CN104297119B - 一种空气可吸入颗粒物浓度越限报警方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空气可吸入颗粒物浓度越限报警方法，其特征在于，采集定量的待检测空气，使其通过一个下部中央位置粘附有轻质导电薄片的弹性滤膜并靠滤膜收集采样空气中的PM2.5，该滤膜横向设置使得收集PM2.5过程中在重力作用下产生向下的形变，在滤膜下方一定高度处设置两片金属板且使其间距稍小于金属薄片的宽度并将两片金属板一端分别接入到报警电路中，当滤膜和金属板接触后进行报警并表示待检测空气中PM2.5含量超标。本发明能够在日常标准下当室内空气可吸入颗粒物的浓度超过限值时进行报警；同时具有实施简单，成本低廉，检测灵敏可靠等优点。

Description

一种空气可吸入颗粒物浓度越限报警方法

技术领域

本发明涉及空气污染物监测技术领域；特别是涉及一种对室内空气可吸入颗粒物浓度进行实时监测及报警的新方法。

背景技术

随着工业化进程的推进和人们生活水平的提高，环境问题尤其是空气质量问题日益引起人们的关注。2011年冬天我国北方出现了严重的雾霾天气，对人们的健康生活有很大的危害。形成雾霾的主要原因是空气中可吸入颗粒物浓度过高，可吸入颗粒物是指大气中直径小于或等于10μm的颗粒物。其中的直径小于2.5μm的颗粒物则对人体的危害更大，它能直接侵入人体的肺泡，还可以通过支气管和肺泡进入血液，使其中的有害气体、重金属等溶解在血液中。故现有空气质量监测技术多基于对直径小于2.5μm的颗粒物的监测实现。

另外，据调查显示，普通人每天在室内的时间占80%之高，因此对人们朝夕相处的室内空气进行可吸入颗粒物浓度监测意义重大。目前可吸入颗粒物浓度的测量方法主要有滤膜称重法、光散射法、β射线法、微量振荡天平法等。在众多室内空气颗粒物浓度检测仪的相关专利中提及的颗粒物浓度检测模块即颗粒物浓度传感器采用的均为光散射原理。为实现颗粒物浓度的快速在线检测，同时保证便携性，申请号为201320298597.3、名称为《一种细颗粒物传感器》公开了一种基于光散射原理的颗粒物浓度传感器设计方案，该传感器利用红外发射单元发出红外光照射粉尘通过孔内空气样本中的悬浮颗粒物发生光的散射，并在一定方向上用光电转换单元接受散射光强、光能的空间分布、频数等光学信号并转换成电学信号输出，从而间接得出颗粒物浓度值。此类传感器测量速度快、重复性好、自动化程度高，在其基础上发明出的室内空气颗粒物浓度检测仪一定程度上符合使用要求，但由于散射光的性质是由颗粒物结构、形状、粒度决定的，测定结果是单位体积内的粒子数（CPM），而我国现行的卫生标准规定的是质量浓度（mg/m³），CPM与mg/m³之的转换系数K需要使用国家的滤膜称重法进行测量标定，而K值受环境因素影响巨大，不同地区不同季节的K值相差甚远，目前仅有少数中心城市测定了K值，这一特征限制了光散射法的广泛应用。此外，颗粒物的重叠遮挡和光学器材的稳定性不足都会使光散射法测颗粒物浓度产生较大误差。虽然上文提及的不足之处能通过升级软件和硬件的手段在一定程度上得到解决，但是检测成本也随之大幅升高，所以光散射法的先天不足使得它不能像基于重力法的检测仪器那样在合理的成本下保证测量的直接和准确。另外，为实现对室内空气可吸入颗粒物浓度的监测，公告号为CN103196775A、名称为《重量法大气颗粒物浓度在线监测采样、称重装置与方法》以滤膜称重法为核心原理，保证了测量的准确性，同时通过巧妙的结构设计和单片机的辅助实现了采样、称量、数据处理的自动化，使重量法也能实现在线监测，提高了监测的实效性。该设计方案将完整的分析天平作为装置的一部分用以重量的精确测量，但分析天平属于精密测量仪器，均价在万元以上，这使得装置自身成本极高，难以推广民用。

因此，研究设计一种在日常生活标准下能够监测空气（特别是室内空气）中可吸入颗粒物浓度并越限报警，且实施简单，成本低，安装操作简便，能够广泛适用的监测报警方法具有远大的应用前景和实际意义。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种能够在日常标准下当空气可吸入颗粒物的浓度超过限值时进行报警的空气可吸入颗粒物浓度越限报警方法；使其具有实施简单，成本低廉，检测灵敏可靠等效果。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种空气可吸入颗粒物浓度越限报警方法，其特征在于，采集定量的待检测空气，使其通过一个下部中央位置粘附有轻质导电薄片的弹性滤膜并靠滤膜收集空气中的PM2.5，该滤膜横向设置使得收集PM2.5过程中在重力作用下产生向下的形变，在滤膜下方一定高度处设置两片水平相对的金属板且两片金属板间隔位置位于轻质导电薄片下方且间隔尺寸小于金属薄片的宽度，两片金属板一端分别接入到报警电路中，当轻质导电薄片和金属板接触后进行报警并表示待检测空气中PM2.5含量超标。

本方案与现有的测量可吸入颗粒物浓度方法——滤膜称重法相同的是，它也是利用了滤膜来实现对PM2.5的收集。其不同之处则在于本发明并没有对收集颗粒物的滤膜进行称重和进一步的分析，而是根据滤膜在收集了室内可吸入颗粒物之后由于重力作用产生形变的程度间接反映空气中可吸入颗粒物的浓度大小。其中，形变最大点下降的高度h与所测浓度大小φ存在一一对应的确定关系，可以通过具体的实验手段进行标定。当收集它的滤膜产生的形变量达到预设的h0（对应于警戒浓度φ0）时，将自动触动报警装置，以此来提醒室内的人们及时采取相应的解决措施。

作为优化，本方法可以具体包括以下步骤：

a、获取以下结构的报警装置，该报警装置包括带报警器的报警电路，报警电路具有两个用于控制电路通断的接入端，其特征在于，包括一个容置体，容置体内腔中部横向设置有第三开关扇叶并将容置体内腔隔断为上方的进气腔室和下方的检测腔室两个部分，所述容置体进气腔室的一侧侧壁上连通设置有进气通道并在连通位置设置有第一开关扇叶，容置体进气腔室另一侧侧壁上设置有用于控制和大气连通的第二开关扇叶，所述进气通道的进气口设置有用于进气的进气装置，所述进气通道的内部设置有用于过滤空气灰尘的第一滤膜；所述检测腔室内由上到下依次间隔布置有第二滤膜、第三滤膜和两片水平相对设置的金属板，第二滤膜、第三滤膜和金属板均为横向隔断式设置，所述第二滤膜用于筛除气体中粒径大于2.5μm的颗粒物，所述第三滤膜为用于收集气体中的颗粒物PM2.5的弹性滤膜，第三滤膜下部中央位置粘附有轻质导电薄片，两片金属板间隔位置位于轻质导电薄片下方且间隔尺寸小于金属薄片的宽度，所述金属板上设置有过气孔且金属板和第三滤膜间距小于第三滤膜在竖直方向最大弹性变形距离；所述金属板下方设置有用于控制检测腔室和空气连通的第四开关扇叶；所述报警电路的两个接入端分别与所述两片金属板电连接；

b、打开第一开关扇叶和第二开关扇叶，关闭第三开关扇叶，通过进气装置采样一定体积的待检测空气通过进气通道进入到进气腔室，并排除进气腔室内原有气体，进气时通过第一滤膜过滤掉空气灰尘；当原有气体已经全部排除后，关闭第二开关扇叶继续采样至进气腔室内压力达到一定值P0（高于大气压力Pa），关闭第一开关扇叶；

c、然后静置一段时间t0让进气腔室内的采样气体充分混合均匀后，打开进气腔室下部的第三开关扇叶和第四开关扇叶，使得采样气体在横向处处相等的微压差作用下竖直向下流动，在此过程中第二滤膜拦截了PM2.5以上的大粒径颗粒物，并使得PM2.5在第三滤膜上沉积使第三滤膜中部逐渐发生向下的形变；

d、再过一段时间t1后，容置体内压力降低至Pa，容置体内部与外部空气不再对流时，关闭第四开关扇叶，采集的颗粒物在装置内部充分沉降；在此过程中，当PM2.5浓度超过预设值，第三滤膜产生足够大的形变将使报警线路自动接通报警；如未超过预设值，则不报警，表明被检测的空气质量良好。

作为上述技术方案的进一步优化，报警装置中，所述进气通道内壁上还设置有干燥装置。

这样，在进气时，干燥装置可以吸收气体中的水分，避免水分聚集在滤膜上造成对检测的干扰，更好地保证了检测结果的准确可靠。

作为优化，报警装置中，所述进气通道具有一个竖向设置的进气段，所述第一滤膜位于进气段内且呈尖端向上的锥体形。

这样优化后，一是锥体形的滤膜有利于增大过滤面积，二是该结构的滤膜可以使得被过滤掉的灰尘颗粒从滤膜表面滑到锥体底部，避免灰尘堆积后造成滤膜堵塞；进而极大地保证了空气流通效率，保证了装置工作顺畅，检测可靠。

作为进一步优化，报警装置中，所述第二滤膜呈尖端向上的锥体形。好处和原理同上。

作为优化，报警装置中，金属板和控制检测腔室之间设置有用于调节金属板高度的高度调节机构。这样，可以灵活地调整金属板高度使其满足不同的被检测空气情况以及不同报警程度的要求。

本发明中，以简单的滤膜形变为依据来实现对空气中PM2.5的浓度的监测，并巧妙地利用了收集可吸入颗粒物的滤膜的弹性形变程度，直接地实现了当空气中可吸入颗粒物超过某设定极限值自动向室内人员发出警报信号的功能。与目前比较常用的其他监测方法相比，本发明更适用于在日常生活所要求的较低的精度下监测颗粒物的浓度，增加了其使用的范围，具有广泛的实际价值。本发明使用时，弹性滤膜检测PM2.5之前，待测气体通过了两次过滤，滤掉了空气中的灰尘和大颗粒固体，并干燥掉水分，保证弹性滤膜检测的可靠性和准确度。另外，以该原理为基础的装置不仅结构简单、成本低、制作操作简便，而且还能通过调整预设形变量的极限值来改变报警限值以满足不同场所不同人员的具体要求。如果室内可吸入颗粒物浓度超过了预设警戒值，还可以根据报警所需的时间长短间接地反映空气受污染的程度。

综上所述，本发明能够在日常标准下当室内空气可吸入颗粒物的浓度超过限值时进行报警；同时具有实施简单，成本低廉，检测灵敏可靠等优点。

附图说明

图1为本发明具体实施时的报警装置的结构示意简图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本具体实施方式的空气可吸入颗粒物浓度越限报警方法，采集定量的待检测空气，使其通过一个下部中央位置粘附有轻质导电薄片的弹性滤膜并靠滤膜收集空气中的PM2.5，该滤膜横向设置使得收集PM2.5过程中在重力作用下产生向下的形变，在滤膜下方一定高度处设置两片水平相对的金属板且两片金属板间隔位置位于轻质导电薄片下方且间隔尺寸小于金属薄片的宽度，两片金属板一端分别接入到报警电路中，当轻质导电薄片和金属板接触后进行报警并表示待检测空气中PM2.5含量超标。

具体实施时，本方法包括以下步骤，

a、先获取如图1所示的报警装置，报警装置包括带报警器14的报警电路13，报警电路13具有两个用于控制电路通断的接入端，其包括一个容置体12，容置体12内腔中部横向设置有第三开关扇叶3并将容置体12内腔隔断为上方的进气腔室10和下方的检测腔室两个部分，所述容置体进气腔室10的一侧侧壁上连通设置有进气通道8并在连通位置设置有第一开关扇叶1，容置体进气腔室10另一侧侧壁上设置有用于控制和大气连通的第二开关扇叶2，所述进气通道8的进气口9设置有用于进气的进气装置（未显示），所述进气通道8的内部设置有用于过滤空气灰尘的第一滤膜5；所述检测腔室内由上到下依次间隔布置有第二滤膜6、第三滤膜7和两片水平相对设置的金属板11，第二滤膜6、第三滤膜7和金属板11均为横向隔断式设置，所述第二滤膜6用于筛除气体中粒径大于2.5μm的颗粒物，所述第三滤膜7为用于收集气体中的颗粒物PM2.5的弹性滤膜，第三滤膜7下部中央位置粘附有轻质导电薄片15，两片金属板11间隔位置位于轻质导电薄片15下方且间隔尺寸小于金属薄片的宽度，所述金属板11上设置有过气孔且金属板11和第三滤膜7间距小于第三滤膜7在竖直方向最大弹性变形距离；所述金属板11下方设置有用于控制检测腔室和空气连通的第四开关扇叶4；所述报警电路13的两个接入端分别与所述的两片金属板11电连接。其中，所述进气通道8内壁上还设置有干燥装置（未显示）以吸收进气气体中的水分，避免水分聚集在滤膜上造成对检测的干扰。其中，所述进气通道8具有一个竖向设置的进气段，所述第一滤膜5位于进气段内且呈尖端向上的锥体形，所述第二滤膜6呈尖端向上的锥体形。以保证空气流通效率，保证装置工作顺畅，检测可靠。其中，金属板11和控制检测腔室之间设置有用于调节金属板高度的高度调节机构（未显示）。使其可以灵活地调整金属板高度使其满足不同的被检测空气情况以及不同报警程度的要求。

b、打开第一开关扇叶和第二开关扇叶，关闭第三开关扇叶，通过进气装置采样一定体积的待检测空气通过进气通道进入到进气腔室，并排除进气腔室内原有气体，进气时通过第一滤膜过滤掉空气灰尘；当原有气体已经全部排除后，关闭第二开关扇叶继续采样至进气腔室内压力达到一定值P0（高于大气压力Pa），关闭第一开关扇叶；

c、然后静置一段时间t0让进气腔室内的采样气体充分混合均匀后，打开进气腔室下部的第三开关扇叶和第四开关扇叶，使得采样气体在横向处处相等的微压差作用下竖直向下流动，在此过程中第二滤膜拦截了PM2.5以上的大粒径颗粒物，并使得PM2.5在第三滤膜上沉积使第三滤膜中部逐渐发生向下的形变；

d、再过一段时间t1后，容置体内压力降低至Pa，容置体内部与外部空气不再对流时，关闭第四开关扇叶，采集的颗粒物在装置内部充分沉降；在此过程中，当PM2.5浓度超过预设值，第三滤膜产生足够大的形变将使报警线路自动接通报警；如未超过预设值，则不报警，表明被检测的空气质量良好。

具体实施时，上述报警装置中，所述四个开关扇叶，可以采用伸缩式结构，折叠式结构，旋转式结构等形式，只需要能够控制两侧气体的通断即可，可采用现有的各种空气气流通断的开关结构，不在此详述。所述的第一滤膜，是用于过滤空气灰尘，一般选择滤孔孔径为10μm左右的滤膜即可，过滤掉直径大于10μm的颗粒即可。所述第二滤膜，用于筛除气体中粒径2.5μm到10μm左右的颗粒物，选择选择滤孔孔径为2.5μm左右的滤膜即可。第三滤膜专门用于收集检测PM2.5，选择滤孔孔径小于2.5μm的滤膜；具体可以采用弹性较强的材料制作，如玻璃纤维滤膜。

具体实施时，上述报警装置中，报警器可以为蜂鸣器或者警示灯等，报警电路可以是自带电源或者接入电源均可，此为现有技术，不在此详述。所述进气装置，可以采用进气风扇或风机。具体实施时，所述干燥装置可以采用干燥剂附着在进气通道内壁，或者采用干燥剂堆积在进气通道内的一个滤板上等形式得到，以实现对进气的干燥。具体实施时，所述高度调节机构可以是将金属板两端上下滑动地卡接在容置体内壁的滑槽内，再采用现有的能够实现水平移动输出的装置和金属板连接并带动其在竖直方向上移动即可，或者直接在金属板上设置一个延伸出容置体的拨动端，通过拨动端直接上下拨动金属板，等形式均可。

本发明采用的报警装置中，涉及到的重要组成部分有：3个不同孔径的滤膜，按孔径由大到小分别命名为第一滤膜、第二滤膜和第三滤膜；高度可调的金属板；报警电路；干燥装置；进气装置。其中，第一滤膜的作用是在采样口附近滤掉采样气体中的灰尘，将该滤膜设计成锥形可使灰尘自动滚落到边缘区域而不会阻挡气体通过孔径，只要对积累的大颗粒灰尘进行定期清理即可；第二滤膜的作用是筛除采样气体中粒径大于2.5μm的颗粒物，形状设计同第一滤膜；第三滤膜需具备易形变和吸附的性能，其作用是收集采样气体中的颗粒物PM2.5。由于采样气体中的PM2.5不可能都沉降在第三滤膜上，因此需经过大量实验数据的论证，经过此装置后，采样气体中的PM2.5能够沉降在第三滤膜上的百分数，以能够将其形变量转换成相应的PM2.5浓度值。另外，由于第三滤膜下部粘附有导电薄片而具备接通线路的功能，且已经预先通过将两片金属板各接入报警电路的一端形成开断的报警线路，因此当第三滤膜在重力作用下的最大形变点（即滤膜中央）与下部金属板接触时将会自动接通报警线路发出警报信号。装置使用时可以通过调整金属板的高度改变以实现不同标准的监测。干燥装置用于排除空气中含有的水分以免引起误报。进气装置用于采样时抽取气体。

披露至此，相关专业的技术人员已经能够根据特定的室内可吸入颗粒物浓度，具体地制造出结构相对简单的颗粒物浓度报警器了。故，以上的披露是对以下举例的总述，之后的说明中若有与以上总述重复的地方便不再重复叙述。

例如具体实施过程中，当测到室内颗粒物浓度超过预设值时，本装置除了完成报警之外还可以采取一些措施来净化室内的空气。比如可以将报警装置与室内新风控制系统连接起来或者与空气净化器实施联动，在报警电路连通的同时和报警电路并联在一起的新风引入控制电路或空气净化器也连通了，新风控制装置就会引入室外较清洁的空气或者通过机械直接净化室内气体，从而降低空气中的可吸入颗粒物浓度。

又例如，当不同的室内人员对室内空气品质有不同要求的时，可以采取改变收集到可吸入颗粒物滤膜的形变量限值或者利用时间这个参数来达到上述目的。另外在实施时，针对室内人员对室内空气品质有不同要求做的进一步披露。在所述的改变收集到可吸入颗粒物滤膜的形变量的预设值，需要参考由一系列实验所得出的滤膜形变量与可吸入颗粒物浓度的换算关系，根据室内人员的要求调整预设形变量h。实施时，针对室内人员对室内空气品质有不同要求做的进一步披露。所述的引入时间这个参数，就是要用到计时器记录下从下层滤膜开始收集颗粒物到最后达到某个预设限值的时间，再由时间的长短来判断室内空气的污染程度。当室内人员有不同要求时，只需要改变达到限值的时间就能达到这个目的。

Claims (6)

1.一种空气可吸入颗粒物浓度越限报警方法，其特征在于，采集定量的待检测空气，使其通过一个下部中央位置粘附有轻质导电薄片的弹性滤膜并靠滤膜收集空气中的PM2.5，该滤膜横向设置使得收集PM2.5过程中在重力作用下产生向下的形变，在滤膜下方一定高度处设置两片水平相对的金属板且两片金属板间隔位置位于轻质导电薄片下方且间隔尺寸小于金属薄片的宽度，两片金属板一端分别接入到报警电路中，当轻质导电薄片和金属板接触后进行报警并表示待检测空气中PM2.5含量超标。

2.如权利要求1所述的空气可吸入颗粒物浓度越限报警方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

a、获取以下结构的报警装置，该报警装置包括带报警器的报警电路，报警电路具有两个用于控制电路通断的接入端，其特征在于，包括一个容置体，容置体内腔中部横向设置有第三开关扇叶并将容置体内腔隔断为上方的进气腔室和下方的检测腔室两个部分，所述容置体进气腔室的一侧侧壁上连通设置有进气通道并在连通位置设置有第一开关扇叶，容置体进气腔室另一侧侧壁上设置有用于控制和大气连通的第二开关扇叶，所述进气通道的进气口设置有用于进气的进气装置，所述进气通道的内部设置有用于过滤空气灰尘的第一滤膜；所述检测腔室内由上到下依次间隔布置有第二滤膜、第三滤膜和两片水平相对设置的金属板，第二滤膜、第三滤膜和金属板均为横向隔断式设置，所述第二滤膜用于筛除气体中粒径大于2.5μm的颗粒物，所述第三滤膜为用于收集气体中的颗粒物PM2.5的弹性滤膜，第三滤膜下部中央位置粘附有轻质导电薄片，两片金属板间隔位置位于轻质导电薄片下方且间隔尺寸小于金属薄片的宽度，所述金属板上设置有过气孔且金属板和第三滤膜间距小于第三滤膜在竖直方向最大弹性变形距离；所述金属板下方设置有用于控制检测腔室和空气连通的第四开关扇叶；所述报警电路的两个接入端分别与所述两片金属板电连接；

b、打开第一开关扇叶和第二开关扇叶，关闭第三开关扇叶，通过进气装置采样一定体积的待检测空气通过进气通道进入到进气腔室，并排除进气腔室内原有气体，进气时通过第一滤膜过滤掉空气灰尘；当原有气体已经全部排除后，关闭第二开关扇叶继续采样至进气腔室内压力达到一定值P0，P0高于大气压力Pa，关闭第一开关扇叶；

c、然后静置一段时间t0让进气腔室内的采样气体充分混合均匀后，打开进气腔室下部的第三开关扇叶和第四开关扇叶，使得采样气体在横向处处相等的微压差作用下竖直向下流动，在此过程中第二滤膜拦截了PM2.5以上的大粒径颗粒物，并使得PM2.5在第三滤膜上沉积使第三滤膜中部逐渐发生向下的形变；

d、再过一段时间t1后，容置体内压力降低至Pa，容置体内部与外部空气不再对流时，关闭第四开关扇叶，采集的颗粒物在装置内部充分沉降；在此过程中，当PM2.5浓度超过预设值，第三滤膜产生足够大的形变将使报警线路自动接通报警；如未超过预设值，则不报警，表明被检测的空气质量良好。

3.如权利要求2所述的空气可吸入颗粒物浓度越限报警方法，其特征在于，报警装置中，所述进气通道内壁上还设置有干燥装置。

4.如权利要求2所述的空气可吸入颗粒物浓度越限报警方法，其特征在于，报警装置中，所述进气通道具有一个竖向设置的进气段，所述第一滤膜位于进气段内且呈尖端向上的锥体形。

5.如权利要求2所述的空气可吸入颗粒物浓度越限报警方法，其特征在于，报警装置中，所述第二滤膜呈尖端向上的锥体形。

6.如权利要求2所述的空气可吸入颗粒物浓度越限报警方法，其特征在于，报警装置中，金属板和控制检测腔室之间设置有用于调节金属板高度的高度调节机构。