CN103954543B

CN103954543B - 一种pm2.5监测仪及其方法

Info

Publication number: CN103954543B
Application number: CN201410202951.7A
Authority: CN
Inventors: 赵昆; 李倩; 张振伟; 张存林
Original assignee: China University of Petroleum Beijing; Capital Normal University
Current assignee: China University of Petroleum Beijing; Capital Normal University
Priority date: 2014-05-14
Filing date: 2014-05-14
Publication date: 2017-11-24
Anticipated expiration: 2034-05-14
Also published as: CN103954543A

Abstract

本发明提供了一种PM2.5监测仪及其方法，具体包含：空气采集装置、太赫兹监测装置、数据输出装置；所述空气采集装置，用以获取空气组分；所述太赫兹监测装置与空气采集装置相连，用于检测所述空气采集装置获取的空气组分，获得当前空气组分中PM2.5的特征标识峰并输出；所述数据输出装置与太赫兹监测装置，用以对接收到的PM2.5的特征标识峰分析并输出相对应的PM2.5浓度值。利用本发明测量大气中PM2.5浓度值，结构简单，测量结果精确度高、仪器稳定性好。并且能适用于不同环境。

Description

一种PM2.5监测仪及其方法

技术领域

本发明涉及环境监测领域，尤其是一种PM2.5监测仪及其方法，具体地，涉及一种基于太赫兹时域光谱技术的PM2.5监测仪及其方法。

背景技术

我国城市环境空气已从煤烟型污染转变为复合型污染，这种复合型污染为机动车排放、燃煤排放和颗粒物污染的复合。大气中微粒动力学直径小于等于2.5微米的颗粒物就是PM2.5，因其能够进入人体肺泡，故又称为可入肺颗粒物。PM2.5由直接排入空气中的一次微粒物和空气中的气态污染物通过化学转化形成的二次微粒组成。PM2.5毒性较大，对空气污染、大气能见度、人体健康以及大气能量平衡都有很大的影响。2012年2月，国务院发布新修订的《环境空气质量标准》增加了PM2.5的监测指标，因此，PM2.5已成为国内外城市大气污染的首要污染物。

目前，检测PM2.5重量主要分为两个步骤，即把PM2.5与较大的颗粒物分离，以及测定分离出来的PM2.5重量。国内外分离PM2.5的方法基本一致，由具有特式结构的切割器以及其产生的特定空气流速达到分离效果，对于PM2.5重量的测量，主要有重量法、β射线吸收法以及微量振荡天平法。我们现阶段采用的PM2.5监测器大部分是从国外进口，价格高昂而且还有一定的技术壁垒，因此，我们迫切需要研发自主知识产权的PM2.5监测仪器和技术手段。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种PM2.5监测仪及其检测方法，该监测仪器结构紧凑合理，工艺操作简单方便，对PM2.5检测精度高、装置稳定性好，适应范围广、安全可靠。

为达上诉目的，本发明提供一种PM2.5监测仪，所述监测仪包含：空气采集装置、太赫兹监测装置、数据输出装置；所述空气采集装置，用以获取空气组分；所述太赫兹监测装置与空气采集装置相连，用于检测所述空气采集装置获取的空气组分，获得当前空气组分中PM2.5的特征标识峰并输出；所述数据输出装置与太赫兹监测装置，用以对接收到的PM2.5的特征标识峰分析并输出相对应的PM2.5浓度值。

在上述技术方案中，所述空气采集装置包括控制电路、抽气泵、过滤器；

所述控制电路，用以控制抽气泵抽取空气；所述抽气泵与控制电路相连，用以抽取空气；所述过滤器与抽气泵相连，用以过滤抽气泵所抽取空气的PM2.5物质。

在上述技术方案中，所述过滤器还包含一滤膜，通过所述滤膜过滤空气组分中的PM2.5，所述滤膜为石英纤维滤膜或聚四氟乙烯薄膜滤膜。

在上述技术方案中，所述太赫兹监测装置包括探测器与接收器，所述探测器与接收器设置于所述滤膜两侧，用于分别测量空白滤膜和带有所述PM2.5样品的滤膜并分别获得参考信号与样品信号，根据所述参考信号与样品信号，获得所述PM2.5样品的特征标识峰。

在上述技术方案中，所述数据输出装置包含数据库、分析模块及显示模块；所述数据库用以存储PM2.5的特征标识峰与PM2.5浓度的对应数据信息；所述分析模块与数据库相连，用以将接收到的当前空气组分中PM2.5的特征标识峰与数据库中对应数据信息作比对并输出当前PM2.5浓度；所述显示模块与分析模块相连，用于显示接收到的PM2.5浓度。

在上述技术方案中，所述空气采集装置还包含：温度和湿度传感器、雨水分离器，所述温度和湿度传感器与雨水分离器分别设置于抽气泵上。

本发明还提供一种PM2.5监测方法，所述监测方法包含：获取空气组分；检测所述空气采集装置获取的空气组分获得当前空气组分中PM2.5的特征标识峰并输出；将接收到的PM2.5的特征标识峰作比对，获得当前PM2.5浓度。

在上述技术方案中，所述空气采集装置获取的空气组分获得当前空气组分中PM2.5的特征标识峰包含：通过太赫兹分别测量空白滤膜和带有所述PM2.5样品的滤膜，分别获得参考信号与样品信号，对所述参考信号与样品信号进行分析计算得出对应的频率谱图，获得所述PM2.5样品的特征标识峰。

在上述技术方案中，所述PM2.5监测方法还包含：将不同PM2.5浓度下所测的PM2.5的特征标识峰于对应的PM2.5浓度数据作匹配，获得一对应数据信息并保存。

在上述技术方案中，所述将接收到的PM2.5的特征标识峰作比对包含：将接收到的PM2.5的特征标识峰与所述对应数据信息作比对。

本发明的有益技术效果在于：本发明利用太赫兹时域光谱技术测量大气中PM2.5浓度值，结构简单，测量结果精确度高、仪器稳定性好。并且此PM2.5检测器与国外同性能检测器相比价格低廉，能适用于不同环境，是我国具有自主知识产权的PM2.5监测器。

附图说明

图1是本发明PM2.5监测装置的整体结构示意图；

图2是本发明利用太赫兹时域光谱技术测得附着有不同重量PM2.5滤膜的频域谱图，插图为频率4.4THz和6.0THz下，PM2.5浓度与太赫兹强度的关系；

图3是本发明PM2.5检测方法的流程示意图。

附图说明：

1-温度和湿度传感器；

2-雨水分离器；

3-滤膜；

4-太赫兹激光器；

5-太赫兹探测器；

6-太赫兹接收器；

7-空气采集装置；

8-数据输出装置。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明提供一种PM2.5监测仪，所述监测仪包含：空气采集装置、太赫兹监测装置、数据输出装置三部分；

其中空气采集装置7，主要是用以获取空气组分；具体包括利用空气采集器进行采集，制备附着不同重量PM2.5的滤膜样品。采集时，采集器进气口距离地面高度大于1m，且采集点周围30cm内没有障碍物影响空气流通。用以减少空气内影响监测的物质摄入，保障监测的质量。

其中太赫兹监测装置与空气采集装置相连，用于检测所述空气采集装置获取的空气组分，获得当前空气组分中PM2.5的特征标识峰并输出；本发明中的太赫兹检测装置7为高度集成装置，太赫兹探测器和接收器为全光纤式连接，能很好的与空气采集装置7和数据输出装置8集成到一起。检测时，为了提高精度，每个样品均重复测量三次，取其平均值作为最终的样品信号。

其中数据输出装置8与太赫兹监测装置7，用以对接收到的PM2.5的特征标识峰分析并输出相对应的PM2.5浓度值。

上述方案中，通过空气采集装置将空气中的PM2.5颗粒集中到滤膜上，太赫兹时域光谱技术对附着有PM2.5颗粒的滤膜进行检测，得到其相对应的太赫兹特征谱，并建立不同重量PM2.5颗粒的太赫兹数据库，根据所得的数据库和分析模块，对此特征谱进行智能分析，得到所测样品的PM2.5浓度并通过显示模块输出数据。

在上述技术方案中，采集时，空气采集装置进气口距离地面高度不小于1.0m，进气口空气速度为0-16.7L/min，且采集点周围30cm内没有障碍物影响空气流通。采集器中的滤膜一般为Teflon薄膜滤膜或者石英纤维滤膜等合适的材质；滤膜尺寸有37mm、47mm、81mm、90mm等尺寸，本发明中使用的采集滤膜是直径为47mm的石英纤维滤膜，石英在太赫兹波段吸收较弱，能够很好地避免滤膜对实验结果的影响。

本发明一优选的实施例中，空气采集装置还可包括探测器和采集网管，探测器由抽气泵、过滤器、激光探测腔、控制电路和显示电路等组成。此采集装置中还包括温度和湿度传感器和与雨水分离器，以避免雨天或者大雾天空气中水分、温度等对检测结果的影响；其中所述控制电路控制抽气泵抽取空气；所述抽气泵与控制电路相连，用以抽取空气；所述过滤器与抽气泵相连，用以过滤抽气泵所抽取空气的PM2.5物质。

本发明通过上述方案，利用太赫兹时域光谱技术测量大气中PM2.5浓度值，结构简单，测量结果精确度高、仪器稳定性好。并且此PM2.5检测器与国外同性能检测器相比价格低廉，能适用于不同环境，是我国具有自主知识产权的PM2.5监测器。

再请参开图1所示，图中太赫兹检测装置7包括探测器与接收器，所述探测器5与接收器6设置于所述滤膜两侧，用于分别测量空白滤膜和带有所述PM2.5样品的滤膜并分别获得参考信号与样品信号，根据所述参考信号与样品信号，获得所述PM2.5样品的特征标识峰。

本发明一优选的实施例中，太赫兹检测装置可以是高度集成的太赫兹时域光谱检测装置也可以是手工搭建的开放式太赫兹检测装置，太赫兹探测器和接收器为全光纤探测器和接收器。

本发明一优选的实施例中，数据输出装置7还可包含数据库、分析模块及显示模块；所述数据库用以存储PM2.5的特征标识峰与PM2.5浓度的对应数据信息；所述分析模块与数据库相连，用以将接收到的当前空气组分中PM2.5的特征标识峰与数据库中对应数据信息作比对并输出当前PM2.5浓度；所述显示模块与分析模块相连，用于显示接收到的PM2.5浓度。

在上述技术方案中，数据输出装置包含不同重量PM2.5的太赫兹数据库和分析模块以及显示模块等部分。其中，数据库的建立步骤如下：

利用空气采集器采集不同质量的PM2.5样品，在透射式太赫兹时域光谱装置上测量透过空白滤膜的太赫兹时域波谱，作为参考信号，测量透过附着有PM2.5颗粒的滤膜的太赫兹时域波谱，作为样品信号，为了提高精度，每个样品均重复测量三次，取其平均值作为最终的参考信号和样品信号。将参考信号和样品信号的太赫兹时域波形进行快速傅里叶红外变换得到参考信号和样品信号的频域谱图，所述频域谱图请参考图2所示，分析每个样品的太赫兹频域谱图，得到其特征标识峰；

然后，通过对比称重法，开展对THz光谱数据的特征峰提取研究，将多种方法合理结合，形成新的更有效的检测方法；具体包括：

1、对附着有不同重量PM2.5颗粒的滤膜进行太赫兹检测，建立相对应的太赫兹指纹谱数据库；

2、对附着有已知PM2.5重量的滤膜进行太赫兹检测，验证数据库的准确性，若不准确，进行进一步校正，最终得到精确的数据库。

在上述技术方案中，标准样品的有效太赫兹范围为0.2-20.0THz。

本发明还提供一种PM2.5监测方法，请参考图3所示，所述监测方法包含：S301获取空气组分；S302检测所述空气采集装置获取的空气组分获得当前空气组分中PM2.5的特征标识峰并输出；S303将接收到的PM2.5的特征标识峰作比对，获得当前PM2.5浓度。

在上述技术方案中，检测所述空气采集装置获取的空气组分获得当前空气组分中PM2.5的特征标识峰包含：通过太赫兹分别测量空白滤膜和带有所述PM2.5样品的滤膜，分别获得参考信号与样品信号，对所述参考信号与样品信号进行分析计算得出对应的频率谱图，获得所述PM2.5样品的特征标识峰。

在上述技术方案中，PM2.5监测方法还包含：将不同PM2.5浓度下所测的PM2.5的特征标识峰于对应的PM2.5浓度数据作匹配，获得一对应数据信息并保存。

在上述技术方案中，将接收到的PM2.5的特征标识峰作比对包含：将接收到的PM2.5的特征标识峰与所述对应数据信息作比对。

在实际工作中，PM2.5监测仪监测PM2.5浓度，具体可如下操作：

利用空气采集器采集不同重量的PM2.5样品：

利用空气采集器进行采集，制备附着不同重量PM2.5的滤膜样品。采集器时，采集器进气口距离地面高度为1.5m，进气口空气速度为9.0L/min，且采集点周围30cm内没有障碍物影响空气流通。

首先，将空白滤膜放在恒温恒湿箱中平衡24h，温度设定为25℃，相对湿度为50％，用精度为0.1mg的分析天平称量空白滤膜重量为m0，设定采集时间和空气流速进行采集，记录设定的进气口处的空气流量和采集时间，到规定时间后，关闭采集器，取下滤膜，将次滤膜放在恒温恒湿箱中平衡1h，温度设定为25℃，相对湿度为50％，用同一天平进行称量，得到重量为m1，两次称量的重量差即m1-m0即为本时间段采集到的大气中PM2.5重量。所有空气采集过程中采用的是直径为47mm的石英滤膜。为了保证测量精度，样品采集完成以后，用太赫兹时域光谱装置对样品进行测量之前，将滤膜放入培养皿中，将此培养皿超净间中保护。

然后，测量样品光学信号，具体方法为在透射式太赫兹时域光谱装置上测量透过空白滤膜的太赫兹时域波谱，作为参考信号，测量透过附着有PM2.5颗粒的滤膜的太赫兹时域波谱，作为样品信号，为了提高精度，每个样品均重复测量三次，取其平均值作为最终的参考信号和样品信号。

最后，建立标准指纹谱库，具体方法为将参考信号和样品信号的太赫兹时域波形进行快速傅里叶红外变换得到参考信号和样品信号的频域谱图，分析每种样品的频域谱图，得到其特征标识峰；图2为利用太赫兹时域光谱技术测得空白滤膜和附着有不同重量PM2.5滤膜的频域谱图，其中，PM2.5重量分别为0.0002g，0.0005g，0.0011g，0.0021g，0.0027g，插图为频率4.4THz和6.0THz下，PM2.5值与太赫兹强度的关系。从图2可以看出，不同重量的PM2.5样品在4.4THz和6.0THz下都有特征吸收峰，并且PM2.5颗粒质量越大，对太赫兹波谱吸收越强；对附着有不同重量PM2.5颗粒的滤膜进行太赫兹检测，结合更有效的方法分析每种样品的特征标识峰位置，建立不同重量PM2.5的标准指纹谱库；对附着有已知PM2.5重量的滤膜进行太赫兹检测，验证数据库的准确性，若不准确，进行进一步校正，最终得到精确的数据库。

由此，基于数据库，根据所测的附着有未知质量PM2.5滤膜的太赫兹频域谱图，分析模块能迅速分析所测样品中PM2.5质量，已知所测样品的采集时间和空气进气口流量，即可得出PM2.5浓度值。在显示模块上将直接读出此数据。其中，未知样品的PM2.5浓度按以下公式计算：

V＝N×T，

式中：N为进气口空气流速N，L/min；T为采集时间min；V为采集体积，m3；Δm为此时间段内滤膜上增加的PM2.5颗粒质量；ρ为PM2.5的浓度，mg/m3。

通过上述方案，利用太赫兹时域光谱技术测量大气中PM2.5浓度值，结构简单，测量结果精确度高、仪器稳定性好。并且此PM2.5检测器与国外同性能检测器相比价格低廉，能适用于不同环境，是我国具有自主知识产权的PM2.5监测器。

以上通过具体的和优选的实施例详细的描述了本发明，但本领域技术人员应该明白，本发明并不局限于以上所述实施例，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种PM2.5监测仪，其特征在于，所述监测仪包含：空气采集装置、太赫兹监测装置、数据输出装置；

所述空气采集装置，用以获取空气组分；

所述太赫兹监测装置与空气采集装置相连，用于检测所述空气采集装置获取的空气组分，获得当前空气组分中PM2.5的特征标识峰并输出；

所述数据输出装置与太赫兹监测装置相连，用以对接收到的PM2.5的特征标识峰分析并输出相对应的PM2.5浓度值；

所述空气采集装置包括控制电路、抽气泵、过滤器；

所述控制电路，用以控制抽气泵抽取空气；所述抽气泵与控制电路相连，用以抽取空气；所述过滤器与抽气泵相连，用以过滤抽气泵所抽取空气的PM2.5物质；

所述数据输出装置包含数据库、分析模块及显示模块；所述数据库用以存储PM2.5的特征标识峰与PM2.5浓度的对应数据信息；所述分析模块与数据库相连，用以将接收到的当前空气组分中PM2.5的特征标识峰与数据库中对应数据信息作比对并输出当前PM2.5浓度；所述显示模块与分析模块相连，用于显示接收到的PM2.5浓度。

2.根据权利要求1所述的PM2.5监测仪，其特征在于，所述过滤器还包含一滤膜，通过所述滤膜过滤空气组分中的PM2.5，所述滤膜为石英纤维滤膜或聚四氟乙烯薄膜滤膜。

3.根据权利要求2所述的PM2.5监测仪，其特征在于，所述太赫兹监测装置包括探测器与接收器，所述探测器与接收器设置于所述滤膜两侧，用于分别测量空白滤膜和带有所述PM2.5样品的滤膜并分别获得参考信号与样品信号，根据所述参考信号与样品信号，获得所述PM2.5样品的特征标识峰。

4.根据权利要求1所述的PM2.5监测仪，其特征在于，所述空气采集装置还包含：温度和湿度传感器、雨水分离器，所述温度和湿度传感器与雨水分离器分别设置于抽气泵上。

5.一种适用于权利要求1中所述PM2.5监测仪的PM2.5监测方法，其特征在于，所述监测方法包含：

获取空气组分；

检测所述空气采集装置获取的空气组分获得当前空气组分中PM2.5的特征标识峰并输出；

将接收到的PM2.5的特征标识峰作比对，获得当前PM2.5浓度；

通过太赫兹分别测量空白滤膜和带有所述PM2.5样品的滤膜，分别获得参考信号与样品信号，对所述参考信号与样品信号进行分析计算得出对应的频率谱图，获得所述PM2.5样品的特征标识峰；

所述将接收到的PM2.5的特征标识峰作比对包含：将接收到的PM2.5的特征标识峰与所述对应数据信息作比对。

6.根据权利要求5所述的PM2.5监测方法，其特征在于，所述PM2.5监测方法还包含：将不同PM2.5浓度下所测的PM2.5的特征标识峰于对应的PM2.5浓度数据作匹配，获得一对应数据信息并保存。