶胶粒子散射的光在光学检测室2内形成杂散光而干扰米散射信号的采集，确保检测结果的准确性。
光电探测器6设置在光学检测室2的第三光学窗口23处，用于探测光学检测室2内的米散射光信号，以计算气溶胶粒子粒径尺寸。在具体实施例中，可使用光电二极管、雪崩光电二极管或光电倍增管探测器，必要时可在光学检测室或光电探测器前增加用于光学信号收集的光学系统，用以提高光信号的采集效率。
需要指出的是，该气溶胶粒子粒径检测装置还包括光束整形系统7，用于将光源4发出的激发光束整形并汇聚投射到光学检测室2中的粒子穿梭路径上。光束整形系统7整形后的光束形成汇聚点或者汇聚线光束，气溶胶粒子垂直激光束穿过该汇聚点或汇聚线。示例性地，经光束整形系统7整形后的光束在粒子穿梭路径上的光斑尺寸为10～200μm。
通过上述气溶胶粒子粒径检测装置，本发明的气溶胶粒子粒径检测方法包括以下步骤：
启动气泵，令气体通过进气管1进入光学检测室2形成气路；
开启光源4和光电探测器6，获取光电探测器6的计算结果。
对于既定的检测装置，进气管1的关闭状态、出口端11的结构尺寸、入口出口流速、汇聚光斑尺寸等仪器内部参数属于固化参数，光脉冲的宽度W仅与气溶胶粒子粒径D相关，因此，可以通过不同尺寸的标准粒子来标定颗粒粒径D与光脉冲宽度W之间的对应关系。
本发明中，光电探测器6计算的粒径D与激发光束的预定光脉冲宽度W满足如下关系：
D＝a0+a1W+a2W2+…+aiWi
式中，a0、a1、a2…ai为标定系数，i为大于1的正整数。其中，标定系数a0、a1、a2…ai可通过多项式拟合和最小二乘法拟合获得。
示例性地，针对一台结构既定的上述检测装置，使用1μm、3μm、5μm、7μm、9μm的标准聚苯乙烯粒子标定粒子粒径D与光脉冲宽度W之间的曲线关系，采用三次多项式拟合，得出a0＝-1.0399，a1＝1.1217，a2＝-0.0461，a3＝0.0007，其标定的曲线满足如下关系：
D＝-1.0399+1.1217W-0.0461W2+0.0007W3
其曲线如图3所示。
利用上述已经标定的检测装置和上述曲线关系式，实际测量气溶胶粒子获得的米散射脉冲波形如图4所示，其中所标记的两个脉冲宽度分别为5.5μs和18.3μs，代入上述标定的曲线关系式中可得出各自对应的粒径为3.85μm和8.18μm。
上面描述的内容可以单独地或者以各种方式组合起来实施，而这些变型方式都在本发明的保护范围之内。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包含一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个…”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
最后应说明的是：以上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精神和范围。
Claims (5)
1.一种气溶胶粒子粒径检测方法，其特征在于，所述方法采用气溶胶粒子粒径检测装置实现，所述气溶胶粒子粒径检测装置包括：
进气管(1)，用作预定粒径范围的粒子通道，所述进气管(1)的出口端(11)为锥形结构；
光学检测室(2)，为气密结构，所述光学检测室(2)的顶部与所述进气管(1)的出口端相连通，所述光学检测室(2)的侧壁上设置有光学窗口用于光束的传输和检测；
出气管(3)和气泵，所述出气管(3)的第一端与所述光学检测室(2)的底端相连通，所述出气管(3)的第二端与所述气泵的进气口相连通；
光源(4)，设置在所述光学检测室(2)的第一光学窗口(21)处，用于发射预定光脉冲宽度W的激发光束；
消光陷阱(5)，设置在所述光学检测室(2)的第二光学窗口(22)处，与所述光源(4)相对设置，用于吸收激发光束；
光电探测器(6)，设置在所述光学检测室(2)的第三光学窗口(23)处，用于粒子粒径尺寸计算；
所述方法包括：
启动所述气泵，令气体通过进气管(1)进入光学检测室(2)形成气路；
开启所述光源(4)和所述光电探测器(6)，获取所述光电探测器(6)的计算结果；
其中，所述光电探测器(6)计算的粒径D与所述激发光束的预定光脉冲宽度W满足如下关系：
D＝a0+a1W+a2W2+…+aiWi
式中，a0、a1、a2…ai为标定系数，i为大于1的正整数。
2.如权利要求1所述的气溶胶粒子粒径检测方法，其特征在于，所述气溶胶粒子粒径检测装置还包括：
光束整形系统(7)，用于将所述光源(4)发出的激发光束整形并汇聚投射到所述光学检测室(2)中的粒子穿梭路径上。
3.如权利要求2所述的气溶胶粒子粒径检测方法，其特征在于，所述光束整形系统整形后的光束在粒子穿梭路径上的光斑尺寸为10～200μm。
4.如权利要求1所述的气溶胶粒子粒径检测方法，其特征在于，所述进气管(1)的输入端设置有气体过滤装置和粒径切割装置，用于过滤及切割气体中的粒子，形成预定粒径范围的粒子通道。
5.如权利要求1所述的气溶胶粒子粒径检测方法，其特征在于，所述进气管(1)的出口端(11)的出口直径为0.8～1.5mm，出口锥度为1.6～2.4。
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