一种适用于空气净化器内在线测量pm2.5浓度的装置制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种适用于空气净化器内在线测量PM2.5浓度的装置，所述PM2.5测量装置置于机体内空气净化部分经初效滤网后的部位，由PM2.5滤网、复数个不同波长的激光发生器、透镜、光阑、分光镜、光电探测器、多通道放大电路、4～20mA信号隔离转换器、A/D模数转换器、单片机系统、LED显示屏组成，通过初效滤网和PM2.5滤网两次过滤将空气中的颗粒物进行了分离处理，直径大于2.5μm的颗粒被挡在了滤网上，直径小于等于2.5μm的颗粒进入测量区，测量对象锁定在了PM2.5范围，采用双波长光脉动装置测量出PM2.5的平均粒径和单位体积内的数量，然后计算出PM2.5浓度。本实用新型能够随时测量室内PM2.5浓度并将之显示于显示屏上，如果浓度超标会自动报警。
【专利说明】一种适用于空气净化器内在线测量PM2 5浓度的装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种适用于空气净化器内在线测量PM2.5浓度的装置，特别是一种符合室内空气净化器具体的测量环境和需求，并将装置成本低的PM2.5浓度测量装置。
【背景技术】
[0002]随着我国工业和经济的发展，环境污染问题也越来越突出，2013年前后，雾霾席卷大半个中国，空气质量极度恶化，人们对雾霾污染非常恐惧，加上流感和新型病毒H7N9的出现，使得广大民众对安全、健康空气环境的需求和呼声越来越高，空气净化器也因此开始走进千家万户。空气污染物有很多种类，主要包含颗粒物、气态污染物、有害微生物，其中又以颗粒物PM2.5的污染和危害最为严重。现在PM2.5已经成为了我国城市空气的首要污染物，这类颗粒物是大气能见度降低的主要原因，是雾霾的罪魁祸首；同时易于吸附有毒的重金属、有机污染物、病毒、细菌等，能通过呼吸系统进入人体，导致各种疾病，是肺癌的高发诱因，并影响胎儿和儿童发育，人民身心健康受到严重威胁。因此，开发出一种具备空气净化功能并含有PM2.5浓度监测装置的家用空气净化器非常必要。
[0003]目前市场的空气净化器种类繁杂，都宣称可以脱除细颗粒物PM2.5，但是脱除效果并不是我们肉眼可见亦或是其他感官能感知的，人们对究竟能否脱出PM2.5或者能脱除多少比例还存有怀疑，虽然有部分空气净化器装有灰尘传感器，但是灰尘传感器不具备PM2.5针对性并只能大致感应灰尘浓度变化，传感器只能通过指示灯给出很粗糙的颗粒信息，无法测量用户最关心的PM2.5浓度，并且所谓的灰尘传感器也没有得到权威部门验证，不能保证精确度。人们希望有一种空气净化器，在净化空气的同时，还能够准确在线测量空气中PM2.5浓度，并且价格不能过于昂贵。但目前没有任何一种空气净化器可以满足这个需求，因此开发一种空气净化器内在线测量PM2.5浓度的装置是非常符合大众心理需求的。
[0004]因为空气净化器是一种家用电器，所以PM2.5浓度测量装置的造价成本不可过高。光散射颗粒测量技术含有多种颗粒测量方法并且在工业上已有应用，但如果仅仅是直接把工业上的测量装置移植到空气净化器中的PM2.5浓度测量是很不合适的，因为它们没有针对空气净化器的测量环境和需求，并且用到特制多元光电探测器、光谱仪等昂贵设备测量颗粒粒径分布。而空气净化器不需要侧粒径分布只需要测量平均情况，并且要求尽可能减少装置成本。所以开发一种既可以测得PM2.5浓度又成本相对较低的方法和装置是关键。
实用新型内容
[0005]针对上述问题，本实用新型所提供一种适用于空气净化器内在线测量PM2.5浓度的装置，特别是一种符合室内空气净化器具体的测量环境和需求，并且装置成本较低的pm2.5浓度测量装置。
[0006]本实用新型为了实现上述目的，可以使用以下方案:
[0007]< 方案 1>
[0008]本实用新型提供了一种适用于空气净化器内在线测量PM2.5浓度的装置，在线测PM2.5浓度的装置置于机体内经初效滤网后的部位，分为激光发射区、测量区以及信号接收处理区，其特征在于，具有:两个激光发生器，具有不同的波长，分别为第一激光发生器和第二激光发生器；四个透镜；两个光阑；pm2.5滤网；两个分光镜；两个光电探测器；多通道放大电路；4?20mA信号隔离转换器;A/D模数转换器；单片机系统；以及LED显示屏；其中，测量区将激光发射区与信号接收处理区隔开，第一和第二激光发生器发射的激光分别经过一对平行设置的透镜校准后形成平行的单色光，然后分别平行的经过一对光阑限定，并经分光镜5:5分光后从激光发射区照射到测量区，测量区设置了 PM2.5滤网将空气中的大颗粒物滤掉，经激光发射区的初效滤网和PM2.5滤网隔离大颗粒后，测量区中只含有PM2.5颗粒，照射到测量区的两束光经PM2.5颗粒透射而衰减，从测量区出射的衰减的两束光经另一对平行设置的透镜进行消光后分别进入信号接收处理区，然后被两个平行放置的光电探测器测得，经光电探测器接收到的光强信号被分别转换成相应的电信号，然后依次经放大电路将信号放大、4?20mA信号隔离转换器的信号变换，以及A/D模数转换器将信号变换成数字信号，送入单片机中存储和计算，以两个不同波长的入射激光照射计算得到的重合值得到颗粒平均粒径以及单位体积内的颗粒数量，进而计算出PM2.5浓度，并将PM2.5浓度绘制曲线显示在LED显示屏上。
[0009]本实用新型所涉及的在线测量PM2.5浓度的装置，显示的PM2.5浓度曲线是一条随时间变化的波动曲线，波动曲线上除了显示测量瞬时的数据，也显示此时间点前若干时间的PM2.5浓度。
[0010]进一步，单片机程序中设置了 PM2.5浓度标准，当测得室内PM2.5浓度超标时会自动报警。
[0011]〈方案二〉
[0012]本实用新型提供了 一种适用于空气净化器内在线测量PM2.5浓度的装置，在线测量PM2.5浓度的装置置于机体内经初效滤网后的部位，分为激光发射区、测量区以及信号接收处理区，其特征在于，具有:三个不同波长的激光发生器，分别为第一激光发生器、第二激光发生器以及第三激光发生器；六个透镜；三个平行设置的光阑；PM2.5滤网；三个平行设置的分光镜；六个呈两组平行设置的光电探测器；A/D模数转换器；单片机系统；以及LED显示屏组成；其中，测量区将激光发射区与信号接收处理区隔开，第一、第二以及第三激光发生器发射的激光分别经过三个平行设置的透镜校准后形成平行的单色光，然后分别平行的经过三个平行设置的光阑限定，并经三个平行设置的分光镜5:5分光后从激光发射区照射到测量区，出射光强在分光后被激光发射区内的一组三个平行设置的光电探测器测得，测量区设置了 PM2.5滤网将空气中的大颗粒物分开，经初效滤网和PM2.5滤网隔离大颗粒后，测量区中只含有PM2.5颗粒，照射到测量区的三束光经PM2.5颗粒透射而衰减，从测量区出射的衰减的三束光经另一组三个平行设置的透镜进行消光后分别进入信号接收处理区，然后被另一组三个平行放置的光电探测器测得，经光电探测器接收到的光强信号被分别转换成相应的电信号，然后经A/D模数转换器将信号变换成数字信号，送入单片机中存储和计算，计算得到颗粒平均粒径以及单位体积内的颗粒数量，进而计算出PM2.5浓度，并将PM2.5浓度绘制曲线显示在LED显示屏上。
[0013]本实用新型所涉及的在线测量PM2.5浓度的装置，显示的PM2.5浓度曲线是一条随时间变化的波动曲线，波动曲线上除了显示测量瞬时的数据，也显示此时间点前若干时间的PM2.5浓度。
[0014]进一步，单片机程序中设置了 PM2.5浓度标准，当测得室内PM2.5浓度超标时会自动报警。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1是基于双波长光脉动的在线测量PM2.5浓度的装置结构示意图。
[0016]图2是基于三波长消光的在线测量PM2.5浓度的装置结构示意图。
[0017]图3是机体LED显示屏上显示的PM2.5浓度监测样图。
[0018]实用新型的作用与效果
[0019]本实用新型在线测量PM2.5浓度的装置首次采用双波长光脉动，或者三波长消光在线测量室内PM2.5浓度，首先是将室内空气中颗粒物进行分离处理，在光脉动原理的基础上，采用双波长激光照射，或采用三波长激光照射，在消光原理的基础上，根据光电探测器测得的信号，经过信号放大和模数转换后输入到单片机中，由单片机内依据光脉动原理或者光散射原理设计的程序计算得到PM2.5浓度，得到准确的结果，并且装置成本较低。用户可以直观明白地看到当前的PM2.5状况和空气净化后的效果。
【具体实施方式】
[0020]以下结合附图对本实用新型涉及的一种适用于空气净化器内在线测量PM2.5浓度的装置的优选实施例做详细阐述，但本实用新型不仅限于该实施例。为了使公众对本实用新型有彻底的了解，在以下本实用新型优选实施例中详细说明了具体细节。
[0021]实施例1:
[0022]图1为基于双波长光脉动的在线测量PM2.5浓度的装置结构示意图。
[0023]如图1所示，基于双波长光脉动的在线测量PM2.5浓度的装置100分为激光发射区和信号接收处理区，两个区域首先进行颗粒消除处理，保证区域内没有颗粒物的干扰，开口处均贴有HEPA滤网，防止空气中颗粒进入影响测试结果。基于双波长光脉动的在线测量PM2.5浓度的装置100由PM2.5滤网1-1、第一激光发生器1-2、第二激光发生器1-3，分别具有发射不同波长的激光并平行设置，两两平行设置的透镜1-4，共四个、两个平行设置的光阑1-5、平行设置的两个分光镜1-6、平行设置的两个光电探测器1-7、多通道放大电路1-8、4?20mA信号隔离转换器1-9、A/D模数转换器1_10、单片机计算系统1_11、LED显示屏1-12组成。具有一定速度的含尘空气经初效HEPA滤网和PM2.5滤网1-1过滤后，较大的颗粒因为运动惯性大，撞在滤网上而被滤网捕获，PM2.5因质量体积都很小，惯性也小，可以顺利通过PM2.5滤网1-1，PM2.5滤网1-1设置在测量区的入口端，空气经PM2.5滤网1-1进入测量区的大颗粒被滤掉，因此，测量区1-13中只含有PM2.5。测量区1-13体积为V=LXA，L为激光光程，A为测量区入射光速截面面积，由左边的光阑1-5决定，光阑小孔的面积即为入射光束截面面积。防护玻璃1-14的存在，是为了防止含尘空气进入激光器而影响测量，同时也不影响激光束通过。激光器1-2、1-3发出的激光经透镜1-4聚焦后成为平行光，经过光阑1-5限定和分光镜1-6分光后，从激光发射区照射到测量区中的颗粒，照射光强Itl经分光镜5:5分光后被相应信号接收处理区的光电探测器1-7测得。因为颗粒的消光作用，透射光强会衰减，衰减的透射光强I也被光电探测器接收1-7，由此可得到透过率T(透射光强I和照射光强Itl之比)。发生衰减的两束光束从测量区到达信号接收处理区，经光电探测器1-7接收的光强信号被转换成相应的电信号，然后经多通道放大电路1-8放大、4?20mA信号隔离转换器1-9信号变换和A/D模数转化器1-10模数转换后，变成数字信号，送入单片机中1-11储存并准备计算。单片机系统1-11按照事先设计好的程序，计算出透过率信号T=IAtl，以及T的平均值Tm和方差σΤ。然后再经光脉动理论计算得到PM2.5颗粒的平均粒径D和PM2.5颗粒的数量N。
[0024]测量区的体积控制的很小，长度为5mm，流过测量区的颗粒数呈现随机性，透过率T也呈现随机波动。同时，因为PM2.5粒径很小，消光系数K和D之间是一个起伏的多值对应关系，同时K只是D的函数，在光波长和颗粒折射率均为已知的情况下，K只和粒径D有关，一个激光波长照射时得到的结果为多解，无法确定哪个解是我们需要求得的D。两个不同波长的入射激光器1-2和1-3分别照射，根据不同的透过光强和透过率信号进行两次计算，因为测量区1-13中PM2.5的平均粒径是唯一确定的，两次计算的结果中都必定会同时含有正确的答案D，取两次计算结果中都出现的重合值即为所求的颗粒平均粒径D (实际计算中因为偶然误差的存在，有可能这两个值极为靠近但并不相同，可在程序中进行相关设定，在这种情况下取两次测量值的平均值)。由得到的平均粒径D和颗粒数量N就可以算出PM2.5的浓度:C=3.HXNXD3X P/6。其中P为空气PM2.5密度，为已知量。计算过程均在单片机系统1-11中完成。结果显示在LED显示屏1-12上。这样就完成了室内空气PM2.5浓度的准确在线测量。
[0025]实施例2:
[0026]图2为基于三波长消光的在线测量PM2.5浓度的装置结构示意图。
[0027]如图2所示，基于三波长消光在线测量PM2.5浓度的装置200也分为激光发射区和信号接收处理区，相关处理和双波长光脉动装置基本一致。基于三波长消光在线测量pm2.5浓度的装置200由PM2.5滤网2-1，具有不同波长的激光发生器2-2、激光发生器2_3以及激光发生器2-4、三个为一组互相平行设置的六个透镜2-5、三个平行设置的光阑2-6、三个平行设置的分光镜2-7、六个呈两组，并在一组中以三个平行设置的光电探测器2-8、A/D模数转换器2-9、单片机计算系统2-10、LED显示屏2_11组成。具有一定速度的含尘空气经初效Hepa滤网和PM2.5滤网2_1过滤后，使得测量区2_12中只含有PM2.5，PM2.5滤网2_1设置在测量区的入口端。三个不同波长的激光发生器2-2、激光发生器2-3以及激光发生器2-4发射的激光经过透镜校2-5准后成为平行的单色光，经过光阑2-6限定和分光镜2-7分光后从激光发射区照射到测量区中的颗粒，照射光强经分光镜5:5分光后被激光发射区的一组光电探测器2-8测得，照射光强分别为I,、、、。因为颗粒的消光作用，穿过含尘空气后的透射光强会衰减，发生衰减的三束光束从测量区到达信号接收处理区，透射光强也分别被相应的另一组三个平行设置的光电探测器2-8接收，透射光强分别为Ip 12、I3，信号经A/D模数转换器2-9转换为数字信号,传输到单片机系统2-10中，单片机根据Lamber-Beer定律以及消光系数的近似计算公式事先设计好的程序，根据所测得的照射光强和透射光强，计算出ΡΜ2.5的平均粒径D和单位体积内的数量N。由得到的平均粒径和颗粒数就可以算出PM2.5 的浓度:C=3.HXNXD3X P /6。
[0028]图3为机体LED显示屏上显示的PM2.5浓度监测样图。
[0029]如图3所示，机体显示屏上显示着PM2.5浓度监测样图，监测样图的横坐标为时间T，纵坐标为PM2.5浓度。不但可以看到测量时刻的PM2.5浓度，还可以看到测量点前一段时间内的PM2.5浓度的波动变化情况和空气净化后的效果。同时上面的红线为国家设定的PM2.5浓度标准，当测得室内pm2.5浓度超标时会自动报警，提醒用户污染状况，以便采取对策。
【权利要求】
1.一种适用于空气净化器内在线测量PM2.5浓度的装置，所述在线测PM2.5浓度的装置置于机体内经初效滤网后的部位，分为激光发射区、测量区以及信号接收处理区，其特征在于，具有: 两个激光发生器，具有不同的波长，分别为第一激光发生器和第二激光发生器；四个透镜；两个光阑；PM2.5滤网；两个分光镜；两个光电探测器；多通道放大电路；4~20mA信号隔离转换器;A/D模数转换器；单片机系统；以及LED显示屏； 其中，所述测量区将所述激光发射区与所述信号接收处理区隔开，第一和第二激光发生器发射的激光分别经过一对平行设置的透镜校准后形成平行的单色光，然后分别平行的经过一对所述光阑进行限定，并经所述分光镜5:5分光后从所述激光发射区照射到所述测量区， 所述测量区设置了 PM2.5滤网将空气中的大颗粒物分开，经所述激光发射区的初效滤网和所述PM2.5滤网隔离大颗粒后，所述测量区中只含有PM2.5颗粒，照射到所述测量区的两束光经PM2.5颗粒透射而衰减，从所述测量区出射的衰减的两束光经另一对平行设置的透镜进行消光后分别进入所述信号接收处理区，然后被两个平行放置的光电探测器测得， 经所述光电探测器接收到的光强信号被分别转换成相应的电信号，然后依次经所述放大电路将所述信号放大、4~20mA信号隔离转换器的信号变换，以及A/D模数转换器将所述信号变换成数字信号，送入所述单片机中存储和计算，以两个不同波长的入射激光照射计算得到的重合值得到颗粒平均粒径以及单位体积内的颗粒数量，进而计算出PM2.5浓度，并将所述PM2.5浓度绘制曲线显示在所述LED显示屏上。
2.根据权利要求1所述的在线测量PM2.5浓度的装置，其特征在于: 其中，显示的所述PM2.5浓度曲线是一条随时间变化的波动曲线，所述波动曲线上除了显示测量瞬时的数据，也显示此时间点前若干时间的PM2.5浓度。
3.根据权利要求1所述的在 线测量PM2.5浓度的装置，其特征在于: 其中，所述单片机程序中设置了 PM2.5浓度标准，当测得室内PM2.5浓度超标时会自动报m目O
4.一种适用于空气净化器内在线测量PM2.5浓度的装置，所述在线测量PM2.5浓度的装置置于机体内经初效滤网后的部位，分为激光发射区、测量区以及信号接收处理区，其特征在于，具有: 三个不同波长的激光发生器，分别为第一激光发生器、第二激光发生器以及第三激光发生器；六个透镜；三个平行设置的光阑；PM2.5滤网；三个平行设置的分光镜；六个呈两组平行设置的光电探测器；A/D模数转换器；单片机系统；以及LED显示屏组成； 其中，所述测量区将所述激光发射区与所述信号接收处理区隔开，第一、第二以及第三激光发生器发射的激光分别经过三个平行设置的透镜校准后形成平行的单色光，然后分别平行的经过三个平行设置的所述光阑限定，并经三个平行设置的所述分光镜5:5分光后从所述激光发射区照射到所述测量区，出射光强在分光后被所述激光发射区内的一组三个平行设置的光电探测器测得， 所述测量区设置了 PM2.5滤网将空气中的大颗粒物分开，经所述初效滤网和所述PM2.5滤网隔离大颗粒后，所述测量区中只含有PM2.5颗粒，照射到所述测量区的三束光经PM2.5颗粒透射而衰减，从所述测量区出射的衰减的三束光经另一组三个平行设置的透镜进行消光后分别进入所述信号接收处理区，然后被另一组三个平行放置的光电探测器测得， 经所述光电探测器接收到的光强信号被分别转换成相应的电信号，然后经所述A/D模数转换器将所述信号变换成数字信号，送入所述单片机中存储和计算，计算得到颗粒平均粒径以及单位体积内的颗粒数量，进而计算出PM2.5浓度，并将PM2.5浓度绘制曲线显示在所述LED显示屏上。
5.根据权利要求4所述的在线测量PM2.5浓度的装置，其特征在于: 其中，显示的所述PM2.5浓度曲线是一条随时间变化的波动曲线，所述波动曲线上除了显示测量瞬时的数据，也显示此时间点前若干时间的PM2.5浓度。
6.根据权利要求4所述的在线测量PM2.5浓度的装置，其特征在于: 其中，所述单片机程序中设置了 PM2.5浓度标准，当测得室内PM2.5浓度超标时会自动报
【文档编号】G01N15/06GK203376235SQ201320460393
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2013年7月30日 优先权日:2013年7月30日
【发明者】温高森, 凡凤仙, 姜圣列, 赵存江 申请人:上海理工大学