本發(fā)明涉及光學(xué)儀器領(lǐng)域，特別是涉及一種顆粒物在線監(jiān)測(cè)儀。

背景技術(shù)：

空氣中的顆粒物無論是大粒徑還是小粒徑均成為大氣污染的主要原因，特別是PM2.5(小于或者等于2.5微米顆粒物)可吸入顆粒物會(huì)對(duì)人體的健康造成影響，主要對(duì)呼吸系統(tǒng)和心血管系統(tǒng)造成傷害，因此空氣中顆粒物的監(jiān)測(cè)對(duì)治理環(huán)境和保護(hù)人體健康意義重大。

目前國內(nèi)測(cè)量空氣中顆粒物的方法主要有濾膜稱重法、β射線吸收法、壓電晶體差頻法、光散射法等，其中β射線吸收法已普遍應(yīng)用于大氣中顆粒物的監(jiān)測(cè)中，且技術(shù)比較成熟。β射線是從核素放射性衰變中釋放出來的高速電子流，電離本領(lǐng)小，穿透能力大。天然放射系列放出的β粒子能量在0—4Mev，溫度、壓力、磁場(chǎng)等都不能顯著影響β射線的發(fā)射，應(yīng)用放射源作為測(cè)量手段具有較強(qiáng)的抗干擾能力，保證測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定可靠。β射線法工作原理是利用利用β射線衰減量來測(cè)量采樣期間增加的顆粒物質(zhì)量。當(dāng)β射線通過介質(zhì)時(shí)，β粒子與介質(zhì)中的電子相互碰撞損失能量而被吸收，在低能條件下，吸收程度取決于介質(zhì)的質(zhì)量，與顆粒物粒徑、成分、顏色及分散狀態(tài)無關(guān)。環(huán)境氣體透過濾紙后，顆粒物被收集在濾紙上，當(dāng)β射線穿過收集有顆粒物的濾紙時(shí)能量衰減，通過測(cè)量衰減前后的β粒子數(shù)，可以計(jì)算出顆粒物的濃度。

大氣中顆粒物的濃度是隨時(shí)變化的，現(xiàn)有的顆粒物監(jiān)測(cè)儀不能實(shí)時(shí)對(duì)大氣進(jìn)行采樣測(cè)量，且測(cè)量精度不高，而應(yīng)用高精度的顆粒物監(jiān)測(cè)儀運(yùn)行費(fèi)用昂貴，安裝與維護(hù)工作復(fù)雜。因此亟需提供一種新型的顆粒物監(jiān)測(cè)儀來解決上述問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種顆粒物在線監(jiān)測(cè)儀，能夠?qū)崟r(shí)在線監(jiān)測(cè)且監(jiān)測(cè)精度高。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的一個(gè)技術(shù)方案是：提供一種顆粒物在線監(jiān)測(cè)儀，包括CPU控制模塊、與CPU控制模塊相連的開關(guān)電源、質(zhì)量流量控制模塊、顯示模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、光電耦合器，還包括高壓模塊、紙盤電機(jī)、走紙電機(jī)、采樣泵；紙盤電機(jī)、走紙電機(jī)、采樣泵的輸入端均與電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的輸出端相連，質(zhì)量流量控制模塊與AD采集模塊相互通信，質(zhì)量流量控制模塊包括質(zhì)量流量控制器；

CPU控制模塊包括微處理器、蓋格計(jì)數(shù)器、與微處理器相互通信的RS232通訊模塊、AD采集模塊、IO控制模塊；蓋格計(jì)數(shù)器的輸入端與高壓模塊相連、輸出端與微處理器相連，RS232通訊模塊的輸出端與顯示模塊相連，IO控制模塊與光電耦合器相連；

蓋格計(jì)數(shù)器包括脈沖檢測(cè)電路、整形電路、信號(hào)電平升高電路；

脈沖檢測(cè)電路包括蓋格管U1，用于產(chǎn)生檢測(cè)脈沖；

整形電路用于將脈沖檢測(cè)電路提供的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為矩形波信號(hào)；

信號(hào)電平升高電路用于將整形電路輸出信號(hào)的電壓升高，最終將信號(hào)輸出至微處理器。

其中，脈沖檢測(cè)電路包括蓋格管U1、電阻R1、R2、電容C1、三極管Q1，電阻R1與三極管Q1的基極、發(fā)射級(jí)并聯(lián)并接地，三極管Q1的基極與蓋格管U1的1腳相連，電阻R2與電容C1并聯(lián)后一端與高壓模塊相連、另一端與蓋格管U1的2腳相連；整形電路包括電阻R3、R4、電容C2、反相器U2A，電阻R4的一端與三極管Q1的集電極相連、另一端與反相器U2A的輸入端相連，電阻R3的一端與三極管Q1的集電極相連、另一端與反相器U2A的14腳相連，電容C2的一端與三極管Q1的集電極相連、另一端接地，U2A的14腳連接5V電壓、7腳接地；信號(hào)電平升高電路包括電阻R5、R6、R7、電容C3、反相器U2B，電阻R5的一端與電容C3的一端相連、另一端與反相器U2B的輸入端相連，電容C3的另一端接地，電阻R6、R7的一端均與反相器U2B的輸出端相連，R6的另一端接地，R7的另一端連接24V電壓相連。

在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，開關(guān)電源提供24V電壓，高壓模塊提供500V電壓。

在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，顯示模塊包括LCD液晶觸摸屏。

在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用固態(tài)繼電器，由于開關(guān)電源提供的電壓為24V，而電機(jī)需220V電壓驅(qū)動(dòng)，固態(tài)繼電器既具有放大驅(qū)動(dòng)作用又有隔離作用，可將開關(guān)電源提供的電壓轉(zhuǎn)換為電機(jī)所需電壓。

在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，AD采集模塊包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器。進(jìn)一步的，質(zhì)量流量控制器與模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器串接。模數(shù)轉(zhuǎn)換器將質(zhì)量流量控制器輸出的流量大小轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號(hào)傳輸至微處理器，數(shù)模轉(zhuǎn)換器將微處理器輸出的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為流量大小傳輸給質(zhì)量流量控制器。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明內(nèi)置的蓋格計(jì)數(shù)器電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，監(jiān)測(cè)精度高，質(zhì)量流量控制模塊能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，運(yùn)行穩(wěn)定可靠、費(fèi)用低，安裝和維護(hù)簡(jiǎn)便，無需測(cè)量人員監(jiān)守。

附圖說明

圖1是本發(fā)明顆粒物在線監(jiān)測(cè)儀一較佳實(shí)施例的結(jié)構(gòu)框圖；

圖2是所述質(zhì)量流量控制模塊的原理框圖；

圖3是所述蓋格計(jì)數(shù)器的電路原理圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的較佳實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)闡述，以使本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和特征能更易于被本領(lǐng)域技術(shù)人員理解，從而對(duì)本發(fā)明的保護(hù)范圍做出更為清楚明確的界定。

請(qǐng)參閱圖1，本發(fā)明實(shí)施例包括：

一種顆粒物在線監(jiān)測(cè)儀，包括CPU控制模塊、與CPU控制模塊相連的開關(guān)電源、質(zhì)量流量控制模塊、顯示模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、光電耦合器，還包括高壓模塊、紙盤電機(jī)、走紙電機(jī)、采樣泵；紙盤電機(jī)、走紙電機(jī)、采樣泵的輸入端均與電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的輸出端相連，質(zhì)量流量控制模塊與AD采集模塊相互通信；CPU控制模塊包括微處理器、蓋格計(jì)數(shù)器、與微處理器相互通信的RS232通訊模塊、AD采集模塊、IO控制模塊；蓋格計(jì)數(shù)器的輸入端與高壓模塊相連、輸出端與微處理器相連，RS232通訊模塊的輸出端與顯示模塊相連，IO控制模塊與光電耦合器相連。

開關(guān)電源作為所述顆粒物在線監(jiān)測(cè)儀的電源部分，為整個(gè)電路部分提供24V電壓。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊用于驅(qū)動(dòng)紙盤電機(jī)、走紙電機(jī)及采樣泵，其采用固態(tài)繼電器，由于開關(guān)電源提供的電壓為24V，而電機(jī)需220V電壓驅(qū)動(dòng)，固態(tài)繼電器既具有放大驅(qū)動(dòng)作用又有隔離作用，可將開關(guān)電源提供的電壓轉(zhuǎn)換為電機(jī)所需電壓。紙盤電機(jī)驅(qū)動(dòng)放置濾紙的紙盤，走紙電機(jī)驅(qū)動(dòng)濾紙帶的轉(zhuǎn)動(dòng)，采樣泵利用負(fù)壓抽取氣體進(jìn)行采樣，通過其內(nèi)部的機(jī)械裝置使泵內(nèi)部的隔膜做往復(fù)式運(yùn)動(dòng)，從而對(duì)固定容積的泵腔內(nèi)的體積進(jìn)行壓縮、拉伸形成真空，在泵抽氣口處與外界大氣壓產(chǎn)生壓力差，在壓力差的作用下，將氣體壓入泵腔，再從排氣口排出，排出的氣體經(jīng)過濾紙后，采樣氣體中的顆粒物被收集在濾紙上。CPU控制模塊為所述顆粒物在線監(jiān)測(cè)儀的核心控制模塊，其中微處理器采用ST公司的ARM控制器stm32f103系列，內(nèi)部資源豐富，是CPU控制模塊的控制核心。IO控制模塊用于控制光電耦合器的通斷，光電耦合器的作用是控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)與停止。顯示模塊包括LCD液晶觸摸屏。RS232通訊模塊作為微處理器與外界的串口通訊接口，主要作用是完成數(shù)據(jù)采集與處理的工作以及控制LCD液晶觸摸屏。

結(jié)合圖2，所述顆粒物在線監(jiān)測(cè)儀采用質(zhì)量流量控制技術(shù)，能夠使儀器在不同的阻力下快速自動(dòng)恒流及具有溫度、壓力補(bǔ)償功能，其通過質(zhì)量流量控制模塊實(shí)現(xiàn)。質(zhì)量流量控制模塊包括質(zhì)量流量控制器，AD采集模塊包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器，質(zhì)量流量控制器與模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器串接。質(zhì)量流量控制器可實(shí)時(shí)檢測(cè)當(dāng)前的氣體流量，并由模數(shù)轉(zhuǎn)換器將流量信號(hào)轉(zhuǎn)換為0—5V電壓，此電壓一方面在LCD液晶觸摸屏上顯示，另一方面?zhèn)鹘o上位機(jī)，用于監(jiān)測(cè)氣體濃度信息和工作狀態(tài)信息，同時(shí)生成報(bào)表、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、記錄歷史數(shù)據(jù)、與環(huán)保部門聯(lián)網(wǎng)通信等，同時(shí)可根據(jù)需要設(shè)定檢測(cè)流量值，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器向質(zhì)量流量控制器提供相應(yīng)的輸入電壓，直至達(dá)到設(shè)定值為止。所述質(zhì)量流量控制模塊使所述監(jiān)測(cè)儀實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)跟蹤流量，保證了監(jiān)測(cè)精度。

請(qǐng)參閱圖3，蓋格計(jì)數(shù)器包括脈沖檢測(cè)電路、整形電路、信號(hào)電平升高電路。脈沖檢測(cè)電路用于產(chǎn)生檢測(cè)脈沖，其包括蓋格管U1、電阻R1、R2、電容C1、三極管Q1，電阻R1與三極管Q1的基極、發(fā)射級(jí)并聯(lián)并接地，三極管Q1的基極與蓋格管U1的1腳相連，電阻R2與電容C1并聯(lián)后一端與高壓模塊(HV)相連、另一端與蓋格管U1的2腳相連。整形電路將脈沖檢測(cè)電路提供的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的矩形波信號(hào)，其包括電阻R3、R4、電容C2、反相器U2A，電阻R4的一端與三極管Q1的集電極相連、另一端與反相器U2A的輸入端相連，電阻R3的一端與三極管Q1的集電極相連、另一端與反相器U2A的14腳相連，電容C2的一端與三極管Q1的集電極相連、另一端接地，U2A的14腳連接5V電壓、7腳接地，圖3中T2點(diǎn)為一測(cè)試點(diǎn)。信號(hào)電平升高電路可將整形電路輸出信號(hào)的5V電壓升高，用于后續(xù)檢測(cè)電路(下限為14V)使用，其包括電阻R5、R6、R7、電容C3、反相器U2B，電阻R5的一端與電容C3的一端相連、另一端與反相器U2B的輸入端相連，電容C3的另一端接地，電阻R6、R7的一端均與反相器U2B的輸出端相連，R6的另一端接地，R7的另一端連接24V電壓相連，圖3中T3點(diǎn)為一測(cè)試點(diǎn)。

所述蓋格計(jì)數(shù)器的工作原理是蓋格管U1內(nèi)填充有氬氣，在蓋格管的電極上加上直流高壓HV，由高壓模塊提供500V電壓，β射線穿過濾紙上的顆粒打到蓋格管內(nèi)的氣體產(chǎn)生放電，其放電次數(shù)與β射線的強(qiáng)度有關(guān)，當(dāng)β射線帶電粒子數(shù)目比較多時(shí)，放電次數(shù)就比較多，則顆粒物的濃度比較低，當(dāng)β射線帶電粒子數(shù)目比較少時(shí)，放電次數(shù)比較少，則顆粒物的濃度比較高。R2和C1組成充放電電路，當(dāng)有β射線通過管內(nèi)氣體時(shí)，產(chǎn)生放電電流，電流通過三極管Q1的基極輸入，再從集電極輸出(變成信號(hào)Gg_S)到電阻R4的輸入端，經(jīng)過反相器U2A轉(zhuǎn)換為矩形波信號(hào)，經(jīng)反相器U2B輸出后由24V供電電壓和電阻R7將矩形波信號(hào)的電壓升高，變成信號(hào)I0.3輸出至微處理器，由其進(jìn)行計(jì)數(shù)處理，其中反相器U2A與U2B的供電電壓是5V。

所述顆粒物在線監(jiān)測(cè)儀采用美國EPA認(rèn)可的β射線作為輻射源，利用抽氣泵對(duì)大氣進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，采樣時(shí)監(jiān)測(cè)儀可實(shí)時(shí)監(jiān)控氣路的流量，大氣中的懸浮顆粒被吸附在β源和蓋格計(jì)數(shù)器之間的濾紙表面，抽氣前后蓋格計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值的改變反映了濾紙上吸附灰塵的質(zhì)量，由此可以得到單位體積空氣中懸浮顆粒物的濃度。

本發(fā)明內(nèi)置的蓋格計(jì)數(shù)器電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，監(jiān)測(cè)精度高，質(zhì)量流量控制模塊能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，運(yùn)行穩(wěn)定可靠、費(fèi)用低，安裝和維護(hù)簡(jiǎn)便，無需測(cè)量人員監(jiān)守。

以上所述僅為本發(fā)明的實(shí)施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明說明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運(yùn)用在其他相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護(hù)范圍內(nèi)。