CN111175203B - 一种用于超低粉尘在线监测的检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于超低粉尘在线监测的检测系统，包括依次设置的激光器、毛细管、微透镜整列、位置传感器，位置传感器与一控制器连接；所述毛细管仅能够容纳单颗粉尘颗粒经过；还包括如下处理步骤：粉尘颗粒依次进入毛细管后并被激光器照射，照射后的散射光进入微透镜阵列，微透镜阵列将散射光汇聚在位置传感器上，位置传感器获取相关信号传输给控制器，控制器再进行相应处理计算最终获得定量体积内粉尘颗粒的总重量。本发明能够有效进行在线实时监测，其监测速度快、监测效果好。
Description
技术领域
本发明涉及环境监测技术领域，特别涉及一种用于超低粉尘在线监测的检测系统。
背景技术
根据国际标准化组织规定，粒径小于75μm的固体悬浮物定义为粉尘。超低粉尘是粉尘的浓度小于10mg/m3的粉尘气体。一般工业过程中产生的粉尘需要经过除尘处理后才能达到超低粉尘排放的指标。目前，超低粉尘针对的监测内容为经过处理后的粉尘颗粒，经过处理后的粉尘颗粒大小小于10μm。
目前，市面上的超低粉尘仪通常采用以下四种方法进行测试：
称重法，通过抽气泵取一定量的含尘空气，经过已称量的滤膜，将粉尘阻留在滤膜上，通过天平称量滤膜重量，根据采样后滤膜的粉尘增量，计算出作业场所中的粉尘浓度。但由于该方法要求对样品进行预处理，操作复杂、价格昂贵、繁琐费时、采样仪器笨重，噪声大以及不能及时得到现场测定结果等缺点，导致该类方法只适合对大气细颗粒物元素成分的例行检测或调查性监测，不适用于公共场所空气中可吸入颗粒物浓度的监测，无法满足智能化预警的需求。
β射线法，利用尘粒吸收β射线的原理研制。测尘仪内的放射源(如14碳)产生的β射线通过粉尘粒子，根据粉尘粒子吸收β射线的量与粉尘质量成正比关系计算粉尘浓度。β射线法测尘仪不受粉尘粒子大小及颜色的影响，缺点是存在放射性物质，用户操作麻烦，而且价格也颇高。压电天平测尘仪也是一种快速测尘仪，但是它的测量范围有限，一般为0-10mg/m3，测定后石英晶体的清洗较复杂。
震荡天平法，石英压电晶体有一定的振荡频率，当石英晶体表面沉积有一定的粉尘粒子时，就会改变其振荡频率，根据频率的变化得出相对粉尘浓度，测试效果一般。
散射法，原理是检测颗粒物的散射光强，通过特定的算法输出烟尘的浓度，内嵌的高稳定激光源穿越恒温测量池，激光照射烟尘粒子，被照射的烟尘粒子散射激光信号，散射光强度与烟尘浓度正比。在超低粉尘监测中通常用前散射法。这时通常获得的是粉尘总量，但是，在越来越严格的标准下，不检测颗粒物集合而改为测量各单独颗粒物必然成为趋势。
如何提供一种新的超低粉尘检测技术，成为亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够有效在线实时监测定量体积内粉尘颗粒重量的用于超低粉尘在线监测的检测系统，该监测系统监测速度快，监测效果好。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种用于超低粉尘在线监测的检测系统，其包括依次设置的激光器、毛细管、微透镜整列、位置传感器，所述位置传感器与一控制器连接；所述毛细管仅能够容纳单颗粉尘颗粒经过；其还包括如下处理步骤：
步骤1.粉尘颗粒依次进入毛细管后并被激光器照射，照射后的散射光进入微透镜阵列，微透镜阵列将散射光汇聚在位置传感器上，位置传感器获取粉尘颗粒的坐标值信号和坐标值位置的光强值信号传输给控制器，控制器接收坐标值信号和坐标值位置的光强值信号进行数据处理后获得坐标值xi和代表坐标值位置的光强值gi，再通过下述公式(1)计算获得当前粉尘颗粒的散射光信号重心位置值如下：
其中，X代表当前粉尘颗粒的散射光信号重心位置值，n为自然数；
步骤2.控制器根据各散射光信号重心位置值X与预设的多个信号区间进行比对以获得在各个信号区间内的散射光信号重心位置值X出现次数，并且，在控制器内还预设各信号区间对应粉尘颗粒重量值，即可通过控制器计算获得定量体积内粉尘颗粒的总重量为各个信号区间内的散射光信号重心位置值X出现次数分别乘以对应粉尘颗粒重量值之和。
优选地，所述n为2或3。
优选地，所述毛细管与微透镜阵列的距离为不小于微透镜焦距的2个数量级。
优选地，所述微透镜阵列横纵向的个数均大于1。
优选地，所述微透镜阵列横纵向的个数均为64。
优选地，所述激光器为655nm激光器。
优选地，所述定量体积为1L。
由于采用了上述结构，本发明具有的有益效果如下：
本发明通过依次设置激光器、毛细管、微透镜整列、位置传感器、控制器配合工作，通过定量体积的粉尘颗粒依次进入毛细管后并被激光器照射，照射后的散射光进入微透镜阵列，微透镜阵列将散射光汇聚在位置传感器上，位置传感器获取粉尘颗粒的坐标值信号和坐标值位置的光强值信号传输给控制器，控制器接收坐标值信号和坐标值位置的光强值信号进行数据处理后获得坐标值xi和代表坐标值位置的光强值gi，再通过公式(1)计算获得当前粉尘颗粒的散射光信号重心位置值X，控制器根据各散射光信号重心位置值X与预设的多个信号区间进行比对以获得在各个信号区间内的散射光信号重心位置值X出现次数，在控制器内还预设各信号区间对应粉尘颗粒重量值，即可通过控制器计算获得定量体积内粉尘颗粒的总重量。因此，本发明能够有效在线实时监测定量体积内粉尘颗粒重量的用于超低粉尘在线监测的检测系统，该监测系统监测速度快，监测效果好。
通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明的实施例。
附图说明
图1为本发明一种用于超低粉尘在线监测的检测系统的结构示意图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅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。
请参阅图1，一种用于超低粉尘在线监测的检测系统，其包括依次设置的激光器1、毛细管2、微透镜整列3、位置传感器4、控制器5，位置传感器4与控制器5连接，激光器1用于照射毛细管2内的粉尘颗粒。所述毛细管2仅能够容纳单颗粉尘颗粒经过。本发明的检测系统还包括处理步骤如下：
步骤1.粉尘颗粒依次进入毛细管2后并被激光器1照射，照射后的散射光进入微透镜阵列3，微透镜阵列3将散射光汇聚在位置传感器4上，位置传感器4获取粉尘颗粒的坐标值信号和坐标值位置的光强值信号传输给控制器5，控制器5接收坐标值信号和坐标值位置的光强值信号进行数据处理后获得坐标值xi和代表坐标值位置的光强值gi，再通过下述公式(1)计算获得当前粉尘颗粒的散射光信号重心位置值如下：
其中，X代表当前粉尘颗粒的散射光信号重心位置值，n为自然数,优选地，n为2或3；
步骤2.控制器5根据各散射光信号重心位置值X与预设的多个信号区间进行比对以获得在各个信号区间内的散射光信号重心位置值X出现次数，并且，在控制器5内还预设各信号区间对应粉尘颗粒重量值，即可通过控制器5计算获得定量体积内粉尘颗粒的总重量为各个信号区间内的散射光信号重心位置值X出现次数分别乘以对应粉尘颗粒重量值之和。其中，由于散射光信号重心位置值X与粉尘颗粒重量成正比关系，因此，根据需要，信号区间数量及各信号区间范围可以根据实际需要进行设置，具体为信号区间总范围可以涵盖各粉尘颗粒的散射光信号重心位置值X，按照粉尘颗粒的散射光信号重心位置值X在各个信号区间内出现次数来计算粉尘颗粒重量，显然，各信号区间越大，在该信号区间出现的X就越多，那么粉尘颗粒总重量的计算精度越差，反之，信号区间越小，粉尘颗粒总重量计算精度会约准确，具体可以根据实际需要调整各信号区间范围。
所述毛细管与微透镜阵列的距离为不小于微透镜焦距的2个数量级。所述微透镜阵列横纵向的个数均大于1，例如，所述微透镜阵列横纵向的个数均为64，即微透镜阵列选用64*64。
优选地，所述激光器为655nm激光器。
优选地，所述定量体积根据实际需要，如可为1L。
在本发明中，本发明的用于超低粉尘在线监测的检测系统遵循散射理论，粉尘颗粒通过毛细管2等设备进行相应处理，由于不同大小的颗粒物散射光强与散射角度都不同，所以可以通过不同的散射光信号重心位置值X统计出定量体积的粉尘颗粒含量，以实现在线监测。
在本发明中，激光器1发出的准直光照射在毛细管2中的粉尘颗粒上，由于散射效应，光经过粉尘颗粒后，在不同角度发生不同程度的偏折，通过在毛细管2后设置一个微透镜阵列3，其中，所述毛细管2与微透镜阵列3的距离为不小于微透镜焦距的2个数量级，然后，微透镜阵列3通过收集不同散射角度的光强并将其汇聚在后面的位置传感器4上，位置传感器4获取粉尘颗粒的坐标值信号和坐标值位置的光强值信号传输给控制器5，然后控制器5在进行相应处理，最终获得定量体积内粉尘颗粒的总重量。
以上对本发明的较佳实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本发明的实质内容。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
Claims (7)
1.一种用于超低粉尘在线监测的检测系统，其包括依次设置的激光器、毛细管、微透镜阵 列、位置传感器，所述位置传感器与一控制器连接；其特征在于：所述毛细管仅能够容纳单颗粉尘颗粒经过；其还包括如下处理步骤：
步骤1.粉尘颗粒依次进入毛细管后并被激光器照射，照射后的散射光进入微透镜阵列，微透镜阵列将散射光汇聚在位置传感器上，位置传感器获取粉尘颗粒的坐标值信号和坐标值位置的光强值信号传输给控制器，控制器接收坐标值信号和坐标值位置的光强值信号进行数据处理后获得坐标值xi和代表坐标值位置的光强值gi，再通过下述公式(1)计算获得当前粉尘颗粒的散射光信号重心位置值如下：
其中，X代表当前粉尘颗粒的散射光信号重心位置值，n为自然数；
步骤2.控制器根据各散射光信号重心位置值X与预设的多个信号区间进行比对以获得在各个信号区间内的散射光信号重心位置值X出现次数，并且，在控制器内还预设各信号区间对应粉尘颗粒重量值，即可通过控制器计算获得定量体积内粉尘颗粒的总重量为各个信号区间内的散射光信号重心位置值X出现次数分别乘以对应粉尘颗粒重量值之和。
2.根据权利要求1所述的一种用于超低粉尘在线监测的检测系统，其特征在于：n为2或3。
3.根据权利要求1所述的一种用于超低粉尘在线监测的检测系统，其特征在于：所述毛细管与微透镜阵列的距离为不小于微透镜焦距的2个数量级。
4.根据权利要求3所述的一种用于超低粉尘在线监测的检测系统，其特征在于：所述微透镜阵列横纵向的个数均大于1。
5.根据权利要求4所述的一种用于超低粉尘在线监测的检测系统，其特征在于：所述微透镜阵列横纵向的个数均为64。
6.根据权利要求1所述的一种用于超低粉尘在线监测的检测系统，其特征在于：所述激光器为655nm激光器。
7.根据权利要求1至6任一项所述的一种用于超低粉尘在线监测的检测系统，其特征在于：所述定量体积为1L。
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