CN111781116A - 基于激光散射法的大气颗粒物浓度测量装置及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于激光散射法的大气颗粒物浓度测量装置，属大气颗粒物浓度监测技术领域，其中，该装置包括采样系统、激光检测系统、PID控制加热系统、无线通信系统、触控显示屏、主控制板和机箱。利用采样系统将含颗粒物的样气通过激光检测系统，计算获得颗粒物的浓度信息，并通过无线通信系统和触控屏将该信息分别上传至互联网和本地显示。同时，利用PID控制加热系统对样气的温湿度进行精确控制，有效降低温湿度对颗粒物测量的影响。该装置是一种以激光散射法原理为测量基础的、高度集成的、便于安装且能满足在恶劣的户外工况下长期在线监测大气颗粒物装置，具有测量精度高、实时性强、体积小、便于组网、监测数据可视化等优点。
Description
技术领域
本发明属于大气颗粒物浓度监测技术领域，具体涉及基于激光散射法的大气颗粒物浓度测量装置及其测量方法。
背景技术
现在市场上大致有称重法、β射线法、光散射法、振荡天平法等大气颗粒物浓度测量方法。称重法是所有大气颗粒物浓度检测方法中最直接的一种方法，准确度相对最高，但其采样时间长、采样与称重不能连续进行无法实现在线监测。振荡天平法是称重法的一种，存在不同季节所得到的测量结果与称重法时而偏高时而偏低的周期性误差，且价格昂贵。
β射线法是一种基于辐射探测的测量方法，该方法通过监测采样前后β射线穿过滤纸带同一位置处强度的衰减判断空气中颗粒物的质量，同时对抽气体积进行精确的测量，进而得出监测环境中该时段的颗粒物质量浓度。测量装置对运行环境的要求较高，同时也存在测量结果出现负值的问题。
激光散射法技术利用气流中的颗粒物对入射激光的散射来测量颗粒物的含量，其受颗粒物成分的影响较其他方法会大些，但其优异的实时性及低运行维护费用使得其在高密度分布运行大气颗粒物监测网中成为主要测量装置。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于提供基于激光散射法的大气颗粒物浓度测量装置，针对颗粒物成份进行测量；本发明还公开了其测量方法。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
基于激光散射法的大气颗粒物浓度测量装置，包括采样系统、激光检测系统、PID控制加热系统、通信系统、主控制板，所述的采样系统、激光检测系统、PID控制加热系统、通信系统、电源模块均分别与主控制板相连。
进一步地，还包括电源模块，所述的电源模块与主控制板相连。
进一步地，所述的采样系统包括颗粒物切割器、激光检测单元和采样泵，所述的颗粒物切割器的进气口经过气道与采样头连通，颗粒物切割器的出气口与采样管连通后接入激光检测单元的进气口，激光检测单元的出气口经过气道与采样泵的进气口连通。
进一步地，所述的采样泵的出口接入第二级过滤器，第二级过滤器通过分气道接入激光检测单元。
进一步地，在所述的激光检测单元和采样泵之间依次设置过滤器和气体流量计。气体流量计和采样泵精密控制流经采样管、测量腔室的气流流量保持在一个恒定的设定值。
进一步地，所述的激光检测单元、过滤器、气体流量计和采样泵均设置在机箱内部，在所述的机箱下方设置无线路由模块，在所述的机箱上方设置配合无线路由模块使用的天线。在所述的机箱上设置主控制板和触控屏，在机箱底部设置电源模块。
进一步地，所述的PID控制加热系统包括温湿度传感器、加热单元、温湿度补偿模块，所述的温湿度传感器、加热单元、温湿度补偿模块均分别设置在采样管上。
进一步地，所述的激光检测系统包括设置在激光检测单元内的激光光源发生器、第一聚焦透镜、测量腔室、光陷阱、第二聚焦透镜和激光探测器，所述的激光光源发生器和激光探测器相对设置在测量腔室的两端，在靠近激光光源发生器侧设置第一聚焦透镜，在第一聚焦透镜的正前方设置光陷阱，在光陷阱的两侧分别设置两组第二聚焦透镜。
进一步地，所述的采样管的出气口和激光检测单元的出气口之间的工作区域设置在第一聚焦透镜和第二聚焦透镜之间，且该工作区域位于光陷阱的正前方和第一组第二聚焦透镜的焦平面上，激光探测器位于第二组第二聚焦透镜的焦平面上，所述的激光探测器与外接的测量模块相连。
进一步地，所述的基于激光散射法的大气颗粒物浓度测量装置的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)外部含颗粒物的待测样气经采样头及气道进入颗粒物切割器，颗粒物经颗粒物切割器切割后随待测样气经采样管最终抽吸至激光检测单元中进行检测，所述的激光检测单元中气流流量保持恒定；
2)随待测样气进入采样管后，通过位于采样管管壁上的温湿度传感器获知样气的温湿度信息，当样气的温湿度超过设定范围时，启动温湿度补偿模块，通过加热单元对样气进行PID控制，补偿大气的温湿度变化对颗粒物测量的影响；
3)步骤1)的检测数据通过通信系统上传至互联网。
有益效果：与现有的技术相比，本发明的基于激光散射法的大气颗粒物浓度测量装置，通过设置采样系统、激光检测系统、PID控制加热系统、通信系统、电源模块均分别与主控制板相连，是一种基于激光散射法原理为测量基础的、高度集成的、便于安装且能满足在恶劣的户外工况下长期在线监测大气颗粒物装置，该装置具有测量精度高、实时性强、体积小、便于组网、监测数据可视化的等优点；本发明通过测量颗粒物浓度的关键——颗粒物成份，测量精度，多通道实时，温湿度精密控制，气流的精密控制。本发明的测量方法利用采样系统将含颗粒物的样气通过激光检测系统，计算获得颗粒物的浓度信息，并通过无线通信系统和触控屏将该信息分别上传至互联网和本地显示；同时，为保证所测数据的精确性，利用PID控制加热系统对样气的温湿度进行精确控制，从而有效降低温湿度对颗粒物测量的影响。
附图说明
图1为在线测量大气颗粒物浓度的装置的主视图；
图2为激光检测单元的结构示意图；
图3为在线测量大气颗粒物浓度的装置的功能框图；
图4为在线测量大气颗粒物浓度的装置所测PM10数据与基于β射线法的装置测得数据对比图；
图5为在线测量大气颗粒物浓度的装置所测PM2.5数据与基于β射线法的装置测得数据对比图；
附图标记：1-采样头、2-气道、3-颗粒物切割器、4-采样管、5-温湿度传感器、6-加热单元、7-温湿度补偿模块、8-激光检测单元、9-过滤器、10-气体流量计、11-采样泵、12-第二级过滤器、13-分气道、14-机箱、15-触控屏、16-无线路由模块、17-天线、18-电源模块、19-主控制板、81-激光光源发生器、82-第一聚焦透镜、83-测量腔室、84-光陷阱、85-第二聚焦透镜、86-激光探测器、87-测量模块。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。
如图1-3所示，基于激光散射法的大气颗粒物浓度测量装置，包括采样系统、激光检测系统、PID控制加热系统、通信系统、电源模块18和主控制板19。采样系统、激光检测系统、PID控制加热系统、通信系统、电源模块18均分别与主控制板19相连。
采样系统包括颗粒物切割器3、过滤器9、气体流量计10、采样泵11，在气体流量计10上设有流量控制阀。其中，颗粒物切割器3的进气口经过气道2与采样头1连通。外部含颗粒物的待测样气经采样头1及气道2进入颗粒物切割器3，颗粒物经颗粒物切割器3切割后随待测样气经采样管4最终抽吸至激光检测单元8中进行检测。通信系统包括触控屏15和无线路由模块16。数据通过无线路由模块16，经过天线17上传至互联网。
PID控制加热系统包括温湿度传感器5、加热单元6、温湿度补偿模块7。温湿度传感器5、加热单元6、温湿度补偿模块7均分别设置在采样管4上。随待测样气进入采样管4后，通过位于管壁上的温湿度传感器获知样气的温湿度信息，当样气的温湿度超过设定范围时，启动温湿度补偿模块7，通过加热单元6对样气进行PID控制，精密补偿大气的温湿度变化对颗粒物测量的影响。
PID控制加热系统由两级PID闭环串级而成，包括湿度PID控制环和温度PID控制环，湿度PID控制环构成外环控制，温度PID控制环构成内环控制。湿度PID控制环和温度PID控制环的双闭环控制增强了温湿度补偿系统的稳定性，抗干扰能力。加热单元6与外部大气环境相对隔离以减小温湿度补偿模块7的热惯性，从而减小时间常数，加速系统对外部扰动的响应速度。PID控制加热系统以硬件和软件结合的方法来实现。PID参数的粗调由硬件设置，优化的精细参数由软件计算生成并存储在记忆体中。
颗粒物切割器3的进气口经过气道2与采样头1连通，颗粒物切割器3的出气口与采样管4连通后接入激光检测单元8的进气口。激光检测单元8的出气口经过气道2与采样泵11的进气口连通，采样泵11的出口接入第二级过滤器12，第二级过滤器12通过分气道13接入激光检测单元8。
其中，在激光检测单元8和采样泵11之间设置过滤器9和气体流量计10。激光检测单元8、过滤器9、气体流量计10和采样泵11均设置在机箱14内部。在机箱14上设置主控制板19和触控屏15。
电源模块18设置在机箱14底部。在机箱14下方设置无线路由模块16。在机箱14上方设置配合无线路由模块16使用的天线17。
激光检测系统包括设置在激光检测单元8内的激光光源发生器81、第一聚焦透镜82、测量腔室83、光陷阱84、第二聚焦透镜85、激光探测器86及外接的测量模块87，激光探测器86与外接的测量模块87相连。激光光源发生器81和激光探测器86相对设置在测量腔室83的两端，在靠近激光光源发生器81侧设置第一聚焦透镜82，在第一聚焦透镜82的正前方设置光陷阱84，在光陷阱84的两侧分别设置两组第二聚焦透镜85，采样管4的出气口和激光检测单元8的出气口之间的工作区域设置在第一聚焦透镜82和第二聚焦透镜85之间，且该工作区域位于光陷阱84的正前方和第一组第二聚焦透镜85的焦平面上，激光探测器86位于第二组第二聚焦透镜85的焦平面上。被颗粒物散射的激光信号通过两组聚焦透镜85聚焦后，被激光探测器86探测并进行高速ADC转换，变换成频率信号，通过测量模块87对频率信号的频率和幅度信息进行处理，将不同粒径的颗粒物的数量和质量进行高速实时统计运算，最终得出PM1,PM2.5,PM4,PM10的浓度值。
基于激光散射法的大气颗粒物浓度测量装置的测量方法，包括如下步骤：
1)外部含颗粒物的待测样气经采样头1及气道2进入颗粒物切割器3，颗粒物经颗粒物切割器3切割后随待测样气经采样管4最终抽吸至激光检测单元8中，激光检测单元8中(即测量腔室83中)气流流量保持恒定；
2)随待测样气进入采样管4后，通过位于采样管4管壁上的温湿度传感器5获知样气的温湿度信息，当样气的温湿度超过设定范围时，启动温湿度补偿模块7，通过加热单元6对样气进行PID控制，补偿大气的温湿度变化对颗粒物测量的影响；
3)步骤1)的检测数据通过通信系统上传至互联网。
工作过程：经颗粒物切割器3切割后的待测样气抽吸至测量腔室83，激光光源发生器81产生波长790-860nm红外光，由激光光源发生器81产生的激光经过第一聚焦透镜82形成平行光束，照射到测量腔室83位于采样管4的出气口和激光检测单元8的出气口之间的工作区域的待测样气，待测样气中的颗粒物对平行光束发射散射，散射的激光经过两组第二聚焦透镜85最后聚焦照射到激光探测器86上，用于检测经由颗粒物散射后的红外光，经过测量模块87计算出颗粒物的粒径。经过测量模块87计算出颗粒物的粒径，通过系统软件将这一数据显示在触控屏15上，同时将这一数据通过无线路由模块16、天线17上传至互联网。而如果待测样气中不含有颗粒物或颗粒物的粒径非常小时，由激光光源发生器产生的激光经过第一聚焦透镜82形成的平行光束则直接照射到光陷阱84中，光陷阱84的尺寸经优化获得。经过激光检测单元8检测后的气体通过过滤器9过滤掉一部分颗粒物后，通过气体流量计10、采样泵11后进入第二级过滤器12后形成基本不含颗粒物的纯净空气一部分通过分气道13进入测量腔室83用于吹去可能吸附于测量腔室83内壁上的颗粒物，另一部分则直接排入箱体外。气体流量计10和采样泵9精密控制流经采样管4、测量腔室83的气流流量并保持在一个恒定的设定值。
图4为本发明在线测量大气颗粒物浓度的装置所测PM10数据与基于β射线法的装置测得数据对比；(深色为本装置测得数据，浅色为基于β射线法的装置(T640，美国Teledyne公司产品)测得数据)。从图中可以看出本装置测得的数据与美国Teledyne公司产品T640测得的数据非常接近。验证了本发明的正确性和可行性。
图5为本发明在线测量大气颗粒物浓度的装置所测PM2.5数据与基于β射线法的装置(T640，美国Teledyne公司产品)测得数据对比；(深色为本装置测得数据，浅色为基于β射线法装置测得数据)。从图中可以看出本装置测得的数据与美国Teledyne公司产品T640测得的数据非常接近。验证了本发明的正确性和可行性。
Claims (10)
1.基于激光散射法的大气颗粒物浓度测量装置，其特征在于：包括采样系统、激光检测系统、PID控制加热系统、通信系统、主控制板(19)，所述的采样系统、激光检测系统、PID控制加热系统、通信系统、电源模块(18)均分别与主控制板(19)相连。
2.根据权利要求1所述的基于激光散射法的大气颗粒物浓度测量装置，其特征在于：还包括电源模块(18)，所述的电源模块(18)与主控制板(19)相连。
3.根据权利要求1所述的基于激光散射法的大气颗粒物浓度测量装置，其特征在于：所述的采样系统包括颗粒物切割器(3)和采样泵(11)，所述的颗粒物切割器(3)的进气口经过气道(2)与采样头(1)连通，颗粒物切割器(3)的出气口与采样管(4)连通后接入激光检测单元(8)的进气口，激光检测单元(8)的出气口经过气道(2)与采样泵(11)的进气口连通。
4.根据权利要求3所述的基于激光散射法的大气颗粒物浓度测量装置，其特征在于：所述的采样泵(11)的出口接入第二级过滤器(12)，第二级过滤器(12)通过分气道(13)接入激光检测单元(8)。
5.根据权利要求3所述的基于激光散射法的大气颗粒物浓度测量装置，其特征在于：在所述的激光检测单元(8)和采样泵(11)之间依次设置过滤器(9)和气体流量计(10)。
6.根据权利要求5所述的基于激光散射法的大气颗粒物浓度测量装置，其特征在于：所述的激光检测单元(8)、过滤器(9)、气体流量计(10)和采样泵(11)均设置在机箱(14)内部，在所述的机箱(14)下方设置无线路由模块(16)，在所述的机箱(14)上方设置配合无线路由模块(16)使用的天线(17)。
7.根据权利要求1所述的基于激光散射法的大气颗粒物浓度测量装置，其特征在于：所述的PID控制加热系统包括温湿度传感器(5)、加热单元(6)、温湿度补偿模块(7)，所述的温湿度传感器(5)、加热单元(6)、温湿度补偿模块(7)均分别设置在采样管(4)上。
8.根据权利要求3所述的基于激光散射法的大气颗粒物浓度测量装置，其特征在于：所述的激光检测系统包括设置在激光检测单元(8)内的激光光源发生器(81)、第一聚焦透镜(82)、测量腔室(83)、光陷阱(84)、第二聚焦透镜(85)和激光探测器(86)，所述的激光光源发生器(81)和激光探测器(86)相对设置在测量腔室(83)的两端，在靠近激光光源发生器(81)侧设置第一聚焦透镜(82)，在第一聚焦透镜(82)的正前方设置光陷阱(84)，在光陷阱(84)的两侧分别设置两组第二聚焦透镜(85)。
9.根据权利要求8所述的基于激光散射法的大气颗粒物浓度测量装置，其特征在于：所述的采样管(4)的出气口和激光检测单元(8)的出气口之间的工作区域设置在第一聚焦透镜(82)和第二聚焦透镜(85)之间，且该工作区域位于光陷阱(84)的正前方和第一组第二聚焦透镜(85)的焦平面上，激光探测器(86)位于第二组第二聚焦透镜(85)的焦平面上，所述的激光探测器(86)与外接的测量模块(87)相连。
10.权利要求2-9中任意一项所述的基于激光散射法的大气颗粒物浓度测量装置的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)外部含颗粒物的待测样气经采样头(1)及气道(2)进入颗粒物切割器(3)，颗粒物经颗粒物切割器(3)切割后随待测样气经采样管(4)最终抽吸至激光检测单元(8)中，所述的激光检测单元(8)中气流流量保持恒定；
2)随待测样气进入采样管(4)后，通过位于采样管(4)管壁上的温湿度传感器(5)获知样气的温湿度信息，当样气的温湿度超过设定范围时，启动温湿度补偿模块(7)，通过加热单元(6)对样气进行PID控制，补偿大气的温湿度变化对颗粒物测量的影响；
3)步骤1)的检测数据通过通信系统上传至互联网。
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