一種基于前向散射原理的大氣揚塵濃度測量裝置及方法
【專利摘要】本發明涉及一種基于前向散射原理的大氣揚塵濃度測量裝置及測量方法。測量裝置包括空氣源、氣泵、過濾干燥器、光學測量腔、樣氣源、采樣泵和切割器。光學測量腔包括光學腔、激光器、準直透鏡、采樣管、采用管固定座、圓環光闌、帶孔圓環、第一光闌、第一透鏡、第二透鏡、第二光闌和探測器。在第一透鏡與第二透鏡中間安裝有遮光套筒。光學腔上分別開設有潔凈空氣入口和氣體出口；采樣管固定座上開設有第一吹掃氣入口。帶孔圓環上開設有與第一吹掃氣入口相連通的第二吹掃氣入口。本發明能夠滿足環境惡劣的戶外工況下的大氣揚塵的在線監測需求，且無需定期校準和清洗，可實現長期連續的實時監測。
【專利說明】一種基于前向散射原理的大氣揚塵濃度測量裝置及方法
[0001]
技術領域
[0002]本發明涉及大氣溶膠監測技術領域，具體涉及一種基于前向散射原理的大氣揚塵濃度測量裝置及方法。
[0003]
【背景技術】
[0004]揚塵是當前大氣污染的主要因素之一，揚塵主要分為道路揚塵、施工揚塵、堆場揚塵等。揚塵屬于無組織污染源，對于城市PM2.5的貢獻率有時甚至高達30%，但揚塵的防治難度很大，缺乏精細化監控和管理。現階段我國揚塵測定的標準方法為濾膜采樣稱重法，但該方法采樣時間長，不適合在建筑工地等工程施工現場進行監測使用。專利ZL200410018167.7提出了一種激光塵埃粒子計數器的微型光學傳感器，其采用的方法是通過接收側向散射光的信號來反演粒子的濃度，但由于缺乏自清潔系統和自動校零系統，長時間的采樣會對污染微型光學傳感器中的球面反射鏡，影響散射信號的收集，從而給測量結果帶來誤差。為了克服上述缺點，因此，急需設計一種大氣揚塵濃度測量裝置和測量方法，以滿足在惡劣的戶外工況下長期大氣揚塵的在線監測需求。
[0005]
【發明內容】
[0006]本發明的目的在于提供一種基于前向散射原理的大氣揚塵濃度測量裝置及方法，該測量裝置及方法能夠解決現有技術中存在的不足，滿足環境惡劣的戶外工況下的大氣揚塵的在線監測需求，且無需定期校準和清洗，可實現長期連續的實時監測。
[0007]為實現上述目的，本發明采用了以下技術方案:
一種基于前向散射原理的大氣揚塵濃度測量裝置，包括空氣源、氣栗、過濾干燥器、光學測量腔、樣氣源、米樣栗和切割器。
[0008]所述光學測量腔包括兩端開口的光學腔、由外向內依次設置在光學腔一端開口處的激光器與準直透鏡、通過采樣管固定座設置在光學腔中段且與光學腔內部相連通的采樣管、由內向外依次設置在光學腔另一端開口處的圓環光闌、帶孔圓環、第一光闌、第一透鏡、第二透鏡、第二光闌和探測器;所述第一透鏡與第二透鏡對稱設置，且在第一透鏡與第二透鏡中間貫穿安裝有遮光套筒;所述光學腔上分別開設有潔凈空氣入口、氣體出口和第一吹掃氣入口 ；所述帶孔圓環上開設有與第一吹掃氣入口相連通的第二吹掃氣入口。
[0009]所述空氣源的出氣口經氣栗、過濾干燥器后分別與潔凈空氣入口和第一吹掃氣入口相連;所述樣氣源的出氣口經采樣栗、切割器后與采樣管的進氣口相連。
[0010]進一步的，所述激光器和準直透鏡通過激光器固定座安裝在光學腔的一端開口處;所述激光器固定座外側設有激光器固定壓蓋;所述激光器固定座與光學腔之間設有密封圈。
[0011]進一步的，所述采樣管的中下端嵌入安裝在采樣管固定座中，且采樣管與采樣管固定座之間設有密封圈。
[0012]進一步的，所述探測器通過探測器固定座安裝在光學腔的另一端開口處;所述探測器固定座與第二光闌之間設有橡膠墊;探測器固定座的一端伸入至光學腔內，且探測器固定座該端部的外壁與光學腔內壁之間設有密封圈。
[0013]進一步的，所述潔凈空氣入口位于準直透鏡與采樣管之間的光學腔上。
[0014]進一步的，所述過濾干燥器的出口分別通過第一流量計、第二流量計與第一吹掃氣入口、潔凈空氣入口相連。
[0015]進一步的，所述切割器的出口通過第三流量計與采樣管的進氣口相連。
[0016]進一步的，所述激光器連接有激光器驅動電路。
[0017]進一步的，所述第一光闌和第二光闌包括圓環狀的光闌主體和對稱開設在光闌主體上的兩個圓弧狀的光槽。
[0018]本發明還涉及一種上述大氣揚塵濃度測量裝置的測量方法，該方法包括以下步驟:
(I)空氣源中的空氣經氣栗和過濾干燥器后得到潔凈的空氣。
[0019](2)潔凈的空氣分成兩路進入到光學測量腔，一路經過第一流量計從光學測量腔的第一吹掃氣入口進入到帶孔圓環，并通過帶孔圓環上的第二吹掃氣入口進入到光學腔中；另一路經過第二流量計從光學測量腔的潔凈空氣入口進入到光學腔中。
[0020](3)樣氣源中的樣氣先由采樣栗抽取進入到切割器，切割器對樣氣中的顆粒物進行切割，再經第三流量計通過采樣管的進氣口進入到光學腔中。
[0021](4)激光器驅動電路點亮激光器，激光器發射出的激光經準直透鏡后得到平行光，當平行光遇到樣氣中的顆粒物后產生各個方向上的散射光，其中的前向散射光經圓環光闌進入第一光闌后，得到中間的光束和上下兩段弧形的光束，中間的光束進入到遮光套筒之后就停止傳播，上下兩段弧形的光束繼續向前經過第一透鏡和第二透鏡后，再經過第二光闌上的光槽匯聚到探測器的面元上。
[0022](5)根據匯聚到探測器的面元上的光信號，獲取樣氣中顆粒物的質量濃度。
[0023]由以上技術方案可知，本發明能夠解決現有技術中存在的不足，滿足環境惡劣的戶外工況下的大氣揚塵的在線監測需求，且無需定期校準和清洗，可實現長期連續的實時監測。
[0024]
【附圖說明】
[0025]圖1是大氣揚塵濃度測量裝置的原理框圖；
圖2是光學測量腔的結構示意圖；
圖3是光學測量腔的內部光路示意圖；
圖4是帶孔圓環的結構示意圖；
圖5是第一光闌和第二光闌的結構不意圖。
[0026]其中:
1、激光器固定壓蓋，2、激光器，3、激光器固定座，4、準直透鏡，5、光學腔，6、潔凈空氣入口，7、采樣管固定座，8、采樣管，9、第一吹掃氣入口，10、第一透鏡，11、遮光套筒，12、第二透鏡，13、探測器固定座，14、探測器，15、橡膠墊，16、第二光闌，17、第一光闌，18、帶孔圓環，
19、密封圈，20、圓環光闌，21、氣體出口，22、光闌主體，23、光槽，24、第二吹掃氣入口，31、空氣源，32、氣栗，33、過濾干燥器，34、第一流量計，35、第二流量計，36、光學測量腔，37、第三流量計，38、切割器，39、采樣栗，40、樣氣源，41、信號處理電路，42、電路控制系統，43、上位機，44、流量控制系統，45、激光器驅動電路。
[0027]
【具體實施方式】
[0028]下面結合附圖對本發明做進一步說明:
如圖1所示的一種基于前向散射原理的大氣揚塵濃度測量裝置，包括空氣源31、氣栗32、過濾干燥器33、光學測量腔36、樣氣源40、采樣栗39和切割器38。所述激光器2連接有激光器驅動電路45。所述激光器驅動電路45，用于點亮激光器2，使激光器2開始工作。所述光學測量腔36的輸出端連接有信號處理電路41，信號處理電路41用于對匯聚到探測器14面元上的光信號進行放大處理，并將處理后的光信號發送至上位機43，上位機43再根據光信號來獲取樣氣中的顆粒物濃度。所述電路控制系統42，用于對激光器驅動電路45、信號處理電路42進行控制，且電路控制系統42與上位機43交互式連接。
[0029]如圖2所示，所述光學測量腔36包括兩端開口的光學腔5、由外向內依次設置在光學腔5—端開口處的激光器2與準直透鏡4、通過采樣管固定座7設置在光學腔5中段且與光學腔5內部相連通的采樣管8、由內向外依次設置在光學腔5另一端開口處的圓環光闌20、帶孔圓環18、第一光闌17、第一透鏡10、第二透鏡12、第二光闌16和探測器14。所述第一透鏡10與第二透鏡12對稱設置，且在第一透鏡1與第二透鏡12中間貫穿安裝有遮光套筒11。所述光學腔5上分別開設有潔凈空氣入口 6、氣體出口 21和第一吹掃氣入口 9。所述采樣管固定座7上開設有與第一吹掃氣入口相連通的吹掃氣通道。
[0030]所述激光器2、準直透鏡4、圓環光闌20、第一光闌17、第一透鏡10、第二透鏡12、遮光套筒11、第二光闌16和探測器14均為同軸安裝，以保證光路的中心線在同一個軸線上，不會因為安裝的誤差對測量結果產生影響。
[0031]所述激光器固定壓蓋1、激光器固定座3、光學腔5、采樣管固定座7、帶孔圓環18、遮光套筒11、探測器固定座13、第一光闌17、第二光闌16和圓環光闌20均采用鋁材質，并進行氧化發黑處理，以避免產生雜散光，對測量結果產生影響。
[0032]所述第一透鏡10和第二透鏡12為尺寸相同的球面凸透鏡，在第一透鏡10和第二透鏡12的中間開設有直徑為8_的通孔，第一透鏡10和第二透鏡12的凸面對稱安裝，遮光套筒11的兩端分別安裝在第一透鏡10和第二透鏡12的通孔中。
[0033]進一步的，所述激光器2和準直透鏡4通過激光器固定座3安裝在光學腔5的一端開口處。所述激光器固定座3外側設有激光器固定壓蓋I。所述激光器固定座3與光學腔5之間設有密封圈。所述激光器2采用波長為670nm，功率為50mW，發散角為28°的激光二極管。所述激光器固定壓蓋I，用于激光器的線束穿過，并保證激光器與激光器固定座連接的穩固性。
[0034]進一步的，所述采樣管8的中下端嵌入安裝在采樣管固定座7中，且采樣管8與采樣管固定座7之間設有密封圈19。所述探測器14通過探測器固定座13安裝在光學腔5的另一端開口處;所述探測器固定座13與第二光闌16之間設有橡膠墊15;探測器固定座13的一端伸入至光學腔5內，且探測器固定座13該端部的外壁與光學腔5內壁之間設有密封圈19。所述密封圈19和橡膠墊15均用于保證光學腔的密封性，防止光信號從光學腔中泄漏，保證測量結果的準確性。
[0035]進一步的，所述潔凈空氣入口6位于準直透鏡4與采樣管8之間的光學腔5上。
[0036]進一步的，所述過濾干燥器33的出口分別通過第一流量計34、第二流量計35與第一吹掃氣入口 9、潔凈空氣入口 6相連。所述切割器38的出口通過第三流量計37與采樣管7的進氣口相連。所述切割器38，用于對樣氣中的顆粒物進行切割。流量控制系統44，用于控制第一流量計34、第二流量計35和第三流量計37的流量。當第一流量計的流量為O，第一流量計和第二流量計有數值時，說明沒有樣氣通入到光學腔中，此時通過第一流量計和第二流量計通入到光學腔中的潔凈的空氣，起到測量裝置校零和清潔光學腔的作用；當第三流量計的流量不為O時，通過流量控制系統控制第一流量計和第二流量計的流量，能夠調節通入到光學腔中的樣氣的濃度，對樣氣進行稀釋。本發明所述的大氣揚塵測量裝置無需定期進行零校準，能夠實現自動校零，測量結果可靠性高;且無需定期清洗，可以實現自動清潔，保證裝置內部光學器件的清潔，減少了維護成本，適于惡劣環境下的連續監測。
[0037]進一步的，所述空氣源31的出氣口經氣栗32、過濾干燥器33后分別與潔凈空氣入口 6和第一吹掃氣入口 9相連。所述樣氣源40的出氣口經采樣栗39、切割器38后與采樣管8的進氣口相連。如圖2所示，所述潔凈空氣入口 6為開設在光學腔5左側頂部的直徑為6mm的通孔，用于將潔凈的空氣通入到光學腔中；當沒有樣氣進入到光學腔中時，通過潔凈空氣入口進入到光學腔中的潔凈的空氣，起到測量裝置校零的作用；當有樣氣進入到光學腔中時，通過潔凈空氣入口進入到光學腔中的潔凈的空氣，起到稀釋樣氣濃度的作用。在光學腔右側的采樣管固定座及光學腔的頂部開設有兩個相連通的直徑為6mm的通孔，分別為吹掃氣通道和第一吹掃氣入口，二者用于向光學腔內通入吹掃氣，可以避免樣氣對鏡片的污染，保護透鏡組。
[0038]如圖4所示，所述帶孔圓環18上開設有與第一吹掃氣入口相連通的第二吹掃氣入口 24。所述帶孔圓環18的中間腔體與光學腔5相連通。帶孔圓環18上開設有8個均勻分布的直徑小于0.8mm的通孔(即第二吹掃氣入口24)，以確保獲得較為均勻穩定的吹掃氣氣流。具體地說，先在帶孔圓環的外周開設有一個與第一吹掃氣入口相連通的通氣槽，再在通氣槽內側的帶孔圓環上開設有若干個與通氣槽相連通的第二吹掃氣入口。
[0039]如圖5所不，所述第一光闌17和第二光闌16包括圓環狀的光闌主體和對稱開設在光闌主體上的兩個圓弧狀的光槽。所述光闌主體采用厚度Imm的圓環片，其外徑為19mm，其內徑為6_。圓弧狀的光槽對應的圓心角為110度。通過在光闌主體上設置兩個對稱的光槽，并對圓弧狀的光槽所對應的圓心角進行設計，使第一光闌和第二光闌只接收一定角度的散射光，以減少雜散光的影響，提高本發明所述測量裝置的信噪比。
[0040]本發明還涉及一種上述大氣揚塵濃度測量裝置的測量方法，該方法包括以下步驟:
(I)空氣源中的空氣經氣栗和過濾干燥器后得到潔凈的空氣。
[0041](2)潔凈的空氣分成兩路進入到光學測量腔，一路經過第一流量計從光學測量腔的第一吹掃氣入口進入到帶孔圓環，并通過帶孔圓環上的第二吹掃氣入口進入到光學腔中；另一路經過第二流量計從光學測量腔的潔凈空氣入口進入到光學腔中。
[0042](3)樣氣源中的樣氣先由采樣栗抽取進入到切割器，切割器對樣氣中的顆粒物進行切割，再經第三流量計通過采樣管的進氣口進入到光學腔中。
[0043](4)激光器驅動電路點亮激光器，激光器發射出的激光經準直透鏡后得到平行光，當平行光遇到樣氣中的顆粒物后產生各個方向上的散射光，其中的前向散射光經圓環光闌進入第一光闌后，得到中間的光束和上下兩段弧形的光束，中間的光束進入到遮光套筒之后就停止傳播，上下兩段弧形的光束繼續向前經過第一透鏡和第二透鏡后，再經過第二光闌上的光槽匯聚到探測器的面元上。
[0044](5)根據匯聚到探測器的面元上的光信號，獲取樣氣中顆粒物的質量濃度。
[0045]本發明的工作原理為:
光學測量腔要完成激光器發出光的準直，散射光的接收，且要避免雜散光的干擾。激光器發出的光，經過準直透鏡后得到平行光，當光遇到樣氣中的顆粒物時，會產生各個方向上的散射光。為了測定特定角度上散射光的強度，需要禁止其他方向上的光繼續傳播，通過設計圓環光闌只保留了一部分光可以繼續傳播。由于靠近光路軸線方向上的光大部分還是激光器發出的光，不是散射光，因此，設計了遮光套筒將靠近光路軸線方向上的光全部遮擋住，只保留了散射光。進一步的，通過設置第二光闌，只留下與軸線方向成24°?28°角度范圍內的光束繼續向前傳播，再經過第一透鏡準直后進入第二透鏡，最后通過第二透鏡匯聚后進入第一光闌最終到達探測器面元。探測器將接收的光信號轉換成電信號，經過放大和分析電路，可以計算出電信號脈沖的發生量，即可得到以每分鐘脈沖數表示的顆粒物的相對濃度。當顆粒物性質一定時，可以通過稱重法先求出每分鐘脈沖數與質量濃度的轉換系數K，根據K值將每分鐘脈沖數值直接轉換為顆粒物質量濃度。
[0046]以上所述的實施例僅僅是對本發明的優選實施方式進行描述，并非對本發明的范圍進行限定，在不脫離本發明設計精神的前提下，本領域普通技術人員對本發明的技術方案作出的各種變形和改進，均應落入本發明權利要求書確定的保護范圍內。
【主權項】
1.一種基于前向散射原理的大氣揚塵濃度測量裝置，其特征在于:包括空氣源、氣栗、過濾干燥器、光學測量腔、樣氣源、采樣栗和切割器； 所述光學測量腔包括兩端開口的光學腔、由外向內依次設置在光學腔一端開口處的激光器與準直透鏡、通過采樣管固定座設置在光學腔中段且與光學腔內部相連通的采樣管、由內向外依次設置在光學腔另一端開口處的圓環光闌、帶孔圓環、第一光闌、第一透鏡、第二透鏡、第二光闌和探測器;所述第一透鏡與第二透鏡對稱設置，且在第一透鏡與第二透鏡中間貫穿安裝有遮光套筒;所述光學腔上分別開設有潔凈空氣入口、氣體出口和第一吹掃氣入口 ；所述帶孔圓環上開設有與第一吹掃氣入口相連通的第二吹掃氣入口 ； 所述空氣源的出氣口經氣栗、過濾干燥器后分別與潔凈空氣入口和第一吹掃氣入口相連;所述樣氣源的出氣口經采樣栗、切割器后與采樣管的進氣口相連。2.根據權利要求1所述的一種基于前向散射原理的大氣揚塵濃度測量裝置，其特征在于:所述激光器和準直透鏡通過激光器固定座安裝在光學腔的一端開口處;所述激光器固定座外側設有激光器固定壓蓋;所述激光器固定座與光學腔之間設有密封圈。3.根據權利要求1所述的一種基于前向散射原理的大氣揚塵濃度測量裝置，其特征在于:所述采樣管的中下端嵌入安裝在采樣管固定座中，且采樣管與采樣管固定座之間設有密封圈。4.根據權利要求1所述的一種基于前向散射原理的大氣揚塵濃度測量裝置，其特征在于:所述探測器通過探測器固定座安裝在光學腔的另一端開口處;所述探測器固定座與第二光闌之間設有橡膠墊;探測器固定座的一端伸入至光學腔內，且探測器固定座該端部的外壁與光學腔內壁之間設有密封圈。5.根據權利要求1所述的一種基于前向散射原理的大氣揚塵濃度測量裝置，其特征在于:所述潔凈空氣入口位于準直透鏡與采樣管之間的光學腔上。6.根據權利要求1所述的一種基于前向散射原理的大氣揚塵濃度測量裝置，其特征在于:所述過濾干燥器的出口分別通過第一流量計、第二流量計與第一吹掃氣入口、潔凈空氣入口相連。7.根據權利要求1所述的一種基于前向散射原理的大氣揚塵濃度測量裝置，其特征在于:所述切割器的出口通過第三流量計與采樣管的進氣口相連。8.根據權利要求1所述的一種基于前向散射原理的大氣揚塵濃度測量裝置，其特征在于:所述激光器連接有激光器驅動電路。9.根據權利要求1所述的一種基于前向散射原理的大氣揚塵濃度測量裝置，其特征在于:所述第一光闌和第二光闌包括圓環狀的光闌主體和對稱開設在光闌主體上的兩個圓弧狀的光槽。10.根據權利要求1?9任意一項所述的大氣揚塵濃度測量裝置的測量方法，其特征在于:該方法包括以下步驟: (1)空氣源中的空氣經氣栗和過濾干燥器后得到潔凈的空氣； (2)潔凈的空氣分成兩路進入到光學測量腔，一路經過第一流量計從光學測量腔的第一吹掃氣入口進入到帶孔圓環，并通過帶孔圓環上的第二吹掃氣入口進入到光學腔中；另一路經過第二流量計從光學測量腔的潔凈空氣入口進入到光學腔中； (3)樣氣源中的樣氣先由采樣栗抽取進入到切割器，切割器對樣氣中的顆粒物進行切害J，再經第三流量計通過采樣管的進氣口進入到光學腔中； (4)激光器驅動電路點亮激光器，激光器發射出的激光經準直透鏡后得到平行光，當平行光遇到樣氣中的顆粒物后產生各個方向上的散射光，其中的前向散射光經圓環光闌進入第一光闌后，得到中間的光束和上下兩段弧形的光束，中間的光束進入到遮光套筒之后就停止傳播，上下兩段弧形的光束繼續向前經過第一透鏡和第二透鏡后，再經過第二光闌上的光槽匯聚到探測器的面元上； (5)根據匯聚到探測器的面元上的光信號，獲取樣氣中顆粒物的質量濃度。
【文檔編號】G01N15/06GK105865997SQ201610396054
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年6月7日
【發明人】劉建國, 余同柱, 楊義新, 桂華僑, 張礁石, 杜朋, 程寅, 陸亦懷, 王煥欽, 劉文清, 王杰
【申請人】中國科學院合肥物質科學研究院