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专利名称：三波段积分式大气气溶胶粒子散射系数测量仪及测量方法
技术领域：
本发明涉及一种环保、气象监测领域，具体地说是一种实时在线监测大气气溶胶粒子散射系数的仪器与方法。
背景技术：
大气气溶胶是由直径为0. 1 10 μ m的液态、固态颗粒物与气体组成的多相体系， 具有很大的时间和空间变化。在自然干洁大气中，大气气溶胶的质量浓度在 μ g · πτ3以下，在城市污染大气中，气溶胶质量浓度可达到每立方米几毫克。近年来，大气气溶胶作为全球气候变化的重要驱动因子之一，已经成为当前全球变化研究的热点问题之一。国内外已先后开展了一系列研究工作来认识大气气溶胶的光学性质和辐射特性。在可见光波长范围内，对大气消光影响最大的是直径处于0. 6 1. 5 μ m范围内的气溶胶粒子。在一般情况下，如在不是由碳形成较厚的烟雾层的地区，可以认为气溶胶粒子的散射作用远大于吸收。由此可见，气溶胶的散射作用是很大的。关于气溶胶散射性质的测量，主要是通过两种方式，一种是直接测量气溶胶的散射系数，而另一种是根据粒子谱分布等参数通过Mie理论反演计算粒子散射系数。利用Mie理论进行计算需要假设折射指数， Mie计算过程很复杂且存在较大的误差。因此，迫切需要开发一种直接测量大气气溶胶粒子散射系数测量仪。国内迄今为止还未见关于直接测量大气气溶胶粒子散射系数的仪器。三波段积分式大气气溶胶散射系数测量仪可以对任意状态下的大气气溶胶的散射特性进行连续自动观测，而且其无接触性测量不会改变气溶胶粒子的性质。它还可以通过与其它仪器配合使用，进一步分析气溶胶的组成成分，为研究大气气溶胶提供了新的手段。

发明内容
本发明提出了一种三波段积分式大气气溶胶粒子散射系数测量仪及测量方法。本发明采用的技术方案测量原理单光子光电探测器接收到的单位立体角中的光亮度为
权利要求
1.三波段积分式大气气溶胶粒子散射系数测量仪，其特征在于包括光学测量腔室， 光学测量腔室内壁涂以无光黑漆；光学测量腔室的中间为散射腔(8)，散射腔顶端安装有基于LED的积分球光源(7)；散射腔左、右侧壁分别开有锥形透光孔(20、21)，散射腔左、右两侧的光学测量腔室内分别安装有数个光阑(19、20、21、22、23、24)，光学测量腔室的左、右侧壁上分别安装有光阱(9)、单光子光电探测器(11)；散射腔右侧光路的光阑外安装有可打开与闭合的散射快门(10、28、29、30)，光学测量腔室左右两端(26、27)设有标准气体和零气进气接口，光学测量腔室中部有样气进气端口(17)和出气端口(18)，通过采样泵(13) 从出光学测量腔室的出气端口抽气，样气从进气端口进入光学测量腔室；标准气体气路中安装有标气电磁阀(5)；零气进气气路中依次安装有粗过滤器(3)、零气泵(4)，标准气体气路、零气进气气路同时汇入精细过滤器(6)后接入到所述的标准气体和零气进气接口 ；积分球光源发出的光照射到散射腔内的样气中大气溶胶颗粒上产生的散射光一部分经过散射腔左侧的锥形透光孔、光阑到达光阱使得散射光偏离单光子光电探测器，散射光另一部分经过散射腔右侧的锥形透光孔光阑到达单光子光电探测器，单光子光电探测器将接收到的信号转换为电信号后送至微处理器(15)进行计数、处理并控制，并将测量和计算结果输送至触摸屏(16)显示。
2.根据权利要求1所述的三波段积分式大气气溶胶粒子散射系数测量仪，其特征在于所述的精细过滤器去除0. Ium以上粒子的效率为99.5%;散射快门由旋转电磁铁10、前端有圆孔的转臂30、毛玻璃28及衰减片29组成；光学测量腔室材料为阳极氧化铝。
3.根据权利要求1所述的三波段积分式大气气溶胶粒子散射系数测量仪，其特征在于所述的积分球光源，从积分球出光口(33)出射的光强满足朗伯分布；积分球三个侧面 (S1、S2、S3)分别安装红、绿、蓝三波段LED光源，波长分别选为630nm的红光、520nm的绿光及450nm的蓝光。
4.根据权利要求1所述的三波段积分式大气气溶胶粒子散射系数测量仪，其特征在于所述的积分球光源的散射角为10° -170°。
5.根据权利要求1所述的三波段积分式大气气溶胶粒子散射系数测量仪，其特征在于样气进气端口(17)和出气端口(18)分别连通于样气进气气路、样气出气气路，样气进气气路、样气出气气路中的气管均采用黑色硅胶管；样气出气气路中排气管的末端连有采样泵。
6.根据权利要求1所述的三波段积分式大气气溶胶粒子散射系数测量仪，其特征在于所述的微处理器主要由CPLD与C8052单片机组成，CPLD主要功能是根据单片机提供的光源时序对某一段时间内的光子进行计数，并将计数结果输送给单片机；单片机的主要功能是1)负责将CPLD提供的光子数进行实时计算；2)产生PWM时序信号控制光源亮灭； 3)实时采集温湿度传感器和压力传感器的数据；4)控制电磁阀、电磁铁、采样泵、零气泵及加热片的开关；5)将数据输送给单片机以显示并接受单片机的触摸指令从而控制其它部件进行相应的工作。
7.利用权利要求1所述的测量仪进行大气气溶胶粒子散射系数测量的方法，其特征在于，包括校准步骤和测量步骤一、校准步骤如下(1)标气校准让已知散射系数的标准气体进入光学测量腔室，分别测量在散射快门开启和关闭状态下的单光子光电探测器的测量计数Cm和参比计数Csh，计算它们的比值得到标气的测量比MRspan = Cm/Csh ；(2)零气校准通过隔膜泵将过滤后的空气(零气)抽入到光学测量腔室，分别测量在散射快门开启和关闭状态下的单光子光电探测器的测量计数C/和参比计数Csh'，计算它们的比值得到零气的测量比MRZCT。= Cm' /C' sh；(3)根据标气和零气的测量比及它们各自的散射系数值，绘制测量比与散射系数之间关系的校准曲线，由校准曲线得到其斜率k和截距b ；(4)计算标气或零气的校准稳定度校准稳定度计算公式为S= 100X (l-2s/x)；其中 X，s分别为校准气体测量比值样本的平均值和标准差；(5)计算光学测量腔室的器壁信号器壁信号计算公式为W= 100X (b/MRZCT。)，其中b 为校准曲线的截距，MRzero为零气的测量比值；二、测量步骤如下(1)样气被抽入光学测量腔室，通过采样泵从出气口排除；(2)积分球光源照射散射腔内的样气；(3)样气中的气体和大气溶胶颗粒成分引起光散射；(4)散射光经过光学测量腔室中的光阑让光进入散射角为10°-170° (图4)之间的锥形区域，最终达到单光子光电探测器，多次散射光不能进入单光子光电探测器；(5)单光子光电探测器产生的电信号是与入射光强成比例的，因此，单光子光电探测器产生的电信号与样气的散射系数成比例；(6)分别测量在散射快门开启和关闭状态下的单光子光电探测器的测量计数(；和参比计数Csh，得到测量比MRsample = Cm/Csh ；(7)根据校准过程得到的校准曲线计算气溶胶颗粒物散射系数对于任一环境样品，当测量比为MR时，可通过下式计算得到气溶胶颗粒物散射系数 σ3Ρ，单位为Mm 1Oσψ = crScat - (Ζ) 二 Γ ^--% (Ζ),其中，b为校准曲线的截距，k为校准曲线的斜率。
全文摘要
本发明三波段积分式大气气溶胶粒子散射系数测量仪及测量方法，包括光学测量腔室，腔室顶端安装有基于LED的积分球光源(7)，腔室内还安装有数个光阑(19、20、21、22、23、24)及非探测端安装反射镜(9)，以阻止多次散射光进入到探测器(11)；腔室中部有样气进气端口(17)和出气端口(18)，通过采样泵(13)抽气，样气从进气端口进入散射腔(8)。当积分球光源(7)被点亮时，从光源出射的光照射在样气上，实际测量散射光强是通过单光子探测器(11)接收并转换为测量光子数；利用性能稳定的毛玻璃(28)产生散射光，以消除由光源光强波动和光电倍增管倍率漂移引起的误差；通过标准气体和零气对测量的散射系数进行校准和空气瑞利散射背景扣除；单光子探测器将接收到的散射光信号转换为电信号后由微处理控制电路处理与控制，实时测量散射系数，并将数据输送至触摸屏(16)显示。本发明具有实时性好、测量精度高、系统稳定且易于维护。
文档编号G01N21/51GK102183492SQ20101058850
公开日2011年9月14日 申请日期2010年12月15日 优先权日2010年12月15日
发明者戚俊, 李季, 王月琴, 陈明星, 马兵 申请人:安徽循环经济技术工程院