一種分層式顆粒濃度測量裝置及方法
【專利摘要】本發明公開了一種分層式顆粒濃度測量裝置及方法，所述裝置包括進氣通道，以及與該進氣通道的下部出氣口連通的上出氣通道和下出氣通道，上出氣通道位于下出氣通道的上方；上出氣通道和下出氣通道的側部分別對應的設置有第一顆粒濃度測量裝置和第二顆粒濃度測量裝置，用于測量流經它們內部的空氣中的顆粒濃度；其中，在上出氣通道和/或下出氣通道內設有用于幫助進氣通道加速進氣的裝置。本發明實現了不同粒徑顆粒的分離，能有效獲取空氣中不同粒徑顆粒的濃度，并且響應速度快、成本低廉。
【專利說明】一種分層式顆粒濃度測量裝置及方法[【技術領域】]
[0001]本發明涉及測定空氣中顆粒濃度的方法，尤其涉及一種分層式顆粒濃度測量裝置及方法。
[【背景技術】]
[0002]粉塵是指懸浮于空氣中的微小固體顆粒，受到重力影響發生沉降，但在一段時間內能夠保持懸浮狀態。懸浮于空氣中的粉塵多種多樣，主要包括飄塵(粒徑小于IOum)、降塵(粒徑大于IOum)以及總懸浮微粒，其粒徑范圍一般在0.1~lOOum。PMlO是指粒徑小于IOum的懸浮顆粒物，屬于飄塵范疇，它能夠長期懸浮于空氣中，也是人體健康的主要威脅。大量研究資料表明，在顆粒物濃度(通常以環境中PM2.5和PMlO的質量濃度表征)過大環境下暴露的時間長短與多種健康指標密切相關。主要表現在:短時間接觸到濃度特別高的懸浮顆粒物，將會造成人體的急性中毒，甚至導致死亡；而長時間工作和生活在低濃度懸浮顆粒物的環境下，將大大提升患支氣通炎、支氣通哮喘、肺氣腫及肺癌等病癥的可能，同時也會對人體的心血通系統、生殖系統和神經系統造成影響。其次，濃度過高的懸浮顆粒物對光的散射和吸收作用明顯，因而懸浮顆粒物對大氣能見度影響較大；同時懸浮顆粒物通過散射和阻擋太陽光對地球的輻射，阻礙了部分太陽光能，從而使地表溫度降低；另外，粉塵微粒對降水的酸堿度以及植物的生長和光合作用皆有不同程度的影響。[0003]隨著LED、激光、光導纖維、電子和計算機的迅速發展，光散射測粒技術得到了極大的發展，為顆粒測量領域提供了行之有效的方案，但如何針對不同粒徑的顆粒實施分開測量濃度，以獲取不同粒徑的顆粒的分布數據，成為了大家關注的焦點，當然，傳統的測量裝置還具有響應速度慢、成本高等缺陷。
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【發明內容】
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[0004]本發明提供了一種分層式顆粒濃度測量裝置，以及與之對應的一種分層式顆粒濃度測量方法，其能針對不同粒徑的顆粒實施分開測量濃度，以獲取不同粒徑的顆粒的分布數據，并且響應速度快、成本低。
[0005]具體技術方案如下:
[0006]一種分層式顆粒濃度測量裝置，包括進氣通道，以及與該進氣通道的下部出氣口連通的上出氣通道和下出氣通道，所述上出氣通道位于所述下出氣通道的上方；所述上出氣通道和所述下出氣通道的側部分別對應的設置有第一顆粒濃度測量裝置和第二顆粒濃度測量裝置，用于測量流經它們內部的空氣中的顆粒濃度；其中，在所述上出氣通道和/或所述下出氣通道內設有用于幫助所述進氣通道加速進氣的裝置。
[0007]與上述裝置對應，本發明還提供了一種方法，具體如下:
[0008]一種分層式顆粒濃度測量方法，其步驟包括:
[0009]設置一進氣通道，以及與該進氣通道的下部出氣口連通的上出氣通道和下出氣通道，所述上出氣通道位于所述下出氣通道的上方；[0010]對所述下出氣通道和/或上出氣通道的內部進行減壓處理，使其產生吸力以幫助所述進氣通道加速吸入外部空氣；
[0011]根據重力沉降和慣性原理，對流經所述進氣通道中的空氣中夾雜的不同粒徑的顆粒實施分離，其中較大顆粒進入所述下出氣通道中，較小顆粒進入所述上出氣通道中；
[0012]分別對所述上出氣通道和下出氣通道中的空氣的顆粒濃度進行測量，得出不同粒徑顆粒的濃度。
[0013]本發明根據重力沉降和慣性原理，對不同粒徑的顆粒實施分離，以方便測量出不同粒徑的顆粒，其各自在空氣中的濃度；以裝置為例:1、其設計的進氣通道和兩高度不同的出氣通道，形成類似于倒“F”型的結構，空氣被吸入到進氣通道后，從兩出氣通道排出，由于空氣中夾雜的顆粒的粒徑大小不同，粒徑較大的顆粒易受自身重力影響，向下沉淀較快，從而易隨空氣進入到位于下方的下出氣通道中，而粒徑較小的顆粒受重力影響較小，向下沉淀較慢，易隨空氣進入到位于上方的上出氣通道中，以上結構設計，在一定程度上，對空氣中較大顆粒和較小顆粒實施分離；2、其還在其上/下出氣通道內設有用于幫助其進氣通道加速進氣的裝置，該設計不僅加速了空氣進入裝置的速度，提升了響應速度，還進一步推動了空氣中較大顆粒和較小顆粒的分離，其原因在于，空氣流通的加速，使得空氣中夾雜的較大顆粒的運動慣性明顯增大，從而更易因慣性進入到位于下方的下出氣通道中，而較小顆粒的運動慣性較小，更易隨空氣進入到位于上方的上出氣通道中。由以上闡述可知，本發明對不同粒徑的顆粒進行了有效的切割分層，有效的實現了獲取不同粒徑的顆粒的分布數據的目標。
[0014]另外，本發明與傳統激光散射法比較，省去了昂貴的激光發射器，高精度光學設備和大量的光電傳感器，使成本得到了大幅的降低。
[【專利附圖】
【附圖說明】]
[0015]圖1是裝置發明在一優選實施例中的結構示意圖；
[0016]圖2是方法發明在一優選實施例中的工作流程圖。
[【具體實施方式】]
[0017]為了使本發明的目的、技術方案和優點更加清晰，下面結合附圖和實施方式作進一步地詳細描述。
[0018]實施例1
[0019]如圖1，一種分層式顆粒濃度測量裝置，包括進氣通道10，以及與該進氣通道10的下部出氣口連通的上出氣通道20和下出氣通道30，進氣通道10處于豎直狀態或至少其下半段處于豎直狀態，上出氣通道20位于下出氣通道30的上方；上出氣通道20的側部對應的設置有第一顆粒濃度測量裝置40，下出氣通道30的側部對應的設置有第二顆粒濃度測量裝置50，它們用于測量各自對應的通道內的流經的空氣中的顆粒濃度；其中，本實施例優選在下出氣通道30內設有用于幫助所述進氣通道加速進氣的裝置60，當然，也可以設置上出氣通道20內或者同時設置。
[0020]本實施例設計的進氣通道10和兩高度不同的上出氣通道20、下出氣通道30，形成類似于倒“F”型的結構，空氣流入進氣通道10后，根據Stokes定律，沉降速度與顆粒直徑的平方成正比，其空氣中夾雜的較大粒徑的顆粒(在本發明中統稱為較大顆粒)由于重力較大，沉降速度快，易隨空氣進入位于下方的下出氣通道30中，而較小顆粒受自身重力影響小，易處于懸浮狀態，從而隨空氣進入位于上方的上出氣通道20中，從而在實現了不同粒徑顆粒的切割分層；
[0021]其中，為了減小較大顆粒隨空氣混入上出氣通道20中的概率，在此提供一優選設計，在上出氣通道20和進氣通道10的接壤處，即上出氣通道20的進氣口處可設置如圖1所示的一斜向上的倒角，當然圖1中所示的倒角僅是一代表例，還可以采用圓形倒角以及在此精神上設計的其他形狀的倒角，在此不一一贅述；
[0022]本實施例還在其下出氣通道30內設有用于幫助其進氣通道10加速進氣的裝置60，該裝置60優選采用加熱器并設置在下出氣通道的出口附近，也可以采用其他裝置如抽風裝置等，所優選使用的加熱器可采用陶瓷電阻或其他發熱器件，發熱器工作時，對下出氣通道30中的空氣進行加熱，由于下出氣通道30和進氣通道10連通，使得進氣通道10和下出氣通道30均產生了一定的負壓，其產生的負壓促使進氣通道10加速吸入外部空氣以及提升了空氣在通道中的流通速率，進而帶來了兩個好處，一是空氣在通道中的加速流通有效提高了顆粒濃度測量裝置(第一顆粒濃度測量裝置40、第二顆粒濃度測量裝置50)測量顆粒濃度的響應時間，提升了測量效率，二是空氣在通道中的加速流通帶動了顆粒的流通速度，由于較大顆粒運動慣性較大，較小顆粒運動慣性較小，較大顆粒會隨慣性繼續跌落并進入位于下方的下出氣通道30，較小顆粒運動慣性小，且上出氣通道的壓強和密度較小，因此更易進入位于上方的上出氣通道20中，從而進一步推動了空氣中較大顆粒和較小顆粒的分離；
[0023]以PMlO的顆粒和PM2.5的顆粒為例，PMlO的顆粒受重力沉降和運動慣性的影響，其會以遠大于PM2.5的顆粒16倍的速度進入位于下方的下出氣通道30中；可知，本實施例對不同粒徑的顆粒進行了有效的切割分層，有效的實現了獲取不同粒徑的顆粒的分布數據的目標。
[0024]顧名思義，顆粒濃度測量裝置(40，50)是用來測量空氣中顆粒濃度的，在本實施中，為了獲取不同粒徑的顆粒濃度，首先對較大顆粒和較小顆粒進行了分層切割處理，然后采用第一顆粒濃度測量裝置40測量上出氣通道20中的空氣的顆粒的濃度，以得出空氣中的較小顆粒的濃度，采用第二顆粒濃度測量裝置50測量下出氣通道30中的空氣的顆粒的濃度，以得出空氣中的較大顆粒的濃度；第一顆粒濃度測量裝置40和第二顆粒濃度測量裝置50的結構和工作原理均相同，以第一顆粒濃度測量裝置40為例:具體包括至少一個光源41和至少一個探測器42，所述光源41可以LED光源、激光光源或其他光源，所述光源41產生的光束穿過上出氣通道20的側壁上所開的孔并射入到所述通道的空氣中，最終與該空氣中的顆粒相遇，所述光束中的光子被流過的顆粒“撞擊”后產生散射光，即在顆粒上產生散射光，這些散射光作為光束的延續，部分為探測器42所接收，探測器42根據所接收的散射光測量出顆粒濃度，測量方法如下:
[0025]—束光強為I C1的平行光被一粒徑為D的球形顆粒散射,其散射光強的空間分布可由米(Mie)散射理論給出。根據米理論，散射光強的分布可用夫瑯荷費衍射理論來近似描述，故Θ方向上的散射光強可用下式表不:[0026]
【權利要求】
1.一種分層式顆粒濃度測量裝置，其特征在于，包括進氣通道，以及與該進氣通道的下部出氣口連通的上出氣通道和下出氣通道，所述上出氣通道位于所述下出氣通道的上方；所述上出氣通道和所述下出氣通道的側部分別對應的設置有第一顆粒濃度測量裝置和第二顆粒濃度測量裝置，用于測量流經它們內部的空氣中的顆粒濃度；其中，在所述上出氣通道和/或所述下出氣通道內設有用于幫助所述進氣通道加速進氣的裝置。
2.如權利要求1所述的分層式顆粒濃度測量裝置，其特征在于，所述第一顆粒濃度測量裝置和第二顆粒濃度測量裝置的結構相同，具體包括至少一個光源和至少一個探測器，所述光源產生的光束從所述上出氣通道或下出氣通道的通壁上所開的孔中射入，其遇顆粒后產生的散射光至少部分為所述探測器所接收，所述探測器根據所接收的散射光測量出顆粒濃度。
3.如權利要求2所述的分層式顆粒濃度測量裝置，其特征在于，所述光源的光路和所述孔的軸線之間形成的夾角與所述探測器到所述孔的直線和所述孔的軸線之間形成的夾角相等。
4.如權利要求2所述的分層式顆粒濃度測量裝置，其特征在于，在所述光源到所述孔之間，和/或，在所述孔到所述探測器之間，設置有光學聚焦鏡。
5.如權利要求2所述的分層式顆粒濃度測量裝置，其特征在于，所述探測器包括光電轉換器件，所述光電轉換器件具體為ro光電二級通、PIN光電二極通、APD光電雪崩二極通或PMT光電倍增通。
6.如權利要求1、2、3、4或5所述的分層式顆粒濃度測量裝置，其特征在于，所述光源為LED光源或激光光源。
7.如權利要求1、2、3、4或5所述的分層式顆粒濃度測量裝置，其特征在于，所述上出氣通道連接所述進氣通道的一端具有向上的倒角結構。
8.如權利要求1、2、3、4或5所述的分層式顆粒濃度測量方法，其特征在于，所述進氣通道的至少下半段基本豎直。
9.如權利要求2、3、4或5所述的分層式顆粒濃度測量裝置，其特征在于，所述用于幫助所述進氣通道加速進去的裝置為加熱器。
10.一種分層式顆粒濃度測量方法，其特征在于，其步驟包括: 設置一進氣通道，以及與該進氣通道的下部出氣口連通的上出氣通道和下出氣通道，所述上出氣通道位于所述下出氣通道的上方； 對所述下出氣通道和/或上出氣通道的內部進行減壓處理，使其產生吸力以幫助所述進氣通道加速吸入外部空氣； 根據重力沉降和慣性原理，對流經所述進氣通道的空氣中夾雜的不同粒徑的顆粒實施分離，其中較大顆粒進入所述下出氣通道中，較小顆粒進入所述上出氣通道中； 分別對所述上出氣通道和下出氣通道中的空氣的顆粒濃度進行測量，得出不同粒徑顆粒在空氣中的濃度。
【文檔編號】G01N15/06GK103852405SQ201410061881
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2014年2月24日 優先權日:2014年2月24日
【發明者】金爽, 鐘俊峰, 廖世遷 申請人:深圳市芯通信息科技有限公司