CN205656094U - 一种空气中颗粒物浓度的检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种检测空气中颗粒物浓度的检测装置，包括气流通道、检测单元、检测结果计算单元以及风速测量单元；所述检测装置外的空气进入所述气流通道，所述检测单元设置在所述气流通道上并将所述空气中颗粒物的相关信息转换成电信号，同时所述风速测量单元获取所述进入气流通道的空气流速，检测结果计算单元根据检测单元输出的电信号和所述风速测量单元获取的流速计算空气中颗粒物的浓度。

Description

一种空气中颗粒物浓度的检测装置

技术领域

本实用新型涉及一种测定空气中颗粒物浓度的检测装置，尤其涉及一种在气体流速未知的情况下精确测定空气中颗粒物浓度的检测装置。

技术背景

在生产生活的许多领域中，需要对颗粒物的浓度或数量等参数进行检测，例如工厂烟道中排放的颗粒物的检测；环境中大气粉尘的检测；矿下易燃易爆粉尘的检测；以及商用或者家用的空气净化设备的颗粒物传感器等。颗粒物的检测方法主要有筛分、显微镜、沉降、电感应、光散射法等，其中光散射法测试时间短，能够连续测量，避免了受气候变化、湿度变化等因素影响检测效果的弊端，而且没有如定期更换滤膜等较为繁琐的维护工作，因此适用范围广，发展迅速，是目前比较好的颗粒物检测方法。

但是目前在使用光散射法检测空气中颗粒物浓度时，所用的颗粒物浓度检测装置所使用的气流的驱动方式主要有两种：主动式和被动式；主动式检测装置可以采用风扇驱动以使被测气体稳定流动，还可以采用加热部件加热被测气体驱动气体流动；被动式检测装置不主动驱动气体流动而是利用被测气体的自然流动或外部驱动气体流动来使被测气体通过被测区。目前采用被动式的传感器测量空气中颗粒物的浓度的结果大部分都不准确，主要原因是被测气体流速对测量结果会有很大影响。当气体流速变化时传感器无法持续提供准确的检测结果，需要用户自行进行补偿或计算。

实用新型内容

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种检测空气中颗粒物浓度的检测装置，包括气流通道、检测单元、检测结果计算单元以及风速测量单元；所述检测装置外的空气进入所述气流通道，所述检测单元设置在所述气流通道上并将所述空气中颗粒物的相关信息转换成电信号，同时所述风速测量单元获取所述进入气流通道的空气流速，检测结果计算单元根据检测单元输出的电信号和所述风速测量单元获取的流速计算空气中颗粒物的浓度。

优选地，所述风速测量单元包括发热部件和信息处理单元；所述信息处理单元通过对所述检测装置所在的环境的温度和位于所述气流通道内的发热部件的热平衡温度和发热功率进行处理，确定空气流速。

优选地，所述风速测量单元还包括基准环境温度检测单元和发热部件温度检测单元；所述基准环境温度检测单元检测所述检测装置所在的环境的温度；所述发热部件温度检测单元检测设置于所述气流通道内的发热部件的热平衡温度和发热功率。

优选地，所述发热部件温度检测单元和所述发热部件由一个自发热温度检测单元来实现。

优选地，所述气流通道内的发热部件在一预定的热平衡温度下达到热平衡，所述风速测量单元根据热平衡状态下发热部件的固定的热平衡温度、所述检测装置所在的环境的温度以及发热部件的发热功率确定空气流速。

优选地，所述气流通道内的发热部件在固定的发热功率下达到热平衡，所述风速测量单元根据热平衡状态下发热部件的固定的发热功率、所述发热部件的热平衡温度以及所述检测装置所在的环境的温度确定空气流速。优选地，所述发热部件为负温度系数热敏电阻部件。

优选地，所述检测单元为由发光部件和受光部件组成的光学检测单元；所述检测结果计算单元根据所述检测单元获取的发光部件发射光的电信号和受光部件接收光的电信号计算空气中颗粒物浓度。

优选地，所述检测结果计算单元利用所述空气流速对所述颗粒物浓度进行补偿。

优选地，所述气流通道上设置转弯结构，并在所述转弯处外侧设置孔结构，用于降低进入所述气流通道的空气的流速，同时将大颗粒物甩出气流通道。

优选地，所述基准环境温度检测单元位于所述气流通道转弯处的孔结构的外侧，或者位于所述气流通道内检测区域的上游；所述发热部件温度检测单元或自发热温度检测单元位于所述气流通道中检测区域的下游；所述检测区域为发光部件发射光区域和受光部件接收光区域的重叠区域。

本实用新型涉及的颗粒物检测装置通过测量流经所述检测装置的气流的风速，用风速对采用光散射法检测空气中颗粒物浓度进行补偿，从而获取更加精确的颗粒物浓度。该种方法能够测量不同风速下的颗粒物的浓度。而且所述的检测装置中不使用活动部件，保证了传感器等元件的使用寿命。

附图说明

图1为本实用新型实施方式涉及的颗粒物检测装置的原理示意图；

图2为本实用新型的第一实施例涉及的风速测量单元的结构示意图；

图3为本实用新型实施方式涉及的气流通道的示意图的一例；

图4为本实用新型的第一实施例涉及的发热单元和所述发热元件测量单元位置示意图；

图5为本实用新型的第一实施例涉及的颗粒物检测装置检测颗粒物浓度的流程图；

图6为本实用新型的第二实施例涉及的风速测量单元的结构示意图。

具体实施方式

下面根据附图所示实施方式阐述本实用新型。此次公开的实施方式可以认为在所有方面均为例示，不具限制性。本实用新型的范围不受以下实施方式的说明所限，仅由权利要求书的范围所示，而且包括与权利要求范围具有同样意思及权利要求范围内的所有变形。

以下结合具体实施方式说明本实用新型的颗粒物检测装置。

图1为本实用新型实施方式涉及的颗粒物检测装置的原理示意图。本实施方式的颗粒物检测装置包括气流通道1、风速测量单元2、发光单元3、受光单元4、信号调整单元5、信号处理单元6和数据输出单元7。气流通道1设置在装置内的暗室中，避免受外界光的影响。发光单元3和受光单元4设置于气流通道1的侧方，发光单元3向气流通道1照射光，受光单元4设置在能够接收到散射光的位置。受光单元4为光电转换装置，将接收到的散射光转换为电信号，由信号调整单元5对电信号进行调整，并将调整后的结果发送至信号处理单元6。风速测量单元2包括温度传感器部件，可位于所述气流通道内，能够获取气流通道内气流的温度信息，并将获取的温度信息发送至信号处理单元6。信号处理单元6根据信号调整单元5和风速测量单元2输出的信号进行处理，获取较精确的颗粒物浓度。

本实施方式涉及的颗粒物浓度检测装置，计算空气中的颗粒物的浓度时需要参考流经所述检测装置的气流通道内的气流的流度（即风速）。在本实施方式中，要获取较精确的颗粒物浓度可以先通过普通的光散射法初步检测空气中颗粒物的浓度，然后测算空气气流的速度，并通过气流的流速对光散射法初步测得的颗粒物浓度进行补偿从而获取较精确的颗粒物浓度信息。所述风速的计算参数可以通过风速测量单元2的温度传感器部件获取。

以下结合具体实施例进一步说明本实施方式。

实施例 1

图2为本实施例涉及的风速测量单元2的结构示意图。本实施例的风速测量单元2包括发热单元21、发热元件测量单元22和基准温度测量单元23。所述发热单元21能够发热，优选地为电阻或者三极管等元件；所述发热元件测量单元22为温度传感器部件，能够测量发热单元21的温度并能够获取发热单元21在一定条件下的发热功率P，并将获取的温度信息以及发热功率信息发送至信号处理单元6；当发热单元21置于某种环境下时，所述发热元件测量单元22能够在该环境下测量发热单元21达到热平衡时的温度。在本实施方式中，所述的发热单元21达到热平衡期间热量的减少是由于空气流动引起的，即风将发热单元21的热量带走，使发热单元21达到热平衡。所述热平衡的判断标准为发热单元21的温度达到稳定（判断的标准可以是发热单元在连续5秒时间内每秒中的温度变化小于0.05度，还可以是其他的标准）。所述发热单元21和所述发热元件测量单元22位置尽量靠近，且两者位于气流通道1内，优选地位于检测区域8（如图1所示）的下游位置（所述下游为空气流向的正方向一侧）。所述检测区域8为所述发光单元3发射红外光后的发射区域（可以看做为圆柱体）和所述受光单元4接收红外光的接收区域（也可以看做是圆柱体）的重叠的空间区域。所述基准温度测量单元23为温度传感器部件，例如可以为热敏电阻温度传感器，能够获取检测装置所在的环境的温度，优选地所述基准温度测量单元23安装于所述气流通道1放置发光单元3、受光单元4的上游位置（所述上游为空气流向的反方向的一侧），也可以安装于检测装置的其他位置；并将获取的环境的温度发送至所述信号处理单元6。所述信号处理单元6通过发热元件测量单元22获取的发热单元21的温度和基准温度测量单元23获取的环境温度计算进入气流通道1的风速，其原理是通过计算风带走发热单元21的热量来计算风速的大小。

优选地，所述发热单元21、发热元件测量单元22和基准温度测量单元23位于所述气流通道内。但是通常检测装置体积有限，所述气流通道1空间可能也很小，可能没有位置放置所述基准温度测量单元23。所以可以在所述气流通道上设置转弯的结构，并且在气流通道的转弯处外侧同时开具小孔，并将所述基准温度测量单元23设置于所述气流通道1的小孔的外侧。上述气流通道的转弯结构和小孔的设置能够使进入其中的过大的风速降低到所述风速测量单元2的温度传感器部件能够有效检测范围内；还能够使气流中较大的颗粒物由于惯性而甩出气流通道，从而过滤掉特别大的粒子。例如所述气流通道1的通道形状可以为如图3所示的形状，所述气流通道上有转弯结构，形成近似螺旋的形状，在第一转弯处12外侧设置小孔11使得气流进入到气流通道1时有一部分气流能够通过所述小孔11吹到所述基准温度测量单元上，使所述基准温度测量单元能够获取检测装置所在的环境温度；第二转弯处13通向气流通道的中心位置14，气流到达中心位置14后改变方向，进入与原气流流经的平面垂直的垂直通道15。也就是说本例中的气流通道包括分别在两个平面内延伸的两个部分，这样可以有效利用空间，便于在体积小的检测装置中布置足够复杂的检测机构。在本例中，垂直通道15穿过检测装置的PCB板，这样可以如下所述使发热和检测部件设置在垂直通道15中（如图4所示），同时将发光单元3和受光单元4安装在PCB板的一侧就可以使检测区域8位于垂直通道15中。

在所述检测装置中，需要将所述发热单元21、发热元件测量单元22和基准温度测量单元23等部件焊接于电路板上。在制作电路板（如PCB板）时，所述发热单元21和所述发热元件测量单元22在PCB板上的位置应该尽可能的与其他部分在PCB板上的位置分隔开，以便使发热单元21达到热平衡时热量是由风来散掉的，降低其他单元等部件对发热单元21散热的影响。例如如图4所示，所述发热单元21和所述发热元件测量单元22位于所述气流通道1的垂直通道15上，且与PCB板上的其他部件相分隔。

本实施方式涉及的检测装置还包括驱动装置（未图示），所述驱动装置能够驱动发光单元3发射光信号，优选地所述发光单元3能够发射红外光；所述发光单元3能够记录所述发射光的电信号信息，并将记录的电信号发送至所述信号调整单元5。所述发光单元3向所述气流通道1内发射红外光，当红外光照射到颗粒物上时，会发生散射，因为所述受光单元4设置在能够接收到散射光的位置，所以所述受光单元4能够接收所述的散射光，并将接收到的散射光转换为相应的电信号，同时受光单元4将所述电信号发送至信号调整单元5。所述信号调整单元5将接收到的散射光和发射光的电信号进行调整，并将调整后的电信号等信息发送至所述信号处理单元6。所述信号处理单元6根据接收到的电信号以及气流风速等信息计算空气中颗粒物的浓度，并将计算的颗粒物浓度发送至所述数据输出单元7。所述数据输出单元7能够与显示屏（未图示）或者其他的外设装置相连，为用户提供参考。

图5为本实施例涉及的颗粒物浓度的检测装置检测流程图。首先驱动装置驱动发光单元3向气流通道1发射光信号，同时记录所述发射光的电信号信息X _tx ，并将所述的电信号信息X _tx 发送至信号调整单元5（步骤S1）。所述发射光经过气流通道中的颗粒物后发生散射，受光单元4接收散射光，并将所述散射光信号转换为对应的电信号X _rx ，并发送至信号调整单元5中（步骤S2）。信号调整单元5对接收到的发射光的电信号信息X _tx 以及散射光电信号X _rx 进行调整，并将调整后的数据信息发送至信息处理单元（步骤S3）。信息处理单元根据调整后的发射光的电信号信息X _tx 以及散射光电信号X _rx 等数据，获取空气中颗粒物的初步浓度Z=fun（X _tx ，X _rx ）（步骤S4）。同时所述基准温度测量单元23测量获取环境温度T _base，所述发热元件测量单元22测量并获取气流流经气流通道时发热单元21的热平衡温度T _wind以及发热单元21达到热平衡过程中的发热功率P，并将所述的环境温度T _base、热平衡温度T _wind以及发热功率P发送至信号处理单元6（步骤S5）。信号处理单元6根据所述环境温度T _base、热平衡温度T _wind以及发热功率P计算进入检测装置的风速v=fun(T _base，T _wind，P)（步骤S6）。信号处理单元根据风速以及空气中颗粒物的初步浓度Z计算颗粒物的浓度Y=fun（Z，v），并将所述颗粒物的浓度发送至数据输出单元（步骤S7）。

实施例 2

在实施例1中，所述风速测量单元2包括发热单元21、发热元件测量单元22和基准温度测量单元23，所述发热单元21和发热元件测量单元22位置需要尽量靠近，才能使发热元件测量单元22的传感器部件更好的更精确的测量所述发热单元21的热平衡温度，但是所述发热单元21与所述发热元件测量单元22在实际安装时可能会发生位置偏离，影响所述发热元件测量单元22的测量。此外，通常需要将所述发热单元21、发热元件测量单元22和基准温度测量单元23安装于气流风道1中，但是所述气流风道1空间有限，使得基准温度测量单元23有可能不能安装于气流风道中。

为了解决上述问题，本实施例使用自发热温度测量单元24代替发热单元21和发热元件测量单元22，即节省安装空间还能更精确的测量相关元器件的热平衡温度。

如图6所示，在本实施例2中所述风速测量单元2包括自发热温度测量单元24和基准温度测量单元23，所述自发热温度测量单元24内置有温度传感器部件和发热部件，所述温度传感器部件可以是小阻值的热敏电阻温度传感器。所述小阻值的热敏电阻温度传感器在一定的电压条件下功率较大，发热较多；热敏电阻有PTC（正温度系数）和NTC（负温度系数）两种，优选地，本实施方式中的热敏电阻温度传感器中使用NTC（负温度系数）热敏电阻。所述自发热部件可以为电阻或三极管等元件；所述自发热温度测量单元24设置于气流通道1内，相对于实施例1中的发热单元21和发热元件测量单元22的体积要小，节省了空间。当气流通道1内有气流通过时，所述自发热温度测量单元24能够获取自身自发热部件热平衡后的温度，并将所述温度信号发送至信号处理单元6。本实施例中的其他单元的功能与实施例1相同，在此不再重复说明。

本实施例所述的颗粒物浓度的检测装置检测流程中与实施例1所述的流程大致相同，其中步骤1～3、步骤5和6与实施例1相同，在此不再重复说明，其中步骤S4有区别。在本实施例的检测步骤中，在步骤S4中，所述基准温度测量单元23测量获取环境温度T _base，所述自发热温度测量单元24测量并获取气流流经气流通道时自身内部发热部件的热平衡温度T _wind以及相应的发热功率P，并将所述的环境温度T _base、热平衡温度T _wind以及发热功率P发送至信号处理单元6，然后进行步骤S5的过程。

在本实施方式中，实施例1的发热单元和实施例2的自发热温度测量单元24可以内置电阻元件作为发热部件，当发热部件达到热平衡状态时，通过环境温度、热平衡温度和发热功率获取风速。可以通过以下方法达到热平衡状态：1、使用固定阻值的电阻作为发热部件，当固定电阻在在一定电压或电流下工作时，发热部件的发热功率恒定，当达到热平衡状态时，使用固定的发热功率与其他参数进行计算即可获取空气流速，这样控制流程比较简单，并且由于发热功率不变，空气流速的计算也比较简单。2、使用固定阻值或可变阻值的电阻作为发热部件，限定一个固定的热平衡温度。当发热部件没有达到该热平衡温度时，对于固定电阻可以通过增大电流或电压来增加发热部件的发热量，对于可变电阻可以通过增大电阻来增加发热部件的发热量，可以使其尽快达到热平衡温度，当超过热平衡温度时可以相应减小电流、电压或电阻值。这样，热平衡温度为固定值，同样可以使控制流程和计算过程简单化。除了以上两种方法，还可以使发热功率和热平衡都不固定，例如在升温阶段使用较大的发热功率，在温度升高到一定程度后使用较小的发热功率至达到热平衡状态。这样可以快速到达热平衡，也不必像方法2一样为达到一个固定的热平衡温度反复调整发热功率，但需要更复杂的控制算法，对控制装置的性能要求也更高。

所述信号处理单元将计算的空气中颗粒物的浓度发送至所述数据输出单元，并显示于外设装置上，但不仅限于此。所述信号处理单元还将计算的风速、发射光的发热功率和电信号以及接收到的散射光的电信号等信息发送至所述数据输出单元，并发送至与数据输出单元相连接的外设装置上。

在本实施方式中，信号处理单元计算空气中颗粒物的浓度时，先根据发射光的电信号信息X _tx 以及散射光电信号X _rx 等数据，计算空气中颗粒物的初步浓度；然后通过环境温度T _base和热平衡温度T _wind、发热功率P计算进入检测装置的空气的流速；最后利用空气的流速补偿所述的颗粒物的初步浓度计算得到空气中颗粒物的精确浓度。但不仅限于此，信号处理单元可以根据发射光的电信号信息X _tx 、发热功率P、散射光电信号X _rx 、环境温度T _base和热平衡温度T _wind直接计算空气中颗粒物的精确浓度Y=fun(X _tx,X _rx,T _wind,T _base,P)。

Claims (10)

1.一种检测空气中颗粒物浓度的检测装置，包括气流通道、检测单元、风速测量单元以及检测结果计算单元；

所述检测装置外的空气进入所述气流通道，所述检测单元设置在所述气流通道上并将所述空气中颗粒物的相关信息转换成电信号，同时所述风速测量单元获取所述进入气流通道的空气流速，所述检测结果计算单元能够根据检测单元输出的电信号和所述风速测量单元获取的流速计算空气中颗粒物的浓度；

其中，所述风速测量单元包括发热部件和信息处理单元；

所述信息处理单元能够通过所述检测装置所在的环境的温度和位于所述气流通道内的发热部件的热平衡温度和发热功率确定空气流速。

2.根据权利要求1所述的颗粒物浓度的检测装置，其特征在于：

所述风速测量单元还包括基准环境温度检测单元和发热部件温度检测单元；

所述基准环境温度检测单元能够检测所述检测装置所在的环境的温度；

所述发热部件温度检测单元能够检测设置于所述气流通道内的发热部件的热平衡温度和发热功率。

3.根据权利要求2所述的颗粒物浓度的检测装置，其特征在于：

所述发热部件温度检测单元和所述发热部件由一个自发热温度检测单元来实现。

4.根据权利要求2所述的颗粒物浓度的检测装置，其特征在于：

所述气流通道内的发热部件在一预定的热平衡温度下达到热平衡，所述风速测量单元能够根据热平衡状态下发热部件的固定的热平衡温度、所述检测装置所在的环境的温度以及发热部件的发热功率确定空气流速。

5.根据权利要求2所述的颗粒物浓度的检测装置，其特征在于：

所述气流通道内的发热部件在固定的发热功率下达到热平衡，所述风速测量单元能够根据热平衡状态下发热部件的固定的发热功率、所述发热部件的热平衡温度以及所述检测装置所在的环境的温度确定空气流速。

6.根据权利要求1所述的颗粒物浓度的检测装置，其特征在于：

所述发热部件为负温度系数热敏电阻部件。

7.根据权利要求4或5所述的颗粒物浓度的检测装置，其特征在于：

所述检测单元为由发光部件和受光部件组成的光学检测单元；

所述检测结果计算单元能够根据所述检测单元获取的发光部件发射光的电信号和受光部件接收光的电信号计算空气中颗粒物浓度。

8.根据权利要求7所述的颗粒物浓度的检测装置，其特征在于：

所述检测结果计算单元能够利用所述空气流速对所述颗粒物浓度进行补偿。

9.根据权利要求3所述的颗粒物浓度的检测装置，其特征在于：

所述气流通道上设置转弯结构，并在所述转弯处外侧设置孔结构，用于降低进入所述气流通道的空气的流速，同时将大颗粒物甩出气流通道。

10.根据权利要求9所述的颗粒物浓度的检测装置，其特征在于：

所述基准环境温度检测单元位于所述气流通道转弯处的孔结构的外侧，或者位于所述气流通道内检测区域的上游；

所述发热部件温度检测单元或自发热温度检测单元位于所述气流通道中检测区域的下游；

所述检测区域为发光部件发射光区域和受光部件接收光区域的重叠区域。