CN216082480U - 气溶胶浓度检测装置及系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种气溶胶浓度检测装置及系统，光源室用于向检测室照射入射光，光源室内设有光源光阑；光陷阱室与光源室正对设置，入射光经检测室到达光陷阱室，光陷阱室内设有消光元件；多个散射光接收室设于光源室和光陷阱室之间，每个散射光接收室与光陷阱室之间的夹角不相同，每个散射光接收室内设有光电二极管，用于接收入射光在检测室内散射形成的散射光、并转换为电信号。该装置能够提高气溶胶浓度检测的准确性。

Description

气溶胶浓度检测装置及系统

技术领域

本实用新型涉及气溶胶检测技术领域，尤其涉及一种气溶胶浓度检测装置及系统。

背景技术

气溶胶是指悬浮在气体介质中的固态或液态颗粒所组成的气态分散系统，所以气溶胶本身是具有不同物理属性的悬浮颗粒物。其自身的中值粒径、颗粒物密度等属性均有差异性。

当前口罩过滤效率、高效过滤器检测等检测技术大多是发生一定属性的盐性或油性气溶胶使其通过口罩或过滤器，然后使用气溶胶光度计检测其上下游气溶胶的浓度，进而计算其过滤效率。但是由于对气溶胶发生技术的掌握有差异性、气溶胶类型有差异性、通过口罩或过滤器后气溶胶的物理属性发生变化，由于这些差异及变化会降低当前的光散射气溶胶光度计测量质量浓度的准确性。

由Mie散射理论可知，散射光强与散射角、光波波长均有关系，由此反推可得在光波长固定时，不同角度的散射光强与均匀颗粒的粒径有一定关系；利用此关系在测得多角度散射光强的前提可以推得颗粒物的大致粒径范围，由此确认气溶胶物理属性。

目前气溶胶质量浓度的散射光测量系统常见的主要三种形式有近前向散射光测量系统、垂直方向散射光测量系统以及后向散射光测量系统。其散射光强度、灵敏度以及与粒径的关系均不同。同时测量气溶胶不同角度的散射光强，利用其不同角度散射强度的差异可以对不同属性的气溶胶进行分辨以及完成质量浓度的测量。

利用光散射法进行气溶胶质量浓度测量时，若光室内发生气溶胶弥散以及镜头光源受到污染等状况会影响气溶胶测量的准确度。所以在测量时对待测样气进行样气保护防止气溶胶在光室内发生弥散是非常有必要性。光源在通过光室时若不对光路进行处理同样会在光室内形成杂散光影响测量。散光的来源主要有光源发散以及光路结束照射模块内壁发生的散射。

本背景技术所公开的上述信息仅仅用于增加对本申请背景技术的理解，因此，其可能包括不构成本领域普通技术人员已知的现有技术。

实用新型内容

针对背景技术中指出的问题，本实用新型提出一种气溶胶浓度检测装置及系统，提高气溶胶浓度检测的准确性。

为实现上述实用新型目的，本实用新型采用下述技术方案予以实现：

本实用新型提供一种气溶胶浓度检测装置，包括：

检测室，气溶胶流经所述检测室；

光源室，用于向所述检测室照射入射光，所述光源室内设有光源光阑；

光陷阱室，其与所述光源室正对设置，入射光经所述检测室到达所述光陷阱室，所述光陷阱室内设有消光元件；

多个散射光接收室，所述多个散射光接收室设于所述光源室和所述光陷阱室之间，每个所述散射光接收室与所述光陷阱室之间的夹角不相同，每个所述散射光接收室内设有光电二极管，用于接收入射光在所述检测室内散射形成的散射光、并转换为电信号。

本申请一些实施例中，所述光源室内在入射光传播路径上设有柱面镜。

本申请一些实施例中，所述光陷阱室内还设有光陷阱光阑。

本申请一些实施例中，所述光散射接收室内沿散射光的传播路径上依次设有平行半球面镜和聚光半球面镜，散射光依次照经所述平行半球面镜和所述聚光半球面镜后汇聚成光斑、并被所述光电二极管接收；

所述散射光接收室的一端设有信号处理器，用于接收所述光电二极管所产生的所述电信号。

本申请一些实施例中，所述多个散射光接收室包括第一方向散射光接收室和第二方向散射光接收室。

本申请一些实施例中，所述第一方向散射光接收室内的散射光与入射光在所述检测室内径直传播方向之间的夹角为90°；

所述第二方向散射光接收室内的散射光与入射光在所述检测室内径直传播方向之间的夹角为45°。

本申请一些实施例中，所述第一方向散射光接收室内的散射光与入射光在所述检测室内径直传播方向之间的夹角为120°；

所述第二方向散射光接收室内的散射光与入射光在所述检测室内径直传播方向之间的夹角为60°。

本申请一些实施例中，所述第一方向散射光接收室内设有第一光电二极管，用于接收入射光在所述检测室内散射形成的第一方向散射光、并转换为第一电信号；

所述第二方向散射光接收室内设有第二光电二极管，用于接收入射光在所述检测室内散射形成的第二方向散射光、并转换为第二电信号。

本申请一些实施例中，所述第一方向散射光接收室内沿所述第一方向散射光的传播路径上依次设有第一平行半球面镜和第一聚光半球面镜，所述第一方向散射光依次照经所述第一平行半球面镜和所述第一聚光半球面镜后汇聚成光斑、并被所述第一光电二极管接收；

所述第一方向散射光接收室的一端设有第一信号处理器，用于接收所述第一光电二极管所产生的所述第一电信号。

本申请一些实施例中，所述第二方向散射光接收室内沿所述第二方向散射光的传播路径上依次设有第二平行半球面镜和第二聚光半球面镜，所述第二方向散射光依次照经所述第二平行半球面镜和所述第二聚光半球面镜后汇聚成光斑、并被所述第二光电二极管接收；

所述第二方向散射光接收室的一端设有第二信号处理器，用于接收所述第二光电二极管所产生的所述第二电信号。

本实用新型还提供一种气溶胶浓度检测系统，包括如上所述的气溶胶浓度检测装置，还包括：

鞘气支路，与所述检测室的进气口连通，用于产生鞘气流以对流入所述检测室的气溶胶形成包裹；

负反馈调节支路，与所述检测室的出气口连通。

本申请一些实施例中，气溶胶进入所述检测室的进气口后，一部分气溶胶进入所述鞘气支路，另一部分气溶胶进入所述检测室，所述鞘气支路上设有过滤器和流量计。

本申请一些实施例中，经过所述过滤器和所述流量计的洁净气体，一部分用于产生鞘气流以对流入所述检测室的气溶胶形成包裹，另一部分流入所述光源室、所述光陷阱室、所述散射光接收室内以对光学元件进行保护。

与现有技术相比，本实用新型的优点和积极效果是：

本申请所公开的气溶胶浓度检测装置中，通过光陷阱室、多个散射光接收室同时对入射光的多角度散射光进行检测，以便对气溶胶进行基本物理属性的确认以及质量浓度的测量，提高气溶胶浓度检测的准确性。

各个光室相对独立，互不干涉，检测手段更为直接，检测结构更为准确。

结合附图阅读本实用新型的具体实施方式后，本实用新型的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为根据实施例的气溶胶浓度检测系统的结构示意图；

图2为根据实施例的气溶胶浓度检测装置的结构示意图；

图3为根据实施例的气溶胶浓度检测装置沿光源室和光陷阱室的轴线剖的剖视图；

图4为根据实施例的第一方向散射光接收室的剖视图。

附图标记：

10-光源室，11-光源，12-光源光阑，13-柱面镜，14-光源保护进气嘴，15-光源调整座；

20-光陷阱室，21-消光元件，22-光陷阱光阑，23-光陷阱保护进气嘴；

30-第一方向散射光接收室，31-第一平行半球面镜，32-第一聚光半球面镜，33-第一光电二极管，34-第一信号处理器，35-镜头保护进气嘴

40-第二方向散射光接收室，41-第二信号处理器；

50-检测室，51-进气口，52-出气口，53-样气管，54-出气嘴，55-进气嘴；

60-鞘流支路，61-过滤器，62-流量计；

70-负反馈调节支路，71-抽气泵，72-抽气流量计，73-抽气过滤器。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本实用新型的不同结构。为了简化本实用新型的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本实用新型。此外，本实用新型可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本实用新型提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

实施例一

本实施例公开一种气溶胶浓度检测装置，参照图2至图4，其包括检测室50，检测室50的外周设置有光源室10、光陷阱室20、多个散射光接收室，各个光室内分别设有相关光学元件。

检测室50为样气的浓度检测提供一检测空间，检测室50具有进气口51和出气口52，气溶胶经进气口51流入检测室50内、再经出气口52流出。

检测室50的四周设置有多个光学窗口，多个光学窗口与多个光室一一对应。

光源室10与检测室50之间的光学窗口便于光源发出的入射光照入检测室内。

光陷阱室20与检测室50之间的光学窗口便于光源径直透过检测室50后到达光陷阱室20。

不同的散射光接收室与检测室50之间的光学窗口便于入射光在检测室50内散射形成的不同方向的散射光进入对应的散射光接收室。

参照图3，光源室10发出的入射光径直照入检测室50内，光源室10内设有光源光阑12，以消除光源杂散光，避免杂散光对气溶胶检测造成影响。

光源光阑12可以设置多个，本实施例中光源光阑12设置有两个，分别标记为第一光源光阑和第二光源光阑，提高消除杂散光效果。

光陷阱室20与光源室10正对设置，对称分设于检测室50的两侧，从光源室10发出的入射光穿过检测室50后到达光陷阱室20。

光陷阱室20内设有消光元件21，比如镀膜消光玻璃，用于吸收进入光陷阱室20内的入射光。

各散射光接收室设于光源室10和光陷阱室20之间，每个散射光接收室与光陷阱室20之间的夹角不相同，每个散射光接收室内设有光电二极管，用于接收入射光在检测室50内散射形成的散射光、并转换为电信号。

通过光陷阱室20、多个散射光接收室同时对入射光的多角度散射光进行检测，以便对气溶胶进行基本物理属性的确认以及质量浓度的测量，提高气溶胶浓度检测的准确性。

各个光室相对独立，互不干涉，检测手段更为直接，检测结构更为准确。

本申请一些实施例中，光散射接收室内沿散射光的传播路径上依次设有平行半球面镜和聚光半球面镜，散射光依次照经平行半球面镜和聚光半球面镜后汇聚成光斑、并被光电二极管接收。

散射光接收室的一端设有信号处理器，用于接收处理光电二极管所产生的电信号。

作为一种具体实施例中，散射光接收室具有两个，分别对应为第一方向散射光接收室30和第二方向散射光接收室40。

第一种方式，如图2所示，第一方向散射光接收室30内的散射光与入射光在检测室50内径直传播方向之间的夹角为90°，以对垂直散射光进行检测。

第二方向散射光接收室40内的散射光与入射光在检测室50内径直传播方向之间的夹角为45°，以对近前向散射光进行检测。

第二种方式，第一方向散射光接收室30内的散射光与入射光在检测室50内径直传播方向之间的夹角为120°，以对后向散射光进行检测。

第二方向散射光接收室40内的散射光与入射光在检测室50内径直传播方向之间的夹角为60°，以对近前向散射光进行检测。

本申请一些实施例中，参照图2和图3，光源室10内设有光源11，用于提供入射光。光源11为单波长光源，提供单波长入射光。入射光可以为激光。

光源室10内在入射光传播路径上设有柱面镜13，按照入射光的传播路径，柱面镜13位于光源光阑12的上游。

柱面镜13用于将光源11发出的入射光在进入检测室50之前形成扁平状的一字型光，起到聚光、缩小检测区域的作用，有助于提高气溶胶浓度检测精度。

本申请一些实施例中，参照图3，光陷阱室20内还设有光陷阱光阑22，入射光穿过检测室50后进入光陷阱室20，一部分入射光被消光元件21吸收掉，另一小部分发生光反射，反射光在光陷阱室20内进行多次反射消耗，光陷阱光阑22用于防止反射光返回到检测室50内对气溶胶检测造成影响。

本申请一些实施例中，第一方向散射光接收室30和第二方向散射光接收室40的内部结构相同，图4所示为第一方向散射光接收室30的剖视图。

第一方向散射光接收室30内沿第一方向散射光的传播路径上依次设有第一平行半球面镜31和第一聚光半球面镜32，第一方向散射光依次照经第一平行半球面镜31和第一聚光半球面镜32后汇聚成光斑、并被第一光电二极管33接收。

也即，第一平行半球面镜31将第一方向散射光形成平行光，第一聚光半球面镜32将平行光在第一光电二极管33处汇聚为一光斑，第一光电二极管33将光信号转为第一电信号。

第一方向散射光接收室30的一端设有第一信号处理器34，用于接收第一光电二极管33所产生的第一电信号。

第二方向散射光接收室40未给出具体图示，第二方向散射光接收室40内沿第二方向散射光的传播路径上依次设有第二平行半球面镜和第二聚光半球面镜，第二方向散射光依次照经第二平行半球面镜和第二聚光半球面镜后汇聚成光斑、并被第二光电二极管接收。

也即，第二平行半球面镜将第二方向散射光形成平行光，第二聚光半球面镜将平行光在第二光电二极管处汇聚为一光斑，第二光电二极管将光信号转为第二电信号。

第二方向散射光接收室40的一端设有第二信号处理器41，用于接收第二光电二极管所产生的第二电信号。

该气溶胶浓度检测装置还包括控制中心，控制中心对第一电信号和第二电信号进行读取及分析计算，以得到气溶胶的基本物理属性以及质量浓度。

各个光室内通过光学元件利用简单的光学原理，即可对入射光进行有效处理及检测，结构简单紧凑、成本低。

本申请一些实施例中，当光源11位置发生变化时会在检测室50内形成漫散射光，参照图2，此时可以通过光源调整座15对光源11的位置进行水平和垂直二维方向的调节，使得检测室内漫散射光对第一信号处理器34、第二信号处理器41的影响降低到最小。

实施例二

本实施例公开一种气溶胶浓度检测系统，包括实施例一所公开的气溶胶浓度检测装置。

参照图1，其还包括鞘流支路60和负反馈调节支路70。

鞘流支路60与检测室50的进气口51连通，用于产生鞘气流以对流入检测室50的气溶胶形成包裹，避免气溶胶在检测室50内发生弥散，进一步提高检测效果及精度。

参照图2，一部分气体经出气嘴54流入鞘流支路60，经过鞘流支路60后再经进气嘴55向检测室50流动，以形成对进入检测室50内的样气形成包裹。

本申请一些实施例中，气溶胶进入检测室的进气口51后，一部分气溶胶进入鞘气支路60，另一部分气溶胶作为样气进入检测室50。

鞘气支路60上设有过滤器61和流量计62，过滤器61对鞘气支路内的气溶胶进行过滤，以得到洁净气体，利用洁净气体对样气形成包裹作用。

流量计62用于测量流入鞘流支路60内的气体流量大小，用于后期滤膜称重法进行溯源时计算样气体积。

本申请一些实施例中，经过过滤器61和流量计62的洁净气体，一部分用于产生鞘气流以对流入检测室50的气溶胶形成包裹，另一部分作为保护气流入光源室10、光陷阱室20、各散射光接收室内以对光学元件进行保护。

具体的，参照图2和图3，光源室10上设有光源保护进气嘴14，光陷阱室20上设有光陷阱保护进气嘴23，各散射光接收室上分别设有镜头保护进气嘴35，一部分洁净气体经上述进气嘴进入对应的光室内，以保护光源、光陷阱、以及散射光接收室不被污染。

负反馈调节支路70与检测室50的出气口52连通，其包括抽气泵71、抽气流量计72以及抽气过滤器73，提供恒定流量的动力源用于抽取待测气溶胶，抽气过滤器73用于保护后端的抽气泵71和抽气流量计72不受到污染。

利用该气溶胶浓度检测系统进行以下实验，具体如下：

实验一

实验仪器：45°加90°双向光度计测量系统(光源采用650nm入射光)、TSI 8130自动滤料测试仪、十万分之一天平。

实验步骤：使用TSI 8130自动滤料测试仪发生油性气溶胶(发生液采用石蜡油)、通过改变发生压力改变气溶胶的中值粒径；而后使用45°加90°双向光度计测量系统对油性气溶胶进行测量得到一组测量数据，同时使用滤膜采集称重得到一组称量数据，并计算质量浓度误差。

实验数据：

实验结论：使用45°加90°双向光度计测量系统(光源采用650nm入射光)，在测量发生压力改变的气溶胶时(气溶胶中值粒径发生了变化)，不修改系统参数依然可以保证测试数据与滤膜称重数据误差保持在10%以内。

实验二

实验仪器：60°加120°双向光度计测量系统(光源采用650nm入射光)、TSI 8130自动滤料测试仪、十万分之一天平。

实验步骤：使用TSI 8130自动滤料测试仪发生盐性气溶胶(发生液采用2%NaCl溶液)、通过改变发生压力改变气溶胶的中值粒径；而后使用60度加120°双向光度计测量系统对盐性气溶胶进行测量得到一组测量数据，同时使用滤膜采集称重得到一组称量数据，并计算质量浓度误差。

实验数据：

实验结论：使用60°加120°双向光度计测量系统(光源采用650nm入射光)在测量发生压力改变的气溶胶时(气溶胶中值粒径发生了变化)，不修改系统参数依然可以保证测试数据与滤膜称重数据误差保持在10%以内。

经过上述实验验证本装置在测量气溶胶浓度时，与重量法测试所的浓度对比，误差小于10%。同时验证了，当气溶胶计数中位径发生改变时，仍然保证气溶胶质量浓度测量的准确性。

该系统还可以通过改变光源波长的方式来匹配具体的气溶胶粒径范围。

在上述实施方式的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种气溶胶浓度检测装置，其特征在于，包括：

检测室，气溶胶流经所述检测室；

光源室，用于向所述检测室照射入射光，所述光源室内设有光源光阑；

光陷阱室，其与所述光源室正对设置，入射光经所述检测室到达所述光陷阱室，所述光陷阱室内设有消光元件；

多个散射光接收室，所述多个散射光接收室设于所述光源室和所述光陷阱室之间，每个所述散射光接收室与所述光陷阱室之间的夹角不相同，每个所述散射光接收室内设有光电二极管，用于接收入射光在所述检测室内散射形成的散射光、并转换为电信号。

2.根据权利要求1所述的气溶胶浓度检测装置，其特征在于，

所述光源室内在入射光传播路径上设有柱面镜。

3.根据权利要求1所述的气溶胶浓度检测装置，其特征在于，

所述光陷阱室内还设有光陷阱光阑。

4.根据权利要求1所述的气溶胶浓度检测装置，其特征在于，

所述散射光接收室内沿散射光的传播路径上依次设有平行半球面镜和聚光半球面镜，散射光依次照经所述平行半球面镜和所述聚光半球面镜后汇聚成光斑、并被所述光电二极管接收；

所述散射光接收室的一端设有信号处理器，用于接收所述光电二极管所产生的所述电信号。

5.根据权利要求4所述的气溶胶浓度检测装置，其特征在于，

所述多个散射光接收室包括第一方向散射光接收室和第二方向散射光接收室。

6.根据权利要求5所述的气溶胶浓度检测装置，其特征在于，

所述第一方向散射光接收室内的散射光与入射光在所述检测室内径直传播方向之间的夹角为90°；

所述第二方向散射光接收室内的散射光与入射光在所述检测室内径直传播方向之间的夹角为45°。

7.根据权利要求5所述的气溶胶浓度检测装置，其特征在于，

所述第一方向散射光接收室内的散射光与入射光在所述检测室内径直传播方向之间的夹角为120°；

所述第二方向散射光接收室内的散射光与入射光在所述检测室内径直传播方向之间的夹角为60°。

8.一种气溶胶浓度检测系统，其特征在于，包括如权利要求1至7中任一项所述的气溶胶浓度检测装置，还包括：

鞘气支路，与所述检测室的进气口连通，用于产生鞘气流以对流入所述检测室的气溶胶形成包裹；

负反馈调节支路，与所述检测室的出气口连通。

9.根据权利要求8所述的气溶胶浓度检测系统，其特征在于，

气溶胶进入所述检测室的进气口后，一部分气溶胶进入所述鞘气支路，另一部分气溶胶进入所述检测室，所述鞘气支路上设有过滤器和流量计。

10.根据权利要求9所述的气溶胶浓度检测系统，其特征在于，

经过所述过滤器和所述流量计的洁净气体，一部分用于产生鞘气流以对流入所述检测室的气溶胶形成包裹，另一部分流入所述光源室、所述光陷阱室、所述散射光接收室内以对光学元件进行保护。

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