CN210665421U - 一种激光散射颗粒物浓度分析仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了一种激光散射颗粒物浓度分析仪，包括：动态加热单元设置在仪器进气口，参考光收集单元设置在激光整形单元与散射光收集单元之间，参考光和散射光信号处理单元设置在参考光收集单元和射光收集单元下方，光阱消光单元设置在散射光收集单元后部，气流经过散射光收集单元进入滤膜称重单元，流量控制单元进气口与滤膜称重单元出气口相接，流量控制单元出气口连接实时吹扫单元进气口，系统调零单元出气口与实时吹扫系统转子流量计出气口共同连接至散射光测量系统气室吹扫器入口。本实用新型采用实时吹扫系统和参考光收集系统，使仪器能够适用于连续长时间工作而光学镜片不受颗粒物污染。

Description

一种激光散射颗粒物浓度分析仪

技术领域

本实用新型涉及颗粒物浓度连续自动监测技术领域，特别是涉及一种激光散射颗粒物浓度分析仪。

背景技术

现有的颗粒物浓度连续自动监测技术主要有震荡天平法、β射线法、压电晶体检测法和激光散射法，激光散射法相比其他几种方法具有结构简单、非接触式、实时性高、测量精度高等优点。

虽然比较其他方法激光散射法具有很多优点但目前技术上基于激光散射法的颗粒物浓度分析仪还存在以下问题：

1、光学系统易受颗粒物污染，长期运行光学镜片附着颗粒物越来越多会导致镜片的透光度和反光度降低，导致探测器接收到的光信号强度越来越弱，使系统测量的准确度降低。

2、激光散射原理基于颗粒物对激光的散射，光源的好坏对监测精度起决定性作用，然而激光光源的发射强度会随使用时间的增加而变化，从而影响测量精确度。

3、激光散射法有别于称重法，不同环境下颗粒物的物化性质不同，导致不同环境下激光散射法所测颗粒物质量浓度与称重法所测颗粒物质量浓度。

4、用激光散射法测量颗粒物浓度，环境相对湿度过高会导致颗粒物聚合，导致所测颗粒物浓度偏低。

中国专利CN 2016210030173公开了一种轮换监测PM2.5和PM10空气颗粒物浓度的分析仪器，包括颗粒物浓度分析仪器，该仪器的样品气输送管上连接有管道轮换器，还连接有PM2.5采样切割器和PM10采样切割器；还包括有数据采集控制器通过信号和通讯接口连接颗粒物浓度分析仪器及管道轮换器。实现了用一台颗粒物浓度分析仪器监测PM2.5和PM10及其他粒径段的颗粒物浓度，成倍减少监测成本投入与耗费；且能够避免出现PM2.5与PM10浓度比值异常的不良监测结果。但是此专利仅能检测气体中颗粒物浓度，且主要核心测试需要购买Thermofisher的颗粒物浓度分析仪。

实用新型内容

为了解决原有激光散射法颗粒物浓度分析仪的光学系统易受污染、激光光源衰减、不同环境下质量浓度转换系数不同、相对湿度影响测量结果等问题，本实用新型提出了一种激光散射颗粒物浓度分析仪，该装置适用于大气及室内环境颗粒物浓度实时在线监测，最大限度降低干扰因素影响。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

为达到上述目的，本实用新型提供了一种激光散射颗粒物浓度分析仪，包括动态加热单元1、散射光测量系统气室2、滤膜称重单元3、滤筒4、流量控制单元5、实时吹扫与凋零单元6；所述散射光测量系统气室2包括激光发射整形单元21、参考光收集单元22、散射光收集单元23、参考光和散射光信号处理单元25、光阱消光单元24；所述动态加热单元设置在仪器进气口，参考光收集单元设置在激光整形单元与散射光收集单元之间，参考光和散射光信号处理单元设置在参考光收集单元和射光收集单元下方，光阱消光单元设置在散射光收集单元后部，气流经过散射光收集单元进入滤膜称重单元，流量控制单元进气口与滤膜称重单元出气口相接，流量控制单元出气口连接实时吹扫单元进气口，系统调零单元出气口与实时吹扫系统转子流量计出气口共同连接至散射光测量系统气室吹扫器入口。

优选地，上述述动态加热单元1包括加热元件、加热元件控制器及温湿压测量元件。采取动态加热系统，将湿度传感器置于气路中，实时监测所测气体相对湿度，加热单元位于气路进口处，根据所测气体湿度判断气体是否需要加热，实现对所测气体相对湿度的实时控制，使之维持在一个限定值之下，从而解决相对湿度过高，引起的颗粒物聚合导致的所测颗粒物浓度偏低的问题。

优选地，上述激光发射整形单元21包括半导体激光器和准直透镜。

优选地，上述参考光收集单元22自上而下为参考光固定部件221、第一光镜固定块222、半透半反镜223、孔径光阑224、聚焦镜225相连接，所述半透半反镜与光路夹角为45度，聚焦镜在光路垂直方向并位于半透半反镜下方，孔径光阑位于聚焦镜下方。设置参考光收集系统，参考光探测器与散射光探测器处于同一环境，共同接收激光光源所发射激光，根据参考光的强度实时对测量结果进行补偿，解决了长时间工作，由于激光光源衰减和外界条件改变等因素所引起的测量结果不准确的问题。

优选地，上述散射光收集单元23自上而下为散射光固定部件231、第二光镜固定块232、凹面反射镜233、半月镜234、双透镜235相连接。

优选地，上述滤膜称重单元3包括47mm采样滤膜、47mm采样滤膜夹持件及气路连接件。增加滤膜称重系统，带有颗粒物的气流经过激光散射测量系统，进入到设置在其下方的滤膜称重系统，47mm滤膜截留气流中所含颗粒物，通过对采样流量的精确控制，便可计算出一定时间内所采气体体积，通过称重法测量所测时间段内滤膜的增重，增重和气体体积的比值就是所测时间段内颗粒物的平均质量浓度，通过称重法所测质量浓度对激光散射法所测浓度进行校准，解决不同环境下，由于颗粒物物化特性不同所引起的散射法所测质量浓度不准确的问题。

优选地，上述流量控制单元5包括0.5μm滤筒、孔口流量计、气容、采样泵、流量控制器。

优选地，上述实时吹扫与凋零单元6包括实时吹扫单元和系统凋零单元。

优选地，上述实时吹扫单元包括三通阀、单向阀、转子流量计、0.2μm 滤筒，三通阀设置在采样泵出气口，一部分气体排出，一部分气体经转子流量计、0.2μm滤筒进入气室形成对光学镜片吹扫。采用实时吹扫系统，采样泵的排气通过三通阀，使一部分气体进入到0.2μm滤筒中，0.2μm滤筒的出气连接至气室吹扫气进口，气室的吹扫气直接到达气室内的光学镜片，实现对光学镜片的实时吹扫，该系统利用采样泵的排气进行吹扫，减少了系统附加器件，实现了光学镜片的实时吹扫，使该仪器适用于在复杂环境中长时间运行。

优选地，上述系统调零单元包括三通阀、调零泵，调零泵出气口、转子流量计出气口和0.2μm滤筒进气口通过三通连接。

本实用新型的有益效果是：

1、实时吹扫系统和参考光收集系统的加入使仪器能够适用于连续长时间工作而光学镜片不受颗粒物污染，适用于颗粒物的连续在线监测；

2、加入动态加热系统，降低空气湿度对颗粒物浓度测量的影响；

3、滤膜校准系统的加入能够用称重法对散射法所测颗粒物浓度进行校准，从而保证仪器测量的准确性；

4、为环境监测、监管部门提供一款实时、在线能够标定的颗粒物浓度监测仪。

附图说明

图1为本实用新型激光散射颗粒物浓度分析仪的整机气路示意图；

图2为本实用新型激光散射颗粒物浓度分析仪的气室气路图；

图3为本实用新型激光散射颗粒物浓度分析仪的气室光路图；

图4为本实用新型激光散射颗粒物浓度分析仪的参考光收集光路图；

图5为本实用新型激光散射颗粒物浓度分析仪的散射光收集光路图；

图中：1-动态加热单元；2-散射光测量系统气室；3-滤膜称重单元；4- 滤筒；5-流量控制单元；6-实时吹扫与凋零单元；21-激光发射整形单元；22- 参考光收集单元；23-散射光收集单元；24-光阱消光单元；25-参考光和散射光信号处理单元；221-参考光固定部件；222-第一光镜固定块；223-半透半反镜；224-孔径光阑；225-聚焦镜；231-散射光固定部件；232-第二光镜固定块；233-凹面反射镜；234-半月镜；235-双透镜。

具体实施方式

为了使本实用新型所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例1

参阅图1，为本实用新型的一种激光散射颗粒物浓度分析仪优选实施例的结构示意图，具体为一种环境颗粒物浓度的激光散射法监测装置，它包括动态加热单元1、激光发射整形单元21、参考光收集单元22、散射光收集单元23、参考光和散射光信号处理单元25、光阱消光单元24、滤膜称重单元 3、流量控制单元5、实时吹扫与调零单元6，其中动态加热单元1设置在仪器进气口，参考光收集单元22设置在激光整形单元21与散射光收集单23 元之间，参考光和散射光信号处理单元25设置在参考光收集单元和射光收集单元下方，光阱消光单元24设置在散射光收集单元后部，气流经过散射光收集单元进入滤膜称重单元3，流量控制单元进气口与滤膜称重单元出气口相接，流量控制单元出气口连接实时吹扫单元进气口，系统调零单元出气口与实时吹扫系统转子流量计出气口共同连接至气室吹扫器入口。

所述检测器气路工作流程为：外界气体经过TSP切割器将大粒径粒子和杂质滤除，同时起到防雨功能，然后气体进入PM10/PM2.5切割器，将不需要测量粒径的粒子滤除，之后进入动态加热模块1，使气体相对湿度保持在 50％以下以保证粒子不会凝集，之后经气嘴进入散射光测量系统气室2，在光敏区内颗粒物形成对激光的散射，通过光敏区的气体进入滤膜称重系统3，颗粒物被截留在47mm滤膜上，然后依次经过0.5um滤筒4、流量计、气容，经采样泵排除气体，被排除气体的一部分经过转子流量计0.2um滤筒被输送至气室清洗气进口，形成对气室内光学镜片的实时吹扫，转子流量计被用于控制清洗气流的流量。

本实用新型所述检测器光路工作流程为：激光二极管发射所发射激光经过一字镜被整型为一字型，并以较小的发散角发射出去，进入半透半反镜223，其中光能量的1/4被反射到垂直方向经汇聚镜进入参考光探测器，光能量的 3/4透过透镜在后部与气流相交形成光敏区，光敏区内的颗粒物对激光形成散射，散射的光能量经过分别位于光敏区两侧的凹面反射镜233和汇聚镜235，使较大立体角内的散射光进入到光电探测器内，光电探测器输出的信号连接至前置放大电路板，经过电路处理便可得出散射光与颗粒物浓度的关系。

本实用新型的实施可有效增强颗粒物在线监测的长期数据稳定性与准确性，降低运营与维护的成本，为颗粒物浓度监测部门提供长期有效的数据。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种激光散射颗粒物浓度分析仪，其特征在于，包括动态加热单元(1)、散射光测量系统气室(2)、滤膜称重单元(3)、滤筒(4)、流量控制单元(5)、实时吹扫与凋零单元(6)；所述散射光测量系统气室(2)包括激光发射整形单元(21)、参考光收集单元(22)、散射光收集单元(23)、参考光和散射光信号处理单元(25)、光阱消光单元(24)；所述动态加热单元设置在仪器进气口，参考光收集单元设置在激光整形单元与散射光收集单元之间，参考光和散射光信号处理单元设置在参考光收集单元和射光收集单元下方，光阱消光单元设置在散射光收集单元后部，气流经过散射光收集单元进入滤膜称重单元，流量控制单元进气口与滤膜称重单元出气口相接，流量控制单元出气口连接实时吹扫单元进气口，系统调零单元出气口与实时吹扫系统转子流量计出气口共同连接至散射光测量系统气室吹扫器入口。

2.如权利要求1所述的一种激光散射颗粒物浓度分析仪，其特征在于，所述动态加热单元(1)包括加热元件、加热元件控制器及温湿压测量元件。

3.如权利要求1所述的一种激光散射颗粒物浓度分析仪，其特征在于，所述激光发射整形单元(21)包括半导体激光器和准直透镜。

4.如权利要求1所述的一种激光散射颗粒物浓度分析仪，其特征在于，所述参考光收集单元(22)自上而下为参考光固定部件(221)、第一光镜固定块(222)、半透半反镜(223)、孔径光阑(224)、聚焦镜(225)相连接，所述半透半反镜与光路夹角为45度，聚焦镜在光路垂直方向并位于半透半反镜下方，孔径光阑位于聚焦镜下方。

5.如权利要求1所述的一种激光散射颗粒物浓度分析仪，其特征在于，所述散射光收集单元(23)自上而下为散射光固定部件(231)、第二光镜固定块(232)、凹面反射镜(233)、半月镜(234)、双透镜(235)相连接。

6.如权利要求1所述的一种激光散射颗粒物浓度分析仪，其特征在于，所述滤膜称重单元(3)包括47mm采样滤膜、47mm采样滤膜夹持件及气路连接件。

7.如权利要求1所述的一种激光散射颗粒物浓度分析仪，其特征在于，所述流量控制单元(5)包括0.5μm滤筒、孔口流量计、气容、采样泵、流量控制器。

8.如权利要求1所述的一种激光散射颗粒物浓度分析仪，其特征在于，所述实时吹扫与凋零单元(6)包括实时吹扫单元和系统凋零单元。

9.如权利要求8所述的一种激光散射颗粒物浓度分析仪，其特征在于，所述实时吹扫单元包括三通阀、单向阀、转子流量计、0.2μm滤筒，三通阀设置在采样泵出气口。

10.如权利要求8所述的一种激光散射颗粒物浓度分析仪，其特征在于，所述系统调零单元包括三通阀、调零泵，调零泵出气口、转子流量计出气口和0.2um滤筒进气口通过三通连接。

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