CN111504867A - 基于光散射的室内空气质量分级测量方法 - Google Patents

基于光散射的室内空气质量分级测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于光散射的室内空气质量分级测量方法,基于光与粒子相互作用,粒子散射光强度与粒子总浓度正相关等特点,利用散射光和参考光的比值经过实验室定标得到其与粒子浓度既空气质量的相关性规律曲线;本发明直接测量粒子对光的散射效应,测量过程中不改变粒子的悬浮状态,测量中有效避免了探测器响应的差异以及杂散光的干扰,可以对空气质量进行连续的实时在线测量,具有原理简单,操作方便,检测速度快的特点。为环保部门对公共场所空气质量的定量化监测,为市民对室内空气质量的定量化提醒以及重污染警报,都展示了很好的应用前景。

Description

基于光散射的室内空气质量分级测量方法
技术领域
本发明涉及一种基于光散射的室内空气质量分级测量方法,它可以实时测量和显示室内空气质量的污染级别,能够为人民的生活带来便利。
背景技术
大气颗粒物尤其是污染颗粒物是大气物理化学过程中的一个重要因素,大气颗粒物粒子的存在直接影响了光在大气中的传播,造成光在大气中的衰减。近几十年来随着工业经济的迅速发展,大气污染问题变得越来越严重,气候变得也越来越复杂,空气中的颗粒物给人们的身体健康带来了严重的危害。颗粒物的浓度直接反映了大气的污染程度,颗粒物污染造成低能见度,细粒子进入肺部损害健康,颗粒物微物理参数的测量是认识其污染变化特点以至制定治理措施的基础。因此,研究与实际气溶胶颗粒物浓度相关的室内空气质量分级方法有着重要的科学意义,对指导公共场所以及室内环境下人们的生产和生活有着重要的实际应用价值。
大气中的污染颗粒物主要集中在近地面边界层内,由于地理位置、环境和气象条件的变化,气溶胶的化学成分较为复杂,由于除含有沙尘、矿物质、烟灰、沥青和煤烟等成分外,还常含有硫酸盐、硝酸盐、硅酸盐和碳酸盐等。不同地区颗粒物基本微物理参数特别是颗粒物浓度的时空变化差异很大,因此,许多研究人员对颗粒物浓度的测量方法进行了研究。目前,直接测量颗粒物浓度特性的方法有很多,但是基本上都是用在科研或者室外环境监测上,而直接用于室内空间的简单易行的成本低的颗粒物测量装置还未见报道,而室内空气质量的好坏与广大人民的健康息息相关,室内空气质量分级测量方法少之又少。因此研究室内空气质量分级测量方法是一项很有意义和迫切需要的工作。
发明内容
本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷,提供一种基于光散射的室内空气质量分级测量方法。本发明利用光散射法测量室内大气颗粒物总浓度,从而对空气质量进行分级,基于光与粒子相互作用,粒子散射光强度与粒子总浓度正相关等特征,利用散射光和参考光的比值经过实验室标定得到其与粒子浓度既空气质量的相关性规律曲线;本发明直接测量粒子对光的散射效应,测量过程中不改变粒子的悬浮状态,测量中有效扣除了探测器响应的差异以及杂散光的干扰,可以对室内空气质量进行连续的实时在线测量。
本发明是通过以下技术方案实现的:
一种基于光散射的室内空气质量分级测量方法,包括有散射腔,在所述的散射腔上设有空气入口、空气出口、光束入口和光束出口,在所述的光束入口处设置激光器,光束出口处安装光电探测器,所述的光电探测器通过光纤接收入射光和散射光两束光信息,分别为参考光和信号光,所述的参考光反映光源的能量信息,通过光电探测器转化为能量电信号,所述的信号光为大气污染颗粒物的散射信息,污染颗粒物粒子团的散射光经散射腔内部涂层多次反射后呈均匀分布,通过光电探测器转化为散射电信号;能量电信号和散射电信号经同一放大器放大后,一起进入数据处理和显示提醒终端进行数据处理。
在所述的数据处理和显示提醒终端内建立了一波段污染粒子的散射信息和污染物浓度之间的定量关系公式
Figure BDA0002484446360000021
其中λ表示光源的波长,i1(λ)表示波长λ散射光对应的散射电信号,i2(λ)表示波长λ参考光对应的能量电信号,Ni表示污染物粒子浓度,Ci(λ)表示粒子浓度Ni与散射光信息和参考光信息比值之间的定量关系,通过实验室定标结果确定Ci(λ)值或者变化曲线。
所述的空气入口和空气出口的轴心连线位于散射腔的垂直面上;所述的光束入口和光束出口均位于散射腔的水平直径上。
所述的散射腔采用空心圆柱形腔的铸铝制作,由上下两个半圆柱腔组成,通过O型圈和螺丝固定在一起,两个半圆柱腔接合面与水平方向垂直,在散射腔内镀高反膜。
所述的高反膜为镀银涂层。
采用同一探测器测量参考光和散射光信息,可以有效避免由于探测器的响应度不同带来的影响。
采用散射光和参考光的比值作为污染物浓度大小的判断依据,采用实验室实际测量结果严格定标,从而提高了测量的准确度。
设置散射腔镀高反膜,以确保尽量多的散射光经内表面反射进入探测器。
在所述的光电探测器前面设有光切割器。设置光切割器,确保了参考光和散射光交替进入探测器。
使用小入射角的光纤进行光信息传输,有效降低杂散光的干扰。
1、原位测量,最大限度的反映了空气中颗粒物的原有状态;
2、空气质量分级测量原理简单,操作方便,探测灵敏度高,检测速度快;
3、利用同一探测器分别测量参考光和散射光,测量中有效避免探测器响应差异的影响;
4、比值运算方式消除了光电转换中光源强度波动对于测量结果的影响;
5、可以对公共场所和室内空气质量实时分级监测,为室内疑是火灾提供提醒和预警。
本发明的优点是:本发明建立基于光散射的室内空气质量分级测量方法,通过散射腔镀高反膜提高粒子散射光的收集效率,利用同一探测器分别测量参考光和散射光,测量中有效减小探测器响应的差异以及杂散光的干扰,利用散射光和参考光的比值经过实验室定标得到其与粒子浓度既空气质量的相关性规律曲线。本发明直接测量粒子对光的散射效应,测量数据反映了真实的大气状况,测量过程中不改变粒子的悬浮状态。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图中:1为激光光源,2为散射腔,3为信号光,4为参考光,5为光电探测器,6为光纤,7为空气入口,8为空气出口,9为光束入口,10为光束出口,11为光切割器。
具体实施方式
如图1所示,一种基于光散射的室内空气质量分级测量方法,1、本专利所述方法的核心装置为散射腔2,散射腔2选用空心圆柱形腔的铸铝制作,由两个半圆柱腔组成,通过O圈和一系列螺丝固定在一起,两个半圆柱接合面与水平方向垂直。腔内镀高反膜,本专利选用镀银作为内表面涂层材料。
2、设有空气入口7、出口8和光束入口9、光束出口10,空气入口7、出口8的轴心连线位于散射腔2的垂直面上;光束入口9和光束出口10均位于散射腔2的水平直径上,光束入口9连接激光光源1,光束出口10处安装光电探测器5;
3、光电探测器5通过光纤6接收入射光和散射光两束光信息,分别为参考光4和信号光3,参考光4反映光源的强度信息,转化为对应的电信号,信号光3为待测大气污染物的散射信息,污染物粒子团的散射光经内部涂层多次反射后呈均匀分布,通过光电探测器转化为相应的电信号;参考光和散射光电信号经同一放大器后,连同时间信息一起进入数据处理和显示提醒系统。在所述的光电探测器前面设有光切割器11。设置光切割器11,确保了参考光和散射光交替进入探测器。
4、建立了污染粒子的散射信息和污染物浓度之间的定量关系公式
Figure BDA0002484446360000041
其中λ表示光源的波长,i1(λ)表示波长λ散射光对应的电信号,i2(λ)表示波长λ参考光对应的电信号,N表示污染物粒子浓度,C(λ)表示粒子浓度N与散射光信息和参考光信息比值之间的定量关系,通过理论计算结合实验室定标结果确定的C(λ)值。
5、采用同一探测器测量参考光和散射光信息,因此可以避免探测器的响应度不同带来的影响;采用散射光和参考光的比值作为污染物浓度大小的判断依据,采用实验室实际测量结果严格定标,从而提高了测量的准确度;设置光切割器11,确保了参考光和散射光交替进入探测器;使用小入射角的光纤进行光信息传输,有效较小杂散光的干扰。
具体操作步骤如下:
(1)用螺丝固定连个圆柱形散射腔保证其相对密封,将散射腔固定在高度和承重量合适的稳定支架上,使得所测空气样品出口处的气阀和气流管道方便调节,保证样品入、出口的轴心连线垂直于水平面;
(2)散射腔安装在无遮挡的区域,使得空气出口处气流方便进入和排出,保证空气中的粒子入、出口的轴心连线垂直于散射腔水平面;
(3)调整散射腔的空气入射口,不要对着空调、烟囱等出风口,出气口不要被物体遮挡,严禁使用物体堵塞进气口;
(4)整个装置可以采用市电供电,也可以采用电池供电,要求电源稳定输出;
(5)整个装置对空气质量分为7级,1级为洁净级、2级为普通级,3级为预警级,4级为污染级,5级为重污染级,6级为严重污染级,7级为火警警报级;
(6)利用空气质量模拟器分别给出7个级别对应的颗粒物浓度Ni,分别读出探测器上对应的散射光信息i1(λ)和参考光信息i2(λ),并给出不同空气质量级别和比值之间的定量关系Ci(λ);
(7)重复步骤(6)所述的定标手段,反复实验,精确确定7个室内空气质量级别对应的比值范围。,精确计算Ci(λ)值;
(8)通过模拟不同的污染物粒子,探讨不同组分污染颗粒物的7个室内空气质量级别对应的比值范围变化规律;
(9)对测量的不同空气质量分级进行实时显示和预警。

Claims (6)

1.一种基于光散射的室内空气质量分级测量方法,其特征在于:包括有散射腔,在所述的散射腔上设有空气入口、空气出口、光束入口和光束出口,在所述的光束入口处设置激光器,光束出口处安装光电探测器,所述的光电探测器通过光纤接收入射光和散射光两束光信息,分别为参考光和信号光,所述的参考光反映光源的能量信息,通过光电探测器转化为能量电信号,所述的信号光为大气污染颗粒物的散射信息,污染颗粒物粒子团的散射光经散射腔内部涂层多次反射后呈均匀分布,通过光电探测器转化为散射电信号;能量电信号和散射电信号经同一放大器放大后,一起进入数据处理和显示提醒终端进行数据处理。
2.根据权利要求1所述的一种基于光散射的室内空气质量分级测量方法,其特征在于:在所述的数据处理和显示提醒终端内建立了一波段污染粒子的散射信息和污染物浓度之间的定量关系公式
Figure FDA0002484446350000011
其中λ表示光源的波长,i1(λ)表示波长λ散射光对应的散射电信号,i2(λ)表示波长λ参考光对应的能量电信号,Ni表示污染物粒子浓度,Ci(λ)表示粒子浓度Ni与散射光信息和参考光信息比值之间的定量关系,通过实验室定标结果确定Ci(λ)值或者变化曲线。
3.根据权利要求1所述的一种基于光散射的室内空气质量分级测量方法,其特征在于:所述的空气入口和空气出口的轴心连线位于散射腔的垂直面上;所述的光束入口和光束出口均位于散射腔的水平直径上。
4.根据权利要求1所述的一种基于光散射的室内空气质量分级测量方法,其特征在于:所述的散射腔采用空心圆柱形腔的铸铝制作,由上下两个半圆柱腔组成,通过O型圈和螺丝固定在一起,两个半圆柱腔接合面与水平方向垂直,在散射腔内镀高反膜。
5.根据权利要求4所述的一种基于光散射的室内空气质量分级测量方法,其特征在于:所述的高反膜为镀银涂层。
6.根据权利要求1所述的一种基于光散射的室内空气质量分级测量方法,其特征在于:在所述的光电探测器前面设有光切割器。
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