CN102608009A - 一种颗粒物自动监测仪器 - Google Patents

Abstract

一种颗粒物自动监测仪器，属于大气监测设备技术领域，用于对大气中的颗粒物浓度进行监测，其技术方案是：它由尘样分离部分、尘样收集部分、纸带传送部分、尘样检测部分、恒流部分组成，尘样分离部分的切割器部件和尘样收集部分的采样管采用直插式硬连接，采样管下端连接的管道适配器与壳体密封连接，尘样检测部分镶嵌在尘样收集部分的内部，纸带传送部分的玻璃纤维滤带穿在尘样检测部分的正比例计数器和放射源之间，恒流部分的多个传感器和调节阀连接在尘样收集部分的出气管后部的管路上，调节阀与外置泵相连接。该仪器具有结构简单、运行周期长、维护方便、监测数据快速准确、可以与中心控制站进行实时传输和控制、免试剂、无污染等优点。

Description

一种颗粒物自动监测仪器

技术领域

    本发明涉及一种大气颗粒物自动监测装置，尤其是指一种能在线连续采集大气环境中的颗粒物并精确测量颗粒物浓度的在线监测装置，属于环境空气自动监测设备技术领域。

技术背景

大气颗粒物指的是分散在大气中的固态或液态颗粒状物质的总称，其粒径范围约为0.1-100微米。根据粒径大小，可分为空气动力学直径小于或等于100μm的总悬浮颗粒物TSP（Total Suspended Particulate）和空气动力学直径小于或等于10μm的可吸入颗粒物PM₁₀（Particles with Diameters of 10μm or less）。可吸入颗粒物又可分为细粒子PM_2.5（空气动力学直径小于或等于2.5μm）和粗粒子（空气动力学直径介于2.5μm至10μm）。

PM₁₀在环境空气中持续的时间很长，对人体健康和大气能见度影响都很大，被人吸入后，会累积在呼吸系统中，引发许多疾病。PM_2.5相对于PM₁₀来说，更容易长时间悬浮在空中，PM₁₀可进入人的鼻腔及气管，而PM_2.5除了能进入肺部，还能进入肺泡甚至血液。引起肺部和全身炎症，增加动脉硬化、血脂升高的风险，导致心律不齐，血压升高等。而且PM_2.5的危害是多重的，它不但会形成灰霾，降低能见度，还会威胁人体健康、生态环境，并通过远距离输送，造成区域性或全球性环境问题，甚至影响气候变化。

目前空气颗粒物的主要监测方法有：重量法、β射线吸收法、振荡天平法。重量法使用大流量采样器测量颗粒物浓度，它的缺点是工作量大、自动化程度低、不适合进行远距离检测，且取日均值时需连续采样12小时以上，不能反映PM₁₀浓度的短时间变化情况，不能对沙尘暴等恶劣天气的变化进行实时反映。振荡天平发的优点是实时性好、准确度高、检出限低；缺点是测量系统要求在50℃恒温下工作，样气中部分挥发性有机物容易蒸发，从而测出的数据偏低，此外，在湿度较大的雨天容易出负值。β射线吸收法的优点是使用的自动监测仪适用范围较广，在24小时空气质量连续自动监测中应用广泛，在污染较重或地理位置重要的地方，可有效地反映出空气中颗粒物浓度的变化情况，为环保部门进行空气质量评估和政府决策提供准确、可靠的数据依据。因此，β射线吸收法是颗粒物检测仪器的首选方法，我国也把该方法列为空气中颗粒物检测的标准方法。但是此方法采用的仪器结构复杂，使用不够方便，部分仪器的故障率较高，不能满足目前工农业生产和人民生活对环境监测日益增长的需要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于大气环境中TSP或PM₁₀或PM_2.5等颗粒物浓度精确测量的结构简单、使用方便、性能稳定的颗粒物自动监测仪器。

解决上述技术问题的技术方案是：

一种颗粒物自动监测仪，它由壳体、尘样分离部分、尘样收集部分、纸带传送部分、尘样检测部分、恒流部分组成。尘样分离部分安装在壳体外部，尘样分离部分的切割器部件和尘样收集部分的采样管连接采用直插式硬连接方式连接，尘样收集部分的采样管下端连接的管道适配器与壳体密封连接，尘样检测部分镶嵌在尘样收集部分的内部，纸带传送部分的玻璃纤维滤带穿在尘样检测部分的正比例计数器和放射源之间，恒流部分的多个传感器和调节阀连接在尘样收集部分的出气管后部的管路上，调节阀通过管路与外置泵相连接。

上述颗粒物自动监测仪，所述尘样分离部分由分离不同粒径的切割器组成，分别是TSP，PM_2.5和PM₁₀三种切割器，切割器的下端与尘样收集部分的采样管连接。

上述颗粒物自动监测仪，所述尘样收集部分由采样管、采用管加热套、管道适配器、出气管、进气管、上气道座、下气道座组成，采样管、采用管加热套、管道适配器安装在壳体外，它们依次连接，进气管一端与管道适配器相连接，另一端与上气道座相连接，尘样检测部分安装在上气道座和下气道座之间，下气道座与出气管相连接。

上述颗粒物自动监测仪，所述尘样检测部分由正比例计数器和放射源组成，正比计数器镶嵌在上气道座内部的上半部，放射源安装在下气道座的内部，正比例计数器与放射源上下相对，放射源采用¹⁴C（碳14）源。

上述颗粒物自动监测仪，所述纸带传送部分由安装基板上的收带轮驱动电机、收带轮、供带轮、摩擦从动轮、玻璃纤维滤带、凸轮杠杆组件组成，收带轮驱动电机与收带轮相连接，玻璃纤维滤带的两端分别缠绕在收带轮和供带轮上，玻璃纤维滤带的中部穿在尘样检测部分的正比例计数器和放射源之间，凸轮杠杆组件压紧在玻璃纤维滤带的上表面。

上述颗粒物自动监测仪，所述恒流部分由精密过滤器、质量流量传感器、压力传感器、温度传感器、湿度传感器和调节阀、外置泵以及相关的管路组成，下气道座的出气管通过管路与精密过滤器连接，该管路上安装有压力传感器、温度传感器、湿度传感器，精密过滤器再通过管路与调节阀相连接，质量流量传感器安装在该管路中，调节阀与外置泵相连接。

本发明的有益之处是：

这种颗粒物自动监测仪器可以完成野外无人值守的大气颗粒物自动监测任务，可实现TSP、PM₁₀和PM_2.5等颗粒物浓度的精确测量，实现连续、在线、实时、自动监测。本发明具有结构简单、运行周期长、维护方便、监测数据快速准确、可以与中心控制站进行实时传输和控制的显著优点。本发明填补了颗粒物自动监测仪器在连续、在线、实时、自动、精确测量TSP、PM₁₀和PM_2.5等颗粒物浓度的空白，有较高的经济效益和社会效益。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1的正视图；

图3是图1的俯视图；

图4是尘样分离部分和尘样收集部分结构示意图；

图5是尘样检测部分的结构示意图；

图6是纸带传送部分的结构示意图；

图7是恒流部分的结构示意图；

图8是监测气流运行方向图；

图9是图8的俯视图。

图中标号如下：

切割器10、管路适配器11、滤水瓶12；

采样管20、采样管加热套21、管道适配器22、出气管23、进气管24、上气道座25、下气道座26；

摩擦从动轮30、玻璃纤维滤带31、供带轮32、收带轮33、凸轮34、压臂35、压臂轴36、短压臂37、基板38；

正比例计数器40、密封件41、放射源42、探测器安装板43、测量组件安装板44、放射源安装筒45、支撑网座板46；

精密过滤器50、质量流量传感器51、调节阀52、出气口53、外置泵54、温度传感器55、压力传感器56、湿度传感器57、安装板58。

具体实施方式

本发明由壳体、用以分离气体颗粒物的尘样分离部分、用以收集已分离颗粒物的尘样收集部分、用以保证系统连续运行的纸带传送部分、用以确定采集颗粒物质量及浓度的尘样检测部分、用以控制系统入口流量恒定的恒流部分组成。

图中显示，尘样分离部分由分离不同粒径的切割器10组成，分别是TSP，PM_2.5和PM₁₀三种切割器，切割器10的下端与尘样收集部分的采样管20采用直插式硬连接方式连接，用镶嵌在切割器底座沟槽内的双O形圈密封，防止漏气。

图中显示，尘样收集部分由采样管20、采用管加热套21、管道适配器22、出气管23、进气管24、上气道座25、下气道座26组成。采样管20、采用管加热套21、管道适配器22安装在壳体外，采样管加热套21装在采样管20下部，仪器入口上端。采样管20下端与管道适配器22也采用相同的双O形圈密封，防止漏气。进气管24一端与管道适配器22相连接，另一端与上气道座25相连接，下气道座26与出气管23相连接。

图中显示，尘样检测部分安装在上气道座25和下气道座26之间，尘样检测部分由正比例计数器40和放射源42组成，正比计数器40镶嵌在上气道座25内部的上半部，上下两部分由极薄的高透明膜和上气道支撑网分隔开，通过粘接剂粘接实现对管路和上气道座内部的平面密封，放射源42安装在下气道座26的内部，正比例计数器40与放射源42上下相对，放射源采用¹⁴C（碳14）源。

在采样和测量过程中保持玻璃纤维滤纸带31处于静止和密封状态，在一个测量周期内只在测量开始前玻璃纤维滤纸带31运动一次。在尘样采集结束后，尘样检测部分对收集的颗粒物进行浓度检测和运算，得到这一时刻与尘样分离系统粒径对应的大气颗粒物平均浓度值。完成监测后由纸带传送系统提供新的玻璃纤维滤纸带31，并将使用过的玻璃纤维滤纸带31收集起来准备进行下一测量周期的测量。

图中显示，纸带传送部分由安装基板38上的收带轮驱动电机、收带轮33、供带轮32、摩擦从动轮30、玻璃纤维滤带31、凸轮杠杆组件组成，收带轮驱动电机与收带轮33相连接，玻璃纤维滤带31的两端分别缠绕在收带轮33和供带轮32上，玻璃纤维滤带31的中部穿在尘样检测部分的正比例计数器40和放射源42之间，凸轮杠杆组件压紧在玻璃纤维滤带31的上表面。玻璃纤维滤带31实现对支撑网座板46和上气道座25之间的平面密封，EPDM密封圈实现对支撑网座板46和下气道座26之间的平面密封。玻璃纤维滤带31未使用的和已使用的各在一侧。样品气体被上气道座25和支撑网座板46之间的玻璃纤维滤带31过滤，需要测量的颗粒物被挤压在支撑网座板46上的玻璃纤维滤带31截留。过滤后的气体进入下气道座26内部，并通过出气管23和PU管将恒流部分的精密过滤器50连接在一起。 

图中显示，恒流部分的作用是通过仪器的控制系统控制仪器入口处流量持续、恒定的抽取大气样品，在外置泵和恒流部分的作用下，保持仪器入口处流量为16.7L/m³时。恒流部分通过测量实时的标况流量，采样温度和采样大气压值，通过运算得出实际流量与需求流量的差值，由电机带动偏心式调节阀来达到需求流量。下气道座26的出气管通过管路与精密过滤器50连接，该管路上安装有压力传感器56、温度传感器55、湿度传感器57，精密过滤器50再通过管路与调节阀52相连接，质量流量传感器51安装在该管路中，调节阀52与外置泵54相连接。输出的气体安装精密过滤器50的目的是防止由于操作错误或玻璃纤维滤带31缺失从而导致大颗粒物进入质量流量传感器51引起传感器失效，进而导致整套系统失效。精密过滤器50为冗余设计，目的是为了减小外界因素变化对质量流量传感器51和系统测量的影响，精密过滤器50的过滤精度低于玻璃纤维滤带31的过滤精度，但是能够经过玻璃纤维滤带31的颗粒不会对质量流量传感器51和测量系统产生影响。在完成过滤后，气体经过质量流量传感器51后进入调节阀52直接与系统采样泵连接将气体排出仪器。

Claims (6)

1.一种颗粒物自动监测仪，其特征在于：它由壳体、尘样分离部分、尘样收集部分、纸带传送部分、尘样检测部分、恒流部分组成，尘样分离部分安装在壳体外部，尘样分离部分的切割器部件和尘样收集部分的采样管（20）连接采用直插式硬连接方式连接，尘样收集部分的采样管（20）下端连接的管道适配器（22）与壳体密封连接，尘样检测部分镶嵌在尘样收集部分的内部，纸带传送部分的玻璃纤维滤带（31）穿在尘样检测部分的正比例计数器（40）和放射源（42）之间，恒流部分的多个传感器和调节阀（52）连接在尘样收集部分的出气管（23）后部的管路上，调节阀（52）通过管路与外置泵（54）相连接。

2.根据权利要求1所述的颗粒物自动监测仪，其特征在于：所述尘样分离部分由分离不同粒径的切割器（10）组成，分别是TSP，PM_2.5和PM₁₀三种切割器，切割器（10）的下端与尘样收集部分的采样管（20）连接。

3.根据权利要求1或2所述的颗粒物自动监测仪，其特征在于：所述尘样收集部分由采样管（20）、采用管加热套（21）、管道适配器（22）、出气管（23）、进气管（24）、上气道座（25）、下气道座（26）组成，采样管（20）、采用管加热套（21）、管道适配器（22）安装在壳体外，它们依次连接，进气管（24）一端与管道适配器（22）相连接，另一端与上气道座（25）相连接，尘样检测部分安装在上气道座（25）和下气道座（26）之间，下气道座（26）与出气管（23）相连接。

4.根据权利要求3所述的颗粒物自动监测仪，其特征在于：所述尘样检测部分由正比例计数器（40）和放射源（42）组成，正比计数器（40）镶嵌在上气道座（25）内部的上半部，放射源（42）安装在下气道座（26）的内部，正比例计数器（40）与放射源（42）上下相对，放射源（42）采用14C（碳14）源。

5.根据权利要求4所述的颗粒物自动监测仪，其特征在于：所述纸带传送部分由安装基板（38）上的收带轮驱动电机、收带轮（33）、供带轮（32）、摩擦从动轮（30）、玻璃纤维滤带（31）、凸轮杠杆组件组成，收带轮驱动电机与收带轮（33）相连接，玻璃纤维滤带（31）的两端分别缠绕在收带轮（33）和供带轮（32）上，玻璃纤维滤带（31）的中部穿在尘样检测部分的正比例计数器（40）和放射源（42）之间，凸轮杠杆组件压紧在玻璃纤维滤带（31）的上表面。

6.根据权利要求5所述的颗粒物自动监测仪，其特征在于：所述恒流部分由精密过滤器（50）、质量流量传感器（51）、压力传感器（56）、温度传感器（55）、湿度传感器（57）和调节阀（52）、外置泵（54）以及相关的管路组成，下气道座（26）的出气管（23）通过管路与精密过滤器（50）连接，该管路上安装有压力传感器（56）、温度传感器（55）、湿度传感器（57），精密过滤器（50）再通过管路与调节阀（52）相连接，质量流量传感器（51）安装在该管路中，调节阀（52）与外置泵（54）相连接。

Images