CN201116914Y - 尘埃粒子计数器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种尘埃粒子计数器。包括有壳体及设置在壳体内部的光学传感器和前置放大器，所述的光学传感器的气路系统包括气溶胶入口、气溶胶出口、光散射腔、气泵和空气过滤器，所述的空气过滤器包括相互固定连接的过滤器座和过滤器盖，以及设置其内部的过滤膜和压圈，压圈上排列设置有若干个小孔，使气流能均匀地通过过滤膜。本实用新型为一款功能多、测试精度高、速度快、操作方便的尘埃粒子计数器。

Description

尘埃粒子计数器

技术领域

本实用新型涉及一种测量洁净环境中单位体积空气内所含尘埃粒子数的测试仪器。

背景技术

尘埃粒子计数器的主要部件为一个光学传感器，其以尘埃粒子在光束中产生的光散射现象为原理，通过测量尘埃粒子产生的散射光强度而推知粒子的尺寸和空气中所含的尘埃粒子的质量浓度。

在先技术中，尘埃粒子计数器的光学传感器所采用的技术方案，可参见苏州净化设备厂吴俊民等人在1994年10月28日申请的实用新型专利“尘埃粒子计数器的光学传感器”(专利号为ZL94239551.4)。测量尘埃粒子的光学传感器通常由照明系统、散射光收集系统、光电转换器、气路系统组成，其中的照明系统、散射光收集系统和气路系统的轴线相交于光敏感区中心点。工作时，气路系统将被测空气吸入光学传感器中的光敏感区，其中的尘埃粒子在光束照明下产生与粒子尺寸成比例的散射光信号，散射光信号被散射光收集系统接收后入射于光电转换器上，光电转换器输出与散射光强度成正比的电信号，后续信号处理系统根据此电信号的幅度给出粒子尺寸和空气中尘埃粒子的质量浓度。由于尘埃粒子的散射光信号是及其微弱的，所以不允许杂光进入光电转换器，否则测量结果将是不可信的。

在先技术中，为了获得体积尽量小的光学传感器，通常把光学传感器的结构设计得十分简单，在照明系统与散射光收集系统中省去了必要的消除杂光的机构，使光电转换器接收到的杂光成分多，导致散射光信号的信噪比低；以及简单的气路系统会导致计数器本身的自净性能的降低。

发明内容

本实用新型的目的在于克服上述在先技术的缺点，提供一种功能多，测试精度高，速度快，操作方便的尘埃粒子计数器。

本实用新型的目的通过以下技术解决方案来实现：

一种尘埃粒子计数器，包括有壳体及设置在壳体内部的光学传感器和前置放大器，所述的光学传感器包括照明系统、散射光收集系统、光电转换器和气路系统，所述的照明系统、散射光收集系统和气路系统的轴线相交于光敏感区中心点，且两两垂直；在所述的照明系统中，沿半导体激光器组件发出的平行激光束前进方向上依次设置有聚焦透镜、光敏感区和光陷阱；所述的气路系统包括进气管、光敏感区和出气管；所述的散射光收集系统为单一孔径的球面反射镜，光敏感区和光电转换器光敏面的位置分别位于球面反射镜球心附近两侧的共轭面处，气路系统包括气溶胶入口、气溶胶出口、光散射腔、气泵和空气过滤器，所述的空气过滤器包括相互固定连接的过滤器座和过滤器盖，以及设置其内部的过滤膜和压圈，压圈上排列设置有若干个小孔，使气流能均匀地通过过滤膜。

所述的散射光收集系统也可以由依次设置的旋转凹面反射镜、光敏感区、光阑、中继透镜组组成，所述的光敏感区与光阑分别位于旋转凹面反射镜的两个共轭位置处，所述的中继透镜组设置在光阑和光电转换器之间，光阑与光电转换器敏感面分别位于中继透镜组的两个共轭位置处。

所述的光陷阱为双锥形结构，沿激光束前进方向上依次为入口、中部和底部，其尺寸先从大变到小，再从小变到大。

所述的半导体激光器组件的波长为780nm。

所述的光电转换器是光电二极管。

所述的前置放大器采用宽带型对数放大电路，其带宽与散射光脉冲的频谱宽度相一致。

该尘埃粒子计数器的供电系统的设计采用交直流两用的形式。

所述的供电系统还包括一个电池保护电路。

本实用新型的有益效果是：由于气路系统中的过滤器的改进，防止了由于气流不均匀而损坏过滤膜，从而提高了尘埃粒子计数器的自净性能；而且本实用新型的测试精度高，速度快，操作方便。

附图说明

图1为本实用新型的光学传感器的示意图。

图2为图1中沿A-A向的剖视图。

图3为本实用新型的空气过滤器的示意图。

图4为图3中A部分的放大图。

图5为本实用新型的气路流程图。

图6为本实用新型的前面板布置图。

图7为本实用新型的后面板布置图。

其中：

1：半导体激光器组件、2：聚焦透镜、3：光敏感区、4：光陷阱、5：旋转凹面反射镜、6：光阑、7：中继透镜组、8：光电转换器、9：进气管、10：出气管、11：过滤器座、12：过滤膜、13：软密封垫、14：压圈、15：O型密封圈、16：过滤器盖、17：光散射腔、18：流量计、19：气泵、20：空气过滤器、21：多功能显示屏、22：测量键、23：粒径键、24：打印键、25：选择键、26：调整键、27：数据/时钟键、28：清除键、29：周期键、30：UCL键、31：设置键、32：内置式打印机、33：采样口、34：自净口、35：采样流量显示、36：流量调节、37：电源插口、38：电源开关。

具体实施方式

本实用新型的尘埃粒子计数器，包括有壳体及设置在壳体内部的光学传感器和前置放大器。其中光学传感器由照明系统、散射光收集系统、光电转换器8和气路系统组成，前置放大器采用宽带型对数放大电路，这是为了扩大可测粒径的动态范围，它的带宽与散射光脉冲的频谱宽度相一致。前置放大器将光电转换器8输出的电脉冲信号滤除低频噪声并放大到适当幅度后送入激光尘埃粒子计数器的后续处理电路，后续处理根据电脉冲信号的峰值判别被测粒子尺寸，并分档计数，最后得到被测空气中各种粒径尘埃粒子的颗粒数浓度。

光学传感器是尘埃粒子计数器内部结构中最重要的组成部分，以下为本实用新型光学传感器的具体介绍。

所述的照明系统、散射光收集系统和气路系统的轴线AA、BB和CC相交于光敏感区中心O₁，且两两垂直。如图1所示，在所述的照明系统中，沿半导体激光器组件1发出的平行激光束前进方向上，依此置有聚焦透镜2、光敏感区3和光陷阱4，聚焦透镜2的焦点与光敏感区的中心点O₁重合。半导体激光器组件1的波长为780nm。

所述的光陷阱4为双锥形结构，即由入口DD、中部EE和底部FF构成，其尺寸从入口DD变小到中部EE，再从中部EE变大到底部FF，光陷阱内壁加工成锯齿状并涂消光黑漆。这种双锥形结构的光陷阱的作用是，入射照明激光束首先从入口DD处进入第一个锥形DD-EE，经第一个锥形DD-EE内壁多次反射后进入第二个锥形EE-FF，由于中部EE的尺寸小于底部FF，所以进入第二个锥形EE-FF的光线很难反射出来，即在第二个锥形EE-FF内经多次反射后被完全吸收。

所述的散射光收集系统包括沿其轴线依次设置的旋转凹面反射镜5、光敏感区3、光阑6、中继透镜组7，所述的中继透镜组7设置在光阑6和光电转换器8之间。

所述的光敏感区3与光阑6分别位于旋转凹面反射镜5的两个共轭位置O₁和O₂处，即光敏感区3与光阑6满足物像关系。光阑6的通光口径与光敏感区3的尺寸对应，即如果旋转凹面反射镜5的成像倍率为α倍，光敏感区3的尺寸为a×b，则光阑6的尺寸为αa×αb。光阑6的作用是只允许光敏感区3内尘埃粒子发出的散射光通过，而阻挡光敏感区3以外的杂光进入后续光路。

所述的光阑6与光电转换器8的敏感面分别位于中继透镜组7的两个共轭位置处，即光阑6与光电转换器8的敏感面满足物像关系。中继透镜组7以一定倍率β将光阑6成像于光电转换器8的敏感面上，中继透镜组7的成像倍率为β。

在所述的散射光收集系统中，由旋转凹面反射镜5与中继透镜组7组成的成像系统的总倍率α×β的绝对值小于1，即旋转凹面反射镜5与中继透镜组7将光敏感区3缩小后成像于光电转换器8的敏感面上。这样，可以使用敏感面面积小的光电转换器。敏感面面积小的光电转换器可以减小暗噪声，获得高的信噪比。

当然，为了节省空间，减小尘埃粒子计数器的体积，散射光收集系统只采用现有技术的单一大数值孔径的球面反射镜，它对散射光的收集半角由原来的44°提高到70°。光敏感区3和光电转换器8光敏面的位置分别位于球面反射镜球心附近两侧的共轭面处。这种设计简单易行，集光效率高。球面反射镜反射面镀介质全反射膜，在激光波长780nm处的反射率接近与1。同时光学传感器中的光电转换器8采用PIN型光电二极管而不是侧窗式光电倍增管，这样光学传感器的体积由180×160×40mm³变成了105×28×32mm³，约为原体积的1/10，达到了微型化的目的。

如图2所示，所述的气路系统由进气管9、光敏感区3和出气管10构成。结合图5的气路流程图，采样气会依次经过光散射腔17、流量计18、气泵19、空气过滤器20。采样流量是2.83L/min，简明流畅的腔体设计、恰当的气溶胶入口直径保证了尘埃粒子在散射腔17内不产生紊流，一次通过光敏感区3。

过滤器是气路系统中的非常重要的部件，如图4和图5所示，所述的空气过滤器20包括相互固定连接的过滤器座11和过滤器盖16，以及设置其内部的过滤膜12和压圈14，压圈14上排列设置有若干个小孔。进入过滤器的气流经90°直角处理，并通过小孔后，气流均匀地通过过滤膜12时，防止了由于气流不均匀而损坏过滤膜12，从而提高了自净性能。

本实用新型光学传感器的工作过程如下：

半导体激光器组件1发出的平行激光束经聚焦透镜2聚焦于光敏感区3，照明光敏感区3内的尘埃粒子，最后进入光陷阱4，被吸收掉；待测尘埃粒子经进气管9进入光敏感区3，在激光束照射下产生与其尺寸成比例的散射光信号，然后由出气管10流出；散射光经旋转凹面反射镜5反射后成像于光阑6处，经光阑6消除杂光后由中继透镜组7成像于光电转换器8的敏感面上，光电转换器8输出与尘埃粒子产生的散射光强度成正比的电信号；前置放大器将光电转换器8输出的电脉冲信号滤除低频噪声并放大到适当幅度后送入激光尘埃粒子计数器的后续处理电路，后续处理根据电脉冲信号的峰值判别被测粒子尺寸，并分档计数，最后得到被测空气中各种粒径尘埃粒子的颗粒数浓度。

本实用新型的控制软件设计充分考虑了使用者对数据处理的需要，编制了多种数据处理程序，由打印机打印包括：置信上限和0.5μm、5.0μm粒子的英公制数据转换等信息，给使用者带来了极大的方便。

为了能使仪器更方便地使用，本实用新型供电系统的设计采用交直流两用的形式，机内装有高性能的锂电池，依靠机内电池供电，连续工作时间不小于5小时，由机内电池供电，连续工作时间在国内是领先的。电路中还专门设计了一个电池保护电路，该电池保护电路具有低电压时，LED发光管指示，蜂鸣器提示；失电压时自动关闭仪器的功能，有效地保护了电池。

本实用新型运用硬件和软件的巧妙设计，使得同类产品要用48片集成电路组成的计数接口减少为只用6片集成电路，既降低了功耗，又提高了仪器的可靠性。

凡是计量仪器，必须根据外部因素以及内在因素的任何差异进行精细严格的校正。本实用新型的校正系统，采用了对整机的测量系统，包括测量系统本身进行校正。这种校正系统的原理是将采集到的散射腔内的光信号及放大器的电信号送入计算机进行处理，由计算机根据标定时的数据自动进行校正，校整精度≤2％。

抗干扰性能是仪器性能的重要指标之一，本实用新型的机内电路较为复杂，包括以下有效措施：①抗干扰电源；②外围电路采用CMOS，降低功耗，提高了稳定性；③设计了一个硬件抗干扰电路，自动封闭干扰脉冲；④软件设计具有识别错码能力，自动纠错。

图6和图7揭示了本实用新型的壳体上按键的布置图。前面板包括多功能显示屏21、测量键22、粒径键23、打印键24、选择键25、调整键26、数据/时钟键27、清除键28、周期键29、UCL键30、设置键31、内置式打印机32、采样口33；后面板包括自净口34、采样流量显示35、流量调节36、电源插口37、电源开关38。

下面简单介绍下各个按键的功能：

(1)多功能显示屏(LED显示屏)——通过按键操作，可显示年、月、日；分、时、秒；粒径档别以及尘埃颗粒的测量数据。

(2)数据/时钟键——显示年、月、日；分、时、秒。

(3)测量键——按此键，仪器中气泵开始工作，使仪器处于测量或自净状态；再按一次，气泵停止工作，仪器处于准备状态。

(4)粒径键——每按一次，仪器便按0.3、0.5、0.7、1.0、2.0、5.0(μm)……顺序循环显示某一粒径的粒子数。

(5)调整键——选择设置内容。每按一次，便按年→月→日→时→分→秒→年→月……顺序改变设置内容。

(6)选择键——每按一次，改变显示方式一次，其顺序为程显→选显→窗显→观察→程显……。

(7)打印键——按一次键，仪器执行打印功能，再按一次打印命令取消。

(8)清除键——按一次键，测量数据清零，测量周期重新开始。

(9)周期键——每按一次仪器便按1min→2min→3min→10min→1min→…选择测量周期。

(10)UCL键——仪器进入置信上限计算功能。

(11)设置键——修改年、月、日、时、分、秒数据。

(12)内置打印机——打印出纸置于仪器上部。

(13)采样口——现场采样进口。

(14)自净口——仪器处于自净状态下与采样口(位于仪器顶部)软管连接使用。

(15)采样流量计——指示采样流量。

(16)流量调节——调节采样流量。

(17)电源插口——接入220V/50Hz交流电。

(18)电源开关——控制仪器电源的接通或断开。

本实用新型的使用方法，包括以下步骤：

(1)准备与测量

经预热后，在准备状态下按测量键22，仪器即开始一个检测周期，此时测量指示灯和程序指示灯亮，气泵19开始工作，此时，可观察后面板上的采样流量显示35，若流量正常，即可测量；若流量高于或低于2.83L，则可用小起子通过流量调节36将流量调至2.83L，当多功能显示屏21上原来的“READY”字样消失，所显示的数据为“0”，若原来显示时间，则保持不变，直到再次按时钟/数据键27才开始显示粒子数；

(2)测量操作

i仪器自净：用软管将采样口33与自净口34连接，使0.3μm档总计数连续三次为零，每次1分钟，则视仪器自净结束；

ii将软管两端口分别与采样口33、采样喇叭口(附件)连接，仪器进入测量状态，为防止管道内壁吸附的尘埃粒子影响测量结果，应放过一至二遍测量数据；

iii在测量过程中，按测量键22，则仪器立即停止测量，若在测量过程中按清除键28，则当前测量周期结束，数据无效，下一个测量周期立即开始；

(3)打印

测量结果需打印时，可按打印键，这时打印指示灯亮，表示检测周期结束后，可自动打印出检测结果，再次按打印键24，打印指示灯灭，打印命令解除；

(4)充电操作

当仪器中的电池电量用完时，仪器将自动关闭，待充好电后才能使用。

在关闭电源开关状态下，仪器接上充电器便进行充电，此时充电器上指示灯显示红色，当指示灯显示绿色时，表示充电完成。建议每次充电的时间为：6小时(关机状态)。

除上述优选实施方案之外，本实用新型尚有多种具体的实施方式。凡采用等同替换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本实用新型要求保护的范围之内。

Claims (8)

1.一种尘埃粒子计数器，包括有壳体及设置在壳体内部的光学传感器和前置放大器，所述的光学传感器包括照明系统、散射光收集系统、光电转换器(8)和气路系统，所述的照明系统、散射光收集系统和气路系统的轴线相交于光敏感区中心点，且两两垂直；在所述的照明系统中，沿半导体激光器组件(1)发出的平行激光束前进方向上依次设置有聚焦透镜(2)、光敏感区(3)和光陷阱(4)；所述的气路系统包括进气管(9)、光敏感区(3)和出气管(10)；所述的散射光收集系统为单一孔径的球面反射镜，光敏感区(3)和光电转换器(8)光敏面的位置分别位于球面反射镜球心附近两侧的共轭面处，其特征在于：气路系统包括气溶胶入口、气溶胶出口、光散射腔(17)、气泵(19)和空气过滤器(20)，所述的空气过滤器(20)包括相互固定连接的过滤器座(11)和过滤器盖(16)，以及设置其内部的过滤膜(12)和压圈(14)，压圈(14)上排列设置有若干个小孔，使气流能均匀地通过过滤膜(12)。

2.根据权利要求1所述的尘埃粒子计数器，其特征在于：所述的散射光收集系统也可以由依次设置的旋转凹面反射镜(5)、光敏感区(3)、光阑(6)、中继透镜组(7)组成，所述的光敏感区(3)与光阑(6)分别位于旋转凹面反射镜(5)的两个共轭位置处，所述的中继透镜组(7)设置在光阑(6)和光电转换器(8)之间，光阑(6)与光电转换器(8)敏感面分别位于中继透镜组(7)的两个共轭位置处。

3.根据权利要求1所述的尘埃粒子计数器，其特征在于：所述的光陷阱(4)为双锥形结构，沿激光束前进方向上依次为入口、中部和底部，其尺寸先从大变到小，再从小变到大。

4.根据权利要求1所述的尘埃粒子计数器，其特征在于：所述的半导体激光器组件(1)的波长为780nm。

5.根据权利要求1所述的尘埃粒子计数器，其特征在于：所述的光电转换器(8)是光电二极管。

6.根据权利要求1所述的尘埃粒子计数器，其特征在于：所述的前置放大器采用宽带型对数放大电路，其带宽与散射光脉冲的频谱宽度相一致。

7.根据权利要求1所述的尘埃粒子计数器，其特征在于：该尘埃粒子计数器的供电系统的设计采用交直流两用的形式。

8.根据权利要求1所述的尘埃粒子计数器，其特征在于：所述的供电系统还包括一个电池保护电路。

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