CN103207109B - 空气颗粒物浓度监测样品采集的数控除湿调温装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空气颗粒物浓度监测样品采集的数控除湿调温装置与方法。将室内空气经制冷器降温以冷凝去除水份制取干燥气，干燥气经加热调温后进入样品气除湿调温器的外管，样品气在除湿调温器的内管与干燥气相向流动，两者间由透汽膜相隔，样品气中的水汽在分压差的驱动下通过透汽膜进入干燥气，在温度差的驱动下两者同时进行热量交换，从而实现样品气的除湿调温。样品气和干燥气的温度、湿度信号由传感器采集并经I2C总线传输到单片机控制器，通过预设的程序控制整个系统的运行，以向在线监测仪输送符合空气颗粒物浓度监测国家标准方法（重量法）要求的空气样品。本发明有效解决了温湿度对颗粒物在线监测仪的干扰，可提高监测数据的准确性。

Description

空气颗粒物浓度监测样品采集的数控除湿调温装置与方法

技术领域

本发明涉及一种空气环境质量监测采样的除湿调温装置，特别是关于一种用于空气颗粒物质量浓度在线监测仪器的样品气除湿调温的装置和方法。

背景技术

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。

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45-55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、在45-55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。

上述颗粒物浓度监测的标准重量法表明，在采样过程中被截获在滤膜上的可蒸发物质——如水滴、颗粒物附着的水分、在15℃以下温度冷凝的挥发性物质（主要是有机物），在恒重过程中都被去除，在计算所得的监测结果中不应包括这些在恒重时能够被去除的物质。

目前市场上用于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、射线法和光散射法。这些仪器都存在一个很大的缺点，即对空气湿度变化十分敏感，当环境空气中的相对湿度较高时，采样滤膜可能会吸收水分而增重，导致测得的颗粒物浓度偏高；当湿度降低时，滤膜吸收的水分又挥发出来，就会使颗粒物浓度的测量结果出现负值。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。采样温度同样影响着结果的准确性，过高的温度（>30℃）、过低的温度（<15℃），都会影响颗粒物中挥发性成分的去、存，从而造成测量结果的不准确和实验的误差。

为降低由于湿度变化所带来的影响，目前市场上绝大多数空气中颗粒物质量浓度的监测仪（振荡天平法、射线法）在使用中大多采用对进气管进行恒温加热以及使用非（或低）亲水性的过滤膜进行样品的采集，以减少空气湿度波动带来的采样结果偏移；光散射法虽然不用滤膜，但是过量水汽对光的吸收和散射将显著影响测定结果。加热过程只是使得温度升高，相应地降低了空气的相对湿度，并未去除样品中相对于标准重量法测定的过量水分。同时，还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，对于含有高浓度这些组分的颗粒物的测量更加不准确了。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。

近年来有研究者也曾致力于颗粒物样品采集的除湿研究。北京大学的曾立民和刘巧玲在采样气体传输管外部设置冷凝管，以水做冷凝剂，在5-15℃下使气体中部分水蒸气在管壁上冷凝后下滑、外排。该方法一方面无法处理5℃以下空气中的过量水汽，空气温度在5-15℃情况下冷凝除湿效果欠理想。同时，该方法由于在空气管壁上有冷凝水珠、水膜存在，这些水珠、水膜会捕获空气颗粒物，冷凝外排的水会带走这些被捕获的颗粒物，从而使得监测结果偏低。

发明内容

针对以上所述现有技术中的缺陷，为了降低空气湿度和温度对空气颗粒物质量浓度监测结果的干扰，从而获得更为真实、准确的监测数据，使在线监测数据与标准重量法的监测结果更具可比性，本发明提供了一种空气颗粒物浓度监测样品采集的数控除湿调温装置与方法。

本发明所采用的技术方案：一种空气颗粒物浓度监测样品采集的数控除湿调温装置，包括干燥气制取器、干燥气加热器、样品气除湿调温器、样品气加热器、智能控制系统、抽气泵。所述干燥气制取器为一长方形箱体，箱体顶板左端中部开一室内空气进气孔，底板左端中部为冷凝水排放口；箱体顶板中后部均匀间隔安装两个半导体制冷器；箱体右端板中部为干燥气出口。上述样品气除湿调温器为一圆柱形套管，内管为开孔率大的支撑管并外覆高透汽性聚醚型TPU薄膜，外管为透明有机玻璃管；有机玻璃管的上下两端分别设置有外螺纹；所述有机玻璃管的顶部、底部分别设置有上密封盖和下密封盖，上密封盖、下密封盖的内侧设置有内螺纹；内外管之间顶部、底部都用塑料O型圈紧固、密封；所述上、下密封盖将所述内、外管及O型圈密封，并固定为一体；有机玻璃管一侧在底部塑料密封圈的上面设置一个干燥气进气管，其另一侧在顶部塑料密封圈的下面设置一个干燥气出气管。所述干燥气加热器和样品气加热器都为贴硅橡胶加热板的不锈钢管，其外面再套有保温隔热泡沫材料。上述干燥气加热器的不锈钢管一端通过气体管路与干燥气制取器的干燥气出口管相连，另一端通过气体管路与样品气除湿调温器的干燥气进口管相连。上述样品气加热器的不锈钢管通过气体管路与样品气除湿调温器的出气管相连。上述智能控制系统由单片机控制器、键盘及显示器、3个数字温湿度传感器、气体流量调节控制器等器件组成，温湿度传感器通过I2C（Inter－Integrated Circuit）总线与单片机相连；3个数字温湿度传感器分别安装在样品气除湿调温器的样品气进口、样品气加热器的出气口和干燥气加热器的干燥气出口；空气流量控制器通过空气管路一端接到样品气除湿调温器的干燥气出气管，另一端则通过气体管路连接到上述抽气泵。

基于上述数控除湿调温装置，本发明同时提供一种空气颗粒物浓度监测样品采集的数控除湿调温方法，包括以下步骤：

安装在样品气除湿调温器的样品气进气口和样品气加热器的出气口处的数字温湿度传感器采集样品气的温度和湿度信息，并通过I2C总线传递给单片机控制器。

单片机控制器对采集到的样品气温湿度数据和设置好的湿度阈值（相对湿度为55%）、温度阈值（30℃、15℃）进行对比，当样品气相对湿度大于湿度阈值，或温度高于30℃，则开启气体流量控制器和干燥气制取器；当样品气相对湿度小于阈值，而温度低于15℃时则开启样品气加热器。

干燥气制取器的主要控制参数是半导体制冷器的制冷温度，其温度控制在1-10℃，温度越低则冷凝除去的水份越多，制取的干燥气相对湿度越低；单片机控制器通过采集到的样品气加热器出口处的湿度来控制制冷器的制冷温度，相对湿度大于55%则降低半导体制冷器的温度，反之亦然。

干燥气加热器的主要控制参数是电流，单片机控制器通过采集到的干燥气加热器出口处的温度来控制干燥气加热器的电流，将干燥气加热到适当的温度（如20℃），以进一步降低干燥气的相对湿度。

单片机控制器采集样品气加热器出口处的温度，温度低于15℃则启动样品气加热器，加热器的电流越大则加热的温度越高，控制电流将样品气加热到15℃。

干燥气在样品气除湿调温器内的流速为样品气流速的1-1.5倍，流速越大则样品气的除湿量和温度调节量越大，单片机控制器通过采集到的样品气加热器出口处的温度和湿度来控制数字流量控制器以调节流速，相对湿度大于55%，或温度高于35℃，则增大流速，反之亦然。

本发明所述的空气颗粒物浓度监测样品采集的数控除湿调温装置与方法，具有以下优点;

1、以室内空气为气源来制取干燥气，采用半导体制冷器制冷来冷凝去除空气中的水分，半导体制冷器具有无噪声、无振动、不需制冷剂、体积小、重量轻等特点，且工作可靠，操作简便，易于进行制冷量调节，制取干燥气时无其它消耗品，运行费用低；

2、样品气的除湿是利用高透湿性聚醚型TPU薄膜两侧水汽浓度差产生的分压差作为驱动势，使空气中的水汽从高浓度的一侧传质到低浓度的一侧，来快速地降低并平衡样品气的湿度。相对于依靠冷凝法降低样品气湿度来讲，本发明样品气的水汽是以气体的形式透过高透湿性聚醚型TPU薄膜而被去除，膜内侧保持干燥，样品气路中无弯头、无液态水的生成，从而避免了颗粒物被水滴、水膜捕获、带走，保证了颗粒物浓度测量结果的准确、可靠。

相对于仅通过加热过程来降低相对湿度，而未改变样品气中水汽的实际含量，本发明通过去除过量的水汽，因而与标准重量法测定结果相一致，保证了颗粒物浓度测量结果的准确、可靠。

本发明采用高透湿性聚醚型TPU薄膜，其透汽能力强（透湿度为20000g/M²/24H），但价格远较Nafion膜便宜，且更易安装。

本发明结构简单，安装、操作、维护简便，可以直接连接到现有的空气颗粒物在线监测仪器上，置于气体采样切割头之后，而不需改变原有仪器的主体结构。

本发明装置智能化程度高，能够实时对样品气的温湿度进行监控，从而保障除湿调温装置的长期、稳定、合理运行。

附图说明

图1为数控除湿调温装置的结构示意图；

图2为干燥气制取器的结构示意图；

图3为图2的A-A剖示图；

图4为图2的俯视图；

图5为样品气除湿调温器的结构示意图；

图6为样品气除湿调温器的内部结构示意图；

图7为样品气除湿调温器内管的结构示意图；

图8为样品气除湿调温器内管的支撑管的结构示意图。

图中：1、 单片机控制器；2、 键盘及显示器；3、散热风扇；4、热端铝合金散热器；5、半导体制冷片；6、空气进入口；7、冷凝水排出管；8、干燥气制取器底板； 9、冷端铝合金散热器；10、干燥气出口管1；11、干燥气加热器；12 、温湿度传感器1；13、干燥气入口管；14、样品气出口管1 ；15、温湿度传感器2；16、样品气加热器；17、样品气出口管2；18、支撑管；19、密封盖1；20、除湿调温器外管；21、透汽膜；22、干燥气出口管2 ；23、密封盖2；24、温湿度传感器3；25、样品气入口管；26、气体流量控制器；27、抽气泵；28、变径管1；29、O型密封圈1；30、O型密封圈2；31变径管2。

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：

如图2所示，半导体制冷器由半导体制冷片5、热端铝合金散热器4、冷端铝合金散热器9和散热风扇3组成，半导体制冷器安装在干燥气制取器长方形箱体的顶板右半部，冷端铝合金散热片9安装在箱体内，热端铝合金散热片器4和散热风扇3安装在顶板外。箱体顶板的左端中部开有室内空气进气口6，箱体底板8的左端中部开孔并接有冷凝水排出管7。箱体的右端板中部开孔并接有干燥气出口管1（10）。

如图3 - 图5所示，除湿调温器的外管20为透明有机玻璃材料制成，内管为开孔率很高的塑料支撑管18并外覆高透湿性透汽膜21。支撑管18的顶端通过变径管2（31）接到样品气入口管25上，支撑管18的底端通过变径管1（28）接到样品气出气管17上。有机玻璃管的底端左侧开孔并接有干燥气入口管13，其顶端右侧开孔并接有干燥气出口管2（22）。有机玻璃管20的两端分别设置有外螺纹，其两端分别安装了密封盖1（19）和密封盖2（23），塑料密封盖开有内螺纹，有机玻璃管20与支撑管18通过两端的O型密封圈1（29）、O型密封圈2（30）、密封盖1（19）和密封盖2（23）被密封、固定为一体。

如图1所示，为实施上述空气颗粒物监测样品采集的数控除湿调温方法，本发明将室内空气经空气进入口6抽入空气干燥器，先经两级半导体制冷片5的冷端铝合金散热器9冷却降温至1-10℃，空气中的水份被冷凝除去，并从干燥气制取器底板8上的冷凝水排出管7外排，除湿后的干燥冷空气经干燥气加热器11加热到适当的温度（如20℃）以进一步降低干燥气的相对湿度，再导入样品气除湿调温器的有机玻璃外管20，采集的样品气体经采样切割头后经样品气入口管25进入样品气除湿调温器的内管，样品气和干燥气两者间由透汽膜21相隔，样品气体中的部分水汽通过透汽膜21进入干燥气中，达到除湿的目的，同时进行热量交换以实现调温，除湿调温后的样品气经样品气加热器16后进入空气颗粒物的在线监测仪进行质量浓度监测，干燥气吸湿后依次流经气体流量控制器26，再连接到抽气泵27外排。湿样品气、干样品气和干燥气的温度、湿度信号分别由温湿度传感器3（24）、温湿度传感器2（15）和温湿度传感器1（12）采集并经I2C总线传输到单片机控制器1，通过键盘和显示器2预设的程序控制半导体制冷器的半导体制冷片5、干燥气加热器11、样品气加热器16、气体流量控制器26的运行参数，具体如下：

单片机控制器1对采集到的样品气入口管25和样品气出口管1（14）处的温湿度数据和设置好的湿度阈值（相对湿度为55%）、温度阈值（30℃、15℃）进行对比，当样品气相对湿度大于湿度阈值，或温度高于30℃，则开启气体流量控制器26和干燥气制取器的半导体制冷片5；当样品气相对湿度小于阈值，而温度低于15℃时则开启样品气加热器16。

半导体制冷器利用热电制冷的温差效应，其冷端铝合金散热器9对干燥气制取器内吸入的室内空气进行制冷，其温度控制在1-10℃，温度越低则冷凝除去的水份越多，制取的干燥气相对湿度越低；热端铝合金散热器4通过散热风扇3对外散热；单片机控制器1通过采集到的样品气加热器出气管14处的湿度和温度来控制制冷器的制冷温度，相对湿度大于55%则降低半导体制冷器的温度，反之亦然；单片机控制器1根据采集到的干燥气温度来控制干燥气加热器11的电流，将干燥气加热到适当的温度（如20℃）以进一步降低干燥气的相对湿度。

单片机控制器采集样品气加热器出气管14处的温度，温度低于15℃则接通样品气加热器16，加热器的电流越大则加热的温度越高，单片机控制器1通过采集到的样品气加热器16出口管14处的温度来控制电流，通过控制加热器的电流将样品气加热到15℃。

干燥气和样品气分别在除湿调温器的内、外管中相向流动，其间由透汽膜21相隔，样品气体中的水汽在分压差驱动下通过透汽膜进入干燥气中，达到除湿的目的，同时在温度差的驱动下进行热量交换，以实现调温。干燥气在样品气除湿调温器内的流速为样品气的1-1.5倍，流速越大则样品气的除湿量和温度调节量越大，单片机控制器1通过采集到的样品气加热器出口管14处的温度和湿度来控制气体流量控制器26以调节流速，相对湿度大于55%，或温度高于35℃，则增大流速，反之亦然。

上述实施方案主要针对小流量采样的样品气除湿调温，目前市场上的空气颗粒物质量浓度监测仪（振荡天平法、射线法）都属小流量采样、监测。当采用大流量采样分析时，半导体制冷器的制冷量将难以满足其除湿调温的需求，则需要用制冷压缩机代替半导体制冷器来进行制冷。

本发明的水汽渗透膜采用高透湿性聚醚型TPU薄膜只是一种实施方式，也可以采用Nafion膜及其它防水透汽气膜来代替。

本发明用于颗粒物浓度监测的样品气处理只是一种实施方式，凡是用该装置和方法进行空气样品的除湿调温都应是本发明的保护范围之内。

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 (7)

1.一种空气颗粒物浓度监测样品采集的数控除湿调温装置，包括干燥气制取器、干燥气加热器、样品气除湿调温器、样品气加热器、智能控制系统、抽气泵，干燥气加热器的不锈钢管一端通过气体管路与干燥气制取器的干燥气出口管相连，另一端与样品气除湿调温器的干燥气入口管相连，样品气除湿调温器的干燥气出口管通过气体管路依次接到气体流量控制器和抽气泵；样品气的入口管接到颗粒物采样切割器的出气口，样品气的出口管通过管路接到样品气加热器，所述样品气除湿调温器，为一圆柱形套管，内管为开孔率高的圆笼式塑料支撑管外覆高透湿性聚醚型TPU薄膜，外管为透明有机玻璃管；有机玻璃管的上下两端分别设置有外螺纹；所述有机玻璃管的顶部、底部分别设置有上密封盖和下密封盖，上密封盖、下密封盖的内侧设置有内螺纹；内外管之间顶部、底部都用塑料O型圈紧固、密封；所述上、下密封盖将所述内、外管及O型圈密封，并固定为一体；有机玻璃管一侧在底部塑料密封圈的上面设置一个干燥气进气管，其另一侧在顶部塑料密封圈的下面设置一个干燥气出气管。

2.根据权利要求1所述的空气颗粒物浓度监测样品采集的数控除湿调温装置，其特征在于，所述干燥气制取器为一长方形箱体，箱体左端顶部开有室内空气进气口，底部开孔并接有冷凝水排放管；箱体中后部均匀间隔安装两个半导体制冷器；箱体右端板中部开孔并接有干燥气出气管。

3.根据权利要求1所述的空气颗粒物浓度监测样品采集的数控除湿调温装置，其特征在于，

所述干燥气加热器和样品气加热器，为贴硅橡胶加热板的不锈钢管，其外面套有保温隔热泡沫材料。

4.根据权利要求3所述的空气颗粒物浓度监测样品采集的数控除湿调温装置，其特征在于，用Nafion膜，或其它高透湿性防水透汽膜，来代替高透湿性聚醚型TPU薄膜。

5.根据权利要求1所述的空气颗粒物浓度监测样品采集的数控除湿调温装置，其特征在于，所述智能控制系统，由单片机控制器、键盘及显示器、3个数字温湿度传感器和气体流量控制器组成，温湿度传感器通过I2C（Inter－Integrated Circuit）总线与单片机相连；3个数字温湿度传感器分别安装在样品气除湿调温器的样品气进口、干燥气加热器的干燥气出口、样品气加热器的出气口。

6.一种采用权利要求1-4中任一项所述的数控除湿调温装置的空气颗粒物浓度监测样品采集的数控除湿调温方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1） 安装在样品气除湿调温器的样品气进气口和样品气加热器的出气口处的数字温湿度传感器采集样品气的温度和湿度信息，并通过I2C总线传递给单片机控制器；

（2）单片机控制器对采集到的样品气温湿度数据和设置好的湿度阈值相对湿度为55%、温度阈值30℃、15℃进行对比，当样品气的相对湿度大于湿度阈值，或温度高于30℃，则开启气体流量控制器和干燥气制取器；当样品气的相对湿度小于阈值，而温度低于15℃时则开启样品气加热器；

（3） 干燥气制取器的主要控制参数是半导体制冷器的制冷温度，其温度控制在1-10℃，温度越低则冷凝除去的水份越多，制取的干燥气相对湿度越低；单片机控制器通过采集到的样品气加热器出口处的湿度来控制制冷器的制冷温度，相对湿度大于55%则降低半导体制冷器的温度；

（4） 干燥气加热器的主要控制参数是电流，单片机控制器通过采集到的干燥气加热器出口处的温度来控制干燥气加热器的电流，将干燥气加热到20℃，以进一步降低干燥气的相对湿度；

（5）单片机控制器采集样品气加热器出口处的温度，温度低于15℃则启动样品气加热器，加热器的电流越大则加热的温度越高，单片机控制器通过采集到的样品气加热器出气口处的温度来控制电流，温度低于15℃则增大加热器的电流以将样品气加热到15℃；

（6） 干燥气在样品气除湿调温器内的流速为样品气的1-1.5倍，流速越大则样品气的除湿量和温度调节量越大，单片机控制器通过采集到的样品气加热器出口处的温度和湿度来控制气体流量控制器以调节流速，相对湿度大于55%，或温度高于35℃，则增大流速。

7.如权利要求6所述空气颗粒物浓度监测样品采集的数控除湿调温方法，其特征在于，采用半导体制冷器进行制冷主要针对小流量采样的样品气除湿调温，进行大流量采样分析时，2个半导体制冷器则改为1个制冷压缩机来进行制冷。