CN214472595U - 一种具有鞘气保护的泵吸式颗粒物传感器 - Google Patents

Abstract

一种具有鞘气保护的泵吸式颗粒物传感器，包括在空间上垂直相交布置的激光光路***、散射光收集***和气路***，三个***的交点位于光敏感区中心点；所述的气路***为带有鞘气结构的气路***，由同轴线相向排列的分层进气结构和排气结构组成，分层进气结构和排气结构还分别位于光敏感区中心点的两侧且分别靠近及远离光敏感区设置，所述的分层进气结构包括同心套设的内管和外管；外管的一端为分层进气口，其另一端与内管的外壁连接形成密封端，且在靠近该封闭端的外管侧部还设有鞘气进气口；内管的一端位于外管的分层进气口内侧，另一端位于外管封闭端的外部并作为被测气流进气口。本实用新型能够大幅提升产品性能和测量精度。

Description

一种具有鞘气保护的泵吸式颗粒物传感器

技术领域

本实用新型涉及一种泵吸式颗粒物传感器，尤其是一种具有鞘气保护的泵吸式颗粒物传感器。

背景技术

公知的，国内外测定大气颗粒物质量浓度的方法主要是滤膜称重法、β射线法、微振荡天平法和红外散射法等。其中，滤膜称重法是目前国际公认的大气颗粒物质量浓度检测基准方法，其缺点是费时、费力、时效性差。β射线法与微振荡天平法可实时、自动监测，但缺点是生产成本高、设备体积大，不适用于室外流动测量及密集布点。红外散射法结构简单，成本低，但是检测能力差，其光源为红外LED光源，气流进出风口主要靠电阻发热以获得热气流流动，这种方法不能够准确测量颗粒物浓度，也区分不出颗粒物的粒径来。随着激光技术的快速发展，基于米氏散射理论的激光散射颗粒物传感器由于成本低、功耗低、小型化等优势，近年来受到人们的青睐。

目前，市场上基于米氏散射理论的激光颗粒传感器主要分为两种类型，风扇式颗粒物传感器和泵吸式传感器。其中，风扇式传感器相对成本较低，但是受制于风扇受外界温度影响大的特性，外界温度发生变化会导致单位时间内通过光束的颗粒物数量发生变化，进而导致检测结果准确性、稳定性差。泵吸式传感器因为气流导入方式不同，其稳定性和准确性相对风扇式传感器明显提高，但是泵吸式传感器气流入口小，气流进入传感器后容易扩散，颗粒物容易分散导致测量不准。

另外，现有的颗粒物传感器由于被广泛应用于大气环境、扬尘监测、室内环境、污染排放，使用环境复杂。因此基于光散射原理的颗粒物传感器都存在颗粒物灰尘沉降积累，导致性能下降的问题。

发明内容

为了克服现有技术的上述不足，本实用新型提供一种具有鞘气保护的泵吸式颗粒物传感器，该传感器能够利用鞘气气流对通过光敏感区的被测气流进行约束、保护，大幅提升产品性能和测量精度。

本实用新型解决其技术问题采用的技术方案是：包括在空间上垂直相交布置的激光光路***、散射光收集***和气路***，三个***的交点位于光敏感区中心点；所述的气路***为带有鞘气结构的气路***，由同轴线相向排列的分层进气结构和排气结构组成，分层进气结构和排气结构还分别位于光敏感区中心点的两侧且分别靠近及远离光敏感区设置，所述的分层进气结构包括同心套设的内管和外管；外管的一端为分层进气口，其另一端与内管的外壁连接形成密封端，且在靠近该封闭端的外管侧部还设有鞘气进气口；内管的一端位于外管的分层进气口内侧，另一端位于外管封闭端的外部并作为被测气流进气口。

相比现有技术，本实用新型的一种具有鞘气保护的泵吸式颗粒物传感器，通过将气路***设计为带有鞘气结构的气路***，具体是由同轴线相向排列的分层进气结构和排气结构组成，二者设于光敏感区中心点的两侧，分别做为传感器的进出气路径，并且分层进气结构包括同心套设的内管和外管，内管具有被测气流进气口，外管设有鞘气进气口，这样在分层进气结构内及流经光敏感区时就形成了两种气流，一种是位于内管的被测气流，一种是位于内管和外管之间的鞘气气流，分层进气口鞘气气流对通过光敏感区的被测气流产生了约束、保护的效果：一方面鞘气气流屏蔽被了测气流与传感器内部环境的交互，保护传感器内部光学组件，从而产品性能得到提升；另一方面，通过分层进气口的形状设置，鞘气气流对被测气体进行约束，防止了被测气流在传感器内部扩散，降低了气流减速对传感器检测结果的影响，提高了测量精度。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1是本实用新型一个实施例的主视图，其中省略了气路***。

图2是本实用新型一个实施例的俯视图。

图3是本实用新型一个实施例中分层进气结构的结构示意图。

图4是本实用新型一个实施例中分层进气口内外鞘气气流和被测气流的分布示意图。

图5是本实用新型一个实施例中激光器的光斑形状示意图。

图6是本实用新型一个实施例中光敏感区的激光光形图。

图中：1、激光器，2、准直透镜，3、柱面镜，4、激光光阑，5、光陷阱，6、聚光反射镜，7、散射光光阑，8、光电二极管，9、分层进气结构，9-1、外管，9-1-1、鞘气进气口，9-1-2、鞘气通气管，9-2、内管，9-2-1、被测气流进气口，9-3、分层进气口，10、排气结构，11、光敏感区，12、被测气流，13、鞘气气流，14、激光，15、散射光。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型的保护范围。

图1和图4示出了本实用新型一个较佳的实施例的结构示意图，图1中的一种具有鞘气保护的泵吸式颗粒物传感器，包括在空间上垂直相交布置的激光光路***、散射光收集***和气路***，三个***的交点位于光敏感区11中心点。如图2所示，所述的气路***为带有鞘气结构的气路***，由同轴线相向排列的分层进气结构9和排气结构10组成，分层进气结构9和排气结构10还分别位于光敏感区11中心点的两侧且分别靠近及远离光敏感区11设置，所述的分层进气结构9包括同心套设的内管9-2和外管9-1；外管9-1的一端为分层进气口9-3，其另一端与内管9-2的外壁连接形成密封端，且在靠近该封闭端的外管9-1侧部还设有鞘气进气口9-1-1；内管9-2的一端位于外管9-1的分层进气口9-3内侧，另一端位于外管9-1封闭端的外部并作为被测气流进气口9-2-1。参见图3和图4，从而本实施例的分层进气结构9包含了两种气流，一种是位于分层进气结构9内管9-2的被测气流12，另一种是位于分层进气结构9内管9-2和外管9-1之间的鞘气气流13，鞘气气流13对在分层进气口9-3外侧通过光敏感区11的被测气流12进行约束、保护，进而一方面鞘气气流13屏蔽了被测气流12与传感器内部环境的交互，保护传感器内部的激光光路***和散射光收集***，另一方面，鞘气气流13可以从外周侧对通过光敏感区11的被测气流12进行约束，防止被测气流12在传感器内部扩散，降低了气流减速对传感器检测结果的不良影响。

在本实施例的一个具体实现方案中，所述的排气结构10为被测气+鞘气混合气体的排气管，用来将进入传感器内部的鞘气气流13和被测气流12在作用于光敏感区11之后径直排出。此外，通过在所述分层进气结构9的外管9-1的鞘气进气口9-1-1处设置鞘气通气管9-1-2，更方便容易通入鞘气操作的实现。

在本实施例中，先将内管9-2的内径设为d，内管9-2的壁厚设为s，外管9-1的内径设为D，为了实现约束的效果，在操作过程中还必须满足以下两个条件：

1、被测气流12必须是层流，所以其雷诺数Re必须小于2300，Re＝ρ*Q/(u*π*d/4)，ρ为空气密度1.205kg/m^3、u为空气动力粘度1.81E-5Pa*s、Q为被测气流流量，要满足层流，被测气流12的管道最好为光滑金属管，即ρ*Q/(u*π*d/4)<2320，如果气体d为1.5mm，则Q<2.43L/min。

2、鞘气气流13必须是层流，其雷诺数Re_鞘气＝ρ*Q_鞘气/(u*π*(D+d+2s)/4)，Q_鞘气为鞘气流量、D为外管9-1内径直径，s为分层气路结构分层壁厚，鞘气管道为同心环状缝隙管，要满足层流，Re_鞘气必须小于1100,即ρ*Q_鞘气/(u*π*(D+d+2s)/4)<1100；如果d＝1.5mm，D＝2.5mm，s＝0.25mm，则Q_鞘气<3.48L/min。

参见图1，在本实施例一个优选设计方案中，所述的激光光路***包括依次同轴排列的激光器1、准直透镜2、柱面镜3、激光光阑4和光陷阱5，光敏感区11形成于激光光阑4和光陷阱5之间。通常，激光器1要设置在准直透镜2左侧的焦点上，激光14经过准直透镜2被准直为平行的激光高斯光束，柱面镜3将平行的激光高斯光束聚焦成一条近似的长条光斑，即为光敏感区11(如图5所示，激光光斑形状是一个发散的椭圆形光斑，如图6所示，经过准直透镜2、柱面镜3、激光光阑4整形之后，形成一条细线光斑，参见图1该细线光斑所在位置即为光敏感区11。)，激光光阑4约束光敏感区11的长度，激光14光线通过光敏感区11后发散，并进入光陷阱5中，并在其中多次反射耗尽。

参见图2，在本实施例一个优选设计方案中，所述的散射光收集***为MIE散射光收集***，包括同轴排布的聚光反射镜6、散射光光阑7和光电二极管8，光电二极管8和散射光光阑7位于光敏感区11同一侧，聚光反射镜6设于相对侧。光敏感区11中心点的散射光15各向散射，其中打在聚光反射镜6上的散射光15会被汇聚通过散射光光阑7打在光电二极管8上，转换成电信号输出，被聚光反射镜6汇聚的散射光15的焦点在光阑的中心点上。

参见图3和图4，其中图4为鞘气气流13约束被测气流12的示意图，由于被测气流流量Q基本是一个稳定不变的值，被测气流12通过光敏感区11的速度为v，v＝Q/(π*d^2/4)，被测气流12的流速v与采样频率成正比，因此我们需要更快的速度，流量Q是一个基本不变的参数，在无鞘气的结构中，直径d会随着原理分层进气口9-3变大，约束直径d是唯一提高流速的方法，因为结构限制分层进气结构9中内径不能无限减小，故通过一个鞘气气流13约束被测气体，使之通过光敏感区11的气流直径d不要扩大，极大提高了气流中颗粒物的采样频率，提高了传感器的稳定性和准确性。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型做任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质，对以上实施例所做出任何简单修改和同等变化，均落入本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种具有鞘气保护的泵吸式颗粒物传感器，包括在空间上垂直相交布置的激光光路***、散射光收集***和气路***，三个***的交点位于光敏感区(11)中心点；其特征是：所述的气路***为带有鞘气结构的气路***，由同轴线相向排列的分层进气结构(9)和排气结构(10)组成，分层进气结构(9)和排气结构(10)还分别位于光敏感区(11)中心点的两侧且分别靠近及远离光敏感区(11)设置，所述的分层进气结构(9)包括同心套设的内管(9-2)和外管(9-1)；外管(9-1)的一端为分层进气口(9-3)，其另一端与内管(9-2)的外壁连接形成密封端，且在靠近该封闭端的外管(9-1)侧部还设有鞘气进气口(9-1-1)；内管(9-2)的一端位于外管(9-1)的分层进气口(9-3)内侧，另一端位于外管(9-1)封闭端的外部并作为被测气流进气口(9-2-1)。

2.根据权利要求1所述的一种具有鞘气保护的泵吸式颗粒物传感器，其特征是：所述的激光光路***包括依次同轴排列的激光器(1)、准直透镜(2)、柱面镜(3)、激光光阑(4)和光陷阱(5)，光敏感区(11)形成于激光光阑(4)和光陷阱(5)之间。

3.根据权利要求1或2所述的一种具有鞘气保护的泵吸式颗粒物传感器，其特征是：所述的散射光收集***为MIE散射光收集***，包括同轴排布的聚光反射镜(6)、散射光光阑(7)和光电二极管(8)，光电二极管(8)和散射光光阑(7)位于光敏感区(11)同一侧，聚光反射镜(6)设于相对侧。

4.根据权利要求3所述的一种具有鞘气保护的泵吸式颗粒物传感器，其特征是：所述的排气结构(10)为被测气+鞘气混合气体的排气管。

5.根据权利要求3所述的一种具有鞘气保护的泵吸式颗粒物传感器，其特征是：所述分层进气结构(9)的外管(9-1)在鞘气进气口(9-1-1)处设有鞘气通气管(9-1-2)。

6.根据权利要求3所述的一种具有鞘气保护的泵吸式颗粒物传感器，其特征是：所述分层进气结构(9)的内管选用光滑金属管。

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