一种具有预警功能的粒子计数器及工作模式判定方法与流程

1.本发明涉及粒子计数器技术领域，特别涉及一种具有预警功能的粒子计数器及工作模式判定方法。


背景技术：

2.粒子计数器是测试空气尘埃粒子颗粒的粒径及其分布的专用仪器，广泛应用于为各省市药检所、血液中心、防疫站、疾控中心、质量监督所等权威机构、以及电子行业、制药车间、半导体、光学或精密机械加工、塑胶、喷漆、医院、环保、检验所等生产企业和科研部门。
3.粒子计数器是一种利用光的散射原理进行尘粒计数的仪器。光散射和微粒大小、光波波长、微粒折射率及微粒对光的吸收特性等因素有关。但是就散射光强度和微粒大小而言，有一个基本规律，就是微粒散射光的强度随微粒的表面积增加而增大。这样一定流量的含尘气体通过一束强光，使粒子发射出散射光，经过聚光透镜投射到光电倍增管上，将光脉冲变为电脉冲，由脉冲数求得颗粒数。根据粒子散射光的强度与粒径的函数关系得出粒子直径。这样只要测定散射光的强度就可推知微粒的大小，就是光散射式粒子计数器的基本原理。
4.为了获得准确的粒子计数，理想状态下，粒子计数器工作时是通过一粒一粒穿过光敏区的粒子散射光的收集来获得粒子计数的，若被测气体中的粒子浓度较大，则多个粒子同时进入光敏区或者同时存在于光敏区的可能性就会大幅提升，造成粒子计数器的重叠损失亦或是损失误差，并由此导致粒子计数器的测量误差；极端情况下，当涌入粒子计数器气路的粒子颗粒过多，甚至会造成粒子计数器的腔体污染。
5.因此，有必要提供一种能够判断粒子计数器测量腔体中粒子浓度是否超标、具有预警功能的粒子计数器。


技术实现要素：

6.本发明提供一种具有预警功能的粒子计数器，可判断测量腔体中粒子浓度是否超标、并能及时处理，防止粒子计数器污染，保证粒子计数器的计数准确度。
7.本发明还提供一种粒子计数器的工作模式判定方法，可降低粒子计数器的重叠损失亦或者损失误差。
8.本发明的其他目的和优点可以从本发明所揭露的技术特征中得到进一步的了解。
9.为达上述之一或部分或全部目的或是其他目的，本发明一技术方案所提供的具有预警功能的粒子计数器包括：光路系统，包括光源；气路系统，包括进气机构和出气机构，所述进气机构包括进气通道，用于通入待测气体粒子和/或洁净气体；散射光收集系统，包括用于接收散射光的光电探测器；信号处理电路，与所述光电探测器的输出端相连，并将收集到的光电流信号转化为电压脉冲信号；还包括：第一处理器和第二处理器，分别与所述信号处理电路相连，其中，所述第一处理器对所述电压脉冲信号处理后进行粒子浓度计算，所述
第二处理器对所述电压脉冲信号处理后进行粒子计数统计；以及控制系统，用于接收所述第一处理器和/或所述第二处理器的信息，和/或，控制所述第一处理器和/或所述第二处理器。
10.该方案的有益效果在于，通过第一处理器计算待测气体粒子浓度，判断粒子计数器中待测气体粒子是否存在浓度超出预设标准，并基于判断结果通入待测气体粒子或洁净气体，达到防止粒子计数器浓度超预设标准导致计数不准确情况的发生，保证粒子计数器的计数准确度的目的。
11.上述粒子计数器还包括信号采集电路，所述信号采集电路与所述信号处理电路的输出端相连，用于对所述电压脉冲信号采样并转换为数字信号。所述第一处理器和所述第二处理器通过所述信号采集电路与所述信号处理电路相连。所述信号采集电路为模数转换电路。该技术方案的有益效果在于，通过信号采集电路将模拟形式的连续信号转换为数字形式的离散信号，使之更容易存储、处理，方便处理器处理。第一处理器可直接通过信号采集电路与所述信号处理电路相连，第一处理器也可以通过第二处理器与所述信号采集电路连接后连接至所述信号处理电路。
12.所述信号处理电路包括用于将所述光电流信号放大的放大电路。
13.所述信号处理电路还包括滤波电路，用于对干扰信号进行滤波。
14.所述第一处理器对所述信号采集电路采集到的数字信号进行统计和计算，得到待测气体粒子浓度。
15.所述第二处理器包括至少一个比较器、以及至少一个计数通道。优选的，所述比较器的数量和计数通道的数量相同。比较器用于将待测气体粒子的电压脉冲信号与预设的各粒径尺寸粒子的门槛电压比较，比较计算后计数通道对符合门槛电压标准的脉冲信号进行计数，得到对应门槛电压的粒径尺寸的粒子数量。
16.为达上述之一或部分或全部目的或是其他目的，本发明一实施例所提供的一种粒子计数器的工作模式判定方法包括：步骤1.接收待测气体粒子；步骤2.检测所述待测气体粒子浓度并获得待测气体粒子浓度数据；步骤3.将所述待测气体粒子浓度数据与预设预警浓度比较，基于所述待测气体粒子浓度数据低于所述预设预警浓度，粒子计数器对所述待测气体粒子进行计数并获得计数数据，或，基于所述待测气体粒子浓度数据高于所述预设预警浓度，采取预警措施。
17.其中，所述步骤1包括：粒子计数器的气路系统获得所述待测气体粒子，并输送至散射光收集系统，光电探测器接收待测气体粒子散射光并转化为光电流信号并传输给信号处理电路，信号处理电路将所述光电流信号转化为电压脉冲信号。所述步骤2包括：粒子计数器的第一处理器根据所述电压脉冲信号对所述待测气体粒子进行浓度测量，并获得所述待测气体粒子浓度数据。所述步骤3包括：基于所述待测气体粒子浓度数据与预设预警浓度数据的比较结果，当所述待测气体粒子浓度小于预设预警浓度时，粒子计数器继续进行粒子计数；当所述待测气体粒子浓度不小于预设预警浓度时，停止向粒子计数器的进气通道内输入待测气体粒子。
18.上述技术方案的有益效果在于，通过预设预警浓度，将待测气体粒子的浓度数据与预设值对比，判断粒子计数器处于正常工作状态亦或者是腔体内浓度超出预设浓度标准使得计数器无法准确计数甚至腔体处于污染状态，从而根据判断结果能够采取相应的措
施，避免粒子计数器计数不准确的发生，提高了粒子计数器的准确度。
19.粒子计数器的第二处理器在步骤2和/或步骤3中根据所述电压脉冲信号对所述待测气体粒子的粒子数量进行计数统计。当待测气体粒子浓度小于预设预警浓度时，第二处理器的计数数据纳入正常粒子计数工作的数据；当待测气体粒子浓度不小于预设预警浓度时，第二处理器停止粒子计数工作或继续进行计数工作，但获得的计数数据作为无效数据。
20.进一步地，所述粒子计数器的工作模式判定方法还包括步骤4：在停止向粒子计数器的进气通道内输入待测气体粒子后，通过向气路系统的进气通道输入洁净气体来清洁粒子计数器的测量腔体，直至测量腔体符合预设的标准测量条件。
21.洁净气体在进气机构的气路至少部分重合待测气体粒子的气路，作为可选的方案，洁净气体与待测气体粒子共用进气机构向测量腔体内光敏区输送的进气嘴以及将测量腔体内气体移除的出气机构。
22.与现有技术相比，本发明的有益效果主要包括：1、本技术的具有预警功能的粒子计数器，通过第一处理器计算待测气体粒子浓度，判断粒子计数器中待测气体粒子是否存在浓度超出预设标准，并基于判断结果通入待测气体粒子或洁净气体，达到防止粒子计数器浓度超预设标准导致计数不准确情况的发生，保证粒子计数器的计数准确度的目的。
23.2、本技术的粒子计数器的工作模式判定方法，通过预设预警浓度，将待测气体粒子的浓度数据与预设值对比，判断粒子计数器处于正常工作状态还是污染状态，从而根据判断结果能够采取相应的措施，避免粒子计数器计数不准确的发生，提高了粒子计数器的准确度。
24.为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举优选实施例，并配合附图，作详细说明如下。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明具体实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
26.图1为本发明实施例一的具有预警功能的粒子计数器的结构框图。
27.图2为本发明实施例一的粒子计数器的气路系统的结构框图。
28.图3为本发明实施例二的粒子计数器的气路系统的结构框图。
29.图4为本发明实施例三的具有预警功能的粒子计数器的结构框图。
30.图5为发明实施例四提供的粒子计数器的工作模式判定方法的流程示意图。
31.图6为发明实施例五提供的粒子计数器的工作模式判定方法的流程示意图。
具体实施方式
32.有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考图式的一优选实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提得到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附加图式的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限
制本发明。
33.图1和图2是本发明实施例一的具有预警功能的粒子计数器、及其气路系统的结构框图。结合参考图1和图2，本实施例的粒子计数器包括光路系统、气路系统、散射光收集系统、信号处理电路5、信号采集电路6、第一处理器7和第二处理器8、以及控制系统9。
34.其中，本实施例的光路系统包括光源11、光学整形机构12以及光陷阱13。光源11可以为激光光源，用于提供激光光束，激光光束经光学整形机构12整形后输出形成光路。光学整形机构12可以为非球面透镜、柱面镜、光阑等的一种或多种组合，目的在于对激光光束进行整形，消除光束的旁瓣，并将高斯分布的激光整形成能量分布均匀的平顶光束，提高光源性能，以便后续利用；沿光束传播方向设置于光敏区之后的光陷阱13对光束进行吸收。
35.气路系统包括进气机构和出气机构32。其中，进气机构又包括待测气体粒子进气通道311、待测气体粒子进气口开关312、洁净气体进气通道313以及洁净气体进气口开关314。待测气体粒子为包含待测粒子的气体，打开待测气体粒子进气口开关312，待测气体粒子进入进气通道315并通过进气嘴316进入光敏区4，并通过出气机构32输出，进气通道315输出的气体形成的气路与经光学整形机构12整形输出的光路一起形成光敏区4。洁净气体进气口开关314用于开关洁净气体进气通道313，实现洁净气体向进气通道315的输入。待测气体粒子进气口开关312和洁净气体进气口开关314不同时开启，当然，在其他实施例中两个开关312和314也可以一直处于开启状态，只需不同时通入待测气体粒子和洁净气体即可。
36.待测气体粒子进气口开关312、洁净气体进气口开关314的开启关闭可通过人工操作开关开启关闭以控制输入待测气体粒子或洁净气体；或，待测气体粒子进气口开关312、洁净气体进气口开关314信号连接到控制系统，控制系统控制待测气体粒子进气口开关312、洁净气体进气口开关314的开启关闭以控制输入待测气体粒子或洁净气体。
37.进一步的，其他实施例进气机构可选择的包括进气流量调节机构例如流量调节阀，流量调节阀信号连接于控制系统，控制系统可根据预设条件调节进气流量流速。
38.散射光收集系统包括光电探测器21和光反射镜22。待测气体粒子在光敏区4内发生散射，散射光直接或通过光反射镜22反射后被光电探测器21接收并转换为光电流信号。
39.信号处理电路5与光电探测器21的输出端相连，将光电流信号转化为电压脉冲信号。具体在本实施例中，信号处理电路5包括放大电路以及滤波电路，光电流信号经放大电路放大以及滤波电路过滤掉干扰信号后，转化为电压脉冲信号。本发明对放大及滤波的先后顺序不做具体限定。
40.信号采集电路6与信号处理电路5的输出端相连，对电压脉冲信号采样并转换为数字电压脉冲信号，该信号采集电路6例如可以为模数adc转换电路。
41.第一处理器7和第二处理器8与所述信号采集电路6相连。其中，第一处理器7为浓度监测装置，用于接收数字电压脉冲信号，并进行统计和计算，得到待测气体粒子浓度。可选择的，采用对第一处理器将信号采集电路采集到的电压幅值进行累加除以采集的时间求取平均值，然后结合预设的粒径、密度参数计算实时获得其浓度数据。
42.第二处理器8为计数监测装置，用于接收数字电压脉冲信号，处理得到待测气体粒子数量计数数据。本实施例中，第二处理器8例如可以包括多个比较器和多个计数通道，比较器的数量与计数通道的数量优选保持一致，多个比较器通过比较待测气体粒子的数字电
压脉冲信号电压幅值与门槛电压，以达到的最大门槛电压的计数通道对达到该门槛电压标准的粒子进行计数，得到对应的不同粒径尺寸的粒子个数，实现对多个粒径尺寸粒子的计数功能。其他实施例中，第二处理器8可对待测粒子电压脉冲信号的电压幅值随时间幅宽进行积分获得粒子的积分数值，将待测粒子的积分数值与各粒径的标准粒子的积分数值进行比较，得到对应的不同粒径尺寸的粒子个数，实现对多个粒径尺寸粒子的计数功能。
43.第一处理器7将待测气体粒子浓度、第二处理器8将计数数据传输给控制系统9。控制系统9将待测气体粒子浓度与控制系统内预设的预警浓度参数进行对比分析，当粒子浓度数据小于预警浓度时，控制系统9控制第二处理器8继续粒子计数；当粒子浓度数据大于或等于预警浓度时，控制系统9控制第二处理器8停止粒子计数；或者基于对比分析结果对第二处理器8的计数数据进行标记，当待测气体粒子浓度大于或等于预设的预警浓度参数，将第二处理器8的计数数据标记为无效数据，当待测气体粒子浓度小于预设的预警浓度参数，将第二处理器8的计数数据标记为有效数据或者不标记。
44.此外，当对比分析出待测气体粒子浓度超过预设的预警浓度参数时，控制系统9还可以控制停止待测气体粒子的输入，改由洁净气体进气嘴向粒子计数器的测量腔中输入洁净气体，第一处理器7持续监测粒子计数器测量腔中的浓度数据，直至测量腔中符合预设的洁净标准，而后控制系统9控制洁净气体停止输入，继续待测气体粒子的输入并进行浓度检测和粒子计数工作。
45.该技术方案的有益效果在于，通过在粒子计数器的气路系统中设置两个进气通道，通过第一处理器7计算待测气体粒子浓度并输入控制系统9与控制系统9内预设的预警浓度进行比较，判断粒子计数器是否存在污染，并基于判断结果打开进气机构的不同进气通道，达到防止粒子计数器污染导致计数不准确情况的发生，保证粒子计数器的计数准确度的目的。
46.图3为本发明实施例二的粒子计数器的气路系统的结构框图。与实施例一的不同在于，进气机构不包含独立开关的待测气体粒子进气通道、待测气体粒子进气口开关、洁净气体进气通道以及洁净气体进气口开关，而是采用气体颗粒过滤器317连接于进气通道315，当待测气体粒子通过气体颗粒过滤器317进入进气通道315，处于工作状态的气体颗粒过滤器317能够对待测气体粒子中的颗粒进行过滤获得洁净气体输送到进气通道315，即当气体颗粒过滤器317连接于进气通道并且开启颗粒过滤工作时向进气通道315输入洁净气体，当气体颗粒过滤器317连接于进气通道但未开启颗粒过滤工作时向进气通道315输入待测气体粒子。在其他实施例中，气体颗粒过滤器317与气通道315可拆卸连接，输入待测气体粒子时，气体颗粒过滤器317与气通道315断开连接，输入洁净气体时，气体颗粒过滤器317与气通道315保持连接并工作，实现了待测气体粒子和洁净气体的输入功能，且结构简单。
47.图4为本发明实施例三的具有预警功能的粒子计数器的结构框图。与实施例一的不同在于，第一处理器7连接于第二处理器8的输出端，对第二处理器8中统计的待测气体粒子的数量、粒径统计结合密度实时获得浓度数据。
48.其他实施例中也可以是实施例二结合实施例三获得具有具有预警功能的粒子计数器。
49.图5是本发明实施例四提供的粒子计数器的工作模式判定方法的流程示意图。该工作模式判定方法是基于实施例一至三中的粒子计数器来工作的。
50.请参考图5，本实施例的粒子计数器的工作模式判定方法包括：步骤1.接收待测气体粒子。具体的，向粒子计数器气路系统的进气通道内输入待测气体粒子，进气通道的进气嘴输出的气流与光路一起形成光敏区，待测气体粒子在光敏区发生散射，散射光被散射光收集系统中的光电探测器接收，并转换为光电流信号，光电流信号经由信号处理电路转化为电压脉冲信号。进一步地，还可以通过信号采集电路将电压脉冲信号转换为更易处理的数字电压脉冲信号。
51.步骤2.监测待测气体粒子浓度并获得待测气体粒子浓度数据。具体包括：第一处理器根据电压脉冲信号或数字电压脉冲信号对待测气体粒子进行浓度测量，并获得待测气体粒子浓度数据。此时，根据电压脉冲信号或数字电压脉冲信号，第二处理器可以直接开始对待测气体粒子进行计数统计。
52.步骤3.将待测气体粒子浓度数据与预设预警浓度比较，基于待测气体粒子浓度数据低于预设预警浓度，粒子计数器对待测气体粒子进行计数并获得计数数据，或，基于待测气体粒子浓度数据高于预设预警浓度采取预警措施。
53.其中，步骤3具体包括：当待测气体粒子浓度小于预设预警浓度时，第二处理器继续对待测气体粒子进行计数，并将第二处理器的计数数据纳入正常粒子计数工作的数据，即有效数据。当待测气体粒子浓度不小于预设预警浓度时，停止向粒子计数器的进气通道内输入待测气体粒子，此时，控制系统可以控制第二处理器持续计数工作或停止计数工作，但计数数据纳入停止正常粒子计数工作的数据，即无效数据。
54.此外，还包括步骤4.在停止向粒子计数器的进气通道输入待测气体粒子后，通过向进气通道输入洁净气体来清洁粒子计数器的测量腔体，直至粒子计数器的测量腔体符合预设的标准测量条件，即此时第一处理器仍旧在工作，直至测得测量腔体内的浓度数据符合洁净气体的参考值。另外，第二处理器也可以同时在工作，测量测量腔体内的技术数据，直至符合标准测量条件。粒子计数器方可重新启动，开始循环步骤1-4的工作。
55.图6是本发明实施例五提供的粒子计数器的工作模式判定方法的流程示意图。请参考图6，其与实施例四的区别在于，步骤2中先不启动第二处理器对待测气体粒子进行粒子计数，而是基于步骤3中待测气体粒子浓度与预设预警浓度的对比结果，再决定是否启动第二处理器进行粒子计数。
56.本发明实施例六在实施例四和实施例五的基础上，进一步优化。具体的，本实施例中的预设预警浓度包括多个预警浓度值，进气机构中设置气体流量或流速控制装置，控制系统控制进气机构中气体流量或流速控制装置对进气机构的进气流量或流速可调节的控制。示例性而言，可包括第一预警浓度、第二预警浓度、第x-n预警浓度
…
第x预警浓度
…
等，n＜x，x＞1，预警浓度可根据粒子计数器使用的空间环境的参考粒子浓度、预设单位体积粒子浓度的梯度浓度预警参数、以及粒子计数器测量腔体被污染的预警浓度参数，其中预设单位体积粒子浓度的梯度浓度预警参数包括预设产生测量误差的预警浓度，以及以预设产生测量误差的预警浓度的比例设置的先导预警浓度，即用该比例数值乘以预设产生测量误差的预警浓度数值，该比例设置小于1，例如0.5、0.6、0.7、0.8、0.9等，比例值根据实际情况预设。当待测气体粒子浓度≥粒子计数器测量腔体被污染的预警浓度参数时，通入洁净气体清洁测量腔体；当待测气体粒子浓度达到预设产生测量误差的预警浓度数值*比例值的第x-n预警浓度但是小于预设产生测量误差的预警浓度时，第一处理器、第二处理器正常工
作，控制系统控制进气机构降低待测气体粒子在进气通道进气的流速或流量，通过减少单位时间内待测气体粒子的进入量来降低测量误差；当预设产生测量误差的预警浓度≤待测气体粒子浓度＜粒子计数器测量腔体被污染的预警浓度参数时，可不通入洁净气体清洁测量腔体，而是通过粒子计数器的控制系统通过计算移除预设产生测量误差的预警浓度≤待测气体粒子浓度时的数据来提高粒子计数器数据的准确性。具体来说，在预设产生测量误差的预警浓度≤待测气体粒子浓度时，粒子计数器可以停止第二处理器的计数工作，虽然此时气路系统依旧在通入待测气体粒子，控制系统在计算时移除粒子计数器停止粒子数量计数工作的相关数据片段（例如该期间的时长、进入的气体体积等）进行计算，实现对粒子计数器的有效计数；或，第二处理器的计数工作仍在进行，但是该段计数数量会被标记为非正常数据，与该段其他相关计算参数一同被正常的粒子计数过程截除，不纳入粒子数量计数的计算，由此可降低粒子计数器的重叠损失亦或者损失误差；或，控制系统可调整通入待测气体粒子的体积，例如降低测气体粒子的进气流速，降低出气机构排出超预警浓度的待测气体粒子的压力，并能够连续的对待测气体粒子进行浓度监测和数量计数。
57.以上所述，仅为本发明的优选实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即所有依本发明权利要求书及说明书所作的简单的等效变化与修改，皆仍属本发明专利涵盖的范围内。另外，本发明的任一实施例或权利要求不须达成本发明所揭露的全部目的或优点或特点。此外，摘要部分和发明名称仅是用来辅助专利文件检索之用，并非用来限制本发明的权利范围。此外，本说明书或权利要求书中提及的“第一”、“第二”等用语仅用以命名元件(element)的名称或区别不同实施例或范围，而并非用来限制元件数量上的上限或下限。