CN102680349B - 一种pm2.5的监测设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种PM2.5的监测设备，包括依次设置的颗粒物采集层、多个第一分离层、多个第二分离层以及有机挥发物检测层，其中，所述颗粒物采集层，用于采集大气中多级颗粒物；所述多个第一分离层，用于按不同尺寸收集PM2.5以上的颗粒物；所述多个第二分离层，用于按不同尺寸大小收集PM2.5以下的粉尘颗粒并测量其重量；所述有机挥发物检测层，用于检测有机挥发物的质量、体积参数。采用本发明提供的PM2.5的监测设备，能够准确监测大气中的有机挥发物VOC(VOLATILE？ORGANIC？COMPOUNDS)，且不需要过滤膜，并能实现系统自动清洗。

Description

一种PM2.5的监测设备

技术领域

本发明涉及环境大气采集与监测领域，具体涉及一种PM2.5的监测设备。

背景技术

PM2.5是指大气中直径小于或等于2.5微米的颗粒物，也称为可入肺颗粒物，虽然PM2.5只是地球大气成分中含量很少的组分，但它对空气质量和能见度等有重要的影响。与较粗的大气颗粒物相比，PM2.5粒径小，富含大量的有毒、有害物质且在大气中的停留时间长、输送距离远，因而对人体健康和大气环境质量的影响更大。PM2.5产生的主要来源，是日常发电、工业生产、汽车尾气排放等过程中经过燃烧而排放的残留物，大多含有重金属等有毒物质。一般而言，粒径2.5微米至10微米的粗颗粒物主要来自道路扬尘等；2.5微米以下的细颗粒物（PM2.5）则主要来自化石燃料的燃烧（如机动车尾气、燃煤）、挥发性有机物等。气象专家和医学专家认为，由细颗粒物造成的灰霾天气对人体健康的危害甚至要比沙尘暴更大。粒径10微米以上的颗粒物，会被挡在人的鼻子外面；粒径在2.5微米至10微米之间的颗粒物，能够进入上呼吸道，但部分可通过痰液等排出体外，另外也会被鼻腔内部的绒毛阻挡，对人体健康危害相对较小；人体的生理结构决定了对PM2.5没有任何过滤、阻拦能力，而PM2.5对人类健康的危害却随着医学技术的进步，逐步暴露出其恐怖的一面。例如，在PM2.5水平远远低于中国的欧洲，PM2.5导致人们的平均寿命减少8.6个月；而PM2.5还可成为病毒和细菌的载体，为呼吸道传染病的传播推波助澜。

目前国际上主要发达国家以及亚洲的日本、泰国、印度等均将PM2.5列入空气质量标准，中国也开始意识到该问题，并着手将PM2.5列入环境空气质量指标。最近几个月,位于北京朝阳区的美国大使馆公布的北京PM2.5对应的AQI数据已经几次打破人类建立表格以来的极限值500,达到“极其糟糕”的540和557，而同期中国政府采用PM-10设备监测的数据却显示“轻度-重污染”。

现有的对PM2.5进行监测的方法一般采用石英晶体震荡天平法、β（beta）射线法和光散射法，以及手工标准秤重方法，但这4种技术都有其局限性：

第一种石英晶体振荡天平法，是在质量传感器内使用一个石英空心锥形管，在空心锥形管振荡端上安放可更换的滤膜，振荡频率取决于石英锥形管特性和它的质量。当采样气流通过滤膜，其中的颗粒物沉积在滤膜上，滤膜质量变化导致振荡频率变化，通过测量振荡频率的变化计算出沉积在滤膜上颗粒物的质量，再根据采样流量、采样现场环境温度和气压计算出该时段的颗粒物标态质量浓度。这种技术的优点是定量关系明确，缺点是目前的技术无法解决样品加热后挥发性和半挥发性物质的损失，导致测定结果被认为偏低，从而出现失真；

第二种β射线法，其基本原理是利用堆积在石英滤膜上的颗粒物对碳-14释放的β射线衰减量的变化检测大气颗粒物质量的变化。环境空气由采样泵经切割器吸入采样管，经过滤膜后排出，而颗粒物沉淀在条状石英滤膜上，当β射线通过沉积着颗粒物的滤膜时，β射线强度发生衰减，通过对衰减量的测定计算出颗粒物的浓度。这一方法是基于两个假设，其一是仪器的石英采样滤膜条带均一，其二是采集下来的PM2.5粒子物理特性均一(即颗粒大小一致,颗粒成分一致,颗粒在过滤膜上的分布均匀等)，对β射线强度衰减率相同。而上述两点在现实条件下往往并不成立，因此测定数据一般被认为也存在偏差，且这种检测方法在潮湿高温区域故障率也很高；

第三种光散射法，在国内有很大误解，国内一些专家认为光散射法是主要测量PM2.5的数量浓度，关注的是M2.5的个数，因此主要用于气象部门的能见度监测研究。其实这是不对的，光散射法监测的是颗粒数量的多少、颗粒横截面积的多少、发光管的波长、接收管的波长、以及颗粒相对于发光管和接收管的角度。在大多情况下，颗粒物的重量和颗粒物的横截面积是有很高的关联度的。并且光学散射法是能监测有机挥发物(VOCVOLATILEORGANICCOMPOUNDS)的，而其余三种方案都不能有效监测VOC；

第四种手工标准秤重法，在我国前述几种方法中，无论振荡天平法还是β射线法在实践中都各有优劣，其使用必须与标准称重法(又称滤膜称重法)进行校准。所谓标准称重法只需要一个PM2.5切割头、一台泵和膜架及其滤膜，采集24小时样品后，取下滤膜称重即可，必要时可以平行采集3个样品，经恒温恒湿后再称重。虽然这种方法经济成本低，容易实施，但也存在一定的缺陷，当气流长时间不断通过采样滤膜时，滤膜上采集到的物质随着气流和温度的变化也会造成挥发性和半挥发性物质的损失，同时一些极细小的颗粒还是能穿过滤膜造成结果偏低；相反，气态物质也可能被滤膜吸附，造成结果偏高。

总之，上述4种方法都有其局限性，荷兰在2007年对使用前三种技术的九种产品进行测试实验,所有检测器在一些项目上都没有达标，其中还有一种震荡型传感器在16个检测项目中，有高达14项未能达标。

发明内容

本发明的目的在于提供一种PM2.5的监测设备，主要解决现有仪器检测不准确的问题，尤其是对大气中有机挥发物VOC(VOLATILEORGANICCOMPOUNDS)的检测。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种PM2.5的监测设备，包括依次设置的颗粒物采集层、多个第一分离层、多个第二分离层以及有机挥发物检测层，其中，

所述颗粒物采集层，用于采集大气中多级颗粒物；

所述多个第一分离层，用于按不同尺寸收集PM2.5以上的颗粒物；

所述多个第二分离层，用于按不同尺寸大小收集PM2.5以下的粉尘颗粒并测量其重量；

所述有机挥发物检测层，用于检测有机挥发物的质量、体积参数。

进一步，所述有机挥发物检测层由QCM以及加附在QCM表面具有吸附有机挥发物的吸附膜或吸附层组成。

进一步，所述有机挥发物检测层由加热器以及加附在加热器表面具有吸附有机挥发物的吸附膜或吸附层组成。

进一步，所述有机挥发物检测层还包括加热控制电路，由所述加热控制电路控制加热器而产生不同的温度，从而使吸附在吸附膜或吸附层上的多种有机挥发物在不同温度脱离吸附，进入空气流。

进一步，所述有机挥发物检测层还包括传感器检测单元，所述传感器检测单元用于在有机挥发物脱离吸附后对有机挥发物的体积和质量进行检测。

进一步，所述传感器检测单元包括光学散射传感器和空气流量传感器。

进一步，所述具有吸附有机挥发物的吸附膜或吸附层为具有吸附有机挥发物的大表面积多孔的有机或者无机物质构成。

进一步，所述具有吸附有机挥发物的大表面积多孔的有机或者无机物质为非晶硅、泡沸石（ZEOLITE）或活性炭。

进一步，在所述颗粒物采集层、多个第一分离层、多个第二分离层以及有机挥发物检测层的每一层内采用一个独立的高空气流量的细管，用于对相应层进行清洁。

进一步，所述颗粒物采集层采用PM2.5切割器实现。

进一步，所述多个第一分离层采用多个惯性冲撞粉尘颗粒分离板实现。

进一步，所述多个第二分离层采用多个QCM实现。

进一步，所述多个第二分离层还包括光学散射传感器，所述光学散射传感器设置于QCM底端，用于在QCM收集粉尘颗粒时或者对QCM表面使用高空气流量清洁时对粉尘颗粒进行监测。

进一步，所述多个第二分离层还包括过滤网，所述过滤网设置在QCM检测表面的上方，通过支点架空过滤网的边缘，使得过滤网不与QCM检测表面相接触。

进一步，所述过滤网采用金属材料制成，所述过滤网的网孔直径大于2.5微米。

采用上述本发明技术方案的有益效果是：采用本发明提供的PM2.5的监测设备，能够准确监测大气中的有机挥发物VOC(VOLATILEORGANICCOMPOUNDS)，且不需要过滤膜，并能实现系统自动清洗。

附图说明

图1为本发明实施方式一的设备结构示意图；

图2为本发明实施例中有机挥发物检测层的第二种实现方式的结构示意图；

图3为本发明实施方式二的设备结构示意图；

图4A为本发明实施方式三的设备结构示意图;

图4B为本发明实施方式四的设备结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

本发明提供了一种PM2.5的监测设备，图1为本发明实施方式一的设备结构示意图，如图1所示，在所述设备的进气道前端设置有颗粒物采集层101，其后依次设置有多个第一分离层102、多个第二分离层103以及有机挥发物检测层104，其中，所述颗粒物采集层101，用于采集大气中多级颗粒物，在本发明实施例中，所述颗粒物采集层101采用标准的PM2.5切割器实现，其可以是过滤纸,也可以常规的惯性冲撞平板；

所述多个第一分离层102，用于按不同尺寸分层并收集PM2.5以上的颗粒物，在本发明实施例中，所述多个第一分离层102采用多个惯性冲撞粉尘颗粒分离板实现，其中不同尺寸的颗粒物将会被不同层次的分离板收集；

所述多个第二分离层103，用于按不同尺寸大小收集PM2.5以下的粉尘颗粒并测量其重量；在本发明实施例中，所述多个第二分离层102采用多个QCM(石英晶体微重量天平)实现，每个QCM对不同尺寸大小的粉尘进行检测，但是每个QCM所收集的粉尘尺寸大小是有交叠的，比如第一个QCM所收集的粉尘颗粒尺寸可能是1.8～2.5微米;第二个QCM所收集的粉尘颗粒尺寸可能是1.3～2.1微米;第三个QCM所收集的粉尘颗粒尺寸可能是0.6～1.5微米等；

所述有机挥发物检测层104，用于检测有机挥发物的质量、体积参数，在本发明实施例中，所述有机挥发物检测层104可以采用多种方式实现，其第一种实现方式为：采用QCM以及加附在QCM表面具有吸附有机挥发物的吸附膜或吸附层106实现，VOC的检测可以通过一个或者多个QCM来实现，在该实施方式中，吸附有机挥发物的吸附膜或吸附层106的清洗和复原是通过加热的强空气流实现；其第二种实现方式如图2所示：所述有机挥发物检测层104采用加热器201以及加附在加热器201表面具有吸附有机挥发物的吸附膜或吸附层106实现，在该实施方式中，所述有机挥发物检测层104还包括加热控制电路202，由所述加热控制电路202控制加热器201而产生不同的温度，从而使吸附在吸附膜或吸附层106上的多种有机挥发物能够在不同温度下脱离吸附，进入空气流；由于各种VOC物质脱离吸附的温度不同，其在特定温度下的密度是一定的，因此，有机挥发物检测层还包括传感器检测单元203，例如可以采用光学散射传感器和空气流量传感器等，由传感器检测单元203在有机挥发物脱离吸附后对有机挥发物的体积和质量进行检测，通过该方法就能够得到准确的VOC的质量/体积的参数值。通过加热器温度控制系统，实现对VOC吸附材料的分布脱离吸附，由于各种VOC物质脱离吸附的温度不同，其在特定温度下的密度是一定的，其密度可以通过光学散射方法检测，因此通过该方法就能够得到准确的VOC的质量/体积的参数值；其第三种实现方式是采用空气流量传感器实现，这类传感器一般利用各种物质的导热率不同而区分不同物质，加上物质的密度、温度、压强等参数实现对VOC的总流量的检测，例如，在采用空气流量传感器对VOC进行检测时，还需要温度和湿度传感器来进行补偿，其补偿曲线可以通过实验室数据来校准。实验室的校准方法可以使用完全无粉尘的空气进行，通过变动温度、湿度参数，从而得到各种不同曲线；当然，对于野外使用的仪器也可以进行校准，同样也必须有一套可以基本100%过滤掉粉尘的系统。假设温度、湿度和检测设备能达成一致，因此校准不需要很频繁，所以校准部分内的过滤器可以使用很长时间。在该实施方式中，吸附有机挥发物的吸附膜或吸附层106的清洁是通过对有机挥发物加热来实现。

在上述实施式方式中，所述具有吸附有机挥发物的吸附膜或吸附层为具有吸附有机挥发物的大表面积多孔的有机或者无机物质构成，在具体应用时，所述大表面积多孔的有机或者无机物质可以选用非晶硅、泡沸石（ZEOLITE）或活性炭以及其他一些类似特性的物质。

在本发明实施例中，在所述颗粒物采集层102、多个第一分离层102、多个第二分离层103以及有机挥发物检测层104的每一层内采用一个独立的高空气流量的细管105，用于对相应层进行清洁。当然，对于设备内的清洁工作，也可以通过调节主管的空气流量来实现，当主管内空气流量特别大时，就达到了清洗QCM表面粉尘的目的。另外，最后一级附着在QCM表面VOC的清洗可以使用QCM上面的加热器，通过加热实现；也可以使用独立的细管，引入高温气流对VOC吸附物质进行清理，从而实现VOC脱离吸附的目的。在该实施方式中，通过高空气流量清洁设备是按照一定的顺序进行：如开始清洁时从最下层清洗，清洗后关闭气流；然后开启较上一层的气流，直到PM2.5监测设备的最高一层；当最高一层清洗完成后，关闭气流，再开启下面一层的气流进行清洗，直到最底一层清洗完毕；为了达到完全清洁的目的，此过程可以重复进行。

图3为本发明实施方式二的设备结构示意图，如图2所示：在该实施方式中，所述PM2.5的监测设备的具体结构与实施方式一相同，此处不再赘述，其不同之处仅在于多个第二分离层103还包括光学散射传感器301，所述光学散射传感器301设置于QCM底端，用于在QCM收集粉尘颗粒时或者对QCM表面使用高空气流量清洁时对粉尘颗粒进行监测。与现有其他技术以及本发明专利申请前面提到的方案相比，光学散射传感器301虽然只是检测粉尘颗粒的体积浓度，但是却可以通过光学法监测100%的粉尘颗粒，其他任何方法都只是监测部分粉尘颗粒的质量，而光学散射传感器301可以在QCM收集粉尘颗粒的同时对其进行监测（此时被监侧的粉尘颗粒尺寸范围比较大）；也可以在每一层粉尘颗粒被高气流清洗的时候对其监测（此时被监测的粉尘颗粒尺寸分布范围比较小）。另外，光学散射传感器301还可以判断QCM表面是否已经清理干净，当各层的光学散射传感器301的信号强度都降低到一定数值时，即可以判定QCM表面已经被清理干净。

在上述两种实施方式中，由于在PM2.5切割器后没有设置收集粉尘的过滤膜，因此省去了定期更换过滤膜的工作，与现有技术相比，本发明上述两种实施方式中公开的设备，其优越性在于：可以准确监测VOC，不需要过滤膜，且可以实现设备自动清洗的功能。

图4A、4B为本发明实施方式三、四的设备结构示意图，如图4A、4B所示，在该实施方式中，所述PM2.5的监测设备的具体结构与实施方式一或实施方式二相同，对于相同之处此处不再赘述，仅对不同之处进行阐述：该实施方式中图4A是在实施方式一的基础上对多个第二分离层增加过滤网401实现、该实施方式中图4B是在实施方式二的基础上对多个第二分离层增加过滤网401实现，所述过滤网401设置在QCM检测表面的上方，过滤网401在QCM的上面离开QCM监测表面一定距离，通过支点架空过滤网401的边缘，使得过滤网401不与QCM检测表面相接触，从而使过滤网401和QCM之间有足够的尺寸让粉尘颗粒在清理过程中被清理出QCM表面。由于本发明专利中使用的过滤网401不需要称量重量，所以材料可以是金属的，或者其他任意的长寿命材料。该实施方式中，由于使用了过滤网401，因此使得QCM能够收集更多的粉尘颗粒。而过滤网401的网孔直径大于2.5微米，也可以几倍于所收集的粉尘颗粒的大小，当每次收集粉尘、称量过程完成后，都需要使用高压气体清理QCM的表面，在清洗过程中依然可以使用高压气流；另外，由于本设计使用的过滤网401强度十分大，因此也可以选择人工清洗过滤网401，或者利用一些机械运动、转动，配合高压气体，实现对过滤网401的清洗。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种PM2.5的监测设备，其特征在于，包括依次设置的颗粒物采集层、多个第一分离层、多个第二分离层以及有机挥发物检测层，其中，

所述颗粒物采集层，用于采集大气中多级颗粒物；

所述多个第一分离层，用于按不同尺寸收集PM2.5以上的颗粒物；

所述多个第二分离层，用于按不同尺寸大小收集PM2.5以下的粉尘颗粒并测量其重量；

所述有机挥发物检测层，用于检测有机挥发物的质量、体积参数；

所述多个第二分离层采用多个QCM实现；

所述多个第二分离层还包括光学散射传感器，所述光学散射传感器设置于QCM底端，用于在QCM收集粉尘颗粒时或者对QCM表面使用高空气流量清洁时对粉尘颗粒进行监测。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述有机挥发物检测层由QCM以及加附在QCM表面具有吸附有机挥发物的吸附膜或吸附层组成。

3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述有机挥发物检测层由加热器以及加附在加热器表面具有吸附有机挥发物的吸附膜或吸附层组成。

4.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，所述有机挥发物检测层还包括加热控制电路，由所述加热控制电路控制加热器而产生不同的温度，从而使吸附在吸附膜或吸附层上的多种有机挥发物在不同温度脱离吸附，进入空气流。

5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，所述有机挥发物检测层还包括传感器检测单元，所述传感器检测单元用于在有机挥发物脱离吸附后对有机挥发物的体积和质量进行检测。

6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，所述传感器检测单元包括光学散射传感器和空气流量传感器。

7.根据权利要求2或3所述的设备，其特征在于，所述具有吸附有机挥发物的吸附膜或吸附层为具有吸附有机挥发物的大表面积多孔的有机或者无机物质构成。

8.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，在所述颗粒物采集层、多个第一分离层、多个第二分离层以及有机挥发物检测层的每一层内采用一个独立的高空气流量的细管，用于对相应层进行清洁。

9.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述颗粒物采集层采用PM2.5切割器实现。

10.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述多个第一分离层采用多个惯性冲撞粉尘颗粒分离板实现。

11.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述多个第二分离层还包括过滤网，所述过滤网设置在QCM检测表面的上方，通过支点架空过滤网的边缘，使得过滤网不与QCM检测表面相接触。

12.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，所述过滤网采用金属材料制成，所述过滤网的网孔直径大于2.5微米。