CN104237087A - 气体颗粒物浓度检测器及使用的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气体PM浓度的检测器，包括PM过滤器(25)、气流检测器(22)、排气管(21)、气流分流器(23)、采样管(24)、真空泵(26)以及气流检测控制器(27)；所述排气管(21)内设置气流检测器(22)；所述排气管(21)与PM过滤器(25)的进气口(1)之间通过采样管(24)相互连通；所述真空泵(26)的吸气口与PM过滤器(25)的出气口(2)相互连通；所述真空泵(26)的排气口与气流分流器(23)相互连通；所述气流分流器(23)的一路排气口与采样管(24)相互连通，所述气流分流器(23)的另外一路排气口悬空；所述气流检测器(22)分别与气流检测器(22)和气流分流器(23)信号连接。

Description

气体颗粒物浓度检测器及使用的方法

技术领域

本发明涉及一种气体颗粒物(PM)浓度的检测器，尤其涉及能快速准确检测气体颗粒物浓度并有效过滤去除颗粒物的检测器。

背景技术

颗粒物(Particulate matter,简称PM)特指悬浮在空气中的固体颗粒或液滴，是空气污染的主要来源之一，直径小于或等于10微米的颗粒物称为可吸入颗粒物(PM10)；直径小于或等于2.5微米的颗粒物称为细颗粒物(PM2.5)。颗粒物能够在大气中停留很长时间，影响大气能见度，并可随呼吸进入体内，积聚在气管或肺中，影响身体健康。PM2.5是日常发电、工业生产、汽车尾气排放等过程中排放的残留物质，大多含有重金属等有毒物质。一般而言，粒径2.5μm～10μm的粗颗粒物主要来自道路扬尘等；2.5μm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。世界卫生组织(WHO)认为，PM2.5对人体健康影响巨大。PM2.5质量浓度＜10μg/m³是安全值。当PM2.5年均质量浓度达到35μg/m³时，人的死亡风险比10μg/m³的情形约增加15％。虽然细颗粒物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，细颗粒物粒径小，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。研究表明，颗粒越小对人体健康的危害越大。细颗粒物能飘到较远的地方，因此影响范围较大。细颗粒物对人体健康的危害要更大，因为直径越小，进入呼吸道的部位越深。10μm直径的颗粒物通常沉积在上呼吸道，2μm以下的可深入到细支气管和肺泡。细颗粒物进入人体到肺泡后，直接影响肺的通气功能，使机体容易处在缺氧状态。[J.Grundmann,S.Müller,R.J.Zahn,Treatment of Soot by Dielectric Barrier Discharges and Ozone[J].Plasma Chemistryand Plasma Processing,2005,25(5),455466；Raghu B,Rajasekhar B.Emissions ofParticulate-bound Elements from Biodiesel and Ultra Low Sulfur Diesel:Size Distribution andRisk Assessment[J].Chemosphere,2013,90:1005-1015.]。

目前，我国的大气污染日益严重，其中颗粒物污染尤其严峻，已经成为每个老百姓关注的热点问题。2012年2月29日，国务院常务会议发布新修订的《环境空气质量标准》，部署加强大气污染综合防治重点工作，增加了空气PM2.5的监测。对于大气中的PM的检测，一般通过传统的大气采样器采样10小时左右，然后通过称重法确定PM浓度，但是由于常规的过滤膜对PM2.5的收集效果不高，并且所需时间太长。对于汽车与柴油车尾气中PM2.5浓度的检测，一般通过光的折射与散射来测量，但是由于尾气中含有大量的纳米级的颗粒物，常规的光学检测法对此类颗粒物的检测效果不好；并且尾气中气体流量等一系列条件不稳定也增加了检测的难度与结果的准确性。本发明采用一种聚四氟乙烯过滤膜具有极强的PM过滤效果，对大气中的PM，甚至是汽车排出的尾气的PM去除率达到99％以上。通过气流检测器、气流分离器、气流检测控制器、无油真空泵和高精度电子天平能在几分钟内计算出所测气体的PM浓度。

目前对于PM2.5的检测每天都有数据发布，但能快速准确检测出气体PM浓度的检测器却鲜有报道。PM在大气中浓度很低，如何快速准确检测出PM浓度尤其是PM2.5的浓度十分困难。要真正实现快速准确检测出气体中PM浓度，必须在过滤材料、无油真空泵和高精确度称量天平等方面有所突破。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单的气体颗粒物浓度检测器。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种气体颗粒物浓度检测器，包括PM过滤器、气流检测器、排气管、气流分流器、采样管、真空泵以及气流检测控制器；采样管的一段插入排气管中所述排气管内设置气流检测器；所述排气管与PM过滤器的进气口之间通过采样管相互连通；所述真空泵的吸气口与PM过滤器的出气口相互连通；所述真空泵的排气口与气流分流器相互连通；所述气流分流器的一路排气口与采样管相互连通，所述气流分流器的另外一路排气口排空；所述气流检测控制器分别与气流检测器和气流分流器信号连接。

作为对本发明所述的气体颗粒物浓度检测器的改进：所述PM过滤器包括壳体；所述壳体的上端面设置出气口和进气口；所述壳体内设置有壳体空腔；所述壳体空腔内设置有过滤芯；所述过滤芯的上端与出气口相连通。

作为对本发明所述的气体颗粒物浓度检测器的进一步改进：构成壳体的材质为金属、有机材料或无机材料；所述金属包括不锈钢、碳钢、铁、铝、镁、镍或者合金材质；所述有机材料包括塑料或者橡胶；所述无机材料包括陶瓷或者玻璃；所述壳体空腔的形状为圆柱形、方形、椭圆形或者不规则形状；所述壳体的高度为10～1000mm，外径为10～500mm，厚度为0.5～20mm；所述过滤芯为由有机多孔材料或者无机多孔材料材质构成的过滤膜合围成圆柱环形；所述过滤芯的外径为5～500mm，壁厚为0.5～20mm，过滤孔的孔径不大于2μm。

作为对本发明所述的气体颗粒物浓度检测器的进一步改进：所述壳体空腔内侧壁与过滤芯之间的间隙为0.1～500mm；所述过滤芯的长度为10～800mm，与出气口的间距为1～500mm。

作为对本发明所述的气体颗粒物浓度检测器的进一步改进：所述气流分流器与采样管之间还设置有加热器；所述采样管、PM过滤器和加热器上还设置有由恒温箱构成的温度控制系统。

作为对本发明所述的气体颗粒物浓度检测器的进一步改进：所述气流分流器与采样管之间还设置有加热器；所述采样管、PM过滤器、加热器、气流分流器和真空泵上还设置有由恒温箱构成的温度控制系统。

气体颗粒物浓度检测器的使用方法：采用如下的步骤完成：一、真空泵提供吸引力，吸取经过排气管的待测气体；待测气体依次从排气管、采样管、进气口后进入到壳体空腔内侧壁与过滤芯之间的空间；二、通过真空泵提供的吸引力，待测气体通过PM过滤器的过滤芯滤除部分PM后经出气口和真空泵，到达气流分流器，气流分流器将部分PM滤除的气体分成两部分，一部分排出，一部分重新导入到采样管；三、从气流分流器进入采样管的部分PM滤除的气体用于稀释从排气管进入采样管的待测气体，稀释后的气体循环进行步骤一；四、检测结束后，取出过滤芯，通过过滤芯使用前后的颜色变化、质量变化、待测气体流量及采样时间就可以获取当前被测气体中PM的浓度。

作为对本发明所述的气体颗粒物浓度检测器的使用方法的改进：所述待测气体流量通过通过如下的步骤确定：由方法一或者方法二确定待测气体的实时流量：方法一、通过气流检测器获取经过排气管的待测气体实时的流量；方法二、由气流检测控制器通过外部信号线输入经过排气管的待测气体实时流量的模拟信号；根据设定的检测条件确定采样管内待测气体的稀释值，再由气流检测控制器控制气流分流器输出相应量的部分PM滤除的待测气体到采样管，由该部分PM滤除的待测气体进行采样管内待测气体的稀释；通过气流分流器获取通过PM过滤器部分PM滤除的气体流量值；通过对多个部分PM滤除的气体流量值进行平均后，就可以计算获得气体流量值。

作为对本发明所述的气体颗粒物浓度检测器的使用方法的进一步改进：通过加热器和恒温箱保持该待测气体在30-200℃之间的恒定温度。

本发明通过快速准确的PM检测器，将气流检测器、气流分离器、气流检测控制器、无油空气泵与PM检测器相结合，PM检测器不仅能检测出PM浓度，也能起到对PM的高效去除作用。PM过滤膜具有孔径小、孔隙率高及比表面积大的特点，对气体中的PM具有良好的过滤能力。

对于气体中的PM，首先利用高流量的无油真空泵使低浓度的PM快速经过PM检测器，接下来PM经过PM检测器中的过滤膜后被截留在过滤膜上，通过对比过滤前后的过滤膜质量与气体流量，能准确计算出气体中的PM浓度。

本发明与现有技术相比具有的有益效果：

能够准确检测气体中PM浓度，并且能有效去除气体中的PM。由于过滤膜具有密度小、孔隙率高、比表面积大且孔径不大于2μm，PM去除率达到99％以上，因此绝大部分的PM能够截留在过滤膜上，结果准确可信。

能够大大缩短气体中PM浓度检测的时间。根据不同的检测气体选择真空泵不同的流量，能快速检测出气体中PM浓度。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

图1是本发明的主要结构示意图；

图2是图1的一种情况结构示意图；

图3是图1的另外一种情况结构示意图；

图4是图1中的PM过滤器25的主要结构示意图。

具体实施方式

实施例1、图1～图4给出了一种快速气体PM检测器，包括PM过滤器25、气流检测器22、排气管21、气流分流器23、采样管24、真空泵26以及气流检测控制器27、分流器控制线28以及温度模拟系统。

PM过滤器25包括壳体5和过滤芯4；壳体5为金属(包括不锈钢、碳钢、铁、铝、镁、镍或者合金材质)、有机材料(包括塑料或者橡胶)或无机材料(陶瓷或者玻璃)构成的圆柱形、方形、椭圆形或者不规则形状(本实施例中取圆柱形)，高度为10～1000mm(本实施例中取165～175mm)，外径为10～500mm(本实施例中取70～80mm)，厚度为0.5～20mm(本实施例中取10～11mm)，内设有壳体空腔；壳体空腔内设置有过滤芯4；所述壳体5的上端面设置出气口2和进气口1，出气口2和进气口1均贯穿壳体5的上端面后与壳体空腔相连通；过滤芯4由有机多孔材料或者无机多孔材料材质构成(如聚四氟乙烯材质)构成的过滤膜41合围成圆柱环形；将过滤芯4的一端密封后，在过滤芯4内就形成上不封顶的滤芯空腔，该滤芯空腔的上端(不密封一端)与出气口2相连通。以上所述的过滤芯4的外径为5～500mm(本实施例中取48～50mm)，壁厚为0.5～20mm(本实施例中取8～11mm)，过滤孔的孔径不大于2μm。壳体空腔内侧壁与过滤芯4之间的间隙为0.1～500mm(本实施例中取9～21mm)。过滤芯4的长度为10～800mm(本实施例中取120～130mm)，与出气口2的间距为1～500mm(本实施例中取2～3mm)。过滤芯4与出气口2之间通过橡胶圈密封。

以上所述的排气管21内设置气流检测器22(检测经过排气管21的气流)；排气管21与PM过滤器25的进气口1之间通过采样管24相互连通；真空泵26的吸气口与PM过滤器25的出气口2相互连通；真空泵26的排气口与气流分流器23相互连通；气流分流器23的一路排气口与采样管24相互连通，所述气流分流器23的另外一路排气口悬空；气流检测器22分别与气流检测器22和气流分流器23信号连接。分离器控制线就是一般的线路，起到及时反馈信号的作用。

以上所述的温度模拟系统为加热器10和恒温箱29；

使用的时候，有如下的两种设置方式：

方式一：在气流分流器23与采样管24之间设置加热器10；采样管24、PM过滤器25和加热器10均放置在恒温箱29内。

方式二：在气流分流器23与采样管24之间设置加热器10；采样管24、PM过滤器25、加热器10、气流分流器23和真空泵26均放置在恒温箱29内。

使用的实际步骤如下：

一、不使用温度模拟系统的时候：

1、经过排气管21的待测气体通过真空泵26(无油空气泵)的牵引力后，由采样管24经进气口1进入过滤芯4和壳体空腔内侧壁之间的空间内；

2、待测气体通过过滤芯4的过滤孔后，通过过滤孔截留大部分的PM；由于真空泵26(无油空气泵)的牵引力，该被滤除大部分PM的气体经过出气口2到达气流分流器23；

3、通过PM过滤器25后的气体由气流分流器23分为两路，一路直接通入采样管24达到稀释待测气体的作用；另一路直接排空；

4、检测完成，取出过滤芯4，根据过滤芯4的颜色变化(或者根据滤芯4的质量改变，首先将未进行空气净化的过滤芯4进行称重，获取质量A，再将进行空气净化后的滤芯4进行称重，获取质量B，再将质量B减去质量A就可以得到污染物的质量C)以及待测气体的流量值(通过气流检测器23获取气体流量信息，通过对多个时间节点的气体流量信息进行平均后，就可以获得待测气体的流量值)就可以计算出空气的PM浓度。

以上所述的步骤中，由气流检测器22读取排气管21内当前的气体流量信息，再根据读取的当前的气体流量信息，就可以通过气流检测控制器27调节气流分流器23得到不同的稀释比，从而检测待测气体的动态PM浓度。

二、采用方式一进行设置的时候：

实现步骤与以上所述的步骤一完全相同；在检测的时候，可以通过恒温箱29保持该检测环境与待测气体所在环境的一致性，提高检测的精确度，加热器10则可以补充反应后气体的温度损失，确保稀释待测气体的时候的所有物理性质不会变化。

三、采用方式二进行设置的时候：

实现步骤与以上所述的步骤一完全相同；在检测的时候，可以通过恒温箱29保持该检测环境与待测气体所在环境的一致性，提高检测的精确度，加热器10则可以补充反应后气体的温度损失，确保稀释待测气体的时候的所有物理性质不会变化。

本专利的发明点：经过采样管的排气流量和在排气管中的排气流量成一定的比例。采样管的排气流量通过气流分流器、气流检测器、气流检测控制器来实现。本专利不仅可以检测一般条件下气体中PM浓度，还能检测非稳态(流速等不稳定)条件下气体中的PM浓度。由于过滤膜具有密度小、孔隙率高、比表面积大且孔径不大于2μm，因此绝大部分的PM能够截留在过滤膜上。由于经过无油真空泵的大流量抽气，使待测气体中的PM在短时间内能通过过滤膜，从而大大减少了检测时间。同时由大量试验可得在过滤过程中过滤膜对PM的去除率达到了99％以上，几乎所有的PM都被截留在过滤膜上。不仅能快速准确检测出气体中PM的浓度，还能有效过滤气体中的PM。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的一个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种气体颗粒物浓度检测器，包括PM过滤器(25)、气流检测器(22)、排气管(21)、气流分流器(23)、采样管(24)、真空泵(26)以及气流检测控制器(27)；其特征在于：所述排气管(21)内设置气流检测器(22)；

所述排气管(21)与PM过滤器(25)的进气口(1)之间通过采样管(24)相互连通；所述真空泵(26)的吸气口与PM过滤器(25)的出气口(2)相互连通；

所述真空泵(26)的排气口与气流分流器(23)相互连通；

所述气流分流器(23)的一路排气口与采样管(24)相互连通，所述气流分流器(23)的另外一路排气口悬空；

所述气流检测控制器(27)分别与气流检测器(22)和气流分流器(23)信号连接。

2.如权利要求1所述的气体颗粒物浓度检测器，其特征在于：所述PM过滤器(25)包括壳体(5)；

所述壳体(5)的上端面设置出气口(2)和进气口(1)；

所述壳体(5)内设置有壳体空腔；

所述壳体空腔内设置有过滤芯(4)；

所述过滤芯(4)的上端与出气口(2)相连通。

3.如权利要求2所述的气体颗粒物浓度检测器，其特征在于：构成壳体(5)的材质为金属、有机材料或无机材料；

所述金属包括不锈钢、碳钢、铁、铝、镁、镍或者合金材质；

所述有机材料包括塑料或者橡胶；

所述无机材料包括陶瓷或者玻璃；

所述壳体空腔的形状为圆柱形、方形、椭圆形或者不规则形状；

所述壳体(5)的高度为10～1000mm，外径为10～500mm，厚度为0.5～20mm；

所述过滤芯(4)为由有机多孔材料或者无机多孔材料材质构成的过滤膜(41)合围成圆柱环形；

所述过滤芯(4)的外径为5～500mm，壁厚为0.5～20mm，过滤孔的孔径不大于2μm。

4.如权利要求3所述的气体颗粒物浓度检测器，其特征在于：所述壳体空腔内侧壁与过滤芯(4)之间的间隙为0.1～500mm；

所述过滤芯(4)的长度为10～800mm，与出气口(2)的间距为1～500mm。

5.如权利要求4所述的气体颗粒物浓度检测器，其特征在于：所述气流分流器(23)与采样管(24)之间还设置有加热器(10)；

所述采样管(24)、PM过滤器(25)和加热器(10)上还设置有由恒温箱(29)构成的温度控制系统。

6.如权利要求5所述的气体颗粒物浓度检测器，其特征在于：所述气流分流器(23)与采样管(24)之间还设置有加热器(10)；

所述采样管(24)、PM过滤器(25)、加热器(10)、气流分流器(23)和真空泵(26)上还设置有由恒温箱(29)构成的温度控制系统。

7.气体颗粒物浓度检测器的使用方法，其特征在于：采用如下的步骤完成：

一、真空泵(26)提供吸引力，吸取经过排气管(21)的待测气体；待测气体依次从排气管(21)、采样管(24)、进气口(1)后进入到壳体空腔内侧壁与过滤芯(4)之间的空间；

二、通过真空泵(26)提供的吸引力，待测气体通过PM过滤器(25)的过滤芯(4)滤除部分PM后经出气口(2)和真空泵(26)，到达气流分流器(23)，气流分流器(23)将部分PM滤除的气体分成两部分，一部分排出，一部分重新导入到采样管(24)；

三、从气流分流器(23)进入采样管(24)的部分PM滤除的气体用于稀释从排气管(21)进入采样管(24)的待测气体，稀释后的气体循环进行步骤一；

四、检测结束后，取出过滤芯(4)，通过过滤芯(4)使用前后的颜色变化、质量变化、待测气体流量及采样时间就可以获取当前被测气体中PM的浓度。

8.如权利要求7所述的气体颗粒物浓度检测器的使用方法，其特征在于：所述待测气体流量通过通过如下的步骤确定：

由方法一或者方法二确定待测气体的实时流量：

方法一、通过气流检测器(22)获取经过排气管(21)的待测气体实时的流量；

方法二、由气流检测控制器(27)通过外部信号线(31)输入经过排气管(21)的待测气体实时流量的模拟信号；

根据设定的检测条件确定采样管(24)内待测气体的稀释值，再由气流检测控制器(27)控制气流分流器(23)输出相应量的部分PM滤除的待测气体到采样管(24)，由该部分PM滤除的待测气体进行采样管(24)内待测气体的稀释；

通过气流分流器(23)获取通过PM过滤器(25)部分PM滤除的气体流量值；

通过对多个部分PM滤除的气体流量值进行平均后，就可以计算获得气体流量值。

9.如权利要求8所述的气体颗粒物浓度检测器的使用方法，其特征在于：通过加热器(10)和恒温箱(29)保持该待测气体在30-200℃之间的恒定温度。