CN111366506A - 一种带有内循环鞘流结构的光学等效粒径谱仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带有内循环鞘流结构的光学等效粒径谱仪，包括气路模块、光路模块以及模数转换模块；气路模块包括进样气管、出样气管及鞘流管，鞘流管套设在进样气管的外周面并与进样气管同轴设置，鞘流管与进样气管之间形成供鞘气通过的环孔；光路模块包括光源和椭球面反射镜和透镜组和光电转换器，光源的射出光路位于进样气管轴向的垂直平面上，椭球面反射镜的长轴与光源射出光路垂直且椭球面反射镜的前焦点位于光源射出光路与进气管轴向的交汇处，透镜组的前焦点与椭球面反射镜的后焦点重合，光电转换器的感光区域处于透镜组的后焦点；本发明的粒子计数器，能够准确快速测得待测气体中颗粒物的粒径大小以及各个粒径的粒子浓度分布。
Description
技术领域
本发明涉及气溶胶检测领域技术领域，尤其是带有内循环鞘流结构的光学等效粒径谱仪。
背景技术
近年来，我国大气颗粒物监测技术取得了较大的进步；在现有技术中，粒径谱仪主要由照明系统、散射光收集系统、光电转换器、气路系统等组成，其中，散射光收集系统和气路系统的轴线相交于光敏感中心点，工作时，气路系统将被测空气吸入粒子计数器中的光敏感区，其中尘埃粒子在光束照射下产生与粒子尺寸成比例的散射信号；散射光信号被散射光收集系统接收后入射于光电转换器上，光电转换器输出与散射光强度成正比的电信号，后续信号处理系统根据此电信号的幅度给出粒子尺寸和空气中尘埃粒子的浓度。
但是现有技术中存在很多问题，首先光路结构大多利用球面镜采集散射光到光电二极管中，由于杂散光的影响，信噪比较低；其次被测气体易扩散和聚集，影响测量准确性；最后粒子计数效率低下，不能快速的反应实际浓度；因此需要寻找一种能够解决此类问题的方法。
发明内容
有鉴于此，需要克服现有技术中的上述缺陷中的至少一个，本发明提供了一种带有内循环鞘流结构的光学等效粒径谱仪，包括：散射腔室、气路模块、光路模块以及与所述光路模块联结的模数转换模块；所述气路模块包括与所述散射腔室固接的同轴设置的进样气管和出样气管、以及鞘流系统，所述鞘流系统包括鞘流管和气泵，所述鞘流管套设在所述进样气管的外周面并与所述进样气管同轴设置，所述鞘流管与所述进样气管之间形成供鞘气通过的环孔，所述气泵出气口通过进鞘气管道系统与所述鞘流管连接，所述气泵进气口通过出鞘气管道系统与所述出样气管连接；所述光路模块包括与所述散射腔室固接的光源和椭球面反射镜和透镜组和光电转换器，所述光源的射出光路位于所述进样气管轴向的垂直平面上，所述椭球面反射镜的长轴与所述光源射出光路垂直且所述椭球面反射镜的前焦点位于所述光源射出光路与所述进气管轴向的交汇处，所述透镜组的前焦点与所述椭球面反射镜的后焦点重合，所述光电转换器的感光区域处于所述透镜组的后焦点。
根据本专利背景技术中对现有技术所述，光路结构大多利用球面镜采集散射光到光电二极管中，由于杂散光的影响，信噪比较低；其次被测气体被直接吸入光敏感区，易扩散和聚集，影响测量准确性；最后粒子计数效率低下，不能快速的反应实际浓度；而本发明公开的带有内循环鞘流结构的光学等效粒径谱仪，在气路上加入了内循环鞘流结构，气泵喷出洁净的鞘流从进鞘气口进入鞘流管，鞘流自鞘流管的圆管结构喷出并包裹住样气，然后经锥形管结构喷出进入光路模块检测分析，再从出样气管喷出，最后经过出鞘气管道系统回到气泵；在鞘流包裹着样气进入光路模块后，由光路模块对样气进行采样及检测，收集散射光产生模拟信号，然后把模拟信号传输给数字多道模块进行处理，得到数字信号（该数字信号包括每个测试大气粒子的粒径大小以及各个粒径的粒子浓度分布），最后再由显示模块显示该数字信号。
本发明的带有内循环鞘流结构的光学等效粒径谱仪，仅由一个气泵提供总的吸力和鞘气的动力，结构简单，成本低；而且，通过鞘流保护样气，能够有效避免样气扩散或者积聚造成光路模块检测时信号叠加干扰，增加了设备的饱和测量浓度，减少了重叠误差，从而提高了测量的准确性；同时，洁净的鞘流包裹住样气进入光路模块，能够保护散射腔内部椭球面反射镜、透镜组等光学器件不受样气污染，极大的延长了设备的使用寿命；此外，在光路模块中，采用侧向检测光路结构，结构简单，能够最大程度减少激光器对信号的干扰（采用前向检测光路结构噪声较大），并且，不需要对椭球面反射镜进行开孔处理，方便推广；采用椭球面镜及透镜组相结合的光学结构可以减少杂散光的影响，提高信噪比；此外，结合了数字多道分析仪（T型滤波层型算法），能够极大程度的减少数采模块及普通计数算法带来的误差，
另外，根据本发明公开的一种带有内循环鞘流结构的光学等效粒径谱仪还具有如下附加技术特征：
进一步地，所述鞘流管上沿所述鞘流管的周向均匀设置有m个进鞘气口，所述进鞘气管道系统出气端与m个所述进鞘气口分别连通。
更进一步地，所述m为2，两个所述进鞘气口相对于所述鞘流管的轴线对称设置。
鞘流如果自单个进鞘气口进入鞘流管，容易出现紊流现象，而要避免这种紊流现象，就要需要严格控制鞘流流量，并使鞘流管管道设计的足够长，从而加大了设备的体积，使得设备使用起来更加不便，本发明中，鞘流从鞘流管两侧进入鞘流管，使鞘流进入鞘流管后保持层流状态，而无需控制鞘流流量足够小，因此鞘流流量可以保持较大，从而对样气具有较好的压缩效果。
进一步地，所述进鞘气管道系统上包括进鞘气管道、以及设置在所述进鞘气管道上的压差控制装置和进鞘气管道质量流量计和进鞘气管道过滤器，所述进鞘气管道过滤器的进口与所述压差控制装置或所述进鞘气管道质量流量计连接，所述进鞘气管道过滤器的出口与所述鞘流管连接。
通过压差控制装置智能的控制进出气压差，从而解决鞘流流量不稳的问题；通过高效过滤器过滤颗粒物以向鞘流管提供纯净的鞘气；通过质量流量计实时监测流量。
进一步地，所述出鞘气管道系统上包括出鞘气管道、以及设置在所述鞘气管道上的出鞘气管道质量流量计和调节阀和出鞘气管道过滤器，所述出鞘气管道过滤器的进口与所述出样气管连接，所述出鞘气管道过滤器的出口与所述出鞘气管道质量流量计或所述调节阀连接。
通过高效过滤器过滤颗粒物，延长气泵的使用寿命；通过调节阀控制总的流量；通过质量流量计实时监测流量。
进一步地，所述鞘流管包括圆管结构以及设置在该圆管结构下端的锥形管结构，所述圆管结构的下表面与所述进样气管的下表面平齐。
进一步地，所述光学等效粒径谱仪还包括与模数转换模块连接的显示模块。
进一步地，所述模数转换模块为基于T型滤波层型算法的数字多道分析仪。
进一步地，所述光电转换器为光电二极管。
进一步地，所述光路模块还包括固定安装在所述散射腔室上的光陷阱，所述光陷阱的中心线与所述光源的射出光路同轴。
进一步地，所述光路模块还包括设置在所述散射腔室内的光阑，所述光阑设置在所述光电转换器与所述透镜组之间，且所述光阑的中心位于所述透镜组的后焦点。
进一步地，所述光源为激光器。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明的一个实施例中带有内循环鞘流结构的气路模块的气路示意图；
图2为本发明的一个实施例中带有内循环鞘流结构的光路模块的光路示意图；以及
图3为本发明的一个实施例中带有内循环鞘流结构的工作流程图。
图中1为散射腔室，2为进样气管，3为出样气管，4为鞘流管，5为进鞘气口，6为进鞘气管道，7为压差控制装置，8为进鞘气管道质量流量计，9为进鞘气管道过滤器，10为出鞘气管道，11为出鞘气管道质量流量计，12为调节阀，13为出鞘气管道过滤器，14为气泵，15为激光器，16为椭球面反射镜，17为透镜组，18为光电二极管，19为光陷阱，20为光阑，21为光路模块，22为模数转换模块，23为显示模块。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件；下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语 “上”、“下”、“底”、“顶”、“前”、“后”、“内”、“外”、“横”、“竖”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。块和β射线检测模块测量同样的颗粒物样品；计数质量浓度检测模块测量
本发明的构思如下，气泵喷出洁净的鞘流从进鞘气口进入鞘流管，鞘流自鞘流管的圆管结构喷出并包裹住样气，然后经锥形管结构喷出进入光路模块检测分析，再从出样气管喷出，最后经过出鞘气管道系统回到气泵；在鞘流包裹着样气进入光路模块后，由光路模块对样气进行采样及检测，收集散射光产生模拟信号，然后把模拟信号传输给数字多道模块进行处理，得到数字信号（该数字信号包括每个测试大气粒子的粒径大小以及各个粒径的粒子浓度分布），最后再由显示模块显示该数字信号。
图1为本发明的一个实施例中带有内循环鞘流结构的气路模块的气路示意图；图2为本发明的一个实施例中带有内循环鞘流结构的光路模块的光路示意图；以及图3为本发明的一个实施例中带有内循环鞘流结构的工作流程图。
如图1至图3所示，根据本发明的实施例，带有内循环鞘流结构的光学等效粒径谱仪包括：散射腔室1、气路模块、光路模块21以及与所述光路模块21联结的模数转换模块22；所述气路模块包括与所述散射腔室1固接的同轴设置的进样气管2和出样气管3、以及鞘流系统，所述鞘流系统包括鞘流管4和气泵14，所述鞘流管4套设在所述进样气管2的外周面并与所述进样气管2同轴设置，所述鞘流管4与所述进样气管2之间形成供鞘气通过的环孔，所述气泵14出气口通过进鞘气管道系统与所述鞘流管4连接，所述气泵14进气口通过出鞘气管道系统与所述出样气管3连接；所述光路模块21包括与所述散射腔室1固接的光源和椭球面反射镜16和透镜组17和光电转换器，所述光源的射出光路位于所述进样气管2轴向的垂直平面上，所述椭球面反射镜16的长轴与所述光源射出光路垂直且所述椭球面反射镜16的前焦点位于所述光源射出光路与所述进气管轴向的交汇处，所述透镜组17的前焦点与所述椭球面反射镜16的后焦点重合，所述光电转换器的感光区域处于所述透镜组17的后焦点。
根据本专利背景技术中对现有技术所述，光路结构大多利用球面镜采集散射光到光电二极管18中，由于杂散光的影响，信噪比较低；其次被测气体被直接吸入光敏感区，易扩散和聚集，影响测量准确性；最后粒子计数效率低下，不能快速的反应实际浓度；而本发明公开的带有内循环鞘流结构的光学等效粒径谱仪，在气路上加入了内循环鞘流结构，气泵14喷出洁净的鞘流从进鞘气口5进入鞘流管4，鞘流自鞘流管4的圆管结构喷出并包裹住样气，然后经锥形管结构喷出进入光路模块21检测分析，再从出样气管3喷出，最后经过出鞘气管道系统回到气泵14；在鞘流包裹着样气进入光路模块21后，由光路模块21对样气进行采样及检测，收集散射光产生模拟信号，然后把模拟信号传输给数字多道模块进行处理，得到数字信号（该数字信号包括每个测试大气粒子的粒径大小以及各个粒径的粒子浓度分布），最后再由显示模块23显示该数字信号。
本发明的带有内循环鞘流结构的光学等效粒径谱仪，仅由一个气泵14提供总的吸力和鞘气的动力，结构简单，成本低；而且，通过鞘流保护样气，能够有效避免样气扩散或者积聚造成光路模块21检测时信号叠加干扰，增加了设备的饱和测量浓度，减少了重叠误差，从而提高了测量的准确性；同时，洁净的鞘流包裹住样气进入光路模块21，能够保护散射腔内部椭球面反射镜16、透镜组17等光学器件不受样气污染，极大的延长了设备的使用寿命；此外，在光路模块21中，采用侧向检测光路结构，结构简单，能够最大程度减少激光器15对信号的干扰（采用前向检测光路结构噪声较大），并且，不需要对椭球面反射镜16进行开孔处理，方便推广；采用椭球面镜及透镜组17相结合的光学结构可以减少杂散光的影响，提高信噪比；此外，结合了数字多道分析仪（T型滤波层型算法），能够极大程度的减少数采模块及普通计数算法带来的误差，
另外，根据本发明公开的一种带有内循环鞘流结构的光学等效粒径谱仪还具有如下附加技术特征：
根据本发明的一个实施例，所述鞘流管4上沿所述鞘流管4的周向均匀设置有m个进鞘气口5，所述进鞘气管道系统出气端与m个所述进鞘气口5分别连通。
根据本发明的一个实施例，所述m为2，两个所述进鞘气口5相对于所述鞘流管4的轴线对称设置。
鞘流如果自单个进鞘气口5进入鞘流管4，容易出现紊流现象，而要避免这种紊流现象，就要需要严格控制鞘流流量，并使鞘流管4管道设计的足够长，从而加大了设备的体积，使得设备使用起来更加不便，本发明中，鞘流从鞘流管4两侧进入鞘流管4，使鞘流进入鞘流管4后保持层流状态，而无需控制鞘流流量足够小，因此鞘流流量可以保持较大，从而对样气具有较好的压缩效果。
根据本发明的一个实施例，所述进鞘气管道系统上包括进鞘气管道6、以及设置在所述进鞘气管道6上的压差控制装置7和进鞘气管道质量流量计8和进鞘气管道过滤器9，所述进鞘气管道过滤器9的进口与所述压差控制装置7或所述进鞘气管道质量流量计8连接，所述进鞘气管道过滤器9的出口与所述鞘流管4连接。
通过压差控制装置7智能的控制进出气压差，从而解决鞘流流量不稳的问题；通过高效过滤器过滤颗粒物以向鞘流管4提供纯净的鞘气；通过质量流量计实时监测流量。
根据本发明的一个实施例，所述出鞘气管道系统上包括出鞘气管道10、以及设置在所述鞘气管道10上的出鞘气管道质量流量计11和调节阀12和出鞘气管道过滤器13，所述出鞘气管道过滤器13的进口与所述出样气管3连接，所述出鞘气管道过滤器13的出口与所述出鞘气管道质量流量计11或所述调节阀12连接。
根据本发明的一个实施例，所述出鞘气管道系统上包括出鞘气管道10、以及设置在所述鞘气管道上的出鞘气管道质量流量计11和调节阀12和出鞘气管道过滤器13。
通过高效过滤器过滤颗粒物，延长气泵14的使用寿命；通过调节阀12控制总的流量；通过质量流量计实时监测流量。
根据本发明的一个实施例，所述鞘流管4包括圆管结构以及设置在该圆管结构下端的锥形管结构，所述圆管结构的下表面与所述进样气管2的下表面平齐。
根据本发明的一个实施例，所述光学等效粒径谱仪还包括与模数转换模块22连接的显示模块23。
根据本发明的一个实施例，所述模数转换模块22为基于T型滤波层型算法的数字多道分析仪。
根据本发明的一个实施例，所述光电转换器为光电二极管18。
根据本发明的一个实施例，所述光路模块21还包括固定安装在所述散射腔室1上的光陷阱19，所述光陷阱19的中心线与所述光源的射出光路同轴。
根据本发明的一个实施例，所述光路模块21还包括设置在所述散射腔室1内的光阑20，所述光阑20设置在所述光电转换器与所述透镜组17之间，且所述光阑20的中心位于所述透镜组17的后焦点。
根据本发明的一个实施例，所述光源为激光器15。
任何提及“一个实施例”、“实施例”、“示意性实施例”等意指结合该实施例描述的具体构件、结构或者特点包含于本发明的至少一个实施例中；在本说明书各处的该示意性表述不一定指的是相同的实施例；而且，当结合任何实施例描述具体构件、结构或者特点时，所主张的是，结合其他的实施例实现这样的构件、结构或者特点均落在本领域技术人员的范围之内。
尽管参照本发明的多个示意性实施例对本发明的具体实施方式进行了详细的描述，但是必须理解，本领域技术人员可以设计出多种其他的改进和实施例，这些改进和实施例将落在本发明原理的精神和范围之内；具体而言，在前述公开、附图以及权利要求的范围之内，可以在零部件和/或者从属组合布局的布置方面作出合理的变型和改进，而不会脱离本发明的精神；除了零部件和/或布局方面的变型和改进，其范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种带有内循环鞘流结构的光学等效粒径谱仪，其特征在于，包括散射腔室、气路模块、光路模块以及与所述光路模块联结的模数转换模块；所述气路模块包括与所述散射腔室固接的同轴设置的进样气管和出样气管、以及鞘流系统，所述鞘流系统包括鞘流管和气泵，所述鞘流管套设在所述进样气管的外周面并与所述进样气管同轴设置，所述鞘流管与所述进样气管之间形成供鞘气通过的环孔，所述气泵出气口通过进鞘气管道系统与所述鞘流管连接，所述气泵进气口通过出鞘气管道系统与所述出样气管连接；
所述光路模块包括与所述散射腔室固接的光源和椭球面反射镜和透镜组和光电转换器，所述光源的射出光路位于所述进样气管轴向的垂直平面上，所述椭球面反射镜的长轴与所述光源射出光路垂直且所述椭球面反射镜的前焦点位于所述光源射出光路与所述进气管轴向的交汇处，所述透镜组的前焦点与所述椭球面反射镜的后焦点重合，所述光电转换器的感光区域处于所述透镜组的后焦点。
2.根据权利要求1所述的一种带有内循环鞘流结构的光学等效粒径谱仪，其特征在于，所述鞘流管上沿所述鞘流管的周向均匀设置有m个进鞘气口，所述进鞘气管道系统出气端与m个所述进鞘气口分别连通。
3.根据权利要求2所述的一种带有内循环鞘流结构的光学等效粒径谱仪，其特征在于，所述m为2。
4.根据权利要求1所述的一种带有内循环鞘流结构的光学等效粒径谱仪，其特征在于，所述进鞘气管道系统上包括进鞘气管道、以及设置在所述进鞘气管道上的压差控制装置和进鞘气管道质量流量计和进鞘气管道过滤器，所述进鞘气管道过滤器的进口与所述压差控制装置或所述进鞘气管道质量流量计连接，所述进鞘气管道过滤器的出口与所述鞘流管连接。
5.根据权利要求1所述的一种带有内循环鞘流结构的光学等效粒径谱仪，其特征在于，所述出鞘气管道系统上包括出鞘气管道、以及设置在所述鞘气管道上的出鞘气管道质量流量计和调节阀和出鞘气管道过滤器，所述出鞘气管道过滤器的进口与所述出样气管连接，所述出鞘气管道过滤器的出口与所述出鞘气管道质量流量计或所述调节阀连接。
6.根据权利要求1所述的一种带有内循环鞘流结构的光学等效粒径谱仪，其特征在于，所述鞘流管包括圆管结构以及设置在该圆管结构下端的锥形管结构，所述圆管结构的下表面与所述进样气管的下表面平齐。
7.根据权利要求1所述的一种带有内循环鞘流结构的光学等效粒径谱仪，其特征在于，所述光学等效粒径谱仪还包括与模数转换模块连接的显示模块。
8.根据权利要求1所述的一种带有内循环鞘流结构的光学等效粒径谱仪，其特征在于，所述模数转换模块为数字多道分析仪。
9.根据权利要求1所述的一种带有内循环鞘流结构的光学等效粒径谱仪，其特征在于，所述光电转换器为光电二极管。
10.根据权利要求1所述的一种带有内循环鞘流结构的光学等效粒径谱仪，其特征在于，所述光路模块还包括设置在所述散射腔室上的光陷阱，所述光陷阱的中心线与所述光源的射出光路同轴。
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| CN113504166A (zh) * | 2021-06-25 | 2021-10-15 | 青岛众瑞智能仪器股份有限公司 | 气溶胶浓度检测方法、装置及系统 |
| CN113504164A (zh) * | 2021-06-09 | 2021-10-15 | 青岛众瑞智能仪器股份有限公司 | 一种鞘流器及气溶胶光度计 |
| CN113533151A (zh) * | 2021-07-12 | 2021-10-22 | 中国科学院大气物理研究所 | 基于鞘气绕流设计的单颗粒测量气路系统及其测量方法 |
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| CN114486642A (zh) * | 2021-12-30 | 2022-05-13 | 中船重工安谱（湖北）仪器有限公司 | 一种生物气溶胶分析仪气路系统 |
| CN116165110A (zh) * | 2023-02-28 | 2023-05-26 | 中国矿业大学 | 一种具有光室清洁作用的大量程粉尘监测仪及监测方法 |
-
2020
- 2020-03-20 CN CN202010199985.0A patent/CN111366506A/zh active Pending
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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