一种双通道颗粒物采样模块及含有该采样模块的监测装置的制作方法

本发明涉及空气污染监测领域，具体地说涉及一种双通道颗粒物采样模块及含有该采样模块的监测装置。

背景技术：

随着工业社会的发展，各种环境污染问题已经越来越突出，而空气污染尤其受到人们的重视。最近几年频发发生的城市雾霾现象已经严重影响了城市中的空气质量，随之也引发了大量的社会问题，如交通事故，有颗粒物引起的各类呼吸道疾病及各类疑难杂症等。

大气颗粒物是分散在大气中固态或液态颗粒状物质的总称。粒径为0.01μm～100μm的大气颗粒物，统称为总悬浮颗粒物TSP。而PM10和PM2.5分别指空气动力学直径小于或等于10μm和2.5μm的大气颗粒物。PM10也称为可吸入颗粒物。

目前市场上大多数自动监测仪器使用的均为单通道颗粒物采样器，只能实现PM10或PM2.5一个参数的测量，测两个参数需要两台仪器，占用面积大，成本高，维护量大，使用不方便。

目前国内测量空气中颗粒物的方法主要有滤膜称重法、β射线吸收法、压电晶体差频法、光散射法等，其中β射线吸收法已普遍应用于大气中颗粒物的监测中，且技术比较成熟。β射线是从核素放射性衰变中释放出来的高速电子流，电离本领小，穿透能力大。天然放射系列放出的β粒子能量在0—4Mev，温度、压力、磁场等都不能显著影响β射线的发射，应用放射源作为测量手段具有较强的抗干扰能力，保证测量结果稳定可靠。β射线法工作原理是利用利用β射线衰减量来测量采样期间增加的颗粒物质量。当β射线通过介质时，β粒子与介质中的电子相互碰撞损失能量而被吸收，在低能条件下，吸收程度取决于介质的质量，与颗粒物粒径、成分、颜色及分散状态无关。环境气体透过滤纸后，颗粒物被收集在滤纸上，当β射线穿过收集有颗粒物的滤纸时能量衰减，通过测量衰减前后的β粒子数，可以计算出颗粒物的浓度。

大气中颗粒物的浓度是随时变化的，现有的颗粒物监测仪不能实时对大气进行采样测量，且测量精度不高，而应用高精度的颗粒物监测仪运行费用昂贵，安装与维护工作复杂。因此亟需提供一种新型的颗粒物监测仪来解决上述问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种同时采集到两种规格的颗粒物的双通道颗粒物采样模块，以及含有该采样模块的监测装置。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种双通道颗粒物采样模块，包括固定座以及设置在固定座上的进气接头，所述固定座内设有第一通道和第二通道，所述进气接头与第一通道相连通，且所述进气接头与第一通道之间设有第一切割器，所述第二通道与第一切割器或第一通道之间设有连通通道，所述连通通道与第二通道之间设有第二切割器。

进一步地，所述第一切割器为碰撞式PM10切割器。

进一步地，还包括储尘容器，所述第二切割器为旋风式PM2.5切割器，所述储尘容器与第二切割器相连通。

进一步地，所述固定座由上固定块和下固定块连接构成，所述第一通道和第二通道位于上固定块内，所述下固定块上设有两个连接孔，两个所述连接孔的位置分别与第一通道和第二通道的出口端相对应，两个所述连接孔内均设有滤纸托块，所述第一通道和第二通道内均设有筒状的压头。

进一步地，各所述压头与第一通道和第二通道之间分别设有压头导套。

进一步地，各所述压头上分别套有弹簧。

本发明还提供一种颗粒物监测装置，包括上述的双通道颗粒物采样模块、CPU控制模块、与CPU控制模块相连的开关电源、质量流量控制模块、显示模块、电机驱动模块、光电耦合器，还包括高压模块、纸盘电机、走纸电机、采样泵；纸盘电机、走纸电机、采样泵的输入端均与电机驱动模块的输出端相连，质量流量控制模块与AD采集模块相互通信，质量流量控制模块包括质量流量控制器；

CPU控制模块包括微处理器、盖格计数器、与微处理器相互通信的RS232通讯模块、AD采集模块、IO控制模块；盖格计数器的输入端与高压模块相连、输出端与微处理器相连，RS232通讯模块的输出端与显示模块相连，IO控制模块与光电耦合器相连；

盖格计数器包括脉冲检测电路、整形电路、信号电平升高电路；

脉冲检测电路包括盖格管U1，用于产生检测脉冲；

整形电路用于将脉冲检测电路提供的脉冲信号转换为矩形波信号；

信号电平升高电路用于将整形电路输出信号的电压升高，最终将信号输出至微处理器。

其中，脉冲检测电路包括盖格管U1、电阻R1、R2、电容C1、三极管Q1，电阻R1与三极管Q1的基极、发射级并联并接地，三极管Q1的基极与盖格管U1的1脚相连，电阻R2与电容C1并联后一端与高压模块相连、另一端与盖格管U1的2脚相连；整形电路包括电阻R3、R4、电容C2、反相器U2A，电阻R4的一端与三极管Q1的集电极相连、另一端与反相器U2A的输入端相连，电阻R3的一端与三极管Q1的集电极相连、另一端与反相器U2A的14脚相连，电容C2的一端与三极管Q1的集电极相连、另一端接地，U2A的14脚连接5V电压、7脚接地；信号电平升高电路包括电阻R5、R6、R7、电容C3、反相器U2B，电阻R5的一端与电容C3的一端相连、另一端与反相器U2B的输入端相连，电容C3的另一端接地，电阻R6、R7的一端均与反相器U2B的输出端相连，R6的另一端接地，R7的另一端连接24V电压相连。

进一步地，AD采集模块包括模数转换器、数模转换器。

进一步地，质量流量控制器与模数转换器、数模转换器串接。模数转换器将质量流量控制器输出的流量大小转换为相应的电压信号传输至微处理器，数模转换器将微处理器输出的电压信号转换为流量大小传输给质量流量控制器。

进一步地，电机驱动模块采用固态继电器。当开关电源提供的电压为24V，而电机需220V电压驱动，固态继电器既具有放大驱动作用又有隔离作用，可将开关电源提供的电压转换为电机所需电压。

本发明的有益效果体现在：

1.本发明双通道颗粒物采样模块在采样时，以测量PM10和PM2.5为例，空气经由进气接头进入采样模块，经过第一切割器的分离，粒径小于10μm的颗粒物随着空气进入第一通道和连通通道，之后经过第二切割器的分离，粒径小于2.5μm的颗粒物随着空气进入第二通道，从而同时采集到两种规格的颗粒物，实现两种颗粒物的同时监测。

2.本发明颗粒物监测装置有含有该双通道颗粒物采样模块，因此可以实现两种颗粒物的同时监测，且本发明内置的盖格计数器电路结构简单，监测精度高，质量流量控制模块能够实现实时在线监测，运行稳定可靠、费用低，安装和维护简便，无需测量人员监守。

附图说明

图1是本发明一实施例双通道颗粒物采样模块的立体结构示意图。

图2是本发明一实施例双通道颗粒物采样模块的剖面结构示意图。

图3是本发明一实施例颗粒物监测装置的结构框图。

图4是本发明一实施例颗粒物监测装置中质量流量控制模块的原理框图。

图5是本发明一实施例颗粒物监测装置中盖格计数器的电路原理图。

附图中各部件的标记为：11上固定块、12下固定块、21第一通道、22第二通道、23连通通道、24压头、25密封圈、26压头导套、27弹簧座、28压头垫、29弹簧、31第一切割器、32第二切割器、4进气接头、5储尘容器、61连接孔、62滤纸托块、71L型支架、72方形支架、73轴。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述：

参见图1和图2。

本发明一实施例的双通道颗粒物采样模块，包括固定座以及设置在固定座上的进气接头4，所述固定座内设有第一通道21和第二通道22，所述进气接头4与第一通道21相连通，且所述进气接头4与第一通道21之间设有第一切割器31，所述第二通道22与第一切割器31或第一通道21之间设有连通通道23，所述连通通道23与第二通道22之间设有第二切割器32。

本实施例中，为测量PM10和PM2.5，所述第一切割器31为碰撞式PM10切割器，所述第二切割器32为旋风式PM2.5切割器，采样模块还包括储尘容器5，所述储尘容器5与第二切割器32相连通。

采样时，空气经由进气接头4进入采样模块，经过第一切割器31的分离，粒径小于10μm的颗粒物随着空气进入第一通道21和连通通道23，之后经过第二切割器32的分离，粒径小于2.5μm的颗粒物随着空气进入第二通道22，粒径大于2.5μm、小于10μm的颗粒物送入储尘容器5，从而同时采集到两种规格的颗粒物，实现两种颗粒物的同时监测。

本实施例中，所述固定座由上固定块11和下固定块12连接构成，所述第一通道21和第二通道22位于上固定块11内，所述下固定块12上设有两个连接孔61，两个所述连接孔61的位置分别与第一通道21和第二通道22的出口端相对应，两个所述连接孔61内上端均设有滤纸托块62，所述第一通道21和第二通道22内均设有筒状的压头24。

具体实施中，各所述压头24与第一通道21和第二通道22之间分别通过密封圈25密封，各所述压头24与第一通道21和第二通道22之间分别设有压头导套26，各所述压头24的外壁分别设有弹簧座27和压头垫28，压头24外套有弹簧29，弹簧29的下部卡在弹簧座内，上部顶在压头垫上，得到限位，压头垫能够在弹簧和上固定块之间增大受力面积，起缓冲作用，不用弹簧直接顶在上固定块，从而引起变形。

在抽气检测时，压头24被弹簧座上的弹簧轻微的顶压在滤纸上，形成一个密闭气体通道，然后启动采样泵，经过气体切割器分离将不同颗粒物经过相应的压头24内腔在滤纸上过滤留下相应的颗粒物，之后按照现有β射线吸收法进行测量即可。

具体实施中，为方便安装，上固定块11还可以分成几块，如图示例的上方的左右两块和下方的一块，各部件连接处需要密封的可采用密封圈，第一通道21和第二通道22竖向并排布置；下固定块上还设有与连接孔61相通的螺纹孔，用于安装快速接头与抽气的采样泵连接。

下固定块12的顶面右端设有凹陷的台阶，台阶处设有L型支架71和方形支架72，L型支架71和方形支架72通过轴73相连成U型。L型支架和方形支架组合一起，安装上轴承和滚动轴，走纸时起限位和保护作用。

本采样模块可集成在盖格计数器上，可将采集几计数集成在一个模块。

参见图3。

本发明一实施例的颗粒物监测装置，包括上述双通道颗粒物采样模块、CPU控制模块、与CPU控制模块相连的开关电源、质量流量控制模块、显示模块、电机驱动模块、光电耦合器，还包括高压模块、纸盘电机、走纸电机、采样泵；纸盘电机、走纸电机、采样泵的输入端均与电机驱动模块的输出端相连，质量流量控制模块与AD采集模块相互通信；CPU控制模块包括微处理器、盖格计数器、与微处理器相互通信的RS232通讯模块、AD采集模块、IO控制模块；盖格计数器的输入端与高压模块相连、输出端与微处理器相连，RS232通讯模块的输出端与显示模块相连，IO控制模块与光电耦合器相连。

开关电源作为所述颗粒物监测装置的电源部分，为整个电路部分提供24V电压。电机驱动模块用于驱动纸盘电机、走纸电机及采样泵，其采用固态继电器，由于开关电源提供的电压为24V，而电机需220V电压驱动，固态继电器既具有放大驱动作用又有隔离作用，可将开关电源提供的电压转换为电机所需电压。纸盘电机驱动放置滤纸的纸盘，走纸电机驱动滤纸带的转动，采样泵利用负压抽取气体进行采样，通过其内部的机械装置使泵内部的隔膜做往复式运动，从而对固定容积的泵腔内的体积进行压缩、拉伸形成真空，在泵抽气口处与外界大气压产生压力差，在压力差的作用下，将气体压入泵腔，再从排气口排出，排出的气体经过滤纸后，采样气体中的颗粒物被收集在滤纸上。CPU控制模块为所述颗粒物监测装置的核心控制模块，其中微处理器采用ST公司的ARM控制器stm32f103系列，内部资源丰富，是CPU控制模块的控制核心。IO控制模块用于控制光电耦合器的通断，光电耦合器的作用是控制电机的转动与停止。显示模块包括LCD液晶触摸屏。RS232通讯模块作为微处理器与外界的串口通讯接口，主要作用是完成数据采集与处理的工作以及控制LCD液晶触摸屏。

结合图4，所述颗粒物监测装置采用质量流量控制技术，能够使仪器在不同的阻力下快速自动恒流及具有温度、压力补偿功能，其通过质量流量控制模块实现。质量流量控制模块包括质量流量控制器，AD采集模块包括模数转换器、数模转换器，质量流量控制器与模数转换器、数模转换器串接。质量流量控制器可实时检测当前的气体流量，并由模数转换器将流量信号转换为0—5V电压，此电压一方面在LCD液晶触摸屏上显示，另一方面传给上位机，用于监测气体浓度信息和工作状态信息，同时生成报表、存储数据、记录历史数据、与环保部门联网通信等，同时可根据需要设定检测流量值，通过数模转换器向质量流量控制器提供相应的输入电压，直至达到设定值为止。所述质量流量控制模块使所述监测仪实现了实时在线监测跟踪流量，保证了监测精度。

请参阅图5，盖格计数器包括脉冲检测电路、整形电路、信号电平升高电路。脉冲检测电路用于产生检测脉冲，其包括盖格管U1、电阻R1、R2、电容C1、三极管Q1，电阻R1与三极管Q1的基极、发射级并联并接地，三极管Q1的基极与盖格管U1的1脚相连，电阻R2与电容C1并联后一端与高压模块(HV)相连、另一端与盖格管U1的2脚相连。整形电路将脉冲检测电路提供的脉冲信号转换成标准的矩形波信号，其包括电阻R3、R4、电容C2、反相器U2A，电阻R4的一端与三极管Q1的集电极相连、另一端与反相器U2A的输入端相连，电阻R3的一端与三极管Q1的集电极相连、另一端与反相器U2A的14脚相连，电容C2的一端与三极管Q1的集电极相连、另一端接地，U2A的14脚连接5V电压、7脚接地，图3中T2点为一测试点。信号电平升高电路可将整形电路输出信号的5V电压升高，用于后续检测电路(下限为14V)使用，其包括电阻R5、R6、R7、电容C3、反相器U2B，电阻R5的一端与电容C3的一端相连、另一端与反相器U2B的输入端相连，电容C3的另一端接地，电阻R6、R7的一端均与反相器U2B的输出端相连，R6的另一端接地，R7的另一端连接24V电压相连，图3中T3点为一测试点。

所述盖格计数器的工作原理是盖格管U1内填充有氩气，在盖格管的电极上加上直流高压HV，由高压模块提供500V电压，β射线穿过滤纸上的颗粒打到盖格管内的气体产生放电，其放电次数与β射线的强度有关，当β射线带电粒子数目比较多时，放电次数就比较多，则颗粒物的浓度比较低，当β射线带电粒子数目比较少时，放电次数比较少，则颗粒物的浓度比较高。R2和C1组成充放电电路，当有β射线通过管内气体时，产生放电电流，电流通过三极管Q1的基极输入，再从集电极输出(变成信号Gg_S)到电阻R4的输入端，经过反相器U2A转换为矩形波信号，经反相器U2B输出后由24V供电电压和电阻R7将矩形波信号的电压升高，变成信号I0.3输出至微处理器，由其进行计数处理，其中反相器U2A与U2B的供电电压是5V。

所述颗粒物监测装置采用美国EPA认可的β射线作为辐射源，利用抽气泵对大气进行实时采样，采样时监测仪可实时监控气路的流量，大气中的悬浮颗粒被吸附在β源和盖格计数器之间的滤纸表面，抽气前后盖格计数器计数值的改变反映了滤纸上吸附灰尘的质量，由此可以得到单位体积空气中悬浮颗粒物的浓度。

本发明内置的盖格计数器电路结构简单，监测精度高，质量流量控制模块能够实现实时在线监测，运行稳定可靠、费用低，安装和维护简便，无需测量人员监守。

应当理解本文所述的例子和实施方式仅为了说明，并不用于限制本发明，本领域技术人员可根据它做出各种修改或变化，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。