CN113533151A - 基于鞘气绕流设计的单颗粒测量气路系统及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于鞘气绕流设计的单颗粒测量气路系统及其测量方法，涉及大气颗粒物检测技术领域；包括鞘气绕流模块、稀释模块、检测腔体、稳流模块、动力模块、电源模块、采集数据处理器及远程监测中心；所述鞘气绕流模块、稀释模块、检测腔体、稳流模块、动力模块及采集数据处理器在气路系统上，电源模块和动力模块模块、采集数据处理器连接，动力模块与采集数据处理器连接；所述采集数据处理器通过4G网络与远程监测中心传输。该方法提供将实际大气中单分散的气溶胶颗粒约束成单颗粒排列的设计气路系统，使用“鞘气”绕流的方式将气溶胶粒子约束成单颗粒排列进入激光束，约束后的气溶胶粒子束可有效被激光光束检测。
Description
技术领域
本发明涉及大气污染物检测技术领域，尤其涉及一种基于鞘气绕流设计的单颗粒测量气路系统及其测量方法。
背景技术
目前对大气污染的监测主要通过体积分的方式对气团内整体颗粒物光学等性质进行探测，例如激光雷达、卫星探测等，这种对整体颗粒物光学性质进行测量的方式，只能给出定性的结果，缺乏更精确的单颗粒物的物理性质信息。然后在测量时由于颗粒物较小，想实现污染物单颗粒排列过程是一件很难的过程，本发明亟待发明一种可以实现的单颗粒测量气路系统。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于鞘气绕流设计的单颗粒测量气路系统及其测量方法，从而解决现有技术中存在的前述问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于鞘气绕流设计的单颗粒测量气路系统，包括鞘气绕流模块(1)，稀释模块(2)，检测腔体(3)，稳流模块(4)和气溶胶粒子管道；
所述鞘气绕流模块(1)，所述稀释模块(2)，所述检测腔体(3)和所述稳流模块(4)连接在所述气溶胶粒子管道上，其中，所述稀释模块(2)用于稀释气溶胶粒子管道中的粒子流；所述鞘气绕流模块(1)对气溶胶粒子管道中的粒子流进行整流，使其形成单列排列的粒子进入所述检测腔体(3)，所述稳流模块连接在所述检测腔体后端，用于提供足够的气流滞留时间，避免气流发生震荡。
优选的，所述鞘气绕流模块(1)包括绕流气体产生模块和气溶胶粒子束喷射装置，所述气溶胶粒子束喷射装置安装在所述检测腔体上方，所述绕流气体产生模块为所述气溶胶粒子束喷射装置提供洁净绕流气体。
优选的，所述绕流气体产生模块包括绕流气泵、流量传感器、过滤器和阀门，绕流气泵产生气流，流量传感器监测流量，阀门控制流量，所述过滤器用于过滤气体中的颗粒物。
优选的，所述气溶胶粒子喷射装置包括用于气溶胶样本气体进样管，绕流气体进样管，绕流形成腔以及粒子束喷出口；所述气溶胶样本气体进样管连接在所述绕流形成腔的上方，所述绕流气体进样管连接在所述绕流形成腔的侧面，所述粒子束喷出口设置在所述绕流形成腔的下方，直接指向所述检测腔体。
优选的，所述稀释模块(2)包括稀释气泵、流量传感器、阀门和过滤器，所述稀释气泵用于产生稀释气流，所述流量传感器监测稀释气体的流量，阀门控制稀释气体的流量，使得稀释后的气体浓度为0.9lpm；所述过滤器用于过滤稀释气体内的颗粒物；所述稳流模块(4)包括两个串联的过滤器，用于提供足够的气流滞留时间，避免气流发生震荡，影响检测腔体中的测量。
优选的，所述检测腔体(3)为激光测量腔，在所述激光测量腔内部，设置有激光发射器和接收器，用于测量粒子的数量；在离子束的喷出口和下端的出气管口之间存在10-15mm的间距，使得在进行激光测数时，保证90％以上的颗粒物在测量腔内的滞留时间小于10毫秒，提高检测的精度。
优选的，所述气路系统还包括动力模块(5)，电源模块(6)和采集数据处理器(7)，所述动力模块用于对整个系统中所有的气泵提供动力；所述电源模块(6)用于为所有的气泵、流量传感器提供电力保障，所述采集数据处理器(7)用于采集检测腔内的测量结果以及动力模块的数据，并将数据实时上传远程监测中心(8)。
更优选的，电源模块和动力模块模块、采集数据处理器连接，动力模块与采集数据处理器连接；所述采集数据处理器为安卓系统，通过4G网络与远程监测中心传输。该方法提供将实际大气中单分散的气溶胶颗粒约束成单颗粒排列的设计气路系统，通过建立合理的空气动力学、流体力学最优条件，使用“鞘气”绕流的方式将气溶胶粒子约束成单颗粒排列进入激光束，约束后的气溶胶粒子束可有效被激光光束检测。
本发明的另一个目的在于提供一种基于鞘气绕流设计的单颗粒测量气路系统的测量方法，包括以下步骤：
S1，气溶胶样气粒子流进入所述气溶胶粒子管道后首先经过所述稀释模块的第一次稀释作用,这样可以有效减少单位体积颗粒物数浓度，从而降低检测误差；
S2，经过稀释之后的气溶胶样气粒子流经过鞘气绕流模块，所述绕流气体产生模块生成绕流气体，绕流气体经绕流气体进样管进入气溶胶粒子喷射装置的绕流形成腔中，所述稀释之后的气溶胶样气粒子流经气溶胶样本气体进样管进入绕流形成腔，在气溶胶粒子喷射装置气溶胶样气粒子流由杂乱无章的状态整流成单颗粒粒子束，通过粒子束喷出口顺次进入检测腔体，从而提高仪器设备对颗粒物的检测精度，在检测腔体内获得粒子数n；
测量腔中的气溶胶粒子束下方约10～15毫米处为出气管口，保证90％以上的颗粒物在测量腔内的滞留时间小于10毫秒。
S3，进入检测腔体后的样气检测结束后再经过稳流模块的过滤器过滤后进行测量，再经气泵排出气体，最后经过流量传感器记录实时流量数据V。
S4，数据采集处理器通过获取的气溶胶粒子数量n和流量数据V，计算得到颗粒物的数浓度。
该气体系统动力来源于测量腔体下方的气泵，该气泵流量需要略高于稀释气和鞘气流量的总和，其流量差则为系统样气流量。
优选的，步骤S1中所述稀释模块产生的稀释气体流量为0.9lpm；步骤S2中的绕流气体流量为5lpm。
优选的，所述步骤S2中进入检测腔体后还可以进行颗粒物退偏比的测试。
本发明的有益效果是：
本发明提供了一种基于鞘气绕流设计的单颗粒测量气路系统及其测量方法，该气路系统结构合理，通过稀释和鞘气绕流过程，使得该系统中待测试的颗粒物在进行激光测试时采用单颗粒测量气路系统进行测量，可以提供更精确的单颗粒物的物理性质信息；多个流量计的设计也保证气体流量的准确性，为计算颗粒物的数浓度提供保障，也能对有效认识环境污染物形状提供支撑。
附图说明
图1是实施例1中提供的基于鞘气绕流设计的单颗粒测量气路系统示意图；
图2是实施例1中提供的气溶胶粒子喷射装置结构示意图；
图3是实施例1中提供的检测腔体进行粒子检测的示意图；
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本实施例中提供了一种基于鞘气绕流设计的单颗粒测量气路系统，如图1所示，包括鞘气绕流模块(1)，稀释模块(2)，检测腔体(3)，稳流模块(4)，动力模块(5)，电源模块(6)，采集数据处理器(7)和气溶胶粒子管道；本申请中的单颗粒测量气路系统可以适用于任何的颗粒物，本实施例中以其中的一种气溶胶作为示例。
所述鞘气绕流模块(1)，所述稀释模块(2)，所述检测腔体(3)和所述稳流模块(4)连接在所述气溶胶粒子管道上，其中，所述稀释模块(2)用于稀释气溶胶粒子管道中的粒子流；所述鞘气绕流模块(1)对气溶胶粒子管道中的粒子流进行整流，使其形成单列排列的粒子进入所述检测腔体(3)，所述稳流模块连接在所述检测腔体后端，用于提供足够的气流滞留时间，避免气流发生震荡；所述动力模块用于对整个系统中所有的气泵提供动力；所述电源模块(6)用于为所有的气泵、流量传感器提供电力保障，所述采集数据处理器(7)用于采集检测腔内的测量结果以及动力模块的数据，并将数据实时上传远程监测中心(8)。
本实施例中的所述鞘气绕流模块(1)包括绕流气体产生模块和气溶胶粒子束喷射装置，所述气溶胶粒子束喷射装置安装在所述检测腔体上方，所述绕流气体产生模块为所述气溶胶粒子束喷射装置提供洁净绕流气体。
所述绕流气体产生模块包括绕流气泵、流量传感器、过滤器和阀门，绕流气泵产生气流，流量传感器监测流量，阀门控制流量，所述过滤器用于过滤气体中的颗粒物。
所述气溶胶粒子喷射装置如图2所示，包括用于气溶胶样本气体进样管，绕流气体进样管，绕流形成腔以及粒子束喷出口；所述气溶胶样本气体进样管连接在所述绕流形成腔的上方，所述绕流气体进样管连接在所述绕流形成腔的侧面，所述粒子束喷出口设置在所述绕流形成腔的下方，直接指向所述检测腔体。
本实施例中的所述稀释模块(2)包括稀释气泵、流量传感器、阀门和过滤器，所述稀释气泵用于产生稀释气流，所述流量传感器监测稀释气体的流量，阀门控制稀释气体的流量，使得稀释后的气体浓度为0.9lpm；所述过滤器用于过滤稀释气体内的颗粒物；所述稳流模块(4)包括两个串联的过滤器，用于提供足够的气流滞留时间，避免气流发生震荡，影响检测腔体中的测量。
本实施例中的所述检测腔体(3)为激光测量腔，在所述激光测量腔内部，设置有激光发射器和接收器，用于测量粒子的数量；在离子束的喷出口和下端的出气管口之间存在10-15mm的间距，使得在进行激光测数时，保证90％以上的颗粒物在测量腔内的滞留时间小于10毫秒，提高检测的精度。
本实施例中的电源模块和动力模块模块、采集数据处理器连接，动力模块与采集数据处理器连接；所述采集数据处理器为安卓系统，通过4G网络与远程监测中心传输。该方法提供将实际大气中单分散的气溶胶颗粒约束成单颗粒排列的设计气路系统，通过建立合理的空气动力学、流体力学最优条件，使用“鞘气”绕流的方式将气溶胶粒子约束成单颗粒排列进入激光束，约束后的气溶胶粒子束可有效被激光光束检测。
实施例2
本实施例提供了采用实施例1中记载的基于鞘气绕流设计的单颗粒测量气路系统进行气溶胶测量的方法，包括以下步骤：
S1，气溶胶样气粒子流进入所述气溶胶粒子管道后首先经过所述稀释模块的第一次稀释作用,这样可以有效减少单位体积颗粒物数浓度，从而降低检测误差；
S2，经过稀释之后的气溶胶样气粒子流经过鞘气绕流模块，所述绕流气体产生模块生成绕流气体，绕流气体经绕流气体进样管进入气溶胶粒子喷射装置的绕流形成腔中，所述稀释之后的气溶胶样气粒子流经气溶胶样本气体进样管进入绕流形成腔，在气溶胶粒子喷射装置气溶胶样气粒子流由杂乱无章的状态整流成单颗粒粒子束，通过粒子束喷出口顺次进入检测腔体，从而提高仪器设备对颗粒物的检测精度，在检测腔体内获得粒子数n；
测量腔中的气溶胶粒子束下方约10～15毫米处为出气管口，保证90％以上的颗粒物在测量腔内的滞留时间小于10毫秒。
S3，进入检测腔体后的样气检测结束后再经过稳流模块的过滤器过滤后进行测量，再经气泵排出气体，最后经过流量传感器记录实时流量数据V。
S4，数据采集处理器通过获取的气溶胶粒子数量n和流量数据V，计算得到颗粒物的数浓度。
该气体系统动力来源于测量腔体下方的气泵，该气泵流量需要略高于稀释气和鞘气流量的总和，其流量差则为系统样气流量。
步骤S1中所述稀释模块产生的稀释气体流量为0.9lpm；步骤S2中的绕流气体流量为5lpm。
所述步骤S2中进入检测腔体后还可以进行颗粒物退偏比的测试。
通过采用本发明公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：
本发明提供了一种基于鞘气绕流设计的单颗粒测量气路系统及方法，该气路系统结构合理，可以提供更精确的单颗粒物的物理性质信息；利用单颗粒测量气路系统进行测量，可以实时单个颗粒物光学等性质的实时探测，为有效认识环境污染物形状提供支撑。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于鞘气绕流设计的单颗粒测量气路系统，其特征在于，包括鞘气绕流模块(1)，稀释模块(2)，检测腔体(3)，稳流模块(4)和气溶胶粒子管道；所述鞘气绕流模块(1)，所述稀释模块(2)，所述检测腔体(3)和所述稳流模块(4)连接在所述气溶胶粒子管道上，其中，所述稀释模块(2)用于稀释气溶胶粒子管道中的粒子流；所述鞘气绕流模块(1)对气溶胶粒子管道中的粒子流进行整流，使其形成单列排列的粒子进入所述检测腔体(3)，所述稳流模块连接在所述检测腔体后端，用于提供足够的气流滞留时间，避免气流发生震荡。
2.根据权利要求1所述的基于鞘气绕流设计的单颗粒测量气路系统，其特征在于，所述鞘气绕流模块(1)包括绕流气体产生模块和气溶胶粒子束喷射装置，所述气溶胶粒子束喷射装置安装在所述检测腔体上方，所述绕流气体产生模块为所述气溶胶粒子束喷射装置提供洁净绕流气体。
3.根据权利要求2所述的基于鞘气绕流设计的单颗粒测量气路系统，其特征在于，所述绕流气体产生模块包括绕流气泵、流量传感器、过滤器和阀门，绕流气泵产生气流，流量传感器监测流量，阀门控制流量，所述过滤器用于过滤气体中的颗粒物。
4.根据权利要求2所述的基于鞘气绕流设计的单颗粒测量气路系统，其特征在于，所述气溶胶粒子喷射装置包括用于气溶胶样本气体进样管，绕流气体进样管，绕流形成腔以及粒子束喷出口；所述气溶胶样本气体进样管连接在所述绕流形成腔的上方，所述绕流气体进样管连接在所述绕流形成腔的侧面，所述粒子束喷出口设置在所述绕流形成腔的下方，直接指向所述检测腔体。
5.根据权利要求1所述基于鞘气绕流设计的单颗粒测量气路系统，其特征在于，所述稀释模块(2)包括气泵、流量传感器、阀门和过滤器，所述气泵用于产生稀释气流，所述流量传感器监测流量，阀门控制稀释气体的流量，所述过滤器用于过滤稀释气体内的颗粒物；所述稳流模块(4)包括两个串联的过滤器。
6.根据权利要求1所述的基于鞘气绕流设计的单颗粒测量气路系统，其特征在于，所述检测腔体(3)为激光测量腔。
7.根据权利要求1所述基于鞘气绕流设计的单颗粒测量气路系统，其特征在于，所述气路系统还包括动力模块(5)，电源模块(6)和采集数据处理器(7)，所述动力模块用于对整个系统中所有的气泵提供动力；所述电源模块(6)用于为所有的气泵、流量传感器提供电力保障，所述采集数据处理器(7)用于采集检测腔内的测量结果以及动力模块的数据，并将数据实时上传远程监测中心(8)。
8.一种基于鞘气绕流设计的单颗粒测量气路系统的测量方法，其特征在于，采用权利要求1-7任一所述的基于鞘气绕流设计的单颗粒测量气路系统进行气溶胶单颗粒测量，包括以下步骤：
S1，气溶胶样气粒子流进入所述气溶胶粒子管道后首先经过所述稀释模块的第一次稀释作用，这样可以有效减少单位体积颗粒物数浓度，从而降低检测误差；
S2，经过稀释之后的气溶胶样气粒子流经过鞘气绕流模块，所述绕流气体产生模块生成绕流气体经绕流气体进样管进入气溶胶粒子喷射装置的绕流形成腔中，所述稀释之后的气溶胶样气粒子流经气溶胶样本气体进样管进入绕流形成腔，在气溶胶粒子喷射装置气溶胶样气粒子流由杂乱无章的状态整流成单颗粒粒子束，通过粒子束喷出口顺次进入检测腔体；
S3，进入检测腔体后的粒子束经激光检测结束后获得气溶胶粒子数量n，再经过稳流模块的过滤器过滤后进行测量，再经气泵排出气体，最后经过流量传感器记录实时流量数据V；
S4，数据采集处理器通过获取的气溶胶粒子数量n和V，计算得到颗粒物的数浓度。
9.根据权利要求8所述的基于鞘气绕流设计的单颗粒测量气路系统的测量方法，其特征在于，步骤S1中所述稀释模块产生的稀释气体流量为0.9lpm；步骤S2中的绕流气体流量为5lpm。
10.根据权利要求8所述的基于鞘气绕流设计的单颗粒测量气路系统的测量方法，其特征在于，所述步骤S2中进入检测腔体后还可以进行颗粒物退偏比的测试。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20211022 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |