CN103196775A

CN103196775A - 重量法大气颗粒物浓度在线监测的采样、称量装置与方法

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Publication number: CN103196775A
Application number: CN2013101185373A
Authority: CN
Inventors: 吴代赦; 朱衷榜; 黄双蕾; 姚秀红
Original assignee: JIANGXI YISHAN ENVIRONMENTAL PROTECTION CO Ltd
Current assignee: JIANGXI YISHAN ENVIRONMENTAL PROTECTION CO Ltd
Priority date: 2013-04-08
Filing date: 2013-04-08
Publication date: 2013-07-10
Anticipated expiration: 2033-04-08
Also published as: CN103196775B

Abstract

本发明公开了一种重量法大气颗粒物浓度在线监测的采样、称量装置与方法。中心有圆孔的隔板将密封罩分成上、下两部分，下部放置电子天平，上部安装进、出气管，该进气管管口安装了对接口。滤膜夹放在圆桶形支架上，电机驱动托盘可携支架穿过隔板的圆孔上、下移动，上升至顶端可使滤膜夹与对接口紧密对接，此时支架的底部将隔板圆孔封闭，气流经滤膜截获颗粒物后从支架侧壁的通风孔进入密封罩的上部，继而从出气管抽走。托盘下降将支架放在天平上可进行滤膜称量，此时气流不经过密封罩而从旁路外排。在单片机控制下，采样、称量可自动、连续进行。本发明实现了采样、称量、数据处理的自动化，使经典的重量法能应用于空气颗粒物质量浓度的在线监测。

Description

重量法大气颗粒物浓度在线监测的采样、称量装置与方法

技术领域

本发明涉及一种空气颗粒物质量浓度在线监测的装置与方法，特别是关于一种用重量法进行空气颗粒物质量浓度在线监测的采样、称量装置和方法。

空气颗粒物指的是分散在空气中的固态或液态颗粒状物质，根据其粒径大小，又可分为空气动力学直径小于或等于100 μm的总悬浮颗粒物(TSP)和空气动力学直径小于或等于10μm的可吸入颗粒物（ PM10）。可吸入颗粒物又可细分为细粒PM2.5(空气动力学直径小于或等于2.5 μm)和粗粒(空气动力学直径介于2.5μm至10μm ) 。

流行病学和毒理学的研究表明：人群呼吸系统和心血管系统疾病发病率、住院人数以及人群死亡率等都与大气中颗粒物浓度的变化相关。颗粒物，尤其是细颗粒物是其它污染物进入人体的载体，能够被吸入肺泡直接进入血液，严重危害人体健康，被公认为对人体健康危害最大，且代表性最强的大气污染物。颗粒物除对人体健康产生不良影响以外，还会对能见度、酸沉降、云和降水、大气的辐射平衡、平流层和对流层的化学反应等造成重要影响。因此，为保障人体健康、客观反映环境质量，需要对空气颗粒物质量浓度进行在线、连续、精确的监测。

根据最新颁布的《环境空气PM10和PM2.5的测定重量法》（HJ 618-2011），进行空气颗粒物质量浓度监测的标准方法是重量法，用能够截获颗粒物的滤膜，采样前在15~30℃中任一温度下，在（50±5）%的相对湿度下进行恒重后得其初始质量，采样过程中精确测控采样流量和时间——累计记录采样标准状态体积，采样后回到15~30℃的同一温度、（50±5）%的相对湿度下恒重后称得其截获质量，以初始质量、截获质量、采样标准状态体积计算出颗粒物浓度的监测结果。重量法的原理简单，测定数据可靠，测量不受颗粒物形状、大小、颜色、化学组成等的影响。因此，重量法是最直接、最可靠的方法，是验证其它方法是否准确的标杆。但重量法采样、称量都需要手工操作，程序比较繁琐、费时，不能立即给出测试结果，这就限制了该方法在空气颗粒物质量浓度自动、在线监测领域的应用。

目前市场上用于环境空气颗粒物质量浓度在线监测的仪器主要采用振荡天平法和b射线法。

1980年代R&P公司将振荡天平技术应用于空气颗粒物自动监测，其测量样品质量的微量振荡天平传感器主要部件是一个一端固定、另一端装有滤膜的空心锥形玻璃管，样品气流通过滤膜，颗粒物被收集在滤膜上。在工作时空心锥形玻璃管在电场作用下往复振荡，其振荡频率随滤膜上收集的颗粒物的质量变化而发生改变，仪器通过准确测量频率的变化计算出采集到的颗粒物的质量，然后根据收集这些颗粒物时采集的气体样品体积计算得出空气中颗粒物的质量浓度。但是温度也会影响锥形玻璃管的振荡频率，所以必须保证振荡天平的工作温度不受气体样品温度变化的影响。因此，振荡天平法颗粒物质量浓度监测仪都有加热、保温的部件与构造，以保障振荡天平在被测样品气流中，其工作温度能够保持恒定，一般为50℃，大大超过了标准重量法称重时的温度（15-30℃）。这使得一部分在标准重量法测定时稳定存在的物质由于温度的升高而挥发损失，导致测值偏低。据报道，振荡天平法测值一般比标准重量法约低8%。为补偿这部分因高温挥发带来的监测结果误差，Thermo Fisher Scientific公司采用滤膜动态测量系统（FDMS）来进行补偿的修正。FDMS让采样的滤膜周期性、间歇地使用经冷凝和颗粒物过滤的洁净空气进行吹扫，将在洁净空气吹扫期间颗粒物的减少量来补偿原测定结果。FDMS系统补偿的理想前提是：那些在标准重量法测定时“不该”挥发的物质，在高温（50℃）下在12分钟内（一个采样和吹扫周期）随时间匀速挥发释放，只有这种情况下吹扫期间减少的质量才能够补偿因过高温度而挥发失去的颗粒物质量。而在实际环境条件下这样的前提很难满足，尤其是气化温度在30-50℃之间的物质，当加热到50℃时很快就挥发殆尽了，对这些组分FDMS系统显然是无法补偿的，这显然将影响监测结果的准确性。

β射线法是将颗粒物收集在滤纸上，利用粉尘粒子吸收β射线的量与粉尘粒子的质量成正比关系的原理来监测。原子核在发生b衰变时放出b粒子，其穿透力较强，当它穿过一定厚度的吸收物质时，b射线强度随吸收层厚度增加而逐级减弱的现象叫做b吸收。当吸收物质的厚度比b粒子的射程小很多时，b射线在物质中的吸收近似为：I = I₀e^—μl，式中：I₀为没有吸收物质时的b射线强度；I为b射线穿过厚度为l的吸收物质后的强度；μ为质量吸收系数或质量衰减系数，单位为cm²/g；l为颗粒物层的质量厚度，单位为g/cm²。可见，b射线法是一种通过测量颗粒物层厚度来间接表征颗粒物质量浓度的方法，仪器校准采用标准膜片，并假定标准膜片的材质与所采颗粒物的成分相同。而环境中颗粒物的组成千差万别，对于不同的物质，μ随原子序数的增加而缓慢地增加。因此，b射线法测定的结果不光取决于空气颗粒物的质量浓度，还受颗粒物化学组成的影响。b射线法测定仪的滤纸带需要连续传动，采样气体的湿度过大可能会导致滤纸受潮、纸带韧性降低，在纸带传动过程中则易被拉断，使得仪器故障无法正常运行。为了防止滤纸受潮，常采用加热的方法以降低空气相对湿度，过高的加热温度同样会带来挥发性组分的损失。由于这些因素带来的误差，影响了b射线法与标准重量法测值的可比性，据报道，b射线法测定结果与经典重量法数据的相关性仅在77%到90%之间，远低于振荡天平法与标准重量法测试数据间的相关性（94%到99%）。b射线法测定结果比标准重量法平均高约7%。

发明内容

针对以上所述现有技术中存在的问题，本发明提供了一种重量法大气颗粒物质量浓度在线监测的采样、称量装置与方法，解决了传统重量法不能连续、自动采样，以及不能自动、实时分析的缺陷，可获得实时、准确的颗粒物质量浓度数据，从而可将经典的重量法应用于大气颗粒物质量浓度的在线监测。

本发明所采用的技术方案：一种重量法大气颗粒物浓度在线监测的采样、称量装置，包括空气样品输送系统、颗粒物捕集系统、滤膜夹升降系统、质量称量系统、智能控制系统。所述空气样品输送系统由抽气泵和气体管路组成，气体管路一端接到样品气体的除湿调温器的出口，另一端经三通管2接到进气管，该进气管穿过密封罩的顶部进入罩内；密封罩由隔板分成上、下两部分，上部为气体通道，密封罩的上部在左侧壁上开孔并安装了出气管道，该出气管道依次接到三通管1和抽气泵；三通管2的另一接口通过管路、弯头和三通管1接到抽气泵。所述的颗粒物捕集系统由对接口和滤膜夹组成，圆盘形对接口安装、固定在穿过密封罩顶部的进气管的出口端，为了保证对接口的稳定，在对接口的背面安装了3个加强筋板，3个加强筋板呈120⁰夹角均匀分布，并固定在空气管道上、卡到密封罩的顶板上；对接口与滤膜夹的对接面安装、固定有橡胶密封圈和分离弹簧；圆形滤膜放置在圆盘状滤膜夹底座里，底座下面遍布通气网孔，用密封圈和压环将滤膜固定在滤膜夹的底座上。质量称量系统由带有自动内校正功能的电子天平和滤膜夹的支架组成，支架呈敞口、中空、有底的圆桶形结构，圆桶的底部大小刚好能够堵住密封罩隔板中间的圆孔，为了保证在滤膜收集颗粒物时气流进入不了密封罩下部的天平室，圆桶底板的下缘安装了橡胶密封圈，圆桶的顶部为内设凹槽的圆环，滤膜夹刚好能够卡入桶顶的凹槽；电子天平放置在密封罩底板上，其四个脚垫有减震垫。上述滤膜夹升降系统由三个直线步进电机和一个圆环形的托盘组成，托盘通过消隙螺母安装、固定在直线步进电机的螺杆上，可由直线步进电机带动在螺杆上进行上、下移动， 3个步进电机呈正三角形安装在密封罩的顶部。上述智能控制系统由单片机控制器、键盘和显示器、步进电机驱动模块、2个压力传感器、3个电磁阀、气体质量流量控制器、光电开关组成，这些组件通过信号线与单片机控制器相连，单片机控制器还通过信号线与电子天平相连，单片机控制器通过步进电机驱动模块控制托盘的上下移动；电磁阀1安装在三通管1与三通管2之间，电磁阀2安装在三通管2与密封罩进气管上的压力传感器1之间，电磁阀3安装在三通管1与密封罩出气管之间；质量流量控制器安装在三通管1和抽气泵之间；光电开关固定在密封罩的隔板上，其安装高度为托盘移动的下限位置；压力传感器1安装在进气管位于密封罩外的管段上；压力传感器2安装在密封罩的上部，固定在密封罩的侧壁上；系统运行的参数选择（如采样周期、采样流量、压力差阈值等）通过键盘输入单片机控制器，系统的运行状态在显示器上显示。密封罩的下部放置天平，为保障天平室的干燥在密封罩的下部放有硅胶干燥剂，密封罩的正面设置透明玻璃门，以方便观察系统运行状况和更换滤膜及硅胶干燥剂。

基于上述大气颗粒物的采样、称量装置，本发明同时提供了一种重量法大气颗粒物质量浓度在线监测的采样与称量的方法，包括以下步骤：

（1）更换滤膜，关紧密封罩的门；

(2) 开启电子天平，称量初始时滤膜的质量m₀，称重完毕则质量数据通过信号线输出至单片机控制器中，单片机控制器自动关闭天平，并驱动直线步进电机转动使托盘托起支架上升适当距离（如20mm）至最上端，使滤膜夹与对接口紧密接触，并靠密封圈使对接处密封，同时支架的底部将密封罩隔板中间的圆孔密封、堵住；

(3) 由抽气泵提供吸入气体的动力，并通过空气质量流量控制器来限定、控制被测样品气流的流量；

[0014] (4) 从采样切割器和样品气体的温湿度调节系统获得相对湿度<55%、温度为15—30℃的指定流量的被测空气样品；

(5) 关闭旁路的电磁阀1，开启电磁阀2、电磁阀3，使气体通过对接口、经过滤膜，被滤膜截获颗粒物后的气体经密封罩的上部空间被抽气泵抽出、外排；

(6) 滤膜截获空气颗粒物，经过规定的时间（如10分钟）后，单片机控制器关闭电磁阀2、电磁阀3，开启电磁阀1，使样品气体直接被抽气泵抽走、外排，同时单片机控制器驱动直线步进电机反向转动使托盘携支架下降适当距离（如20mm）至初始位置，滤膜夹被对接口上的分离弹簧推开后随支架下降，支架放置、停留在电子天平的托盘上，单片机控制器开启电子天平称重，称重完毕则质量数据m1通过信号线输出至单片机控制器中，然后单片机控制器自动关闭电子天平，并驱动直线步进电机转动使托盘携支架上升适当距离（如20mm）至最上端，使滤膜夹与对接口紧密接触，从而进入下一轮采样，如此往复；

（7）单片机控制器根据测得前、后相邻两次滤膜的质量，以及滤膜采样期间被测空气流量，计算得出该段时间内被测空气的颗粒物浓度，计算公式为：C = dM × V^-1 = dM × Q^-1× t^-1，式中：C——颗粒物浓度，dM——相邻两次滤膜称量的质量之差，V——相邻两次称量的滤膜累积采样体积，Q——被测气体样品的流量，t——滤膜采样时间；将计算得到的空气颗粒物浓度数据储存在单片机控制器中；

（8）单片机控制器监控密封罩内与进气管内的压力数据，压力差低于某一阈值表明滤膜可能破损，单片机控制器提示系统需更换合格的滤膜，压力差大于某一阈值则表明颗粒物采样量接近满负荷，单片机控制器提示系统需更换新的滤膜；单片机控制器也可根据设定的采集颗粒物的质量阈值提示系统需更换新的滤膜；通过安装在密封罩内的压力传感器监控密封罩内的气压，以掌握密封罩的气密性，如密封罩内的气压与大气压的压力差低于设定的阈值，则表明密封罩漏气，系统提示需检查密封罩的气密性，如密封门是否关紧、密封圈是否需要更换等。

本发明所述的重量法大气颗粒物质量浓度在线监测的采样、称量装置与方法，具有以下优点：

实现了采样、称量、数据处理和存储的自动化，使经典、传统的重量法能够应用于空气颗粒物质量浓度的在线、连续监测；

使用本发明所述装置进行空气颗粒物浓度的在线监测时日常耗材仅为市场上常见的滤膜，运行成本低；

采用内置两组校正砝码，具自动内校正功能的电子天平，确保准确的称量结果，从而保证了监测数据的准确、可靠；

在线监测过程中，单片机控制器会根据颗粒物采样时滤膜前后的压力差，或捕获的颗粒物质量，来提示系统需更换新的滤膜，可确保在线监测的连续性；

系统活动部件少，滤膜夹及其支架仅需上、下移动，采用直线步进电机驱动和光电开关定位，并使用带细分功能的步进电机驱动模块，可极大地降低电机工作过程的振动和待机功耗，并保证了系统的长期、稳定、安全、可靠地运行。

附图说明

图1为重量法大气颗粒物质量浓度在线监测的采样、称量装置的结构示意图；

图2为天平称量时密封罩内采样、称量装置的示意图；

图3为滤膜采样时密封罩内采样、称量装置的示意图；

图4为密封罩的结构示意图；

图5为托盘的结构示意图；

图6为滤膜夹的支架结构示意图；

图7为滤膜夹的结构示意图；

图8为滤膜夹对接装置的结构示意图。

图中：1、电磁阀1；2、电磁阀2；3、出气管1；4、抽气泵；5、气体质量流量控制器； 6、三通管1；7、电磁阀3；8、密封罩；9、硅胶干燥剂；10、减震垫1；11、减震垫2；12、电子天平；13、键盘和显示器；14、单片机控制器；15、步进电机驱动模块；16、三通管2；17、进气管1 ；18、直线步进电机1；19、直线步进电机2；20、直线步进电机3；21、对接口；22、进气管2；23、压力传感器1 ；24、分离弹簧；25、出气管2；26、密封圈1；27、隔板；28、密封圈2；29、支架；30、光电开关；31、压力传感器2；32、托盘；33、滤膜夹；34、安装孔1；35、安装孔2；36、铰链；37、密封门；38、密封圈3；39、门把锁；40、锁扣；41、消隙螺母；42、通气孔；43、滤膜；44、压环；45、密封圈4；46、底座；47、安装孔3；48、加强筋板。

具体实施方式

为了更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，本发明的典型但非限制性的实施例如下：

根据重量法测定环境空气PM10和PM2.5的要求，进入本发明装置的样品气体要求其温度为15-30℃、相对湿度<55%，因此，进气管17（如图1）需接到除湿调温器的出气口，以将取自采样切割头的样品气体除湿、调温到相对湿度<55%、温度为15-30℃。

如图1、图2和图4所示，进气管1（17）经三通管2（16）后分成两个并联的分支管路：一个分支管路经电磁阀1（1）和90⁰弯头，再接到三通管1（6）；另一个分支管路经电磁阀2（2）接到进气管2（22），进气管2（22）经密封罩8顶板中间的安装孔1（34）进入密封罩8内，进气管2（22）的出口端安装了滤膜夹33的对接口21，安装在密封罩8上部左侧壁的出气管2（25）经电磁阀3（7）接到三通管1（6）。上述两个并联的分支管路在三通管1（6）处汇合后经气体质量流量控制器5后接到抽气泵4。

如图4所示，长方体密封罩8的顶板为正方形，中间开有安装孔1（34）供进气管2（22）的接入，顶板上以安装孔1（34）为中心对称地安装了3个直线步进电机，即直线步进电机1（18）、直线步进电机2（19）、直线步进电机3（20）。隔板27将密封罩分为上、下两部分，隔板27的中心开有圆孔以便滤膜夹33的支架29能在其内上、下移动。密封罩8的左侧板在隔板27上面开孔并安装、连接了出气管2（25）。密封罩的正面安装有能够活动开启的密封门37，密封门37的左边由两个铰链36将其固定在密封罩正面的外壁上，密封门37的右边中间安装有门把锁39，门把锁39与安装在密封罩正面外壁上的锁扣40能够紧密咬合，从而将密封门关闭、锁紧。为了保证密封罩的气密性，密封门37朝向密封罩内的一侧安装有橡胶密封圈3（38）。为了便于观察密封罩内设备的运行情况，密封门中部的材料为透明的玻璃。为了减少震动对本发明装置的影响，在密封罩的底板下安装了4个减震垫1（10）。为了保证密封罩的气密性和减少管道振动对装置的影响，进气管2（22）和出气管2（25）与密封罩的结合处都安装有橡胶减震密封圈。

如图2、图3所示，本发明装置采用内置两组校正砝码，可自动校正的电子天平，电子天平12放置在密封罩的下部，为控制震动可能给电子天平带来的影响，在密封罩的底板上放置4个减震垫2（11），电子天平12放在减震垫2（11）上。为保证天平室的干燥，在密封罩的底板上放置烧杯盛放硅胶干燥剂9。

如图2、图3所示，带动支架29进行上、下移动的托盘32安装在3个直线步进电机（18、19、20）的螺杆上。控制托盘32移动位置的光电开关30安装、固定在密封罩8的隔板27上，其安装高度为托盘32移动的下限位置。

如图5所示，上述托盘32为圆环形，其上安装的3个消隙螺母41呈正三角形分布，托盘32由消隙螺母41安装在上述3个直线步进电机（18、19、20）的螺杆上。

如图1-图3所示，滤膜夹33放置在支架29上。

如图6所示，滤膜夹的支架29为敞口、空心、有底的圆桶形结构：其敞口的上端面有圆环形凹槽，以供安放滤膜夹33；其桶底的外径与密封罩8的隔板27中间圆孔的直径相等，以使滤膜43在空气流入密封罩上部以采集颗粒物时该桶底能够堵住隔板27中间的圆孔（如图3所示），以避免气流对天平的扰动，为了保证堵得严实，桶底下缘还安装了密封圈2（28）；支架29的侧壁上均匀地分布着8个通气孔42，这是透过滤膜43的气流进入密封罩8的通道。

如图2所示，电子天平12称量滤膜夹33时托盘32下降到最低位置，在该位置托盘32与支架29脱离接触，以免影响电子天平称量滤膜的准确性。

如图7所示，滤膜夹33由底座46、O形密封圈4（45）、压环44组成。底座46是有两层凹槽的圆盘：上面的凹槽直径较大，以供安放、卡住压环44；下面的凹槽直径较小，以供安放、卡住O型密封圈4（45）；盘底中部为直径与压环44和密封圈4（45）的内径相等的圆形网栅结构，网面略微下凸，网面的栅栏呈上锐、下钝型，尖细的锐面朝向盘内的滤膜，以使滤膜43采样时气流能够自由通过。滤膜43的光面朝上安放在底座46里面，再上压O型密封圈4（45），最后用压环44卡紧、固定。

如图3所示，滤膜43在采集颗粒物时，3个直线步进电机（18、19、20）驱动托盘32携支架29和滤膜夹33向上移动，直到与对接口21紧密对接。对接口21安装、固定在进气管2（22）的出口端。

如图2、图3和图8所示，对接口21为中间凹陷的圆盘形：凹陷部分的直径与上述滤膜夹33的压环44的内径相等；为了保证与滤膜夹33对接处的气密性，在对接口21的对接端面上开有凹槽以安装、固定O型密封圈1（26）；为避免滤膜采样停止后滤膜夹33与对接口21粘连过紧而不能随支架29下移，在对接口21的对接端面上呈正三角形、均匀分布、安装了3个分离弹簧24，当托盘32在3个直线步进电机（18、19、20）的驱动下向下移动时分离弹簧24就将滤膜夹33弹开，使滤膜夹33能够随支架29和托盘32下移。

如图2、图3和图8所示，为了保证滤膜夹33与对接口21能够紧密对接，对接口21必须安装得非常稳固，为此，在对接口的背面（朝向密封罩顶板的一面）安装了3个加强筋板48，加强筋板48为梯形，3个筋板相互间呈120⁰角分布，被安装、固定在对接口21的背面、进气管2（22）和密封罩8的顶板之间，梯形的直角边固定在进气管2（22）上、较长的底边固定在对接口21的背面、较短的底边卡到密封罩8的顶板。

如图2-图4、图8所示，在密封罩8的上部右侧板上开有安装孔2（35）以安装压力传感器2（31），在进口管2（22）位于密封罩8外的管段上开有安装孔3（47）以安装压力传感器1（23），压力传感器1（23）和压力传感器2（31）通过信号线与单片机控制器14相连，通过单片机控制器14监控传感器1（23）和传感器2（31）的压力差来掌握滤膜(43)的工作状况。压力差低于设定的阈值表明滤膜破损，则系统提示需要更换合格的滤膜；压力差高于设定的阈值表明滤膜收集的颗粒物量接近满负荷，则系统提示需要更换新的滤膜。同时，通过传感器2（31）监测密封罩8内的气压还能够掌握密封罩的气密性，如密封罩8内的气压与大气压的压力差低于设定的阈值，这表明密封罩8漏气，系统提示检查密封罩8的气密性，如密封门37是否关紧、密封圈4（45）等是否需要更换。

如图1-图3所示，智能控制系统包括单片机控制器14、键盘和显示器13、步进电机驱动模块15、压力传感器1（23）、压力传感器2（31）、电磁阀1（1）、电磁阀2（2）、电磁阀3（7）、气体质量流量控制器5、光电开关30等器件组成，这些器件通过导线与单片机控制器14相连，单片机控制器14还通过信号线与电子天平12相连，系统运行的参数选择（如采样周期、采样流量等）通过键盘输入单片机控制器14，系统的运行状态在显示器上显示。

如图1-图3所示，为实施上述重量法在线监测空气颗粒物的质量浓度，本发明将来自空气颗粒物采样切割头的样品气体经除湿调温器处理，控制样品气体的相对湿度<55%、温度为15—30℃再经空气管道接入本发明装置的进气管1（17）。然后根据采样流量、颗粒物的粒径范围和电子天平的可读性（读数的最小值），选择适当的周期，分别进行滤膜截获被测样品颗粒物过程和滤膜称重过程，具体如下：

在滤膜截获被测气体样品颗粒物的过程：单片机控制器14通过步进电机驱动模块15驱动3个直线型步进电机转动托盘32，托盘32携支架29上升适当的距离（如20mm）至最上端，使滤膜夹33与对接口21紧密接触，并靠密封圈使对接处密封，同时支架29的底部将密封罩8的隔板27中间的圆孔密封、堵住；然后，在单片机控制器14的控制下，电磁阀1（1）关闭，电磁阀2（2）和电磁阀3（7）同时开通，使被测样品气体经三通管2（16）流入进气管2（22），经对接口21输入滤膜夹33，气流中颗粒物样品被滤膜43截获，经滤膜43过滤的气体从支架29侧面的通气孔42流进密封罩8的上部，继而从出气管2（25）经三通管1（6）被抽气泵4抽走，再经出气管1（3）外排。

在电子天平称量滤膜的过程：在单片机控制器14的控制下，电磁阀2（2）和电磁阀3（7）同时关闭，电磁阀1（1）开通，使被测样品气经三通管2（16）后直接经三通管1（6）被抽气泵4抽走，再从出气管1（3）外排。然后，单片机控制器14通过步进电机驱动模块15驱动3个直线型步进电机反向转动托盘32，对接口21上的分离弹簧24将滤膜夹33推开，使其与对接口21脱离接触并落到支架29上，托盘32携支架29下降适当的距离（如20mm），在光电开关30的控制下托盘32停留在最下端，此时托盘32与支架29脱离接触，支架29携滤膜夹33落在电子天平12的称量盘上。此时单片机控制器14控制开启电子天平12的电源，电子天平12开始称重，待称量数据稳定后质量数据经信号线输出至单片机控制器14中储存。称量完毕，单片机控制器14控制关闭电子天平12的电源，系统开始下一个周期的循环。

由此即可根据电子天平前、后相邻两次测得的质量，以及滤膜采样期间被测空气流量，计算得出该段时间内被测空气的颗粒物浓度，计算公式为：C = dM × V^-1 = dM × Q^-1× t^-1，式中：C——颗粒物浓度，dM——相邻两次滤膜称量的质量之差，V——相邻两次称量的滤膜累积采样体积，Q——被测气体样品的流量，t——滤膜采样时间；将计算得到的空气颗粒物浓度数据储存在单片机中。

申请人申明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细结构特征及装置的运行和控制模式，但本发明并不局限于上述详细结构特征及运行和控制模式，即不意味着本发明必须依赖上述详细结构特征及运行和控制模式才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用部件的等效替换以及辅助部件的增加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims

1.一种重量法大气颗粒物浓度在线监测的采样、称量装置，包括空气样品输送系统、颗粒物捕集系统、滤膜夹升降系统、质量称量系统、智能控制系统，其特征在于，由抽气泵和气体管路组成：气体管路一端接到样品气体的除湿调温器的出口，另一端经三通管接到进气管，该进气管穿过密封罩的顶部进入罩内；密封罩由隔板分成上、下两部分，上部为气体通道，密封罩的上部在左侧壁上开孔并安装了出气管道，该出气管道依次接到三通管和抽气泵；三通管的另一接口通过管路、弯头和三通管接到抽气泵，颗粒物捕集系统由滤膜夹和对接口组成。

2.根据权利要求1所述的重量法大气颗粒物浓度在线监测的采样、称量装置，其特征在于，密封罩呈长方体，其顶板为正方形，中间开有安装孔供进气管的接入；顶板上以安装孔为中心对称地安装了3个直线步进电机；由隔板将密封罩分为上、下两部分，隔板的中心开有圆孔以便滤膜夹的支架能在其内上下移动；上部的左侧板上开孔并安装、连接了出气管；密封罩的正面安装有能够活动开启的密封门，密封门的左边由两个铰链将其固定在密封罩正面的外壁上，密封门的右边中间安装有门把锁，门把锁与安装在密封罩正面外壁上的锁扣能够紧密咬合，从而将密封门关闭、锁紧；为了保证密封罩的气密性，密封门朝向密封罩内的一侧安装有橡胶密封圈；为了便于观察密封罩内设备的运行情况，密封门中部的材料为透明的玻璃；为了减少震动对本发明装置的影响，在密封罩的底板下面安装了4个减震垫；为了保证密封罩的气密性和减少管道振动对装置的影响，进气管和出气管与密封罩的结合处都安装有橡胶减震密封圈。

3.根据权利要求1所述的重量法大气颗粒物浓度在线监测的采样、称量装置，其特征在于，质量称量系统由带有自动内校正功能的电子天平和滤膜夹的支架组成，电子天平放置在上述密封罩的下部，为控制震动可能给电子天平带来的影响，在密封罩的底板上放置4个减震垫，电子天平放在减震垫上；为保证天平室的干燥，在密封罩的底板上放置烧杯盛放硅胶干燥剂。

4.根据权利要求3所述的重量法大气颗粒物浓度在线监测的采样、称量装置，其特征在于，滤膜夹的支架为敞口、中空、有底的圆桶形结构：其敞口的上端面有圆环形凹槽，以供安放滤膜夹；其桶底的外径与密封罩隔板中间圆孔的直径相等，以使在滤膜采集颗粒物时该桶底能够堵住隔板中间的圆孔，以避免气流对电子天平的扰动，为了保证堵得严实，桶底下缘还安装了密封圈；支架的侧壁上均匀地分布着8个通气孔，这是透过滤膜的气流进入密封罩的通道。

5.根据权利要求1所述的重量法大气颗粒物浓度在线监测的采样、称量装置，其特征在于，滤膜夹由底座、O形密封圈、压环组成，底座是有两层凹槽的圆盘：上面的凹槽直径较大，以供安放、卡住压环；下面的凹槽直径较小，以供安放、卡住O型密封圈；盘底中部为直径与压环和密封圈的内径相等的圆形网栅结构，网面略微下凸，网面的栅栏呈上锐、下钝型，尖细的锐面朝向盘内的滤膜，以使滤膜采样时气流能够自由通过，滤膜的光面朝上安放在底座里面，再上压O型密封圈，最后用压环卡紧、固定。

6.根据权利要求1所述的重量法大气颗粒物浓度在线监测的采样、称量装置，其特征在于，对接口为中间凹陷的圆盘形：凹陷部分的直径与上述滤膜夹的压环的内径相等；为了保证与滤膜夹对接处的气密性，在对接口的对接端面上开有凹槽以安装、固定O型密封圈；为避免滤膜采样停止后滤膜夹与对接口粘连过紧而不能随支架下移，在对接口的对接端面上呈正三角形、均匀分布、安装了3个分离弹簧，当托盘在3个直线步进电机的驱动下向下移动时分离弹簧就将滤膜夹弹开，使滤膜夹能够随支架和托盘下移。

7.根据权利要求1所述的重量法大气颗粒物浓度在线监测的采样、称量装置，其特征还在于，对接口安装、固定在穿过密封罩顶部的进气管的出口端，为了保证对接口的稳固，在其背面（朝密封罩顶板的一面）安装了3个梯形加强筋板，3个筋板相互间呈120⁰角分布，被安装、固定在对接口的背面、进气管和密封罩的顶板之间，梯形的直角边固定在进气管上、较长的底边固定在对接口的背面、较短的底边卡到密封罩的顶板。

8.根据权利要求1所述的重量法大气颗粒物浓度在线监测的采样、称量装置，其特征在于，滤膜夹升降系统由三个直线步进电机和一个托盘组成：托盘呈圆环形，其上呈正三角形安装了3个消隙螺母；托盘由消隙螺母安装在上述3个直线步进电机的螺杆上；直线步进电机的转动可驱使托盘携上述滤膜夹的支架在螺杆上进行上、下移动；托盘下降到最低位置时，在该位置托盘与上述支架脱离接触，以免影响电子天平称量滤膜的准确性；托盘上升到最高位置时，在该位置使得滤膜夹与对接口刚好紧密对接。

9.根据权利要求1所述的智能控制系统，其特征在于，由单片机控制器、键盘和显示器、步进电机驱动模块、2个压力传感器、3个电磁阀、气体质量流量控制器、光电开关等组成：这些组件通过信号线与单片机控制器相连，单片机控制器还通过信号线与电子天平相连；单片机控制器通过步进电机驱动模块控制托盘的上、下移动；电磁阀1安装在三通管1与三通管2之间，电磁阀2安装在三通管2与密封罩进气管上的压力传感器1之间，电磁阀3安装在三通管1与密封罩出口管之间；质量流量控制器安装在三通管1和抽气泵之间；光电开关固定在密封罩的隔板上，其安装高度为托盘移动的下限位置；压力传感器1安装在进气管位于密封罩外的管段上；压力传感器2安装在密封罩的上部，固定在密封罩的侧壁上；系统运行的参数选择（如采样周期、采样流量、压力差阈值等）通过键盘输入单片机控制器，系统的运行状态在显示器上显示。

10.一种重量法大气颗粒物质量浓度在线监测的采样与称量的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）更换滤膜，关紧密封罩的门；

（2) 开启电子天平，称量初始时滤膜的质量m₀，称重完毕则质量数据通过信号线输出至单片机控制器中，单片机控制器自动关闭天平，并驱动直线步进电机转动使托盘托起支架上升适当距离（如20mm）至最上端，使滤膜夹与对接口紧密接触，并靠密封圈使对接处密封，同时支架的底部将密封罩隔板中间的圆孔密封、堵住；

（3) 由抽气泵提供吸入气体的动力，并通过空气质量流量控制器来限定、控制被测样品气体的流量；

（4) 从采样切割器和样品气体的温湿度调节系统获得相对湿度<55%、温度为15—30℃的指定流量的被测空气样品；

（5) 关闭旁路的电磁阀1，开启电磁阀2、电磁阀3，使气体通过对接口、经过滤膜，被滤膜截获颗粒物后的气体经密封罩的上部空间被抽气泵抽出、外排；

（6) 滤膜截获空气颗粒物，经过规定的时间（如10分钟）后，单片机控制器关闭电磁阀2、电磁阀3，开启电磁阀1，使样品气体直接被抽气泵抽走、外排，同时单片机控制器驱动直线步进电机反向转动使托盘携支架下降适当距离（如20mm）至初始位置，滤膜夹被对接口上的分离弹簧推开后随支架下降，支架放置、停留在电子天平的托盘上，单片机控制器开启电子天平称重，称重完毕则质量数据m1通过信号线输出至单片机控制器中，然后单片机控制器自动关闭电子天平，并驱动直线步进电机转动使托盘携支架上升适当距离（如20mm）至最上端，使滤膜夹与对接口紧密接触，从而进入下一轮采样，如此往复；

（8）单片机控制器监控颗粒物采样时密封罩内与进气管内的压力数据，压力差低于某一阈值表明滤膜可能破损，单片机控制器提示系统需更换合格的滤膜，压力差大于某一阈值则表明颗粒物采样量接近满负荷，单片机控制器提示系统需更换新的滤膜；单片机控制器也可根据设定的采集颗粒物的质量阈值提示系统需更换新的滤膜；通过安装在密封罩内的压力传感器监测密封罩内的气压，以掌握密封罩的气密性，如密封罩内的气压与大气压的压力差低于设定的阈值，则表明密封罩漏气，系统提示需检查密封罩的气密性，如密封门是否关紧、密封圈是否需要更换。