[發明專利]三波段積分式大氣氣溶膠粒子散射系數測量儀及測量方法

有效

• 申請號: 201010588501.8
• 申請日: 2010-12-15
• 公開（公告）號: CN102183492A
• 公開（公告）日: 2011-09-14
• 發明（設計）人: 李季;王月琴;陳明星;馬兵;戚俊
• 申請（專利權）人: 安徽循環經濟技術工程院
• 主分類號: G01N21/51
• 分類號: G01N21/51
• 代理公司: 安徽合肥華信知識產權代理有限公司 34112
• 代理人: 余成俊

1.三波段積分式大氣氣溶膠粒子散射系數測量儀，其特征在于：包括光學測量腔室，光學測量腔室內壁涂以無光黑漆；光學測量腔室的中間為散射腔(8)，散射腔頂端安裝有基于LED的積分球光源(7)；散射腔左、右側壁分別開有錐形透光孔(20、21)，散射腔左、右兩側的光學測量腔室內分別安裝有數個光闌(19、20、21、22、23、24)，光學測量腔室的左、右側壁上分別安裝有光阱(9)、單光子光電探測器(11)；散射腔右側光路的光闌外安裝有可打開與閉合的散射快門(10、28、29、30)，光學測量腔室左右兩端(26、27)設有標準氣體和零氣進氣接口，光學測量腔室中部有樣氣進氣端口(17)和出氣端口(18)，通過采樣泵(13)從出光學測量腔室的出氣端口抽氣，樣氣從進氣端口進入光學測量腔室；標準氣體氣路中安裝有標氣電磁閥(5)；零氣進氣氣路中依次安裝有粗過濾器(3)、零氣泵(4)，標準氣體氣路、零氣進氣氣路同時匯入精細過濾器(6)后接入到所述的標準氣體和零氣進氣接口；積分球光源發出的光照射到散射腔內的樣氣中大氣溶膠顆粒上產生的散射光一部分經過散射腔左側的錐形透光孔、光闌到達光阱使得散射光偏離單光子光電探測器，散射光另一部分經過散射腔右側的錐形透光孔光闌到達單光子光電探測器，單光子光電探測器將接收到的信號轉換為電信號后送至微處理器(15)進行計數、處理并控制，并將測量和計算結果輸送至觸摸屏(16)顯示。

2.根據權利要求1所述的三波段積分式大氣氣溶膠粒子散射系數測量儀，其特征在于：所述的精細過濾器去除0.1um以上粒子的效率為99.5％；散射快門由旋轉電磁鐵10、前端有圓孔的轉臂30、毛玻璃28及衰減片29組成；光學測量腔室材料為陽極氧化鋁。

3.根據權利要求1所述的三波段積分式大氣氣溶膠粒子散射系數測量儀，其特征在于：所述的積分球光源，從積分球出光口(33)出射的光強滿足朗伯分布；積分球三個側面(S1、S2、S3)分別安裝紅、綠、藍三波段LED光源，波長分別選為630nm的紅光、520nm的綠光及450nm的藍光。

4.根據權利要求1所述的三波段積分式大氣氣溶膠粒子散射系數測量儀，其特征在于：所述的積分球光源的散射角為10°-170°。

5.根據權利要求1所述的三波段積分式大氣氣溶膠粒子散射系數測量儀，其特征在于：樣氣進氣端口(17)和出氣端口(18)分別連通于樣氣進氣氣路、樣氣出氣氣路，樣氣進氣氣路、樣氣出氣氣路中的氣管均采用黑色硅膠管；樣氣出氣氣路中排氣管的末端連有采樣泵。

6.根據權利要求1所述的三波段積分式大氣氣溶膠粒子散射系數測量儀，其特征在于：所述的微處理器主要由CPLD與C8052單片機組成，CPLD主要功能是：根據單片機提供的光源時序對某一段時間內的光子進行計數，并將計數結果輸送給單片機；單片機的主要功能是：1)負責將CPLD提供的光子數進行實時計算；2)產生PWM時序信號控制光源亮滅；3)實時采集溫濕度傳感器和壓力傳感器的數據；4)控制電磁閥、電磁鐵、采樣泵、零氣泵及加熱片的開關；5)將數據輸送給單片機以顯示并接受單片機的觸摸指令從而控制其它部件進行相應的工作。

7.利用權利要求1所述的測量儀進行大氣氣溶膠粒子散射系數測量的方法，其特征在于，包括校準步驟和測量步驟：

一、校準步驟如下：

(1)標氣校準：讓已知散射系數的標準氣體進入光學測量腔室，分別測量在散射快門開啟和關閉狀態下的單光子光電探測器的測量計數C_m和參比計數C_sh，計算它們的比值得到標氣的測量比MR_span＝C_m/C_sh；

(2)零氣校準：通過隔膜泵將過濾后的空氣(零氣)抽入到光學測量腔室，分別測量在散射快門開啟和關閉狀態下的單光子光電探測器的測量計數C_m′和參比計數C_sh′，計算它們的比值得到零氣的測量比MR_zero＝C_m′/C′_sh；

(3)根據標氣和零氣的測量比及它們各自的散射系數值，繪制測量比與散射系數之間關系的校準曲線，由校準曲線得到其斜率k和截距b；

(4)計算標氣或零氣的校準穩定度：校準穩定度計算公式為S＝100×(1-2s/x)；其中x，s分別為校準氣體測量比值樣本的平均值和標準差；

(5)計算光學測量腔室的器壁信號：器壁信號計算公式為W＝100×(b/MR_zero)，其中b為校準曲線的截距，MR_zero為零氣的測量比值；

二、測量步驟如下：

(1)樣氣被抽入光學測量腔室，通過采樣泵從出氣口排除；

(2)積分球光源照射散射腔內的樣氣；

(3)樣氣中的氣體和大氣溶膠顆粒成分引起光散射；

(4)散射光經過光學測量腔室中的光闌讓光進入散射角為10°-170°(圖4)之間的錐形區域，最終達到單光子光電探測器，多次散射光不能進入單光子光電探測器；

(5)單光子光電探測器產生的電信號是與入射光強成比例的，因此，單光子光電探測器產生的電信號與樣氣的散射系數成比例；

(6)分別測量在散射快門開啟和關閉狀態下的單光子光電探測器的測量計數C_m和參比計數C_sh，得到測量比MR_sample＝C_m/C_sh；

(7)根據校準過程得到的校準曲線計算氣溶膠顆粒物散射系數：

對于任一環境樣品，當測量比為MR時，可通過下式計算得到氣溶膠顆粒物散射系數σ_sp，單位為Mm^-1。

σsp=σscat-σscat(Z)=(MR-b×10-3)k×10-3-σscat(Z),]]>

其中，b為校準曲線的截距，k為校準曲線的斜率。