CN114923822A - 多波长气溶胶颗粒物浓度在线检测系统及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了多波长气溶胶颗粒物浓度在线检测系统及检测方法，能够对大气中颗粒物进行实时在线监测。整个系统由三大模块组成，激光光源模块、光敏区探测模块以及后续的数据处理显示模块。本发明提出的检测方法，能够通过光的散射特性对颗粒物的质量浓度进行实时测量，采用三个角度探测器来对实验系数进行标定以及校正，这样大大减小了测量误差。相比于单波长测量，本发明采用的气溶胶颗粒物浓度在线检测系统可以大大地拓宽粒径检测范围。
Description
技术领域
本发明属于大气颗粒物探测设备技术领域，具体涉及多波长气溶胶颗粒物浓度在线检测系统，还涉及其检测方法。
背景技术
随着中国工业的大力发展，在未来很长一段时间里，工业所产生的颗粒物依然会对我国的环境造成严重的污染，要做好污染防治，对这些颗粒物进行长时间实时在线监测就变得尤为重要，急需有一种多波长的颗粒物质量浓度测量装置来实现多粒径段的测量。目前的测量方法主要有滤膜称重法、光衰减法、压电晶体法和光散射法等。滤膜称重法是发展历史最长颗粒物质量浓度测定方法，也是我国目前最基本通用的计重测尘法。其工作原理是利用固定流量的气泵采取样本气体，让其经过恒重的滤膜时，采集其中的颗粒物，滤膜可过滤超过95％的一定粒径的粉尘颗粒，由称量滤膜采样前后的质量差计算出颗粒物的质量浓度；压电晶体法(又称压电晶体频差法)使空气以恒定流量通过切割器，进入由高压放电针和微量石英谐振器组成的静电采样器，在高压电晕放电的作用下，气流中的颗粒物全部沉降于测量谐振器的电极表面上，因电极上增加了颗粒物的质量，其振荡频率发生变化，根据频率变化可测定颗粒物的质量浓度。β射线吸收法是当仪器按规定流量抽取空气样品，气体通过带状滤纸过滤，使粉尘集中到该滤纸上，捕集前和捕集后的滤纸经β射线照射并测定透过滤纸的β射线强度，便能间接测出附在滤纸上的粉尘质量。光散射法是待测气体通过气泵被抽取到测量区，与激光器发出的激光作用，产生散射光，再通过光电探测器收集特定角度上的散射光，经信号采集电路将散射光电流转换为电压，由于颗粒物产生的散射光包含颗粒的粒径、质量浓度等信息，因此分析散射光信号转换后的电压信号可得到颗粒物质量浓度。上述测量方法中，光散射法以具有快速、直接、灵敏、无损等特点受到广泛应用，已成为气溶胶粒子实时检测的有效技术手段。
发明内容
本发明的目的是提供多波长气溶胶颗粒物浓度在线检测系统，通过光的散射特性对颗粒物的质量浓度进行实时测量，减小了测量误差。
本发明的另一目的是提供上述多波长气溶胶颗粒物浓度在线检测方法。
本发明所采用的技术方案是，多波长气溶胶颗粒物浓度在线检测系统，包括激光光源模块、光敏区探测模块以及数据处理显示模块；激光光源模块包括多波长激光器，多波长激光器发出的光束依次经过可调光阑、汇聚光束平凸透镜、调整光束平凸透镜进入光功率计中；多波长激光器和光功率计的连线与光束交叉区域形成光敏区探测模块；数据处理显示模块包括电性连接的数据采集卡和上位机Labview软件。
本发明的特点还在于，
光敏区探测模块包括两个鞘气管，两个鞘气管分别位于汇聚光束平凸透镜和调整光束平凸透镜之间的上下方区域；还包括第一光电探测器、第二光电探测器和第三光电探测器，第一光电探测器位于调整光束平凸透镜与鞘气管之间的上方区域，且第一光电探测器与光束的夹角为45°；第二光电探测器位于调整光束平凸透镜与鞘气管之间的下方区域，且第二光电探测器与光束的夹角为45°；第三光电探测器位于鞘气管与汇聚光束平凸透镜之间的下方区域，且第三光电探测器与光束的夹角为135°；第一光电探测器、第二光电探测器和第三光电探测器均与数据采集卡电性连接。
其中一个鞘气管为进气管，另一个为出气管；鞘气管的两端分别设置有进口和出口，且鞘气管的出口为喷嘴状。
本发明所采用的另一技术方案是，多波长气溶胶颗粒物浓度在线检测方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1，将测试样品颗粒物气体通过气溶胶发生器通入到鞘气管，在鞘气管的出口处形成喷射流，颗粒物气体经过测量区从底部排出；
步骤2，打开多波长激光器，先预热多波长激光器，直到其输出功率稳定；打开第一光电探测器、第二光电探测器和第三光电探测器对标准颗粒物样品的散射光强进行测量，并对系数进行校正，经过数据采集卡采集至上位机Labview软件。
本发明的特点还在于，
步骤2中，对系数进行校正的过程为：
第一光电探测器采集到的散射光强为I1，第二光电探测器采集到的散射光强为I2，第三光电探测器采集到的散射光强为I3；
首先，计算利用多个标准颗粒物样品进行标定系数K，其计算公式如式(1)所示；
式(1)中，I1为所测实时散射光强，S0为背景光噪声，Cm为标准颗粒物样品的质量浓度；
由前向散射光强I2与后向散射光强I3的比值得到对称因子F，表达式如式(2)所示；
对称因子F与平均粒径D之间的线性关系如式(3)所示；
D＝a·F+b (3)；
其中，a和b均为常数；
选取多个平均粒径为D的标准颗粒物样品进行多组实验，将实验数据拟合求出常数a、b；
平均粒径D与系数K之间的线性关系如式(4)所示；
K＝m·D+n (4)；
其中，m和n均为常数；
选取多个平均粒径为D的标准颗粒物样品进行多组实验，将实验数据拟合求出常数m和n；
由公式(3)和(4)可知，校正后的系数Ka如式(5)所示：
Ka＝m·(a·F+b)+n (5)；
进而，可得颗粒物最终反演表达式如式(6)所示，即可测得颗粒物的实时质量浓度；
Cm＝Ka*Irt (6)；
其中，Ka为校正后的系数，Irt为实时的散射光强。
本发明的有益效果是，本发明的检测系统，能够通过光的散射特性对颗粒物的质量浓度进行实时测量；传统的单角度测量对颗粒信息获取不够全面，而本发明中采用三个角度探测器来对实验系数进行标定以及校正，这样大大减小了测量误差，某一波长对应有特定的粒径检测段，相比于单波长测量，本发明采用的多波长激光器系统可以大大地拓宽粒径检测范围。
附图说明
图1是本发明多波长气溶胶颗粒物浓度在线检测系统的结构示意图；
图2是本发明多波长气溶胶颗粒物浓度在线检测系统中光路的设计示意图；
图3是本发明多波长气溶胶颗粒物浓度在线检测系统与TSI-8530测量质量浓度的比较图。
图中：1.多波长激光器，2.可调光阑，3.汇聚光束平凸透镜，4.鞘气管，5.调整光束平凸透镜，6.光功率计，7.第一光电探测器，8.第二光电探测器，9.第三光电探测器，10.上位机Labview软件，11.第一光电探测器的聚焦透镜，12.第一光电探测器的调整光阑，13.第二光电探测器的聚焦透镜，14.第二光电探测器的调整光阑，15.第三光电探测器的聚焦透镜，16.第三光电探测器的调整光阑，17.数据采集卡。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明多波长气溶胶颗粒物浓度在线检测系统，如图1所示，包括激光光源模块、光敏区探测模块以及数据处理显示模块；
激光光源模块包括多波长激光器1，多波长激光器1发出的光束依次经过可调光阑2、汇聚光束平凸透镜3、调整光束平凸透镜5进入光功率计6中；
多波长激光器1和光功率计6的连线与光束交叉区域形成光敏区探测模块；
光敏区探测模块包括两个鞘气管4，两个鞘气管4分别位于汇聚光束平凸透镜3和调整光束平凸透镜5之间的上下方区域，其中一个鞘气管4为进气管，另一个为出气管；每个鞘气管4的两端设置有分别设置有进口和出口，且鞘气管4的出口为喷嘴状；
多波长激光器1发出均匀、稳定的激光束，激光束经过可调光阑2对光路进行约束，保留激光光束中心较强和较均匀的光束，减小不均匀高斯光对测量的影响。经过约束后的光束通过汇聚光束平凸透镜将光束汇聚在一点处，调整光束平凸透镜5将颗粒物散射后的散射光重新汇聚成平行光束；在光路的尾部放一个光功率计6，光功率计6可以保证光源的稳定性以及吸收多余的散射光，以减小杂散光对测量的影响。含颗粒物气体从鞘气管4顶部进入管道，从鞘气管4两侧通入鞘气，使得待测量气体通过光敏区时流速更加稳定、分布更加均匀，鞘气管4的出口设计成喷嘴状，使得颗粒物气体出管口时形成颗粒射流，以减小散射光对测量的影响。
还包括第一光电探测器7、第二光电探测器8和第三光电探测器9，第一光电探测器7位于调整光束平凸透镜5与鞘气管4之间的上方区域，且第一光电探测器7与光束的夹角为45°；经过颗粒物后的散射光首先经过第一光电探测器7的调整光阑12，将散射光进行约束，约束后的散射光通过第一光电探测器7的平凸透镜11，第一光电探测器7的平凸透镜11将散射光汇聚成一点，将其照射在第一光电探测器7的探测平面上，由第一光电探测器7来采集其散射光强；
第二光电探测器8位于调整光束平凸透镜5与鞘气管4之间的下方区域，且第二光电探测器8与光束的夹角为45°；经过颗粒物后的散射光首先经过第二光电探测器8的调整光阑14，将散射光进行约束，约束后的散射光通过第二光电探测器8的平凸透镜13，第二光电探测器8的平凸透镜13将散射光汇聚成一点，将其照射在第二光电探测器8的探测平面上，由第二光电探测器8来采集其散射光强；
第三光电探测器9位于鞘气管4与汇聚光束平凸透镜3之间的下方区域，且第三光电探测器9与光束的夹角为135°，经过颗粒物后的散射光首先经过第三光电探测器9的调整光阑15，将散射光进行约束，约束后的散射光通过第三光电探测器9的平凸透镜16，第三光电探测器9的平凸透镜16将散射光汇聚成一点，将其照射在第三光电探测器9的探测平面上；
数据处理显示模块包括电性连接的数据采集卡17和上位机Labview软件10；第一光电探测器7、第二光电探测器8和第三光电探测器9发出的散射光信号均与数据采集卡17电性连接；
上述的多波长激光器1由650nm、532nm和405nm三个不同波段的激光器组成，旨在针对不同的粒径段来切换不同波长激光器来对颗粒物质量浓度测量。多波长激光器1可以提供较稳定的输出功率、发散角小、光束较均匀的连续激光。
第一光电探测器7、第二光电探测器8和第三光电探测器9均为同一型号，其响应时间快，增益大，能很好地将微弱的光信号转换为电压信号并稳定输出。
光功率计6可以对输出激光束的稳定性实时监测，保证测量的准确性，并且其后有嵌套的光陷阱，用来吸收多余的杂散光，避免测量结果偏大。
本发明多波长气溶胶颗粒物浓度在线检测方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1，将测试样品颗粒物气体通过气溶胶发生器通入到鞘气管4，在鞘气管4的出口处形成喷射流，颗粒物气体经过测量区从底部排出；
步骤2，打开多波长激光器1，先预热多波长激光器1，直到其输出功率稳定；打开第一光电探测器7、第二光电探测器8和第三光电探测器9对标准颗粒物样品的散射光强进行测量，并对系数进行校正，经过数据采集卡17采集至上位机Labview软件10；
第一光电探测器7采集到的散射光强为I1，第二光电探测器8采集到的散射光强为I2，第三光电探测器9采集到的散射光强为I3；
具体为：首先，计算利用多个标准颗粒物样品进行标定系数K，其计算公式如式(1)所示；
式(1)中，I1为所测实时散射光强，S0为背景光噪声，Cm为成熟仪器TSI-8530测得的标准颗粒物样品的质量浓度；
由前向散射光强I2与后向散射光强I3的比值得到对称因子F，表达式如式(2)所示；
对称因子F与平均粒径D之间的线性关系如式(3)所示；
D＝a·F+b (3)；
其中，a和b均为常数；
选取多个平均粒径为D的标准颗粒物样品进行多组实验，将实验数据拟合求出常数a、b；
平均粒径D与系数K之间的线性关系如式(4)所示；
K＝m·D+n (4)；
其中，m和n均为常数；
选取多个平均粒径为D的标准颗粒物样品进行多组实验，将实验数据拟合求出常数m和n；
由公式(3)和(4)可知，校正后的系数Ka如式(5)所示：
Ka＝m·(a·F+b)+n (5)；
进而，可得颗粒物最终反演表达式如式(6)所述：
Cm＝Ka*Irt (6)；
其中，Ka为校正后的系数，Irt为实时的散射光强。
通过上述的反演公式即可测得颗粒物的实时质量浓度。再用标准仪器TSI-8530和本发明方法同时对实验样品进行测量，将二者测量结果拟合得到如图3所示，该拟合直线斜率为1.011，截距为0.284，相关系数R2为0.988，由此得出两组数据高度相关，与实际值相比，本方法测量颗粒物质量浓度偏差较小。
Claims (5)
1.多波长气溶胶颗粒物浓度在线检测系统，其特征在于，包括激光光源模块、光敏区探测模块以及数据处理显示模块；所述激光光源模块包括多波长激光器(1)，所述多波长激光器(1)发出的光束依次经过可调光阑(2)、汇聚光束平凸透镜(3)、调整光束平凸透镜(5)进入光功率计(6)中；所述多波长激光器(1)和光功率计(6)的连线与光束交叉区域形成光敏区探测模块；所述数据处理显示模块包括电性连接的数据采集卡(17)和上位机Labview软件(10)。
2.根据权利要求1所述的多波长气溶胶颗粒物浓度在线检测系统，其特征在于，所述光敏区探测模块包括两个鞘气管(4)，两个所述鞘气管(4)分别位于汇聚光束平凸透镜(3)和调整光束平凸透镜(5)之间的上下方区域；还包括第一光电探测器(7)、第二光电探测器(8)和第三光电探测器(9)，所述第一光电探测器(7)位于调整光束平凸透镜(5)与鞘气管(4)之间的上方区域，且所述第一光电探测器(7)与光束的夹角为45°；所述第二光电探测器(8)位于调整光束平凸透镜(5)与鞘气管(4)之间的下方区域，且所述第二光电探测器(8)与光束的夹角为45°；所述第三光电探测器(9)位于鞘气管(4)与汇聚光束平凸透镜(3)之间的下方区域，且所述第三光电探测器(9)与光束的夹角为135°；所述第一光电探测器(7)、第二光电探测器(8)和第三光电探测器(9)均与数据采集卡(17)电性连接。
3.根据权利要求2所述的多波长气溶胶颗粒物浓度在线检测系统，其特征在于，其中一个所述鞘气管(4)为进气管，另一个为出气管；所述鞘气管(4)的两端分别设置有进口和出口，且所述鞘气管(4)的出口为喷嘴状。
4.多波长气溶胶颗粒物浓度在线检测方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1，将测试样品颗粒物气体通过气溶胶发生器通入到鞘气管(4)，在鞘气管(4)的出口处形成喷射流，颗粒物气体经过测量区从底部排出；
步骤2，打开多波长激光器(1)，先预热多波长激光器(1)，直到其输出功率稳定；打开第一光电探测器(7)、第二光电探测器(8)和第三光电探测器(9)对标准颗粒物样品的散射光强进行测量，并对系数进行校正，经过数据采集卡(17)采集至上位机Labview软件(10)。
5.根据权利要求4所述的多波长气溶胶颗粒物浓度在线检测方法，其特征在于，所述步骤2中，对系数进行校正的过程为：
第一光电探测器(7)采集到的散射光强为I1，第二光电探测器(8)采集到的散射光强为I2，第三光电探测器(9)采集到的散射光强为I3；
首先，计算利用多个标准颗粒物样品进行标定系数K，其计算公式如式(1)所示；
式(1)中，I1为所测实时散射光强，S0为背景光噪声，Cm为标准颗粒物样品的质量浓度；
由前向散射光强I2与后向散射光强I3的比值得到对称因子F，表达式如式(2)所示；
对称因子F与平均粒径D之间的线性关系如式(3)所示；
D＝a·F+b (3)；
其中，a和b均为常数；
选取多个平均粒径为D的标准颗粒物样品进行多组实验，将实验数据拟合求出常数a、b；
平均粒径D与系数K之间的线性关系如式(4)所示；
K＝m·D+n (4)；
其中，m和n均为常数；
选取多个平均粒径为D的标准颗粒物样品进行多组实验，将实验数据拟合求出常数m和n；
由公式(3)和(4)可知，校正后的系数Ka如式(5)所示：
Ka＝m·(a·F+b)+n (5)；
进而，可得颗粒物最终反演表达式如式(6)所示，即可测得颗粒物的实时质量浓度；
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其中，Ka为校正后的系数，Irt为实时的散射光强。
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2022
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