CN104111215A - 一种基于振荡天平的细粒子连续监测仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于振荡天平的细粒子连续监测仪，包括一个气体采集组件、与气体采集组件连接的辅助流量监测组件、与气体采集组件连接的一级振荡天平监测组件、以及与气体采集组件连接的二级振荡天平监测组件；所述的气体采集组件包括一级细粒子分流单元和二级细粒子分流单元；所述一级振荡天平监测组件与一级细粒子分流单元连接；所述二级振荡天平监测组件与二级细粒子分流单元连接，所述的一级振荡天平监测组件和二级振荡天平监测组件同时连接振荡天平检测仪。本发明能很好地解决湿度的影响，通过分时差分，又能测量挥发性颗粒与半挥发性颗粒物的浓度，并得到不受湿度、挥发性与半挥发性颗粒物的影响浓度值。

Description

一种基于振荡天平的细粒子连续监测仪

技术领域

本发明涉及一种细粒子连续监测仪，尤其是涉及一种基于振荡天平的细粒子连续监测仪。 

背景技术

目前基于微量振荡天平法的大气颗粒物监测仪极容易受到挥发性物质和半挥发性物质的影响,致使测量浓度严重偏低、出负值或PM10小于PM2.5的现象。 

Thermo Scientific公司的FDMSFilter Dynamics Measurement System方案能较好地减小挥发性物质和半挥发性物质的影响；北京大学的获得发明专利的气溶胶除湿系统ADS和武汉天虹仪表有限公司的双通道差分式振荡天平法在这方面也能有较好的效果。 

目前，微量振荡天平法监测仪的质量检测室要求恒温环境，处于其中的颗粒采集滤膜的增重受采样气流的湿度、挥发性与半挥发性颗粒物的影响，并不能直接反映出进入滤膜的颗粒物质量增重。 

目前的手工比对主要还是利用单台采样器放置在自动监测仪旁边，同时采样比对结果，而不是同源采样，因此比对结果会有一定的误差。 

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种能很好地解决湿度的影响，通过分时差分，又能测量挥发性颗粒与半挥发性颗粒物的浓度，并得到不受湿度、挥发性与半挥发性颗粒物的影响浓度值。同时还可以进行同源采样，快速地将手工称重与本监测仪的数据进行比对,或者对本监测进行浓度系统校正的一种基于振荡天平的细粒子连续监测仪。 

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的： 

一种基于振荡天平的细粒子连续监测仪，其特征在于，包括一个气体采集组件、与气体采集组件连接的辅助流量监测组件、与气体采集组件连接的一级振荡天平监测组件、以及与气体采集组件连接的二级振荡天平监测组件；所述的气体采集组件包括一级细粒子分流单元和二级细粒子分流单元；所述一级振荡天平监测组件与一级细粒子分流单元连接；所述二级振荡天平监测组件与二级细粒子分流单元连接，所述的一级振荡天平监测组件和二级振荡天平监测组件同时连接振荡天平检测仪。 

所述一级细粒子分流单元包括一个PM10切割器以及与PM10切割器连接的一级分流器；所述一级分流器的分流管出口端与一级振荡天平监测组件连接，一级分流器的辅流量出口端与二级细粒子分流单元连接。 

所述二级细粒子分流单元包括一个PM2.5切割器以及与PM2.5切割器连接的二级分流器；所述二级分流器的分流管出口端与二级振荡天平监测组件连接，二级分流器的辅流量出口端与辅助流量监测组件连接。 

所述一级振荡天平监测组件包括依次连接在一级分流器的分流管出口端的一级第一通道主流量干燥器、一级切换阀、一级恒温管、一级零空气过滤器、一级质量检测器、一级干燥分子筛、一级流量传感器、一级流量调节阀、一级干燥管的反吹气路、一级再生分子筛、一级压力调节阀。 

所述二级振荡天平监测组件包括依次连接在二级分流器的分流管出口端的二级第一通道主流量干燥器、二级切换阀、二级恒温管、二级零空气过滤器、二级质量检测器、二级干燥分子筛、二级流量传感器、二级流量调节阀、二级干燥管的反吹气路、二级再生分子筛、二级压力调节阀。 

在上述的一种基于振荡天平的细粒子连续监测仪，所述辅助流量监测组件包括依次连接在二级分流器的辅流量出口端的辅助压差干燥管、第一辅助切换阀、辅助过滤膜组件、第二辅助切换阀、辅助常温气体过滤器、 辅助流量负压传感器、以及辅助流量比例调节阀；所述辅助流量比例调节阀经过辅助压差干燥管后与外界相通。 

在上述的一种基于振荡天平的细粒子连续监测仪，干燥器为使用Nafion膜进行干燥的板式或管式干燥器，并且经干燥器干燥后的气流露点为-50℃～4℃。该干燥器分内外两层，内为采样气流通道，外为干燥气流通道，并且两路气流方面相反。 

在上述的一种基于振荡天平的细粒子连续监测仪，一级切换阀和二级切换阀均为三通电动阀，在正常工作状态下该阀为直通状态，在测量挥发性颗粒物或校零状态下为旁路状态。该阀在旁路状态时，采样气流在经过干燥器后，再经过该阀进入零空气过滤器，然后通过三通回到恒温管；一级切换阀和二级切换阀由系统程序控制，或用户设置其切换周期和方式。 

在上述的一种基于振荡天平的细粒子连续监测仪，一级零空气过滤器和二级零空气过滤器对0.1um以上的颗粒物的捕集效率大于99％，填充阻当或吸附半挥发性物质或挥发性物质的材料，并且工作温度在-10～50℃的温度环境。 

在上述的一种基于振荡天平的细粒子连续监测仪，一级恒温管和二级恒温管均工作于-10℃～50℃的任一温度点的恒温环境，该温度点由用户设置，通过PID方式进行控制。 

在上述的一种基于振荡天平的细粒子连续监测仪，一级质量检测器和二级质量检测器均采用微量振荡天平，工作于0℃～50℃的任一温度点的恒温环境，该恒温点由用户设定。 

在上述的一种基于振荡天平的细粒子连续监测仪，一级振荡天平监测组件和二级振荡天平监测组件干燥分子筛与再生分子筛均使用切换阀相互切换工作状态。 

在上述的一种基于振荡天平的细粒子连续监测仪，一级流量传感器和 二级流量传感器为质量流量传感器。 

在上述的一种基于振荡天平的细粒子连续监测仪，一级流量调节阀和二级流量调节阀为电动控制的流量调节阀。 

一级压力调节阀和二级压力调节阀为电动控制的流量调节阀，并且该阀可以不用安装。 

所述辅流量通道的辅助压差干燥管为使用Nafion膜进行干燥的板式或管式干燥器；该干燥器分内外两层，内为采样气流通道，外为干燥气流通道，并且两路气流方面相反。 

辅流量通道的辅助过滤膜组件使用的膜片对0.1um以上的颗粒物的捕集效率大于99％，并且工作温度在-10～50℃的任一温度点的恒温环境，该恒温点由厂家和用户设定。该膜可以是单片膜片，使用天平称重，也可以是纸带。当使用纸带时，可与其它物质成分分析的模块连接使用，测量颗粒物的成分。 

辅流量通道的第一辅助切换阀和第二辅助切换阀为同时动作的两只阀，用于防止换膜引起的系统泄漏或其它影响。 

因此，本发明具有如下优点：能很好地解决湿度的影响，通过分时差分，又能测量挥发性颗粒与半挥发性颗粒物的浓度，并得到不受湿度、挥发性与半挥发性颗粒物的影响浓度值。同时还可以进行同源采样，快速地将手工称重与本监测仪的数据进行比对,或者对本监测进行浓度系统校正。 

附图说明

附图1是本发明的中气体采集组件的结构原理示意图。 

附图2是本发明的中辅助流量监测组件的结构原理示意图。 

附图3是本发明的中一级振荡天平监测组件的结构原理示意图。 

附图4是本发明的中二级振荡天平监测组件的结构原理示意图。 

附图5是本发明的中采样状态各气路的走向示意图。 

附图6是本发明的中走零状态各气路的走向示意图。 

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。图中，气体采集组件1、辅助流量监测组件2、一级振荡天平监测组件3、二级振荡天平监测组件4、PM10切割器5、一级分流器6、二级分流器7、PM2.5切割器8、一级第一通道主流量干燥器9、一级切换阀10、一级恒温管11、一级零空气过滤器12、一级质量检测器13、一级干燥分子筛14、一级流量传感器15、一级流量调节阀16、一级干燥管的反吹气路17、一级再生分子筛18、一级压力调节阀19、二级第一通道主流量干燥器20、二级切换阀21、二级恒温管22、二级零空气过滤器23、二级质量检测器24、二级干燥分子筛25、二级流量传感器26、二级流量调节阀27、二级干燥管的反吹气路28、二级再生分子筛29、二级压力调节阀30辅助压差干燥管31、第一辅助切换阀32、辅助过滤膜组件33、第二辅助切换阀34、辅助常温气体过滤器35、辅助流量负压传感器36、辅助流量比例调节阀37。 

实施例： 

首先介绍一下本发明的基本结构： 

本发明包括一个气体采集组件1、与气体采集组件1连接的辅助流量监测组件2、与气体采集组件1连接的一级振荡天平监测组件3、以及与气体采集组件1连接的二级振荡天平监测组件4；所述的气体采集组件1包括一级细粒子分流单元和二级细粒子分流单元；所述一级振荡天平监测组件3与一级细粒子分流单元连接；所述二级振荡天平监测组件4与二级细粒子分流单元连接，所述的一级振荡天平监测组件3和二级振荡天平监测组件4同时连接振荡天平检测仪。 

一级细粒子分流单元包括一个PM10切割器5以及与PM10切割器5连 接的一级分流器6；所述一级分流器6的分流管出口端与一级振荡天平监测组件3连接，一级分流器6的辅流量出口端与二级细粒子分流单元连接。 

二级细粒子分流单元包括一个PM2.5切割器8以及与PM2.5切割器8连接的二级分流器7；所述二级分流器7的分流管出口端与二级振荡天平监测组件4连接，二级分流器4的辅流量出口端与辅助流量监测组件2连接。 

一级振荡天平监测组件3包括依次连接在一级分流器6的分流管出口端的一级第一通道主流量干燥器9、一级切换阀10、一级恒温管11、一级零空气过滤器12、一级质量检测器13、一级干燥分子筛14、一级流量传感器15、一级流量调节阀16、一级干燥管的反吹气路17、一级再生分子筛18、一级压力调节阀19。 

二级振荡天平监测组件4包括依次连接在二级分流器7的分流管出口端的二级第一通道主流量干燥器20、二级切换阀21、二级恒温管22、二级零空气过滤器23、二级质量检测器24、二级干燥分子筛25、二级流量传感器26、二级流量调节阀27、二级干燥管的反吹气路28、二级再生分子筛29、二级压力调节阀30。 

辅助流量监测组件2包括依次连接在二级分流器7的辅流量出口端的辅助压差干燥管31、第一辅助切换阀32、辅助过滤膜组件33、第二辅助切换阀34、辅助常温气体过滤器35、辅助流量负压传感器36、以及辅助流量比例调节阀37；所述辅助流量比例调节阀38经过辅助压差干燥管39后与外界相通。 

在本实施例中，干燥器为使用Nafion膜进行干燥的板式或管式干燥器，并且经干燥器干燥后的气流露点为-50℃～4℃。该干燥器分内外两层，内为采样气流通道，外为干燥气流通道，并且两路气流方面相反。 

一级切换阀10和二级切换阀21均为三通电动阀，在正常工作状态下该阀为直通状态，在测量挥发性颗粒物或校零状态下为旁路状态。该阀在 旁路状态时，采样气流在经过干燥器后，再经过该阀进入零空气过滤器，然后通过三通回到恒温管；一级切换阀10和二级切换阀21由系统程序控制，或用户设置其切换周期和方式。 

一级零空气过滤器12和二级零空气过滤器23对0.1um以上的颗粒物的捕集效率大于99％，填充阻当或吸附半挥发性物质或挥发性物质的材料，并且工作温度在-10～50℃的温度环境；一级恒温管11和二级恒温管22均工作于-10℃～50℃的任一温度点的恒温环境，该温度点由用户设置，通过PID方式进行控制；一级质量检测器13和二级质量检测器23均采用微量振荡天平，工作于0℃～50℃的任一温度点的恒温环境，该恒温点由用户设定。 

一级振荡天平监测组件3和二级振荡天平监测组件4干燥分子筛与再生分子筛均使用切换阀相互切换工作状态；一级流量传感器15和二级流量传感器26为质量流量传感器；一级流量调节阀16和二级流量调节阀27为电动控制的流量调节阀；一级压力调节阀19和二级压力调节阀30为电动控制的流量调节阀，并且该阀可以不用安装。 

辅流量通道的辅助压差干燥管31为使用Nafion膜进行干燥的板式或管式干燥器；该干燥器分内外两层，内为采样气流通道，外为干燥气流通道，并且两路气流方面相反。 

辅流量通道的手工称重膜或分析单元使用的膜片对0.1um以上的颗粒物的捕集效率大于99％，并且工作温度在-10～50℃的任一温度点的恒温环境，该恒温点由厂家和用户设定。该膜可以是单片膜片，使用天平称重，也可以是纸带。当使用纸带时，可与其它物质成分分析的模块连接使用，测量颗粒物的成分；辅流量通道的切换阀和切换阀为同时动作的两只阀，用于防止换膜引起的系统泄漏或其它影响。 

需要说明的是： 

1)Thermo Scientific公司使用了虚拟式切割器进行分流和PM2.5的 切割。但是由于该虚拟式切割器对气流中颗粒物的浓度有要求，而在中国这个浓度往往很高，因此在清洗时间间隔很短，基本在1个月内就必须清洗一次，给自动监测带来诸多不便。本发明中使用了多组分流技术和旋风式PM2.5切割器，分流比更灵活，清洗时间间隔可大于3个月，并且清洗方便。 

2)Thermo Scientific公司的FDMS在测量流路上增加恒温的采集滤膜，通过对该采集滤膜的质量增量来校正仪器的浓度系统，但是由于该测量流路的流量太小不足3L/min，需要至少72小时来累积质量增量才能使用十万分之一的天平称量，不能在短期内对仪器浓度系统进行校正。本发明在较大流量大于12L/min的辅流路增加恒温采集滤膜，能在较短时间24小时内累积到足够方便称量的质量增量，从而能在较短的时间对仪器浓度系统进行校正。 

3)Thermo Scientific公司的FDMS在测量流路上增加恒温的采集滤膜该滤膜还要用于称重，通过该滤膜去掉采样气流中的不挥发性颗粒物、挥发颗粒物和半挥发颗粒物得到一个相对干净的零气，但是仅限于颗粒物，其气态形态仍有可能穿透过滤器，在通过过滤器后与到达质量检测室前形成固态或气溶胶的颗粒物，从而引起挥发颗粒物和半挥发颗粒物的测量误差。本发明由于不使用该过滤器来称重并校正系统浓度，因此可以增加可吸收挥发颗粒物和半挥发颗粒物的吸收材料(如碳酸钠、草酸钠等)，使通过该过滤器的零气更纯净，从而减小对挥发颗粒物和半挥发颗粒物的测量误差。 

4)Thermo Scientific公司的利用了流量调节阀产生的气流在阀前后的压力差，从而产生水蒸气分压的梯度差，Nafion膜利用这个梯度差进行去湿。对于Nafion膜，水蒸气分压的梯度差越大，去水效果越好。本发明增加了分子筛技术：利用分子筛加压吸附，减压解附的原理，将两只分子 筛分别安装在采样滤膜后与反吹管的反吹气流后，通过两位四通阀切割其吸附状态与解吸状态，从而得到更小水蒸气气压的反吹气，增加Nafion膜两边的水蒸气气压梯度差，达到更好的去湿效果。 

5)ADS系统是通过制冷去除采样气中的水分来达到去湿的目的，不排除在去除的水中也包含有需要测量的颗粒物，因此在一定环境中使用时其测量结果是偏低的。本发明使用质子交换方式有选择性地去除采样气里的水分，以及有设计专利的去湿管结构，去湿效率高，结构简单，低碳节能。 

6)使用本发明可利用辅流量气路对颗粒物进行纸带式的采样，并且连接X射线衍射或光谱分析模块进行颗粒的成分分析，结合恒温过滤器和切换测量得到的半挥发性颗粒物浓度，完成目前同类产品不能完成的功能。 

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。 

尽管本文较多地使用了气体采集组件1、辅助流量监测组件2、一级振荡天平监测组件3、二级振荡天平监测组件4、PM10切割器5、一级分流器6、二级分流器7、PM2.5切割器8、一级第一通道主流量干燥器9、一级切换阀10、一级恒温管11、一级零空气过滤器12、一级质量检测器13、一级干燥分子筛14、一级流量传感器15、一级流量调节阀16、一级干燥管的反吹气路17、一级再生分子筛18、一级压力调节阀19、二级第一通道主流量干燥器20、二级切换阀21、二级恒温管22、二级零空气过滤器23、二级质量检测器24、二级干燥分子筛25、二级流量传感器26、二级流量调节阀27、二级干燥管的反吹气路28、二级再生分子筛29、二级压力调节阀30辅助压差干燥管31、第一辅助切换阀32、辅助过滤膜组件33、第二辅助切换阀34、辅助常温气体过滤器35、辅助流量负压传感器36、辅助流量 比例调节阀37等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。 

Claims (10)

1.一种基于振荡天平的细粒子连续监测仪，其特征在于，包括一个气体采集组件(1)、与气体采集组件(1)连接的辅助流量监测组件(2)、与气体采集组件(1)连接的一级振荡天平监测组件(3)、以及与气体采集组件(1)连接的二级振荡天平监测组件(4)；所述的气体采集组件(1)包括一级细粒子分流单元和二级细粒子分流单元；所述一级振荡天平监测组件(3)与一级细粒子分流单元连接；所述二级振荡天平监测组件(4)与二级细粒子分流单元连接，所述的一级振荡天平监测组件(3)和二级振荡天平监测组件(4)同时连接振荡天平检测仪；

所述一级细粒子分流单元包括一个PM10切割器(5)以及与PM10切割器(5)连接的一级分流器(6)；所述一级分流器(6)的分流管出口端与一级振荡天平监测组件(3)连接，一级分流器(6)的辅流量出口端与二级细粒子分流单元连接；

所述二级细粒子分流单元包括一个PM2.5切割器(8)以及与PM2.5切割器(8)连接的二级分流器(7)；所述二级分流器(7)的分流管出口端与二级振荡天平监测组件(4)连接，二级分流器(4)的辅流量出口端与辅助流量监测组件(2)连接；

所述一级振荡天平监测组件(3)包括依次连接在一级分流器(6)的分流管出口端的一级第一通道主流量干燥器(9)、一级切换阀(10)、一级恒温管(11)、一级零空气过滤器(12)、一级质量检测器(13)、一级干燥分子筛(14)、一级流量传感器(15)、一级流量调节阀(16)、一级干燥管的反吹气路(17)、一级再生分子筛(18)、一级压力调节阀(19)；

所述二级振荡天平监测组件(4)包括依次连接在二级分流器(7)的分流管出口端的二级第一通道主流量干燥器(20)、二级切换阀(21)、二级恒温管(22)、二级零空气过滤器(23)、二级质量检测器(24)、二级干燥分子筛(25)、二级流量传感器(26)、二级流量调节阀(27)、二级干燥管的反吹气路(28)、二级再生分子筛(29)、二级压力调节阀(30)。

2.根据权利要求1所述的一种基于振荡天平的细粒子连续监测仪，其特征在于，所述辅助流量监测组件(2)包括依次连接在二级分流器(7)的辅流量出口端的辅助压差干燥管(31)、第一辅助切换阀(32)、辅助过滤膜组件(33)、第二辅助切换阀(34)、辅助常温气体过滤器(35)、辅助流量负压传感器(36)、以及辅助流量比例调节阀(37)；所述辅助流量比例调节阀(38)经过辅助压差干燥管(39)后与外界相通。

3.根据权利要求2所述的一种基于振荡天平的细粒子连续监测仪，其特征在于，干燥器为使用Nafion膜进行干燥的板式或管式干燥器，并且经干燥器干燥后的气流露点为-50℃～4℃；该干燥器分内外两层，内为采样气流通道，外为干燥气流通道，并且两路气流方面相反。

4.根据权利要求3所述的一种基于振荡天平的细粒子连续监测仪，其特征在于，一级切换阀(10)和二级切换阀(21)均为三通电动阀，在正常工作状态下该阀为直通状态，在测量挥发性颗粒物或校零状态下为旁路状态；该阀在旁路状态时，采样气流在经过干燥器后，再经过该阀进入零空气过滤器，然后通过三通回到恒温管；一级切换阀(10)和二级切换阀(21)由系统程序控制，或用户设置其切换周期和方式。

5.根据权利要求4所述的一种基于振荡天平的细粒子连续监测仪，其特征在于，一级零空气过滤器(12)和二级零空气过滤器(23)对0.1um以上的颗粒物的捕集效率大于99％，填充阻当或吸附半挥发性物质或挥发性物质的材料，并且工作温度在-10～50℃的温度环境。

6.根据权利要求5所述的一种基于振荡天平的细粒子连续监测仪，其特征在于，一级恒温管(11)和二级恒温管(22)均工作于-10℃～50℃的任一温度点的恒温环境，该温度点由用户设置，通过PID方式进行控制。

7.根据权利要求6所述的一种基于振荡天平的细粒子连续监测仪，其特征在于，一级质量检测器(13)和二级质量检测器(23)均采用微量振荡天平，工作于0℃～50℃的任一温度点的恒温环境，该恒温点由用户设定。

8.根据权利要求6所述的一种基于振荡天平的细粒子连续监测仪，其特征在于，一级振荡天平监测组件(3)和二级振荡天平监测组件(4)干燥分子筛与再生分子筛均使用切换阀相互切换工作状态。

9.根据权利要求6所述的一种基于振荡天平的细粒子连续监测仪，其特征在于，一级流量传感器(15)和二级流量传感器(26)为质量流量传感器。

10.根据权利要求6所述的一种基于振荡天平的细粒子连续监测仪，其特征在于，一级流量调节阀(16)和二级流量调节阀(27)为电动控制的流量调节阀；一级压力调节阀(19)和二级压力调节阀(30)为电动控制的流量调节阀，并且该阀不用安装；辅流量通道的辅助压差干燥管(31)为使用Nafion膜进行干燥的板式或管式干燥器；该干燥器分内外两层，内为采样气流通道，外为干燥气流通道，并且两路气流方面相反；辅流量通道的辅助过滤膜组件(33)使用的膜片对0.1um以上的颗粒物的捕集效率大于99％，并且工作温度在-10～50℃的任一温度点的恒温环境，该恒温点由厂家和用户设定；该膜是单片膜片，使用天平称重或者是纸带；当使用纸带时，可与其它物质成分分析的模块连接使用，测量颗粒物的成分；辅流量通道的第一辅助切换阀(32)和第二辅助切换阀(34)为同时动作的两只阀，用于防止换膜引起的系统泄漏或其它影响。