CN116297061A - 一种基于光散射穿戴式总尘和呼尘同步实时监测仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光散射穿戴式总尘和呼尘同步实时监测仪，气流吸入及粉尘稀释系统用于吸入场所内的粉尘气流，并将气流分路后使一部分粉尘气流直接进入光学检测系统，另一部分经过过滤形成洁净气体，作为稀释气流，并且在光学检测系统内，稀释气流在粉尘气流周围形成一个环形保护套结构，其不仅能对处于中心的粉尘气流进行稀释，获得更精准的检测结果，而且这种形式能防止粉尘气流分散在检测仪内，这样对光学检测系统的污染较小，从而能持续保持光学检测系统的检测精度，实现长时间持续监测效果，另外本发明通过实时压差变化表征两条气路流量的变化，进而对稀释倍数进行实时调整，最终保证总尘和呼尘浓度的检测精度。

Description

一种基于光散射穿戴式总尘和呼尘同步实时监测仪

技术领域

本发明涉及一种粉尘浓度检测仪，具体为一种基于光散射穿戴式总尘和呼尘同步实时监测仪，属于粉尘浓度检测技术领域。

背景技术

随着我国工业化的迅速发展，各大生产制造厂作业现场产生的粉尘不断增加，这些在生产加工过程中产生的粉尘被作业人员吸收后会极大地影响其生命健康，降低劳动生产率，影响工厂产量及经济效益，因此许多粉尘浓度检测装置不断被开发出来，用于实时监测生产时环境中的粉尘浓度，使工人能实时了解周围的粉尘情况。

目前国内常见的空气颗粒物质量浓度检测方法由滤膜称重法、压电晶体法、光散射式测量仪、β射线吸收式测量、压差法等。滤膜称重法是常见的应用于实验室内的一种标准检测方法，但是其检测结果的滞后性使其应用在实际现场环境条件下，仍是不太现实的。目前，市面上粉尘浓度检测的仪器大部分采用的检测原理均为光散射式检测原理，光散射法是由光源发出的光线照射在颗粒物上发生散射反应，经由光电传感器接收光信号，并进一步转换成电信号，最终建立起电信号与质量浓度的关系。其检测精度和仪器设备的简单性被广泛认可。但是在粉尘浓度较高的场所内，采用同一个粉尘浓度检测的仪器无法精确的获得空气颗粒物中的总尘和呼尘浓度；另外在浓度较高的场所进行粉尘浓度检测时，吸入至仪器内部进行检测时，粉尘颗粒会对光学元件造成较严重的污染，导致每次测试后需要对光学元件进行清洁及维护，这样使得多次测试所需的时间及流程均较长；因此如何提供一种新的粉尘浓度检测仪，使其能对采集的粉尘颗粒进行稀释，实现对粉尘颗粒物中的总尘和呼尘浓度的精确检测，同时能将检测后的粉尘颗粒物及时排出检测仪，降低对光学元件的影响，便于持续检测，是本行业的研究方向之一。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于光散射穿戴式总尘和呼尘同步实时监测仪，能对采集的粉尘颗粒进行稀释，实现对粉尘颗粒物中的总尘和呼尘浓度的精确检测，同时能将检测后的粉尘颗粒物及时排出检测仪，降低对光学元件的影响，从而实现持续检测。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于光散射穿戴式总尘和呼尘同步实时监测仪，包括气流吸入及粉尘稀释系统、光学检测系统、数据处理及控制系统和气流排出系统；

所述气流吸入及粉尘稀释系统包括水平管路、折弯稀释管路、粉尘传输管路、过滤器一和两个压力传感器，水平管路一端设有粉尘气流收集口、另一端与折弯稀释管路一端连通，过滤器一装在水平管路和折弯稀释管路的连接处，用于对经过水平管路的粉尘气流进行过滤后形成稀释气流排入折弯稀释管路；两个压力传感器分别装在过滤器一的进口和出口处，分别对过滤器一进口处的气压值和出口处的气压值进行实时检测；所述粉尘传输管路一端与水平管路侧部连通、且粉尘传输管路与水平管路相互垂直，粉尘传输管路另一端穿过折弯稀释管路侧壁伸入其内部，且粉尘传输管路另一端和折弯稀释管路另一端呈同心圆布设；

所述光学检测系统为光散射式检测仪，粉尘传输管路另一端和折弯稀释管路另一端均与光散射式检测仪的进气口连通；光散射式检测仪对采集的粉尘气流进行粉尘浓度检测，并输出总尘和呼尘对应的电信号；

所述气流排出系统包括排出管路、抽气泵和过滤器二，排出管路一端与光散射式检测仪的排气口连通，排出管路另一端与抽气泵连通，过滤器二装在排出管路上，抽气泵将光散射式检测仪内的粉尘气流抽出，并经过过滤器二的过滤后排出；

所述数据处理及控制系统用于获取两个压力传感器检测数据，经过计算获得实时压差值，进而确定实时稀释倍数；并且数据处理及控制系统能接收光学检测系统传递给的总尘和呼尘对应的电信号，最终计算出粉尘气流中总尘和呼尘浓度值。

进一步，所述过滤器一和过滤器二均为HEPA过滤器。

进一步，所述水平管路和折弯稀释管路的管径相同。

进一步，所述光散射式检测仪包括激光源、光学透镜一、光学透镜二、光传感器、光阱、检测管路和光学腔体，激光源、光学透镜一和光阱装在光学腔体内，检测管路装在光学腔体侧部，光学透镜二和光传感器均装在检测管路内，进行粉尘浓度检测时，激光源将激光通过光学透镜一透射至粉尘气流上发生散射，光传感器通过光学透镜二获得散射的光信号，从而输出总尘和呼尘对应的电信号。

进一步，所述数据处理及控制系统为计算机。

上述基于光散射穿戴式总尘和呼尘同步实时监测仪的工作方法，具体步骤为：

步骤一、将本装置穿戴在工作人员身上，并提前测定两个压力传感器之间压差的初始值Δp_initial，同时在数据处理及控制系统内设定浓度接触阈值，完成装置的初始设置；

步骤二、工作人员在需要粉尘浓度检测的环境开始进行正常生产工作时，数据处理及控制系统控制抽气泵开始启动，其使得排出管路、光散射式检测仪、水平管路、折弯稀释管路和粉尘传输管路均产生负压，此时环境内的粉尘气流从粉尘气流收集口进入水平管路内，并分成两路，其中一路进入粉尘传输管路直达光散射式检测仪内，另一路经过过滤器一形成洁净气体，作为稀释气流，并通过折弯稀释管路进入光散射式检测仪内，由于粉尘传输管路另一端和折弯稀释管路另一端呈同心圆布设，使稀释气流在进入光散射检测仪后在粉尘气流周围形成一个环形保护套结构，其不仅能对处于中心的粉尘气流进行稀释，而且能防止粉尘气流分散在检测仪内，同时两个压力传感器将各自实时的检测值反馈给数据处理及控制系统，数据处理及控制系统根据实时压差值计算出进入粉尘传输管路内的流量Q^′，由于总流量Q不变，则能得出稀释气流量，进而确定实时稀释倍数并对初始稀释倍数进行调整，待稳定后光散射式检测仪对粉尘气流进行光散射粉尘浓度检测，并输出总尘和呼尘对应的电信号反馈给数据处理及控制系统；

步骤三、数据处理及控制系统将获得的总尘和呼尘对应的电信号，结合当前的实时压差值，采用如下公式进行计算：

式中：C_总—总尘的浓度值；C_呼—呼尘的浓度值；K₁—总尘的电压转换系数；K₂—呼尘的电压转换系数；U₁—光电传感器检测的总尘信号值；U₂—光电传感器检测的呼尘信号值；Δp—实时检测的压差数值；Δp_initial—初始时过滤器两侧压差；α为过滤器管路和水平总管路的流量比例系数；

通过上述公式最终计算出粉尘气流中总尘和呼尘浓度值；

步骤四、将步骤三计算获得的粉尘气流中总尘和呼尘浓度值均与浓度接触阈值进行比较，若均为超过阈值，则继续重复步骤二和三进行后续粉尘浓度监测；若其中之一超过阈值，则数据处理及控制系统发出预警提示，使工作人员及时知晓当前工作场所粉尘浓度超标，便于工作人员及时采取措施(作业人员可以立即离开作业场所或佩戴好完善的防护装备、做好完善的防护措施，再进行后续的作业)。

与现有技术相比，本发明采用包括气流吸入及粉尘稀释系统、光学检测系统、数据处理及控制系统和气流排出系统的方式，其中气流吸入及粉尘稀释系统用于吸入场所内的粉尘气流，并将气流分路后使一部分粉尘气流直接进入光学检测系统，另一部分经过过滤形成洁净气体，作为稀释气流，并且在光学检测系统内，稀释气流在粉尘气流周围形成一个环形保护套结构，其不仅能对处于中心的粉尘气流进行稀释，由于所需检测的粉尘气流被稀释，从而光学检测系统能获得更精准的检测结果，而且这种形式能防止粉尘气流分散在检测仪内，使其在检测后直接从排出系统经过过滤后排出；这样对光学检测系统的污染较小，从而能持续保持光学检测系统的检测精度，实现长时间持续监测效果，无需每检测一段时间即需进行清洁及维护，导致无法实现持续监测；另外本发明通过设置两个压力传感器，能通过实时压差变化表征两条气路流量的变化，进而对稀释气流的量进行实时调整，最终保证总尘和呼尘浓度的检测精度。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图中：1、粉尘气流收集口；2、粉尘颗粒；3、过滤器一；4、压力传感器；5、粉尘传输管路；6、水平管路；7、激光源；8、光学透镜一；9、光阱；10、光学透镜二；11、光传感器；12、过滤器二；13、抽气泵；14、清洁气流；15、计算机。

具体实施方式

下面将对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种基于光散射穿戴式总尘和呼尘同步实时监测仪，包括气流吸入及粉尘稀释系统、光学检测系统、数据处理及控制系统和气流排出系统；

所述气流吸入及粉尘稀释系统包括水平管路6、折弯稀释管路、粉尘传输管路5、过滤器一3和两个压力传感器4，水平管路6一端设有粉尘气流收集口1、另一端与折弯稀释管路一端连通，过滤器一3装在水平管路6和折弯稀释管路的连接处，用于对经过水平管路6的粉尘气流进行过滤后形成稀释气流排入折弯稀释管路；两个压力传感器4分别装在过滤器一3的进口和出口处，分别对过滤器一3进口处的气压值和出口处的气压值进行实时检测；所述粉尘传输管路5一端与水平管路侧部连通、且粉尘传输管路5与水平管路6相互垂直，粉尘传输管路5另一端穿过折弯稀释管路侧壁伸入其内部，且粉尘传输管路5另一端和折弯稀释管路另一端呈同心圆布设；所述水平管路6和折弯稀释管路的管径相同，粉尘传输管路5和水平管路6之间的管径比为1:2。

所述光学检测系统为光散射式检测仪，粉尘传输管路5另一端和折弯稀释管路另一端均与光散射式检测仪的进气口连通；光散射式检测仪对采集的粉尘气流进行粉尘浓度检测，并输出总尘和呼尘对应的电信号；

所述气流排出系统包括排出管路、抽气泵13和过滤器二12，排出管路一端与光散射式检测仪的排气口连通，排出管路另一端与抽气泵13连通，过滤器二12装在排出管路上，抽气泵13将光散射式检测仪内的粉尘气流抽出，并经过过滤器二12的过滤后形成清洁气流排出；所述过滤器一3和过滤器二12均为HEPA过滤器；

所述数据处理及控制系统用于获取两个压力传感器4检测数据，经过计算获得实时压差值，进而确定实时稀释倍数；并且数据处理及控制系统能接收光学检测系统传递给的总尘和呼尘对应的电信号，最终计算出粉尘气流中总尘和呼尘浓度值。

作为本发明的一种改进，所述光散射式检测仪包括激光源7、光学透镜一8、光学透镜二10、光传感器11、光阱9、检测管路和光学腔体，激光源7、光学透镜一8和光阱9装在光学腔体内，检测管路装在光学腔体侧部，光学透镜二10和光传感器11均装在检测管路内，进行粉尘浓度检测时，其具体的工作原理是：通过激光源7发出的激光经过光学透镜一8的聚焦之后，对颗粒物进行照射，发生散射反应，经由光学透镜二10使光传感器11实时接收光信号，光传感器11将其转换为电信号，并由根据与标准实验的对比所确定电信号与浓度之间的数学模型确定最终气体中的总尘、呼尘浓度数值。而总尘、呼尘的浓度数值则是由于光传感器中拥有多个光检测通道，其中每一个通道都能检测出对应的一个电信号值，对于总尘和呼尘而言由于其粒径差别，其由散射反应所得到的电信号值存在电信号阈值，若电信号值未超过呼尘对应的电信号阈值则认为该通道检测到的为呼尘颗粒物，若超过呼尘对应的电信号阈值则认为该通道检测到的为总尘颗粒物，从而输出总尘和呼尘对应的电信号。

上述光散射式检测仪、过滤器一3、过滤器二12、压力传感器4、抽气泵13和计算机15均为现有设备或部件，能通过市场购买获得。

上述基于光散射穿戴式总尘和呼尘同步实时监测仪的工作方法，具体步骤为：

步骤一、将本装置穿戴在工作人员身上，并提前测定两个压力传感器4之间压差的初始值Δp_initial，同时在数据处理及控制系统内设定浓度接触阈值，完成装置的初始设置；

步骤二、工作人员在需要粉尘浓度检测的环境开始进行正常生产工作时，数据处理及控制系统控制抽气泵13开始启动，其使得排出管路、光散射式检测仪、水平管路6、折弯稀释管路和粉尘传输管路5均产生负压，此时环境内的粉尘气流从粉尘气流收集口1进入水平管路6内，并分成两路，其中一路进入粉尘传输管路5直达光散射式检测仪内，另一路经过过滤器一3形成洁净气体，作为稀释气流，并通过折弯稀释管路进入光散射式检测仪内，由于粉尘传输管路5另一端和折弯稀释管路另一端呈同心圆布设，使稀释气流在进入光散射检测仪后在粉尘气流周围形成一个环形保护套结构，其不仅能对处于中心的粉尘气流进行稀释，而且能防止粉尘气流分散在检测仪内，同时两个压力传感器将各自实时的检测值反馈给数据处理及控制系统，数据处理及控制系统根据实时压差值计算出进入粉尘传输管路内的流量Q^′，由于总流量Q不变，则能得出稀释气流量，进而确定实时稀释倍数并对初始稀释倍数进行调整，压差与流量之间的关系如下：

水平管路未进入过滤器之前的流量与压差的关系：

粉尘传输管路的流量为：

待稳定后光散射式检测仪对粉尘气流进行光散射粉尘浓度检测，并输出总尘和呼尘对应的电信号反馈给数据处理及控制系统；

步骤三、数据处理及控制系统将获得的总尘和呼尘对应的电信号，结合当前的实时压差值，采用如下公式进行计算：

式中：C_总—总尘的浓度值；C_呼—呼尘的浓度值；K₁—总尘的电压转换系数；K₂—呼尘的电压转换系数；U₁—光电传感器检测的总尘信号值；U₂—光电传感器检测的呼尘信号值；Δp—实时检测的压差数值；Δp_initial—初始时过滤器两侧压差；α为过滤器管路和水平总管路的流量比例系数；

通过上述公式最终计算出粉尘气流中总尘和呼尘浓度值；

步骤四、将步骤三计算获得的粉尘气流中总尘和呼尘浓度值均与浓度接触阈值进行比较，若均为超过阈值，则继续重复步骤二和三进行后续粉尘浓度监测；若其中之一超过阈值，则数据处理及控制系统发出预警提示，使工作人员及时知晓当前工作场所粉尘浓度超标，便于工作人员及时采取措施，比如作业人员可以立即离开作业场所或佩戴好完善的防护装备、做好完善的防护措施，再进行后续的作业。

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为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于光散射穿戴式总尘和呼尘同步实时监测仪，其特征在于，包括气流吸入及粉尘稀释系统、光学检测系统、数据处理及控制系统和气流排出系统；

所述气流吸入及粉尘稀释系统包括水平管路、折弯稀释管路、粉尘传输管路、过滤器一和两个压力传感器，水平管路一端设有粉尘气流收集口、另一端与折弯稀释管路一端连通，过滤器一装在水平管路和折弯稀释管路的连接处，用于对经过水平管路的粉尘气流进行过滤后形成稀释气流排入折弯稀释管路；两个压力传感器分别装在过滤器一的进口和出口处，分别对过滤器一进口处的气压值和出口处的气压值进行实时检测；所述粉尘传输管路一端与水平管路侧部连通、且粉尘传输管路与水平管路相互垂直，粉尘传输管路另一端穿过折弯稀释管路侧壁伸入其内部，且粉尘传输管路另一端和折弯稀释管路另一端呈同心圆布设；

所述光学检测系统为光散射式检测仪，粉尘传输管路另一端和折弯稀释管路另一端均与光散射式检测仪的进气口连通；光散射式检测仪对采集的粉尘气流进行粉尘浓度检测，并输出总尘和呼尘对应的电信号；

所述气流排出系统包括排出管路、抽气泵和过滤器二，排出管路一端与光散射式检测仪的排气口连通，排出管路另一端与抽气泵连通，过滤器二装在排出管路上，抽气泵将光散射式检测仪内的粉尘气流抽出，并经过过滤器二的过滤后排出；

所述数据处理及控制系统用于获取两个压力传感器检测数据，经过计算获得实时压差值，进而确定实时稀释倍数；并且数据处理及控制系统能接收光学检测系统传递给的总尘和呼尘对应的电信号，最终计算出粉尘气流中总尘和呼尘浓度值。

2.根据权利要求1所述基于光散射穿戴式总尘和呼尘同步实时监测仪，其特征在于，所述过滤器一和过滤器二均为HEPA过滤器。

3.根据权利要求1所述基于光散射穿戴式总尘和呼尘同步实时监测仪，其特征在于，所述水平管路和折弯稀释管路的管径相同。

4.根据权利要求1所述基于光散射穿戴式总尘和呼尘同步实时监测仪，其特征在于，所述光散射式检测仪包括激光源、光学透镜一、光学透镜二、光传感器、光阱、检测管路和光学腔体，激光源、光学透镜一和光阱装在光学腔体内，检测管路装在光学腔体侧部，光学透镜二和光传感器均装在检测管路内，进行粉尘浓度检测时，激光源将激光通过光学透镜一透射至粉尘气流上发生散射，光传感器通过光学透镜二获得散射的光信号，从而输出总尘和呼尘对应的电信号。

5.根据权利要求1所述基于光散射穿戴式总尘和呼尘同步实时监测仪，其特征在于，所述数据处理及控制系统为计算机。

6.一种根据权利要求1所述基于光散射穿戴式总尘和呼尘同步实时监测仪的工作方法，其特征在于，具体步骤为：

步骤一、将本装置穿戴在工作人员身上，并提前测定两个压力传感器之间压差的初始值Δp_initial，同时在数据处理及控制系统内设定浓度接触阈值，完成装置的初始设置；

步骤二、工作人员在需要粉尘浓度检测的环境开始进行正常生产工作时，数据处理及控制系统控制抽气泵开始启动，其使得排出管路、光散射式检测仪、水平管路、折弯稀释管路和粉尘传输管路均产生负压，此时环境内的粉尘气流从粉尘气流收集口进入水平管路内，并分成两路，其中一路进入粉尘传输管路直达光散射式检测仪内，另一路经过过滤器一形成洁净气体，作为稀释气流，并通过折弯稀释管路进入光散射式检测仪内，由于粉尘传输管路另一端和折弯稀释管路另一端呈同心圆布设，使稀释气流在进入光散射检测仪后在粉尘气流周围形成一个环形保护套结构，其不仅能对处于中心的粉尘气流进行稀释，而且能防止粉尘气流分散在检测仪内，同时两个压力传感器将各自实时的检测值反馈给数据处理及控制系统，数据处理及控制系统根据实时压差值计算出进入粉尘传输管路内的流量Q^′，由于总流量Q不变，则能得出稀释气流量，进而确定实时稀释倍数并对初始稀释倍数进行调整，待稳定后光散射式检测仪对粉尘气流进行光散射粉尘浓度检测，并输出总尘和呼尘对应的电信号反馈给数据处理及控制系统；

步骤三、数据处理及控制系统将获得的总尘和呼尘对应的电信号，结合当前的实时压差值，采用如下公式进行计算：

式中：C_总—总尘的浓度值；C_呼—呼尘的浓度值；K₁—总尘的电压转换系数；K₂—呼尘的电压转换系数；U₁—光电传感器检测的总尘信号值；U₂—光电传感器检测的呼尘信号值；Δp—实时检测的压差数值；Δp_initial—初始时过滤器两侧压差；α为过滤器管路和水平总管路的流量比例系数；

通过上述公式最终计算出粉尘气流中总尘和呼尘浓度值；

步骤四、将步骤三计算获得的粉尘气流中总尘和呼尘浓度值均与浓度接触阈值进行比较，若均为超过阈值，则继续重复步骤二和三进行后续粉尘浓度监测；若其中之一超过阈值，则数据处理及控制系统发出预警提示，使工作人员及时知晓当前工作场所粉尘浓度超标，便于工作人员及时采取措施。

Images