[發(fā)明專利]氣體中微小顆粒物的分析方法及儀器

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200810054056.X
• 申請(qǐng)日: 2008-08-04
• 公開（公告）號(hào): CN101329249A
• 公開（公告）日: 2008-12-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張帆;姚鳳蘭;冷云平
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 天津信達(dá)北方科技有限公司
• 主分類號(hào): G01N15/02
• 分類號(hào): G01N15/02;G01N15/00;G01N21/45
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• 代理人: 暫無信息

一、技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及光學(xué)儀器，尤其涉及一種氣體中微小顆粒物的分析方法及儀器。

二、背景技術(shù)

城市空氣細(xì)顆粒物可通過呼吸道進(jìn)入肺部并沉積在肺泡上，有的可直接進(jìn)入血液；同時(shí)這些細(xì)顆粒物攜帶大量的細(xì)菌、病毒及有毒有害物質(zhì)，導(dǎo)致呼吸系統(tǒng)疾病及心血管疾病患者病情加重，從而對(duì)人體健康造成很大的危害。

PM2.5(粒徑為2.5μm)大氣顆粒物對(duì)人體健康及環(huán)境的影響微小粒子的貢獻(xiàn)比粗大粒子更大。從健康角度考慮，世界各國(guó)都制定了PM10的環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。自從1997年美國(guó)頒布PM2.5的新標(biāo)準(zhǔn)以來，許多國(guó)家都在研究制定PM2.5環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的問題，但由于PM2.5標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)方法和檢測(cè)儀器的不統(tǒng)一，我國(guó)目前還未開始制定該標(biāo)準(zhǔn)。

現(xiàn)有的PM10和PM2.5檢測(cè)，按測(cè)量原理分類有：β射線吸收式、振蕩天平式、光吸收式和光散射式。β射線吸收式由捕集在濾紙上的PM10對(duì)β射線吸收值的增加，顯示出質(zhì)量濃度。振蕩天平式由于PM10的增加導(dǎo)致石英振子的振動(dòng)頻率降低，從而顯示出質(zhì)量濃度值。光吸收式由捕集到濾紙上的PM10對(duì)光吸收量的增加，顯示出相對(duì)濃度。光散射式PM10對(duì)光散射量的增加，給出相對(duì)濃度。

對(duì)于可吸入顆粒物PM10的監(jiān)測(cè)，β射線吸收式和振蕩天平式是公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)方法。但對(duì)于PM2.5及更小的粒子的監(jiān)測(cè)，上述兩個(gè)方法的配套附件(對(duì)應(yīng)的粒子切割頭)還不完善，影響了測(cè)量精度，因此還未被多數(shù)專家認(rèn)可。因此很多科學(xué)家開展了光散射式方法的改進(jìn)研究，取得了一些進(jìn)展，但目前光散射式激光粉塵儀產(chǎn)品還存在信噪比不高，準(zhǔn)確度受測(cè)量環(huán)境影響較大的問題。

三、發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的主要目的在于克服現(xiàn)有產(chǎn)品存在的上述缺點(diǎn)，而提供一種可有效監(jiān)測(cè)分析氣體中粒徑小于10μm的微小粒子的分析方法及儀器，可用于PM10、PM5、PM2.5和PM1等微小粒子的同時(shí)高精度分析，并且準(zhǔn)確度基本不受測(cè)量環(huán)境的影響。

本發(fā)明的目的是由以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。

鑒于低相干光干涉儀在光纖缺陷檢測(cè)和醫(yī)學(xué)斷層成像方面的成功應(yīng)用，本發(fā)明采用低相干光干涉儀原理對(duì)氣體中粒子進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過分析記錄的每個(gè)粒子的干涉條紋包絡(luò)(包絡(luò)數(shù)量代表粒子的個(gè)數(shù))特性，精確計(jì)算出該粒子的粒徑大小。

本發(fā)明氣體中微小顆粒物分析儀的檢測(cè)光路甚至可以在開放環(huán)境中工作，而不像激光散射式粉塵儀那樣，檢測(cè)光路必須在暗室中工作。這是由于相干條件的約束和針孔成像的條件的約束，只有在相干散射體積內(nèi)的粒子散射才會(huì)被檢測(cè)放大接收到，成為一個(gè)粒子的有效計(jì)數(shù)，并且相干信號(hào)很強(qiáng)，提高了檢測(cè)的信噪比。其他的散射光不是被針孔空間濾波器屏蔽掉，就是被探測(cè)濾波放大電路濾掉。采用時(shí)域光學(xué)相干層析成像的差頻放大電路來提取相干信號(hào)，濾掉了外來雜散光的干擾，進(jìn)一步提高了儀器的信噪比。

本發(fā)明的氣體中微小顆粒物分析儀包括寬帶光源、干涉儀(可以是開放式干涉儀，也可以是光纖式干涉儀)、氣體掃描、空間濾波系統(tǒng)(小孔光闌或光纖)、光電檢測(cè)、差頻濾波放大電路和分析計(jì)算系統(tǒng)。

當(dāng)寬帶光源發(fā)出的一定帶寬的光經(jīng)準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)準(zhǔn)直成平行光，射到分光棱鏡后，被分成兩束平行光，一束為參考光，經(jīng)參考光反射鏡被返射，經(jīng)分光棱鏡和接收透鏡到達(dá)光電探測(cè)器。另一束為樣品光，經(jīng)透鏡、小孔光闌8和聚焦物鏡聚焦到相干散射體積，當(dāng)氣流中的微小粒子到達(dá)相干散射體積時(shí)，該粒子的散射光才能通過小孔光闌，經(jīng)透鏡、分光棱鏡和接收透鏡到達(dá)光電探測(cè)器上，與參考臂返回的光相干涉(此時(shí)參考臂光程與樣品臂光程差在光源的相干長(zhǎng)度內(nèi))。光電探測(cè)器把所有接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)放大、濾波(濾掉低頻和直流等干擾信號(hào))后，只有干涉信號(hào)被提取出來，進(jìn)行粒子計(jì)數(shù)，通過分析記錄的每個(gè)粒子的干涉條紋包絡(luò)，精確計(jì)算出該粒子的粒徑大小。

四、附圖說明

圖1為本發(fā)明原理圖和實(shí)施案例圖。

圖2為本發(fā)明另一實(shí)施案例圖。

圖中標(biāo)號(hào)說明：1寬帶光源、2準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)、3分光棱鏡、4參考光反射鏡、5接收透鏡、6光電探測(cè)器、7透鏡、8小孔光闌、9聚焦物鏡、10相干散射體積、11氣流中的微小粒子。

五、具體實(shí)施方式

實(shí)施例1：

如圖1所示，本發(fā)明的氣體中微小顆粒物分析儀包括寬帶光源1、準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)2、分光棱鏡3、參考光反射鏡4、接收透鏡5、光電探測(cè)器6、透鏡7、小孔光闌8、聚焦物鏡9、相干散射體積10、氣流中的微小粒子11。