專利名稱：雙光路光電探測(cè)器及其檢測(cè)光衰減量的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于環(huán)境污染自動(dòng)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，具體是雙光路光電探測(cè)器檢測(cè)光衰減量的儀器。
背景技術(shù)：
碳黑氣溶膠對(duì)區(qū)域乃至全球氣候和環(huán)境變遷具有十分重要的影響，其粒徑一般小于2.5微米，對(duì)人體健康的危害更甚于PM10，因此逐漸成為各國氣象部門和環(huán)保組織的檢測(cè)對(duì)象。光學(xué)衰減法測(cè)量碳黑氣溶膠，該方法利用碳黑氣溶膠對(duì)可見到紅外波段范圍內(nèi)的強(qiáng)吸光特性，以恒定的流速把樣氣抽進(jìn)監(jiān)測(cè)室，附著在透光均勻的石英纖維濾紙上，再以固定波長的光源照射之，由雙光探測(cè)器檢測(cè)其衰減量。衰減量的差值與濾紙上吸附碳黑氣溶膠的質(zhì)量增量呈線性關(guān)系，通過計(jì)算可獲得該監(jiān)測(cè)時(shí)段大氣中碳黑氣溶膠的質(zhì)量濃度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種雙光路光電探測(cè)器檢測(cè)碳黑氣溶膠質(zhì)量濃度的儀器，提高大氣顆粒物濃度測(cè)量的實(shí)時(shí)性和自動(dòng)化。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下雙光路光電探測(cè)器，其特征在于氣體監(jiān)測(cè)室的外部聯(lián)接有定位電磁鐵，氣體監(jiān)測(cè)室的頂部安裝有作為檢測(cè)光源的多波長光源陣列，氣體監(jiān)測(cè)室聯(lián)通入氣口，氣體監(jiān)測(cè)室的底部為玻璃底板，置于基座上，玻璃底板上有透氣窗口；所述玻璃底板下方是安裝于基座上的玻璃隔板，玻璃隔板下方安裝有參考光電探測(cè)器，透氣窗口和基座上的出氣室的進(jìn)氣口吻合，出氣室側(cè)面有氣體出口，出氣室底部為玻璃，其下方安裝有測(cè)量光電探測(cè)器；氣體監(jiān)測(cè)室和基座之間壓有能蓋住透氣窗口的石英濾紙帶；所述的氣體出口經(jīng)過質(zhì)量流量控制器、三通電磁閥和氣泵聯(lián)通，三通電磁閥另一個(gè)接口通過過濾器和大氣聯(lián)通。
所述的雙光路光電探測(cè)器檢測(cè)光衰減量的方法，其特征在于包括以下步驟設(shè)置氣體監(jiān)測(cè)室，氣體的頂部安裝有LED光源陣列，氣體監(jiān)測(cè)室聯(lián)通有氣體入口，氣體監(jiān)測(cè)室的底部為玻璃底板，玻璃底板上有透氣窗口；氣體監(jiān)測(cè)室的底部有石英過濾紙帶；透氣窗口和其下方的出氣室上的進(jìn)氣口吻合，并將石英濾紙壓在中間；通過氣泵抽氣，并同時(shí)測(cè)量大氣流量，使待測(cè)大氣從氣體監(jiān)測(cè)室的氣體入口進(jìn)入，從出氣室的出氣口抽出，大氣經(jīng)過石英過濾紙過濾作用，會(huì)在石英過濾紙上沉積大氣顆粒物；利用參考光電探測(cè)器透過玻璃底板與石英濾紙的光信號(hào)，利用測(cè)量光電探測(cè)器接收透過透氣窗口下方石英濾紙的光信號(hào)。
發(fā)明原理光源對(duì)石英濾紙上的待測(cè)樣品進(jìn)行照射時(shí)，由于各種因素(如環(huán)境溫度，電源波動(dòng)，光源發(fā)射角，電路噪聲等)的影響，檢測(cè)值存在較多誤差。本發(fā)明利用多點(diǎn)光源和兩個(gè)硅光電探測(cè)器構(gòu)成了雙光路光電探測(cè)器，通過檢測(cè)兩路光信號(hào)來確定待測(cè)物的光衰減量。為提高準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)了參考光束的測(cè)量和零點(diǎn)檢測(cè)。當(dāng)光源的光強(qiáng)輸出有微小變化時(shí)，參考光探測(cè)器的讀數(shù)就可以用來修正光源的變化。零點(diǎn)檢測(cè)則是指在每個(gè)測(cè)量周期開始的時(shí)候，先關(guān)閉光源，在無光條件下先讀取一組光探測(cè)器的輸出，確定了兩探測(cè)器的零漂移量。
定義某一測(cè)量周期中，SB、SZ分別為檢測(cè)光探測(cè)器在光源開啟和關(guān)閉時(shí)的輸出；RB、RZ分別為參考光束探測(cè)器在光源開啟和關(guān)閉時(shí)的輸出，則該測(cè)量周期的光衰減量ATN為ATN(t)=-lnSB-SZRB-RZ---(1)]]>同樣，下一周期的光衰減值為ATN(t+Δt)，通過計(jì)算可得到光衰減值增量ΔATNΔATN＝ATN(t+Δt)-ATN(t)＝σ*Δm (2)Δm值為吸附在濾紙上待測(cè)物的質(zhì)量增量，σ則是待測(cè)物的光學(xué)質(zhì)量吸收截面。
使用透光均勻的石英濾紙采集碳黑氣溶膠樣品，再測(cè)量光線透過濾紙時(shí)所產(chǎn)生的衰減量(ATN)。隨著碳黑量的增加，被光電探測(cè)器檢測(cè)到的光強(qiáng)度也將減小，其對(duì)應(yīng)的光衰減量則增大。在有效范圍內(nèi)，光衰減量ATN與單位面積石英濾紙上沉積的碳黑總質(zhì)量mBC有著線性關(guān)系A(chǔ)TN＝ln(I0/I)＝σ(1/λ)*mBC(3)式(3)中，I0為通過原始濾紙即空白濾紙部分的光強(qiáng)；I為通過樣品濾紙的光強(qiáng)；mBC為單位面積石英濾紙上沉積的碳黑總質(zhì)量，單位為g·m-2；σ(1/λ)則是碳黑氣溶膠的質(zhì)量吸收截面，是BC濃度測(cè)量中最關(guān)鍵的參數(shù)，在實(shí)際應(yīng)用中它與檢測(cè)光波長λ成反比，單位為m2·g-1。
mBC的增量ΔmBC與碳黑氣溶膠質(zhì)量濃度ρBC有著線性關(guān)系ΔmBC=ρBC*F*ΔtS---(4)]]>式(4)中，F(xiàn)為采樣流量，Δt為采樣時(shí)間間隔，S為氣溶膠沉積在石英濾紙上的面積。將(3)式帶入(4)式即可得到該采樣時(shí)段中碳黑氣溶膠的質(zhì)量濃度ρBCρBC=ATN·SΔ·F·Δt---(5)]]>多波長光源陣列所述的LED光源陣列中有七種光源，在測(cè)量時(shí)，可打開其中一個(gè)光源進(jìn)行測(cè)量；或者依次打開各種光源，進(jìn)行測(cè)量，并將在各種不同光源照射下測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。
所述的LED光源陣列中有七種光源，紫光-350nm，藍(lán)光-450nm，綠光-571nm，黃光-590nm，紅光-660nm，紅外1-880nm，紅外2-950nm，每種光源采用一對(duì)串聯(lián)的發(fā)光二極管。
為了對(duì)碳黑氣溶膠的來源分布和理化特性作出更進(jìn)一步的分析，設(shè)計(jì)了多波長光源陣列，使得在用880nm標(biāo)準(zhǔn)通道檢測(cè)碳黑氣溶膠的同時(shí)，其它波段通道也可實(shí)時(shí)地檢測(cè)碳黑氣溶膠中吸附的另類物質(zhì)。該陣列光源的選型、定位和多波長光源的分時(shí)通斷以及透射鏡片和光電探測(cè)器的選擇共同組成了多波長光源陣列技術(shù)。
發(fā)明效果采用光學(xué)衰減法，實(shí)時(shí)性好，精度高，成本低，提高了自動(dòng)化程度，省時(shí)省力，可全天候自動(dòng)連續(xù)工作，確保大氣顆粒物碳黑氣溶膠的連續(xù)、實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。


圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明工作原理框圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明大氣顆粒物——碳黑氣溶膠質(zhì)量濃度，主要由多波長光源陣列11、氣體監(jiān)測(cè)室4、參考光電探測(cè)器13、測(cè)量光電探測(cè)器14、走紙傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、三通電磁閥8，質(zhì)量流量控制器7、氣泵1、氣體過濾器6組成；上述的氣體監(jiān)測(cè)室4內(nèi)，頂部是LED光源陣列11，氣體監(jiān)測(cè)室4底部是密封的透明的玻璃隔板12，LED陣列11的光透過玻璃隔板12后，能量分布均勻；玻璃隔板12上只有一個(gè)透氣窗口；氣體監(jiān)測(cè)室的底部，壓在透光均勻的石英濾紙帶上，紙帶的下面是安裝在基座上的光學(xué)玻璃隔板，隔板下是參考光電探測(cè)器13；在透氣窗口下方的透光石英濾紙帶10上表面，有氣體中的碳黑氣溶膠顆粒的沉積，紙帶下方是出氣室2的進(jìn)氣口，出氣室2底部是光學(xué)玻璃隔板，光學(xué)玻璃隔板下是測(cè)量光電探測(cè)器14，將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；整個(gè)氣體監(jiān)測(cè)室4側(cè)面有一個(gè)出氣口外，其他部分密封。
所述的氣體監(jiān)測(cè)室4上有進(jìn)氣口，抽氣時(shí)大氣由此進(jìn)入，出氣室通過硅膠管連接到質(zhì)量流量控制器7，再經(jīng)三通電磁閥8主路氣路到氣泵1；氣體過濾器6外接大氣，通過硅膠管，經(jīng)三通電磁閥8旁路氣路到氣泵1。
用于石英濾紙走紙的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，是由紙帶供應(yīng)盤3，進(jìn)紙電機(jī)5，轉(zhuǎn)紙電機(jī)9，轉(zhuǎn)紙盤10和行程開關(guān)組成。
氣體監(jiān)測(cè)室4上端連接有懸掛的電磁鐵15，當(dāng)電磁鐵15吸合向上移動(dòng)時(shí)，氣體監(jiān)測(cè)室4也一并向上移動(dòng)；反之，當(dāng)電磁鐵15處于正常狀態(tài)時(shí)，壓在氣體監(jiān)測(cè)室4上方，使得石英濾紙貼緊氣體監(jiān)測(cè)室4底部。
待測(cè)氣體在采樣時(shí)段和檢測(cè)時(shí)段所經(jīng)過的氣路是不同的采樣時(shí)，主路氣路開通，旁路氣路關(guān)閉；檢測(cè)時(shí)，主路氣路關(guān)閉，旁路氣路開通；此氣路設(shè)計(jì)保證了流量的穩(wěn)定性，避免了氣泵1開關(guān)時(shí)造成的不良影響。
多波長光源陣列11的排布較為集中，各個(gè)獨(dú)立光斑盡可能均勻地覆蓋雙光電探測(cè)器的檢測(cè)區(qū)域，光路中光透射波長范圍要含括可見光至近紅外的寬域，且保證光源光強(qiáng)在后級(jí)模數(shù)轉(zhuǎn)化電路的有效檢測(cè)范圍內(nèi)，以便輸出多波長光源的有效衰減信號(hào)。當(dāng)吸附在石英濾紙上的待測(cè)物超過檢測(cè)范圍時(shí)，電磁鐵上移，濾紙更新后再次測(cè)定本底。
權(quán)利要求
1.雙光路光電探測(cè)器，其特征在于氣體監(jiān)測(cè)室的外部聯(lián)接有定位電磁鐵，氣體監(jiān)測(cè)室的頂部安裝有作為檢測(cè)光源的多波長光源陣列，氣體監(jiān)測(cè)室聯(lián)通入氣口，氣體監(jiān)測(cè)室的底部為玻璃底板，置于基座上，玻璃底板上有透氣窗口；所述玻璃底板下方是安裝于基座上的玻璃隔板，玻璃隔板下方安裝有參考光電探測(cè)器，透氣窗口和基座上的出氣室的進(jìn)氣口吻合，出氣室側(cè)面有氣體出口，出氣室底部為玻璃，其下方安裝有測(cè)量光電探測(cè)器；氣體監(jiān)測(cè)室和基座之間壓有能蓋住透氣窗口的石英濾紙帶；所述的氣體出口經(jīng)過質(zhì)量流量控制器、三通電磁閥和氣泵聯(lián)通，三通電磁閥另一個(gè)接口通過過濾器和大氣聯(lián)通。
2.利用權(quán)利要求1所述的雙光路光電探測(cè)器檢測(cè)光衰減量的方法，其特征在于包括以下步驟設(shè)置氣體監(jiān)測(cè)室，氣體的頂部安裝有LED光源陣列，氣體監(jiān)測(cè)室聯(lián)通有氣體入口，氣體監(jiān)測(cè)室的底部為玻璃底板，玻璃底板上有透氣窗口；氣體監(jiān)測(cè)室的底部有石英過濾紙帶；透氣窗口和其下方的出氣室上的進(jìn)氣口吻合，并將石英濾紙壓在中間；通過氣泵抽氣，并同時(shí)測(cè)量大氣流量，使待測(cè)大氣從氣體監(jiān)測(cè)室的氣體入口進(jìn)入，從出氣室的出氣口抽出，大氣經(jīng)過石英過濾紙過濾作用，會(huì)在石英過濾紙上沉積大氣顆粒物；利用參考光電探測(cè)器透過玻璃底板與石英濾紙的光信號(hào)，利用測(cè)量光電探測(cè)器接收透過透氣窗口下方石英濾紙的光信號(hào)。
全文摘要
本發(fā)明公開了雙光路光電探測(cè)器及其檢測(cè)光衰減量的方法，氣體監(jiān)測(cè)室的外部聯(lián)接有定位電磁鐵，氣體監(jiān)測(cè)室的頂部安裝有作為檢測(cè)光源的多波長光源陣列，氣體監(jiān)測(cè)室聯(lián)通有入氣口，氣體監(jiān)測(cè)室的底部為玻璃底板，玻璃底板上有透氣窗口；氣體監(jiān)測(cè)室下方有石英濾紙帶；石英濾紙帶下方安裝參考與測(cè)量二個(gè)光電探測(cè)器，一路作為參考用，另一路作為檢測(cè)用。采用光學(xué)衰減法，實(shí)時(shí)性好，精度高，成本低，提高了自動(dòng)化程度，省時(shí)省力，可全天候自動(dòng)連續(xù)工作，確保大氣顆粒物碳黑氣溶膠的連續(xù)、實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。
文檔編號(hào)G01N21/47GK101067598SQ20071002275
公開日2007年11月7日 申請(qǐng)日期2007年5月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月29日
發(fā)明者伍德俠, 魏慶農(nóng), 劉世勝, 方武 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所