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技术知识

【技术】PM25传感器工作原理

  光散射原理有LED光(普通光学),激光等原理,传感器可以有效的探测出粒径约0.5um以上颗粒,至此光散射法听着可靠性相对较低,然而又由于光散射原理探头相对便宜,探头易安装,使用,做为监测应用相对合适,相对其它原理有较多的优势,且应用商选择质量较好,并相对稳定,灵敏的探头,数据可靠性大大增加!目前市面上光散射法应用成熟普遍,是pm2.5监测的较好选择!

  我国目前对大气颗粒物的测定主要采用重量法。其原理是分别通过一定切割特征的采样器,以恒速抽取定量体积空气,使环境空气中的PM2.5和 PM10被截留在已知质量的滤膜上,根据采样前后滤膜的质量差和采样体积,计算出PM2.5和PM10的浓度。必须注意的是,计量颗粒物的单位ug/m3 中分母的体积应该是标准状况下(0℃、101.3kPa)的体积,对实测温度、压力下的体积均应换算成标准状况下的体积。

  环境空气监测中采样环境及采样频率要按照HJ.T194的要求执行。PM10连续自动监测仪的采样切割装置一般设计成旋风式,它在规定的流量下,对空气中10um粒径的颗粒物具有50%的采集效率、以下为其技术性能指标表。

  TEOM微量振荡天平法是在质量传感器内使用一个振荡空心锥形管,在其振荡端安装可更换的滤膜,振荡频率取决于锥形管特征和其质量。当采样气流通 过滤膜,其中的颗粒物沉积在滤膜上,滤膜的质量变化导致振荡频率的变化,通过振荡频率变化计算出沉积在滤膜上颗粒物的质量,再根据流量、现场环境温度和气 压计算出该时段颗粒物标志的质量浓度。

  微量振荡天平法颗粒物监测仪由PM10采样头、PM2.5切割器、滤膜动态测量系统、采样泵和仪器主机组成。流量为1m3/h环境空气样品经过 PM10采样头和PM2.5切割器后,成为符合技术要求的颗粒物样品气体。样品随后进入配置有滤膜动态测量系统(FDMS)的微量振荡天平法监测仪主机, 在主机中测量样品质量的微量振荡天平传感器主要部件是一支一端固定,另一端装有滤膜的空心锥形管,样品气流通过滤膜,颗粒物被收集在滤膜上。在工作时空心锥形管是处于往复振荡的状态,它的振荡频率会随着滤膜上收集的颗粒物的质量变化发生变化,仪器通过准确测量频率的变化得到采集到的颗粒物质量,然后根据收 集这些颗粒物时采集的样品体积计算得出样品的浓度。

  Beta射线仪则是利用Beta射线衰减的原理,环境空气由采样泵吸入采样管,经过滤膜后排出,颗粒物沉淀在滤膜上,当β射线通过沉积着颗粒物的滤膜时,Beta射线的能量衰减,通过对衰减量的测定便可计算出颗粒物的浓度。

  Beta射线切割器、样品动态加热系统、采样泵和仪器主机组成。流量为1m3/h的环境空气样品经过 PM10采样头和PM2.5切割器后成为符合技术要求的颗粒物样品气体。在样品动态加热系统中,样品气体的相对湿度被调整到35%以下,样品进入仪器主机 后颗粒物被收集在可以自动更换的滤膜上。在仪器中滤膜的两侧分别设置了Beta射线源和Beta射线检测器。随着样品采集的进行,在滤膜上收集的颗粒物越 来越多,颗粒物质量也随之增加,此时Beta射线检测器检测到的Beta射线强度会相应地减弱。由于Beta射线检测器的输出信号能直接反应颗粒物的质量 变化,仪器通过分析Beta射线检测器的颗粒物质量数值,结合相同时段内采集的样品体积,最终得出采样时段的颗粒物浓度。配置有膜动态测量系统后,仪器能 准确测量在这个过程中挥发掉的颗粒物,使最终报告数据得到有效补偿,理接近于直实值。

  由于2,3,4等原理应用比较困难并且价格较高!我们重点看下第一个的原理:

  普通的、低价的光散射原理的PM2.5 传感器的原理是采用红外光,对1微米以下的颗粒物尤其是浓度较低的时候很难产生准确的散射判断。而可以获取单位体积内空气中0.3-2.5微米直径颗粒物准确浓度。

  灰尘传感器保养简单,可以长期保持传感器的特性.灰尘传感器可以感知烟草产生的烟气和花粉,房屋粉尘等1微米以上的微小粒子;

  灰尘传感器DSM501A是用光学方法测量悬浮于气相介质或者液相介质中的微小微粒特性的传感器装置,具有光测技术非接触式测量、不扰动被测对象等特点。

  微粒和分子在光的照射下会产生光的散射现象,与此同时,还吸收部分照射光的能量。当一束平行单色光入射到被测颗粒场时,会受到颗粒周围散射和吸收的影响,光强将被衰减。如此一来便可求得入射光通过待测浓度场的相对衰减率。

  而相对衰减率的大小基本上能线性反应待测场灰尘的相对浓度。光强的大小与经光电转换的电信号强弱成正比,通过测得电信号就可以求得相对衰减率。

  灰尘传感器被广泛应用于大气测量、火灾、烟气测量及工业锅炉、窑炉、化工厂排烟测量等领域。

  也可以用于各种布袋除尘器的破损检测及各种类型除尘器除尘效率的测量,为这些领域的自动化控

  2、两种输出模式,解决不同灵敏度使用要求,洁净环境Vout输出高电平信号(4V);

  红外由于光线强度不够,只能用浊度法测量。所谓浊度法,就是一边是发射光线,另一边接收,空气越浑浊光线损失掉的能量就越大,由此来判定目前的空气浊度。实际上这种方法是不能够准确测量PM2.5的,甚至光线的发射、接收部分一旦被静电吸附的粉尘覆盖,就会直接导致测量不精准。

  这种方法做出来的传感器只能定性测量(可以测出相对多少),不能定量测量(因为数值会飘)。更何况这种方法也区分不出颗粒物的粒径来,所以凡是用这种传感器的性能都不会好。目前这一类的传感器有夏普(一代二代都一样)、神荣的(小米二代净化器用的就是这款)、三赢等。

  相关的论文很多,就是激光散射的方法,并不是直接测量浊度,这一类的传感器共同的特点就是离不开风扇(或者用泵吸),因为这种方法空气如果不流动是测量不到空气中的悬浮颗粒物的,而且通过数学模型可以大致推算出经过传感器气体的例子直接大小,空气流量等,经过复杂的数学算法,最终得到比较线数值,这一类传感器是激光散射,对静电吸附的灰尘免疫,当然如果用灰尘吧传感器堵死了,自然也不可能测到。

  缺点是激光的寿命较短,如果连续运行的话基本上也就一年多的寿命而已,这还是厂家优化算法之后能够达到的寿命,但在绝大多数场合已经够用了,而且如果不连续运行,激光的寿命还能够更长。

  红外原理粉尘传感器的结构和电路比较简单。其光源为红外LED光源,气流进出风口主要靠电阻发热以获得热气流流动,有颗粒通过即输出高电平。输出信号只有PWM型号。

  激光传感器的结构和电路相对复杂。其光源为激光二极管。采样空气通过风扇或鼓风机推动,通过复杂设计的风道,进行检测。当空气中的细颗粒物进入激光束所在区域时,将使激光发生散射;散射光在空间360都有辐射,我们在适当位置放置光电探测器,使之只接收散射光,然后经过光电探测器的光电效应产生电流信号,经电路放大及处理后,即可得到细颗粒物浓度值。输出信号一般为串口输出。

  红外粉尘传感器在业内已成熟应用多年,两者的成本差距,主要是因为后者的物料成本中增加了激光发生器和风机等机构且需要复杂电路结构,并有较高的技术门槛。

  红外原理粉尘传感器只能检测到1um以上的颗粒,测量精度不足。因为红外LED光散射的颗粒信号较弱,只对大于1um的大颗粒有响应,而且又仅用加热电阻来推动采样气流,采样数较少,数据计算完全交由上位机进行。而激光粉尘传感器可以检测到0.3um以上的颗粒。因为自带高性能CPU,采用风扇或鼓风机采集大量数据,经由专业颗粒计数算法分析;综上,在采样数、数据源、算法三方面都比红外粉尘传感器更有优势。

  由于精度不足,红外原理传感器主要用于工矿扬尘,检测对象为大粒径、高浓度粉尘,检测级别是mg/m3,无法准确测量PM2.5的浓度。

  而激光原理传感器主要应用在PM2.5检测领域,以精度量化PM2.5质量。可嵌入到家用(车载、手持)空气检测仪、空气净化器中。此外,激光原理传感器在物联网数据采集、环境质量检测等领域亦有应用。

  在激光粉尘传感器进入民用领域之前,空气净化器中大量采用了红外粉尘传感器。但随着空气净化器行业的发展,加上一些大厂实现了激光粉尘传感器的批量化生产,激光粉尘传感器的造价在逐步降低,同时终端客户对精准测量空气质量的要求也越来越高。采用激光原理传感器、精准量化PM2.5质量已是业内公认的趋势。

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