CN207379885U - 空气颗粒物的检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种空气颗粒物的检测装置，包括可切换波长光源单元、散射均光片单元、散射腔单元、陷光肼单元、测量室单元、光检测单元和计算机系统单元，可切换波长光源单元发射某一特定波长的光线，并照射到散射均光片单元上进行漫散射，产生的漫散射光照射到流经散射腔单元内的颗粒物上，进一步产生散射光，在轴向上的散射光进入到陷光肼单元内进行遮挡和消除，同时在轴向上的散射光再经过测量室单元到达光检测单元上产生电信号，该电信号传递至计算机系统单元进行计算处理，得到散射腔单元内的颗粒物的实时数量。本实用新型具有很高的浓度检测能力、颗粒物粒径大小检测能力、能见度检测能力。

Description

空气颗粒物的检测装置

技术领域

本实用新型涉及空气颗粒物检测领域，尤其涉及一种空气颗粒物的检测装置。本实用新型涉及使用不同波段的光照射空气中悬浮颗粒物后进行散射，散射光进入高灵敏度光电转换装置进行检测，再配合外围的气路设备，组建成一种可以实时分析空气中颗粒物(大气气溶胶)浓度的装置。主要应用于大气科学研究、大气能见度观测、气溶胶散射系数的测量、精细颗粒物(PM2.5或PM10)的相关研究等。

背景技术

随着工业污染的加剧，雾霾天气频繁出现，空气污染已经严重影响到人类身体健康。空气质量的检测变得尤为重要，对空气中的颗粒物进行检测、分析和研究是当前环保工作的重点。按照空气动力学直径大小，大气颗粒物可分为：(1)直径小于100微米的总悬浮颗粒物(简称TSP)；(2)直径小于10微米的可吸入颗粒物；(3)直径小于2.5微米的细颗粒物。其中细颗粒物PM2.5可以长时间悬浮在大气中，它对空气质量和能见度等有重要的影响。与较粗的大气颗粒物相比，PM2.5的粒径小，面积大，活性强，易附带有毒、有害物质(如重金属、微生物等)，且在大气中的停留时间长，移动距离远，因此对人体健康和大气环境质量的影响相对更大。

当前传统的测试PM2.5和PM10浓度的方法大致为三种：(1)手动称重法；(2)振荡天平法；(3)贝塔射线测量法。这三种方法都有其弊端：第一种手动称重法无法做连续自动检测，且采集时间至少要30分钟以上；第二种震荡天平法虽然测量精度高且可以实时得出测量数据，但该方法受空气湿度影响非常严重，且这种方法对机械设计要求非常高，导致价格不菲，后期维护困难；第三种方法虽然能够连续采样，但采集时间至少要30分钟以上，需要耗材和大量的维护成本，且内部具有贝塔射线源，对人体有无法估量的伤害。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种空气颗粒物的检测装置，能够更好的对大气颗粒物进行实时、高精度检测，以解决现有技术中上述三种检测方法所面临的问题。

为了解决上述问题，本实用新型提供一种空气颗粒物的检测装置，其技术方案如下：

一种空气颗粒物的检测装置，包括可切换波长光源单元，所述可切换波长光源单元用于发射光线；散射均光片单元，所述散射均光片单元位于所述可切换波长光源单元的下方，所述散射均光片单元用于对光线进行漫散射，产生漫散射光；散射腔单元，所述散射腔单元位于所述可切换波长光源单元的下方并位于所述散射均光片单元的下侧，在所述散射腔单元的左侧面上设有第一微孔，在所述散射腔单元的右侧面上设有第二微孔，在所述散射腔单元内流经有待测气体，所述待测气体内含有悬浮颗粒物；陷光肼单元，所述陷光肼单元位于所述散射腔单元的左侧，在所述陷光肼单元内设有光学折射单元和第一光阑单元，在所述第一光阑单元上设有第三微孔，所述第一光阑单元位于所述第一微孔和所述光学折射单元之间，所述陷光肼单元用于消除杂散光；测量室单元，所述测量室单元位于所述散射腔单元的右侧，在所述测量室单元内设有第二光阑单元，在所述第二光阑单元上设有第四微孔，所述第一微孔、所述第二微孔、所述第三微孔、所述第四微孔在同一水平面上，所述测量室单元用于限定测量体积及消除杂散光；光检测单元，所述光检测单元和所述测量室单元相连；计算机系统单元，所述计算机系统单元和所述光检测单元相连。

如上述的空气颗粒物的检测装置，进一步优选为：还包括遮光片单元，所述遮光片单元可旋转地设在散射腔单元内，并位于所述散射均光片单元的右端。

如上述的空气颗粒物的检测装置，进一步优选为：在所述测量室单元内活动安装有光学快门单元，所述光学快门单元位于所述第二微孔的上方。

如上述的空气颗粒物的检测装置，进一步优选为：在所述散射腔单元内设有压力传感器，用于实时测量所述待测气体的压力，所述压力传感器和所述计算机系统单元相连。

如上述的空气颗粒物的检测装置，进一步优选为：在所述散射腔单元内设有温度传感器，用于实时测量所述待测气体的温度，所述温度传感器和所述计算机系统单元相连。

如上述的空气颗粒物的检测装置，进一步优选为：在所述散射腔单元内设有湿度传感器，用于实时测量所述待测气体的湿度，所述湿度传感器和所述计算机系统单元相连。

如上述的空气颗粒物的检测装置，进一步优选为：还包括校准模块单元，所述校准模块单元和所述计算机系统单元相连，用于自动校准零点和标点。

如上述的空气颗粒物的检测装置，进一步优选为：还包括外围气路设备，所述外围气路设备和所述散射腔单元相连，用于将所述待测气体实时通入所述散射腔单元内。

本实用新型的空气颗粒物的检测装置采用密闭式积分浊度仪设备和计算机系统单元相结合，以比尔兰伯特定律为理论基础，使用高稳定光源和最高灵敏度的光电探测器，最大限度的测量大气能见度和大气污染物的浓度。密闭式积分浊度仪是一种能够测量气流中悬浮颗粒物消光特性的设备，在密闭式积分浊度仪中有一个可以从侧向发出特定波长的光源，该光源发出的光照射到腔室(散射腔单元)内的悬浮颗粒物后会产生散射，在密闭式积分浊度仪的一端使用高灵敏度光电接收器(光检测单元)进行探测，从而转换为与颗粒物浓度相关的电信号，进而计算机根据特定的算法将该信号进行处理，得到具体的颗粒物浓度、颗粒物粒径大小、消光系数以及能见度等信息。

附图说明

图1为本实用新型的空气颗粒物的检测装置进行全向散射工作状态的示意图；

图2为本实用新型的空气颗粒物的检测装置进行后向散射工作状态的示意图；

图3为本实用新型的空气颗粒物的检测装置进行光源能量检测的示意图；

图4为本实用新型的空气颗粒物的检测装置中光源照射颗粒物产生散射的示意图；

其中，1、可切换波长光源单元；2、散射均光片单元；3、悬浮颗粒物；4、散射腔单元；5、陷光肼单元；6、第一光阑单元；7、测量室单元；8、光学快门单元；9、遮光片单元；10、光检测单元；11、计算机系统单元；12、光学折射单元；13、第二光阑单元；14、第一边界；15、第二边界。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，本实用新型的空气颗粒物的检测装置，包括：可切换波长光源单元1，用于发射光线；散射均光片单元2，位于可切换波长光源单元1的下方，散射均光片单元2用于对光线进行漫散射，产生漫散射光；散射腔单元4，位于可切换波长光源单元1的下方并位于散射均光片单元2的下侧，在散射腔单元4的左侧面上设有第一微孔，在散射腔单元4的右侧面上设有第二微孔，在散射腔单元4内流经有待测气体，待测气体内含有悬浮颗粒物3；陷光肼单元5，位于散射腔单元4的左侧，在陷光肼单元5内设有光学折射单元12和第一光阑单元6，在第一光阑单元6上设有第三微孔，第一光阑单元6位于第一微孔和光学折射单元12之间，陷光肼单元5用于消除杂散光；测量室单元7，位于散射腔单元4的右侧，在测量室单元7内设有第二光阑单元13，在第二光阑单元13上设有第四微孔，第一微孔、第二微孔、第三微孔、第四微孔在同一水平面上，测量室单元7用于限定测量体积及消除杂散光；光检测单元10，和测量室单元7相连；计算机系统单元11，和光检测单元10相连。

总而言之，本实用新型创新性地提供一种空气颗粒物的检测装置，采用密闭式积分浊度仪设备和计算机系统单元相结合，其中密闭式积分浊度仪包括可切换波长光源单元1、散射均光片单元2、散射腔单元4、陷光肼单元5、测量室单元7、光检测单元10。为了更加精确的测量颗粒物粒径的大小，本实用新型使用1种或大于1种波长的光源(可切换波长光源单元1)进行颗粒物的照射及检测，然后再根据散射原理进行颗粒物粒径的计算。不同波长的光源的亮度有恒定的比例关系，优选地，除可以使用线性阵列的光源方法外，最佳方法是将不同波段的光源封装在一起，这些光源可以使用但不限于发光LED，也可以按照一定的关系排列成一排、二排、或三排及以上，也可以放置在很小的单块电路板上，也可以放置在一个单独的元器件封装中。本实用新型中，在光源照射到悬浮颗粒物3之前，通过散射均光片单元2对光线进行漫散射，使光线更加均匀地照射到流经散射腔单元4内的悬浮颗粒物3上，优选地，这些散射均光片单元2可以是任意形状。本实用新型中，从测量室单元7到光检测单元10之间设计有按照积分体积设定的第二光阑单元13，这些第二光阑单元13一方面起到限定测量体积的作用，另一方面也可以减少无用的杂散光进入到探测器(光检测单元10)。为了进一步减少杂散光的影响，本实用新型中设计了陷光肼单元5，以便将光源直射到非测量端的无用的杂散光进行消除，从而最大限度的减小光学噪声，提高信噪比，优选地，在陷光肼单元5内可以加入1个或1个以上的第一光阑单元6，这些第一光阑单元6的作用是消除无用的杂散光。

如图1所示，为了分别测量全向散射信号和后向散射信号，本实用新型还包括遮光片单元9，遮光片单元9可旋转地设在散射腔单元4内，并位于散射均光片单元2的右端，优选地，在进行全向测量时，遮光片单元9不遮挡在可切换波长光源单元1与散射腔单元4内的悬浮颗粒物3之间；当需要进行后向散射测量时，遮光片单元9会遮挡住一半被光线照射到的散射腔单元4的腔体的体积，被遮挡的这一半体积为可切换波长光源单元1到测量室单元7这一侧的体积。

如图1所示，为了获得更加准确的测量信号，本实用新型中在测量室单元7内活动安装有光学快门单元8，光学快门单元8位于第二微孔的上方，优选地，光学快门单元8可以是均光片等具有透射功能的光学器件，用于测定光源的光强。

优选地，为了便于实时测量待测气体的压力，进一步将压力参数带入到计算中，以便将测量结果转换为标准大气压力下的值，本实用新型中，在散射腔单元4内设有压力传感器，优选地，压力传感器和计算机系统单元11相连。

优选地，为了便于实时测量待测气体的温度，从而进一步将温度参数带入到计算中，以便将测量结果转换为标准大气压力和温度下的值，本实用新型中，在散射腔单元4内设有温度传感器，优选地，温度传感器和计算机系统单元11相连。

优选地，为了便于实时测量待测气体的湿度，从而进一步将湿度参数带入到计算中，本实用新型中，在散射腔单元4内设有湿度传感器，优选地，湿度传感器和计算机系统单元11相连。

优选地，为了减小测量漂移，进行自动校准零点和标点，本实用新型还包括校准模块单元，校准模块单元和计算机系统单元11相连。在计算机系统的控制下，密闭式积分浊度仪按照一定的时间规律进行零点校准和标点校准，进而增加测量数值的准确性。优选地，零点校准使用不含颗粒物的洁净空气作为零气，使用该气体测出的散射值为大气的锐利散射；标点校准使用已知其消光系数的高纯度气体作为标准气体，使用标准气体测得的散射值为已知消光系数的标准值。由此可以得出该密闭式积分浊度仪针对颗粒物消光系数的测量参数，使用这些参数可以测量出待测气体的消光系数等更多特征。

优选地，本实用新型还包括外围气路设备，外围气路设备和散射腔单元4相连，用于将待测气体实时通入散射腔单元4内。

优选地，本实用新型的空气颗粒物的检测装置的检测方法包括如下步骤：

步骤一、可切换波长光源单元1发射出某一特定波长的光线，并照射到散射均光片单元2上进行漫散射，产生漫散射光；

步骤二、漫散射光照射到流经散射腔单元4内的悬浮颗粒物3上，进一步产生散射光；

步骤三、在轴向上直射到非测量端的散射光进入到陷光肼单元5内后照射到光学折射单元12上进行散射，其散射光被陷光肼单元5和陷光肼单元5内的第一光阑单元6进行遮挡和消除；

步骤四、在轴向上的散射光经过测量室单元7到达光检测单元10上产生电信号；

步骤五、电信号传递至计算机系统单元11，经过计算处理后得到散射腔单元4内的悬浮颗粒物3的实时数量。

优选地，在步骤四中，测量室单元7内的第二光阑单元13对散射光进行二次消除。

如图1所示，本实用新型中，可切换波长光源单元1发射出某一特定波长的光线后，照射到散射均光片单元2上产生漫散射，这些漫散射光继续向前照射到流经散射腔单元4内的悬浮颗粒物3上，进一步产生散射光，在轴向上的散射光进入到陷光阱单元5内后，照射到光学折射单元12上进行散射，其散射光被陷光阱单元5和其内的第一光阑单元6进行遮挡和消除；在轴向上的散射光经过测量室单元7到达光检测单元10上产生电信号。这种电信号传递给计算机系统单元11后，经过进一步计算处理，得到当前散射腔单元4内的悬浮颗粒物3的数量。散射腔单元4内的悬浮颗粒物3在单位时间内的数量直接影响计算机系统单元11测得的数值。此种情况下，光检测单元10检测到的光是可切换波长光源单元1发射出的光线照射到散射腔单元4内的悬浮颗粒物3后，进行前向散射和后向散射的散射光的总和。

如图2所示，本实用新型中，遮光片单元9遮挡在可切换波长光源单元1与测量室单元7之间，可切换波长光源单元1发射出某一特定波长的光线后，照射到散射均光片单元2上产生漫散射，这些漫散射光继续向前照射到流经散射腔单元4内的悬浮颗粒物3上，进一步产生散射光，在轴向上的散射光进入到陷光阱单元5内后，照射到光学折射单元12上进行散射，其散射光被陷光阱单元5和其内的第一光阑单元6进行遮挡和消除；在轴向上的散射光经过测量室单元7到达光检测单元10上产生电信号。这种电信号传递给计算机系统单元11后，经过进一步计算处理，得到当前散射腔单元4内的悬浮颗粒物3的数量。散射腔单元4内的悬浮颗粒物3在单位时间内的数量直接影响计算机系统单元11测得的数值。由于遮光片单元9的遮挡作用，此时光检测器单元10检测到的光是可切换波长光源单元1发射出的光线照射到散射腔单元4内的悬浮颗粒物3后，进行后向散射的散射光。

如图3所示，本实用新型中，光学快门单元8遮挡在第二微孔处，可切换波长光源单元1发射出某一特定波长的光线后，照射到散射均光片单元2上产生漫散射，这些漫散射光继续向前照射到光学快门单元8上，产生强光散射，在轴向上的散射光进入到陷光阱单元5内后，照射到光学折射单元12上进行散射，其散射光被陷光阱单元5和其内的第一光阑单元6进行遮挡和消除；在轴向上的散射光经过测量室单元7到达光检测单元10上产生电信号。这种电信号传递给计算机系统单元11后，经过进一步计算处理，可得到当前可切换波长光源单元1发出的光线的光强度。光检测单元10在单位时间内检测到的光的多与少，直接反映出可切换波长光源单元1的光源亮度的强与弱，由此可以测得可切换波长光源单元1的光强随着时间、温度等因素的变化，进而将测量结果带入到计算过程，可以获得更高的测量精度。

如图4所示，本实用新型中，可切换波长光源单元1以一定的角度将光线照射到散射均光片单元2上，然后光线按照第一光线边界14和第二光线边界15向下照射到悬浮颗粒物3上，这种增加散射均光片单元2的方式不但会使向下照射的光线更加均匀，还可以让光线照射到更大体积的颗粒物上，也就是第一光线边界14和第二光线边界15的夹角会更大，而这种夹角变大会对测量结果产生更加有力的影响。

如图1和图2所示，本实用新型中，当流经散射腔单元4的待测气体为某种已知气体或已知其颗粒物浓度的气体时，可以测得该待测气体的对应光电转换的数值；当有另一种不同颗粒物浓度的气体流过时，可以测得一组新的对应测量数值。由这两组或多组不同颗粒物浓度的气体测得的数值可以进行相应的校准，得出相应的关系公式，进一步用于测量未知颗粒物浓度的气体。

与现有技术相比，本实用新型的优点和有益效果在于：

一、本实用新型中，设计散射均片单元2，使光线充分照射到散射腔单元4内的悬浮颗粒物3，辅以外围气路设备，将含有悬浮颗粒物3的待测气体实时通入散射腔单元4内，同时利用计算机系统单元11智能检测，可以在1分钟内得出多组测量数据，具有更高的实时性；

二、本实用新型同时具有非常高的浓度检测能力、颗粒物粒径大小检测能力、能见度检测能力，实用性强；

三、本实用新型具有自动零点和标点校准功能，测量更精准；

四、本实用新型不需要大量耗材，同时也基本不需要后期维修，所使用设备结构简单，操作方便，成本较低。

由技术常识可知，本实用新型可以通过其他的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本实用新型范围内或在等同于本实用新型的范围内的改变均被本实用新型包含。

Claims (8)

1.一种空气颗粒物的检测装置，其特征在于，包括：

可切换波长光源单元(1)，所述可切换波长光源单元(1)用于发射光线；

散射均光片单元(2)，所述散射均光片单元(2)位于所述可切换波长光源单元(1)的下方，所述散射均光片单元(2)用于对光线进行漫散射，产生漫散射光；

散射腔单元(4)，所述散射腔单元(4)位于所述可切换波长光源单元(1)的下方并位于所述散射均光片单元(2)的下侧，在所述散射腔单元(4)的左侧面上设有第一微孔，在所述散射腔单元(4)的右侧面上设有第二微孔，在所述散射腔单元(4)内流经有待测气体，所述待测气体内含有悬浮颗粒物(3)；

陷光肼单元(5)，所述陷光肼单元(5)位于所述散射腔单元(4)的左侧，在所述陷光肼单元(5)内设有光学折射单元(12)和第一光阑单元(6)，在所述第一光阑单元(6)上设有第三微孔，所述第一光阑单元(6)位于所述第一微孔和所述光学折射单元(12)之间，所述陷光肼单元(5)用于消除杂散光；

测量室单元(7)，所述测量室单元(7)位于所述散射腔单元(4)的右侧，在所述测量室单元(7)内设有第二光阑单元(13)，在所述第二光阑单元(13)上设有第四微孔，所述第一微孔、所述第二微孔、所述第三微孔、所述第四微孔在同一水平面上，所述测量室单元(7)用于限定测量体积及消除杂散光；

光检测单元(10)，所述光检测单元(10)和所述测量室单元(7)相连；

计算机系统单元(11)，所述计算机系统单元(11)和所述光检测单元(10)相连。

2.根据权利要求1所述的空气颗粒物的检测装置，其特征在于，还包括：

遮光片单元(9)，所述遮光片单元(9)可旋转地设在散射腔单元(4)内，并位于所述散射均光片单元(2)的右端。

3.根据权利要求1或2所述的空气颗粒物的检测装置，其特征在于：

在所述测量室单元(7)内活动安装有光学快门单元(8)，所述光学快门单元(8)位于所述第二微孔的上方。

4.根据权利要求1或2所述的空气颗粒物的检测装置，其特征在于：

在所述散射腔单元(4)内设有压力传感器，用于实时测量所述待测气体的压力，所述压力传感器和所述计算机系统单元(11)相连。

5.根据权利要求1或2所述的空气颗粒物的检测装置，其特征在于：

在所述散射腔单元(4)内设有温度传感器，用于实时测量所述待测气体的温度，所述温度传感器和所述计算机系统单元(11)相连。

6.根据权利要求1或2所述的空气颗粒物的检测装置，其特征在于：

在所述散射腔单元(4)内设有湿度传感器，用于实时测量所述待测气体的湿度，所述湿度传感器和所述计算机系统单元(11)相连。

7.根据权利要求1或2所述的空气颗粒物的检测装置，其特征在于，还包括：

校准模块单元，所述校准模块单元和所述计算机系统单元(11)相连，用于自动校准零点和标点。

8.根据权利要求1或2所述的空气颗粒物的检测装置，其特征在于，还包括：

外围气路设备，所述外围气路设备和所述散射腔单元(4)相连，用于将所述待测气体实时通入所述散射腔单元(4)内。