CN102183492B - 三波段积分式大气气溶胶粒子散射系数测量仪及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明三波段积分式大气气溶胶粒子散射系数测量仪及测量方法，包括光学测量腔室，腔室顶端安装有基于LED的积分球光源(7)，腔室内还安装有数个光阑(19、20、21、22、23、24)及非探测端安装反射镜(9)，以阻止多次散射光进入到探测器(11)；腔室中部有样气进气端口(17)和出气端口(18)，通过采样泵(13)抽气，样气从进气端口进入散射腔(8)。当积分球光源(7)被点亮时，从光源出射的光照射在样气上，实际测量散射光强是通过单光子探测器(11)接收并转换为测量光子数；利用性能稳定的毛玻璃(28)产生散射光，以消除由光源光强波动和光电倍增管倍率漂移引起的误差；通过标准气体和零气对测量的散射系数进行校准和空气瑞利散射背景扣除；单光子探测器将接收到的散射光信号转换为电信号后由微处理控制电路处理与控制，实时测量散射系数，并将数据输送至触摸屏(16)显示。本发明具有实时性好、测量精度高、***稳定且易于维护。

Description

三波段积分式大气气溶胶粒子散射系数测量仪及测量方法

技术领域

本发明涉及一种环保、气象监测领域，具体地说是一种实时在线监测大气气溶胶粒子散射系数的仪器与方法。 

背景技术

大气气溶胶是由直径为0.1～10μm的液态、固态颗粒物与气体组成的多相体系，具有很大的时间和空间变化。在自然干洁大气中，大气气溶胶的质量浓度在1μg·m^-3以下，在城市污染大气中，气溶胶质量浓度可达到每立方米几毫克。近年来，大气气溶胶作为全球气候变化的重要驱动因子之一，已经成为当前全球变化研究的热点问题之一。国内外已先后开展了一系列研究工作来认识大气气溶胶的光学性质和辐射特性。 

在可见光波长范围内，对大气消光影响最大的是直径处于0.6～1.5μm范围内的气溶胶粒子。在一般情况下，如在不是由碳形成较厚的烟雾层的地区，可以认为气溶胶粒子的散射作用远大于吸收。由此可见，气溶胶的散射作用是很大的。关于气溶胶散射性质的测量，主要是通过两种方式，一种是直接测量气溶胶的散射系数，而另一种是根据粒子谱分布等参数通过Mie理论反演计算粒子散射系数。利用Mie理论进行计算需要假设折射指数，Mie计算过程很复杂且存在较大的误差。因此，迫切需要开发一种直接测量大气气溶胶粒子散射系数测量仪。国内迄今为止还未见关于直接测量大气气溶胶粒子散射系数的仪器。 

三波段积分式大气气溶胶散射系数测量仪可以对任意状态下的大气气溶胶的散射特性进行连续自动观测，而且其无接触性测量不会改变气溶胶粒子的性质。它还可以通过与其它仪器配合使用，进一步分析气溶胶的组成成分，为研究大气气溶胶提供了新的手段。 

发明内容

本发明提出了一种三波段积分式大气气溶胶粒子散射系数测量仪及测量方法。 

本发明采用的技术方案： 

测量原理 

单光子光电探测器接收到的单位立体角中的光亮度为 

$L=\frac{1}{\mathrm{\Ω}}{\∫}_{{\mathrm{\θ}}_1}^{{\mathrm{\θ}}_2}\mathrm{dL}=\left(\frac{I_0}{y}\right){\∫}_{{\mathrm{\θ}}_1}^{{\mathrm{\θ}}_2}\mathrm{\β}\left(\mathrm{\θ}\right)\sin \mathrm{\θd\θ}$

其中，积分限θ₁，θ₂取决于仪器结构，原则上积分限可以包括0～π，则由积分散射度计的输出L可以直接得到散射系数σ_scar，即 

$L=\frac{I_0}{y}{\∫}_0^{\mathrm{\π}}\mathrm{\β}\left(\mathrm{\θ}\right)\sin \mathrm{\θd\θ}=\frac{I_0}{2\mathrm{\πy}}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{scat}}$

但实际仪器未能满足这个要求，这给σ_scat的测量带来角度截断误差，但是该误差很小，理论分析表明，对一般大气气溶胶，测量的σ_scat不大于±10％。 

采用积分浊度法，依据几何学和照明学的知识对散射光进行严格的角度加权积分，基本上解决了复杂的散射问题；测量了三波段对应的散射系数，拓宽了测量范围并可据此推断被测粒子组成的差异。本发明采用基于积分球式的漫射光源同时选取大功率LED光源，并在电路上加入恒流驱动器，解决了需通过精确调节每个LED的电流方可得到漫射余光源的余弦特性的困难。 

利用一束光从侧向照射散射腔，腔内的空气和气溶胶颗粒对入射光产生散射，在光源和单光子光电探测器之间用光阑阻隔直射光线，这样，只有腔内的空气和气溶胶颗粒产生的散射光可以到达单光子光电探测器。通过测量光散射系数σ_scat。然后从σ_scat中减去空气的瑞利散射项得出气溶胶颗粒物的散射系数θ_sp。 

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在： 

(1)利用积分浊度法测量散射系数，避免了复杂的散射计算问题； 

(2)基于LED的积分球辐射光源，提高光源使用寿命并增加散射系数测量的精度和可靠性，而且三波段光源结构紧凑，无需复杂的光学***及多个单光子光电探测器； 

(3)测量三波段对应的散射系数，可以校正角度截断误差，而且具有测量范围广泛，可应用于能见度、雾、烟气、机动汽车尾气等监控。 

附图说明

下面结合附图对本发明的优选方式作进一步详细的说明。 

图1是所述气溶胶散射系数测量仪***结构框图。 

图2是图1中的光学腔室结构示意图。 

图3是图2中的光学腔室中的基于积分球的三波段辐射光源结构示意图。 

图4是图3光源的出光口散射角示意图。 

图5是微处理器计数控制处理示意图。 

具体实施方式

参见图1、图2和图3，三波段积分式大气气溶胶散射系数测量仪，包括光学测量腔室及其上配置的部件、校准气路(标准气体气路、零气进气气路)及其上配置的部件、测量气路(样气进气气路、样气出气气路)及其上的配件和信号处理控制与显示电路；该信号处理控制与显示电路分别与光学测量腔室上配置的部件、校准气路及其上配置的部件和测量气路及其上的配件电连接。 

其中光学测量腔室及其上配置的部件为： 

包括光学测量腔室，光学测量腔室内壁涂以无光黑漆；光学测量腔室的中间为散射腔8，散射腔8顶端安装有基于LED的三波段余弦辐射积分球光源7；散射腔8左、右侧壁分别开有锥形透光孔，散射腔8左、右两侧的光学测量腔室内分别安装有光阑19、20、21、22、23、24，光学测量腔室的左端安装有光阱9，右端通过密封圈25与单光子光电探测器11光连接；散射腔8右侧光路的光阑21外安装有可打开与闭合的散射快门，散射快门由旋转电磁铁10、前端有圆孔的转臂30、毛玻璃28及衰减片29组成，光学测量腔室两端端面上开有标准气体和零气进气接口26和27，光学测量腔室中部有样气进气端口17和出气端口18，通过采样泵13从腔室出气端口18抽气，样气从进气端口17进入光学测量腔室；标准气体气路中安装有标气电磁阀5；零气进气气路中依次安装有粗过滤器3、零气泵(隔膜泵)4，标准气体气路、零气进气气路汇入精细过滤器6后接入到所述的标准气体和零气进气接口26和27；积分球光源7发出的光照射到散射腔8内的样气中大气溶胶颗粒上产生的散射光一部分经过散射腔左侧的锥形透光孔光阑20、19、到达光阱19使得散射光偏离单光子光电探测器11，散射光另一部分经过散射腔右侧的锥形透光孔光阑21、22、23、24到达单光子光电探测器11，单光子光电探测器11将接收到的信号转换为电信号后送至微处理器15进行计数、处理并控制。 

三波段积分球式余弦辐射光源7主要由红、绿、蓝三色LED光源32、35、34，积分球36和用于固定LED用的侧面堵盖37和侧面内衬塑料盖38组成。积分球7内部有三个挡板D1、D2、D3，底部安装有白玻光学窗口33。LED三色光源的波长选为630nm的红光、520nm的绿光及450nm的蓝光，功率均为3W；红、绿、蓝三色LED光源分别安装于积分球的三个侧面S1、S2、S3内；散射快门由旋转电磁铁10、前端有圆孔的转臂30、毛玻璃28及衰减片29组成，选取逆时针旋转方向且旋转角的为25°的旋转电磁铁，选取透过率为30％的毛玻璃和透过率为0.3％的中性密度滤光片，厚度均为2mm。从光入射方向去看，它们的顺序是毛玻璃粘贴在滤光片之前；数个孔径光阑把光束限制在一个锥形的区域内，还起到避免光学腔室内由器壁反射和散射的光进入单光子光电探测器；光阱9由与竖直平面成25°的黑色玻璃镜子组成，其作用是让散射光偏离到光学测量腔室的非探测端；光电探测器11选取H7155型光子计数头，采用金属壳封装。它的作用是将微弱的散射光信号转化为电信号并以TTL形式的信号输出给微处理器以进行光子计数与处理。 

粗过滤器3选取高效过滤器，零气泵4采用流量为4.2L/min的隔膜泵，细过滤器6选用去除大于0.1μm粒子且过滤效率为99.99％的过滤器，标气电磁阀5选取接入电压为DC12V且接口为1/8英寸NPT的电磁阀，校准气管内外径为4*6mm，与校准气管相连均采用快插接头。 

测量气路的气管采用内外径为12*14mm的导电硅胶管，连接于出气管路中的采样泵其流量为5L/min。 

信号处理控制与显示电路的主要部件由微处理器15和触摸屏16组成。微处理器15主要由CPLD与C8052单片机组成，CPLD根据单片机提供的光源时序对某一段时间内的光子进行计数，并将计数结果输送给单片机；单片机的主要负责将CPLD提供的光子数进行实时计算；产生PWM时序信号控制光源亮灭；实时采集温湿度传感器和压力传感器的数据；控制电磁阀、电磁铁、采样泵、零气泵及加热片的开关；最后将数据输送给单片机以显示并接受单片机的触摸指令控制其它部件进行相应的工作。 

参见图1、图2、图3、图4和图5，三波段积分式大气气溶胶粒子散射系数测量仪的测量方法的工作流程分为两步，即校准过程和实时测量过程。具体操作流程如下： 

校准过程： 

对测量装置通电后，先向触摸屏中的校准菜单栏中设置好参数如：标准气体类型、校准的最小最大时间和校准的口标稳定度值；如选用高纯的CO2作为标准气，校准的最小时间设置为5min，最大时间设置为20min，目标稳定度值设为95％，再执行校准。执行校准后，一开始进行的是标气校准，打开标气电磁阀5让标气进入校准气进气气路的标气进气口2再通过标气气管依次进入标气电磁阀5和细过滤器6最后进入光学测量腔室，最终从出气口14排出。 

让标气接通5min后点亮光源，让光源照射光学测量腔室内的标准气体，标准气体中的气体和颗粒成分引起光散射。放置在光学测量腔室中的孔径光阑19、20、21、22、23、24让散射光进入散射角为10°-170°之间的锥形区域，最终到达单光子光电探测器11，以便多次散射光不能进入单光子光电探测器11，单光子光电探测器11接收到的单位立体角中的光亮度为L＝σ_scatl₀/2πy，单光子光电探测器产生的电信号是与光亮度L成比例的，而单光子光电探测器产生的电信号是以光子个数来反映的，实际测量时是测量单位时间内的光子数的多少，即光子计数，单位为Hz。由微处理器产生周期脉冲信号控制光源和旋转电磁铁，当光源点亮，电磁铁都打开时，测得的计数为测量计数记为C_m；当光源点亮，电磁铁闭合时，测得的计数为测量计数记为C_sh，当光源熄灭，无论电磁铁开闭如否，此时测得的都是暗计数。用测量计数除以参比计数得到标气测量比记为MR_span，即MR_span＝C_m/C_sh。接着计算校准稳定度，通过测量50次测量比，设x，s分别为测量比的平均值和标准差。校准稳定度S＝100×(1-2s/x)；当校准时间超过最小校准时间并且稳定度S超过设定的目标稳定度数值时，关闭标气电磁阀，标气校准结束。 

打开零气泵4，让环境空气从标气进气口2进入，通过粗过滤器6后的干净空气相当于零气，再经过零气泵将零气抽入细过滤器6后进入光学测量腔室，最终也从出气口14排出。与标气校准类似，计算得到零气测量比记为MR_zero，接着计算校准稳定度S。当校准时间超过最小校准时间5min并且稳定度S超过设定的目标稳定度数值95％时，关闭零气泵，零气校准结束。 

最后，依据上述结果绘制校准曲线即标气和零气的测量比与其分别对应的散射系数关系曲线。其中标气和零气的散射系数可查表获得。由校准曲线得到曲线 的斜率k和截距b。 

测量过程： 

打开采样泵，样气从进气口12被抽入测量腔室，通过采样泵13从出气口14排除；与校准过程类似，计算得到样气测量比记为MR_sample，则样气的散射系数σ_sp＝σ_scat-σ_scat(Z)＝(MR-C×10^-3)/S×10^-3-σ_scat(Z)，式中k和b是校准过程中的校准曲线的斜率和截距。 

Claims (5)

1.三波段积分式大气气溶胶粒子散射系数测量仪，其特征在于：包括光学测量腔室，光学测量腔室内壁涂以无光黑漆；光学测量腔室的中间为散射腔(8)，散射腔顶端安装有基于LED的积分球光源(7)；散射腔左、右侧壁分别开有锥形透光孔，散射腔左、右两侧的光学测量腔室内分别安装有数个光阑(19、20、21、22、23、24)，光学测量腔室的左侧壁上安装有光阱(9)，光学测量腔室的右侧壁上安装有单光子光电探测器(11)；散射腔右侧锥形透光孔外的光阑外安装有可打开与闭合的散射快门(10、28、29、30)，光学测量腔室左右两端(26、27)设有标准气体和零气进气接口，光学测量腔室中部有样气进气端口(17)和出气端口(18)，通过采样泵(13)从光学测量腔室的出气端口抽气，样气从样气进气端口进入光学测量腔室；标准气体气路中安装有标气电磁阀(5)；零气进气气路中依次安装有粗过滤器(3)、零气泵(4)，标准气体气路、零气进气气路同时汇入精细过滤器(6)后接入到所述的标准气体和零气进气接口；积分球光源发出的光照射到散射腔内的样气中大气溶胶颗粒上产生的散射光一部分经过散射腔左侧的锥形透光孔、光阑到达光阱使得散射光偏离单光子光电探测器，散射光另一部分经过散射腔右侧的锥形透光孔、光阑到达单光子光电探测器，单光子光电探测器将接收到的信号转换为电信号后送至微处理器(15)进行计数、处理并控制，并将测量和计算结果输送至触摸屏(16)显示。

2.根据权利要求1所述的三波段积分式大气气溶胶粒子散射系数测量仪，其特征在于：所述的精细过滤器去除0.1um以上粒子的效率为99.5％；散射快门由旋转电磁铁(10)、前端有圆孔的转臂(30)、毛玻璃(28)及衰减片(29)组成；光学测量腔室材料为阳极氧化铝。

3.根据权利要求1所述的三波段积分式大气气溶胶粒子散射系数测量仪，其特征在于：所述的积分球光源，从积分球出光口(33)出射的光强满足朗伯分布；积分球三个侧面(S1、S2、S3)分别安装红、绿、蓝三波段LED光源，波长分别选为630nm的红光、520nm的绿光及450nm的蓝光。

4.根据权利要求1所述的三波段积分式大气气溶胶粒子散射系数测量仪，其特征在于：所述的积分球光源的散射角为10°-170°。

5.根据权利要求1所述的三波段积分式大气气溶胶粒子散射系数测量仪，其特征在于：样气进气端口(17)和出气端口(18)分别连通于样气进气气路、样气出气气路，样气进气气路、样气出气气路中的气管均采用黑色硅胶管；样气出气气路中排气管的末端连有采样泵。

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