CN113504214A - 一种基于拉曼光谱的柴油机排放颗粒实时测定装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于拉曼光谱的柴油机排放颗粒实时测定装置及方法，包括外部封装结构、及内部一系列器件，如采样滤膜装置、取样泵、拉曼光谱仪、数据处理器等；采样滤膜装置包含过滤膜与滤膜夹，用于筛选设定粒径的柴油机排放颗粒；运用取样泵使气流以一定速度流经整个***，将已检测的样品气溶胶送出***；拉曼光谱仪能够获取样品的光谱，并利用光谱峰与数据库对比得到样品气溶胶的成分，利用数据处理器处理光谱强度定量得到样品气溶胶的浓度；本发明操作简单便携，维护清洁方便，结果精确，且效率较高可以近实时对柴油机排放颗粒进行测定。
Description
技术领域
本发明属于颗粒成分及浓度检测技术领域，特别是涉及一种基于拉曼光谱的柴油机排放颗粒实时测定装置及方法。
背景技术
柴油机排放颗粒物对人体危害很大。为了进一步降低柴油机NOX和HC污染物排放，我国开始实施国V排放标准，力求大幅度降低常规污染物排放。2016年1月1日起，中国将正式施行新的《中华人民共和国大气污染防治法》，重点对颗粒物、二氧化硫、氮氧化物、挥发性有机物、氨等大气污染物和温室气体实施协同控制。
柴油机形成的颗粒物PM主要为干碳烟和有机可溶物质，其中干碳烟一般在高温、缺氧情况下形成。由于柴油机混和气混合的不均匀，即使总体上是富氧燃烧，仍然存在局部缺氧的区域。对于小型柴油机，PM排放量为0.1～1.0g/km，大型柴油机PM排放量为0.1～1.0g/(kW×h)。随着近年来排放法规的日益严格、柴油机排放技术的不断改进，PM排放量在逐渐降低。
目前多数使用的对柴油机排放颗粒检测的方法有：①电化学方法：如电解水蒸气产生活性氧以氧化碳烟颗粒物产生CO2，运用气相色谱法测出CO2浓度，计算其与信号电压值/电流值函数关系，转换为碳烟颗粒物浓度值。②光散射技术：当激光照射颗粒物表面时发生散射现象并产生散射光脉冲，单位时间内产生的脉冲信号峰值之和与颗粒物浓度呈线性关系，通过建立关系方程即可检测出颗粒物浓度。③过滤法：以一定的排气量通过滤纸，以滤纸上留下的碳粒重量或以滤纸表面的光反射率来比较测量。然而，上述多种方法存在实时信号采集困难、需要个人额外数据处理、仪器携带困难等问题。
因此，亟需一种柴油机排放颗粒实时测定方法来解决柴油机排放污染浓度测试实时采集信号困难、仪器标定操作复杂等问题成为研究人员关注的热点。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于拉曼光谱的柴油机排放颗粒实时测定装置及方法，能够解决现有柴油机排放污染浓度测试技术实时采集信号困难，仪器标定操作复杂的问题。
为实现上述目的，本发明提出一种基于拉曼光谱的柴油机排放颗粒实时测定装置，包括：柴油机排气入口、滤膜抽屉、光谱仪调节面板、壳体、计算机显示屏和开关；
所述壳体的外部分别设有所述柴油机排气入口、滤膜抽屉、光谱仪调节面板、计算机显示屏和所述开关；所述滤膜抽屉内设有采样滤膜装置；
所述壳体的内部设有空腔；所述空腔内部包括：取样泵、光路设备、拉曼光谱仪、数据处理器；所述取样泵、柴油机排气入口均与所述采样滤膜装置连接；所述光路设备与所述采样滤膜装置通过光路连接；所述拉曼光谱仪分别与所述光谱仪调节面板和所述数据处理器连接；所述拉曼光谱仪还与所述光路设备通过光路连接；所述数据处理器分别与所述拉曼光谱仪和所述计算机显示屏连接。
优选地，所述采样滤膜装置，包括：滤膜夹和滤膜；所述滤膜夹内部设有滤膜；所述滤膜分别与所述柴油机排气入口和所述取样泵连接。
优选地，所述光路设备，包括激光器、样前准直光学装置和样后集光装置；所述激光器发出的光依次通过所述样前准直光学装置、采样滤膜装置和所述样后集光装置后进入所述拉曼光谱仪中。
优选地，所述拉曼光谱仪包括：单色器、光色倍增管和记录仪；所述单色器与所述样后集光装置通过光路连接；所述单色器还与所述光色倍增管连接；所述记录仪分别与所述光色倍增管和所述数据处理器连接。
优选地，所述数据处理器内嵌有若干系列的处理程序，包括：预处理程序、最小二乘方拟合法处理程序、光谱数据库比对处理程序。
优选地，所述激光器为固体二极管，发出的激光波长、曝光时间、扫描次数、光源功率通过所述光谱仪调节面板3进行设定，光谱获取范围为50～3400cm-1。
优选地，所述单色器的衍射光栅结构包括：1个入射光阑、2个反射镜和1个光栅。
一种基于拉曼光谱的柴油机排放颗粒实时测定装置的测定方法，具体包括以下步骤：
S1、采集柴油机的排放颗粒，并将所述排放颗粒放入柴油机排气入口1；所述排放颗粒从所述柴油机排气入口1排出后通过滤膜夹中的滤膜，筛选出满足粒径要求的排放颗粒；然后将满足粒径要求的排放颗粒通过取样泵以2L/min的流速在整个装置中流通；
S2、将激光器发出的设定波长的激光通过样前准直光学装置后直接照射滤膜夹中的滤膜，然后利用样后集光装置收集散射光聚焦至拉曼光谱仪；
S3、所述样后集光装置收集的散射光通过所述拉曼光谱仪中的单色器和光色倍增管后输出衍射光，然后将所述衍射光直接聚焦在光谱仪的输出平面上；
S4、数据处理器识别到所述输出平面上的衍射光信号，并通过内部的处理程序对获取的衍射光信号进行分析和处理，得到柴油机排放颗粒的成分和浓度。
优选地，对所述衍射光信号进行分析和处理的方法，具体为：
预处理：对所述衍射光信号进行平滑去噪、基线校正和归一化，得到预处理后的衍射光信号；
最小二乘方拟合法：对所述预处理后的衍射光信号的标定曲线进行拟合，并建立方程式，然后利用拉曼峰面积计算得到柴油机排放颗粒浓度；
光谱数据库比对：将柴油机排放颗粒光谱图内光谱峰与计算机自带的数据库进行对比，得到柴油机排放颗粒成分
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明采用了较简单的元件与设备，仅需2s即可测量到柴油机排放颗粒的拉曼光谱，近乎实时；通过分析拉曼光谱的纵坐标强度并进行数据处理即可得到样品的浓度，其中数据处理器包含平滑去噪、基线校正等手段去除检测过程中的一些荧光信号、背景噪声，使得测量结果更精确；采用拉曼光谱进行测量，既可获得柴油机排放颗粒的组成成分，还可获得相应浓度，方便高效。此外，本发明更换滤膜方便，腔体小巧便携，拓宽了测量思路，将拉曼光谱与柴油机排放污染测试技术结合，具有较好的参考与学习意义。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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为本发明装置外部结构图；
图2为本发明装置内部结构及流程图；
其中，1-柴油机排气入口、2-滤膜抽屉、3-光谱仪调节面板、4-壳体、5-计算机显示屏、6-开关。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
参照图1所示，本发明提出一种基于拉曼光谱的柴油机排放颗粒实时测定装置，包括：柴油机排气入口1、滤膜抽屉2、光谱仪调节面板3、壳体4、计算机显示屏5和开关6；
所述壳体4的外部分别设有所述柴油机排气入口1、滤膜抽屉2、光谱仪调节面板3、计算机显示屏5和所述开关6；所述滤膜抽屉2内设有采样滤膜装置；
参照图2所示，所述壳体4的内部设有空腔；所述空腔内部包括：取样泵、光路设备、拉曼光谱仪、数据处理器；所述取样泵、柴油机排气入口1均与所述采样滤膜装置连接；所述光路设备与所述采样滤膜装置通过光路连接；所述拉曼光谱仪分别与所述光谱仪调节面板和所述数据处理器连接；所述拉曼光谱仪还与所述光路设备通过光路连接；所述数据处理器分别与所述拉曼光谱仪和所述计算机显示屏5连接。
所述采样滤膜装置，包括：滤膜夹和滤膜；所述滤膜夹内部设有滤膜；所述滤膜分别与所述柴油机排气入口1和所述取样泵连接。首先采集柴油机的排放颗粒，并将所述排放颗粒放入柴油机排气入口1；所述排放颗粒从所述柴油机排气入口1排出后通过滤膜夹中的滤膜，筛选出满足粒径要求的排放颗粒；然后将满足粒径要求的排放颗粒通过取样泵以2L/min的流速在整个装置中流通。
所述光路设备，包括激光器、样前准直光学装置和样后集光装置；所述激光器发出的光依次通过所述样前准直光学装置、采样滤膜装置和所述样后集光装置后进入所述拉曼光谱仪中。将激光器发出的设定波长的激光通过样前准直光学装置后直接照射采样滤膜装置中的滤膜，然后利用样后集光装置收集散射光聚焦至拉曼光谱仪。其中，所述激光器为固体二极管，发出的激光波长、曝光时间、扫描次数、光源功率通过所述光谱仪调节面板3进行设定，光谱获取范围为50～3400cm-1。
所述拉曼光谱仪包括：单色器、光色倍增管和记录仪；所述单色器与所述样后集光装置通过光路连接；所述单色器还与所述光色倍增管连接；所述记录仪分别与所述光色倍增管和所述数据处理器连接。样后集光装置收集的散射光通过所述拉曼光谱仪中的单色器和光色倍增管后输出衍射光，然后将所述衍射光直接聚焦在光谱仪的输出平面上。其中，所述单色器的衍射光栅结构包括：1个入射光阑、2个反射镜和1个光栅。
所述数据处理器内嵌有一系列处理程序如预处理模块等，包括：预处理、最小二乘方拟合法、光谱数据库比对等处理程序。当数据处理器识别到拉曼光谱仪输出平面上的衍射光信号，并通过内部的处理程序对获取的衍射光信号进行分析和处理，得到柴油机排放颗粒的成分和浓度。
本发明还提出一种基于拉曼光谱的柴油机排放颗粒实时测定装置的测定方法，具体包括以下步骤：
S1、采集柴油机的排放颗粒，并将所述排放颗粒放入柴油机排气入口1；将孔径0.8μm，直径100mm的微孔滤膜放置在滤膜夹中，所述排放颗粒从所述柴油机排气入口1排出后通过滤膜夹中的滤膜，筛选出满足粒径要求的排放颗粒；然后将满足粒径要求的排放颗粒的气溶胶通过取样泵以2L/min的流速在整个装置中流通；
S2、将激光器发出的设定波长的激光通过样前准直光学装置后直接照射滤膜夹中的滤膜，然后利用样后集光装置收集散射光聚焦至拉曼光谱仪；拉曼光谱仪选用固体二极管作为激光器，激光波长为532nm，曝光时间20s，扫描次数10次，光源功率20mW，光谱获取范围为50～3400cm-1，能够覆盖DPM的主要特征峰，且近乎实时获取排放颗粒的拉曼光谱。
S3、所述样后集光装置收集的散射光通过所述拉曼光谱仪中的单色器和光电倍增管后输出衍射光，光电倍增管的光电阴极接受光辐射的照射，在负载上形成了一系列电脉冲，经过直流放大器后电脉冲信号被放大，送入光子计数器甄别标准脉冲，然后通过D/A转换器将二进制数字量形成的离散信号转换成相应的标准模拟信号，输送至数据处理器；其中，所述拉曼光谱仪的输出平面上设有CCD探测器，能够同时测得不同波长光束的强度，其测量时长为2s。
S4、数据处理器识别到所述输出平面上的衍射光信号，并通过内部的处理程序对获取的衍射光信号进行分析和处理，得到柴油机排放颗粒的成分和浓度。
具体为：
预处理：对所述衍射光信号进行平滑去噪，去除原始光谱中存在的背景荧光，然后对光谱的基线校正和归一化，得到预处理后的衍射光信号；
最小二乘方拟合法：对所述预处理后的衍射光信号的标定曲线进行拟合，并建立方程式，然后利用拉曼峰面积计算得到柴油机排放颗粒浓度；其中，标定曲线为样品拉曼峰面积与样品浓度间的关系曲线。
其中，c为光速；h为普朗克常数；IL为激发光强度；N为散射分子数；n为分子振动频率，单位Hz；n0为激光频率，单位Hz；m为振动原子的折合质量；K为玻尔兹曼常数；T为绝对温度，α’a为极化率张量的平均值不变量；γ’a为极化率张量的有向性不变量；可得拉曼散射强度正比于被激发照明的分子数，且可叠加。计算机通过对样品拉曼光谱的拉曼峰面积与样品浓度间的关系进行最小二乘方拟合，得到一个方程式，据此由拉曼峰面积即可得到样品的浓度。
光谱数据库比对：根据拉曼光谱图各个峰对其成分进行定性分析，将柴油机排放颗粒光谱图内光谱峰与计算机自带的数据库进行对比，得到柴油机排放颗粒成分，以表格形式列出。一旦计算机显示屏所显示的拉曼光谱不再改变，就可以打开抽屉，进行滤膜夹或滤膜的更换，方便简单。根据拉曼光谱图各个峰对其成分进行定性分析，在计算机带光谱数据库中搜索比对，以表格形式列出。
其中，所述拉曼光谱仪的输出平面上设有CCD探测器，能够同时测得不同波长光束的强度，其测量时长为2s。
综上，本发明采用了较简单的元件与设备，仅需2s即可测量到柴油机排放颗粒的拉曼光谱，近乎实时。通过分析拉曼光谱的纵坐标强度并进行数据处理即可得到样品的浓度，数据处理模块包含了预处理，其中的平滑去噪、基线校正等手段可以去除检测过程中的一些荧光信号、背景噪声，使得测量结果更精确。采用拉曼光谱进行测量，既可获得柴油机排放颗粒的组成成分，还可获得相应浓度，方便高效。此外，本发明更换滤膜方便，腔体小巧便携，拓宽了测量思路，将拉曼光谱与柴油机排放污染测试技术结合，具有较好的参考与学习意义。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于拉曼光谱的柴油机排放颗粒实时测定装置，其特征在于，包括：柴油机排气入口(1)、滤膜抽屉(2)、光谱仪调节面板(3)、壳体(4)、计算机显示屏(5)和开关(6)；
所述壳体(4)的外部分别设有所述柴油机排气入口(1)、滤膜抽屉(2)、光谱仪调节面板(3)、计算机显示屏(5)和所述开关(6)；所述滤膜抽屉(2)内设有采样滤膜装置；
所述壳体(4)的内部设有空腔；所述空腔内部包括：取样泵、光路设备、拉曼光谱仪、数据处理器；所述取样泵、柴油机排气入口(1)均与所述采样滤膜装置连接；所述光路设备与所述采样滤膜装置通过光路连接；所述拉曼光谱仪分别与所述光谱仪调节面板和所述数据处理器连接；所述拉曼光谱仪还与所述光路设备通过光路连接；所述数据处理器分别与所述拉曼光谱仪和所述计算机显示屏(5)连接。
2.根据权利要求1所述的基于拉曼光谱的柴油机排放颗粒实时测定装置，其特征在于，所述采样滤膜装置，包括：滤膜夹和滤膜；所述滤膜夹内部设有滤膜；所述滤膜分别与所述柴油机排气入口(1)和所述取样泵连接。
3.根据权利要求2所述的基于拉曼光谱的柴油机排放颗粒实时测定装置，其特征在于，所述光路设备，包括激光器、样前准直光学装置和样后集光装置；所述激光器发出的光依次通过所述样前准直光学装置、采样滤膜装置和所述样后集光装置后进入所述拉曼光谱仪中。
4.根据权利要求3所述的基于拉曼光谱的柴油机排放颗粒实时测定装置，其特征在于，所述拉曼光谱仪包括：单色器、光色倍增管和记录仪；所述单色器与所述样后集光装置通过光路连接；所述单色器还与所述光色倍增管连接；所述记录仪分别与所述光色倍增管和所述数据处理器连接。
5.根据权利要求1所述的基于拉曼光谱的柴油机排放颗粒实时测定装置，其特征在于，所述数据处理器内嵌有若干系列的处理程序，包括：预处理程序、最小二乘方拟合法处理程序、光谱数据库比对处理程序。
6.根据权利要求3所述的基于拉曼光谱的柴油机排放颗粒实时测定装置，其特征在于，所述激光器为固体二极管，发出的激光波长、曝光时间、扫描次数、光源功率通过所述光谱仪调节面板(3)进行设定，光谱获取范围为50～3400cm-1。
7.根据权利要求4所述的基于拉曼光谱的柴油机排放颗粒实时测定装置，其特征在于，所述单色器的衍射光栅结构包括：1个入射光阑、2个反射镜和1个光栅。
8.一种基于拉曼光谱的柴油机排放颗粒实时测定装置的测定方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1、采集柴油机的排放颗粒，并将所述排放颗粒放入柴油机排气入口(1)；所述排放颗粒从所述柴油机排气入口(1)排出后通过滤膜夹中的滤膜，筛选出满足粒径要求的排放颗粒；然后将满足粒径要求的排放颗粒通过取样泵以2L/min的流速在整个装置中流通；
S2、将激光器发出的设定波长的激光通过样前准直光学装置后直接照射滤膜夹中的滤膜，然后利用样后集光装置收集散射光聚焦至拉曼光谱仪；
S3、所述样后集光装置收集的散射光通过所述拉曼光谱仪中的单色器和光色倍增管后输出衍射光，然后将所述衍射光直接聚焦在光谱仪的输出平面上；
S4、数据处理器识别到所述输出平面上的衍射光信号，并通过内部的处理程序对获取的衍射光信号进行分析和处理，得到柴油机排放颗粒的成分和浓度。
9.根据权利要求8所述的基于拉曼光谱的柴油机排放颗粒实时测定装置的测定方法，其特征在于，
所述拉曼光谱仪的输出平面上设有CCD探测器，能够同时测得不同波长光束的强度，其测量时长为2s。
10.根据权利要求8所述的基于拉曼光谱的柴油机排放颗粒实时测定装置的测定方法，其特征在于，对所述衍射光信号进行分析和处理的方法，具体为：
预处理：对所述衍射光信号进行平滑去噪、基线校正和归一化，得到预处理后的衍射光信号；
最小二乘方拟合法：对所述预处理后的衍射光信号的标定曲线进行拟合，并建立方程式，然后利用拉曼峰面积计算得到柴油机排放颗粒浓度；
光谱数据库比对：将柴油机排放颗粒光谱图内光谱峰与计算机自带的数据库进行对比，得到柴油机排放颗粒成分。
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