CN104502243B - 一种用于测量pm2.5的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于测量PM2.5的装置及方法，该装置包括粒子源发射单元、平行极板对、极板电压调节单元、电流测量单元以及CCD监控单元；利用该装置进行PM2.5测量时，根据密立根静态油滴实验所喷油滴直径为1.2‑2.0μm时测量效果最好，可以精确测量出元电荷，利用静态法能达到较高的PM2.5测量精度；该方法考虑了气固两相流多种因素，对多场区下PM2.5颗粒的质量进行计算；采用本发明的系统能够精确测量单位体积空气里所含PM2.5颗粒的质量，同时检测出PM2.5的浓度，满足校准PM2.5监测仪的要求，解决当前对PM2.5检测体系和大气环境污染防控的动态检测设备的极大需求。

Description

一种用于测量PM2.5的装置及方法
技术领域
本发明涉及环境监测技术领域，特别是涉及一种用于测量PM2.5的装置及方法。
背景技术
细颗粒物又称PM2.5，是指环境空气中空气动力学当量直径小于等于2.5微米的颗粒物。细颗粒物的化学成分主要包括有机碳(OC)、元素碳(EC)、硝酸盐、硫酸盐、铵盐、钠盐(Na+)等。它能较长时间悬浮于空气中，其在空气中含量浓度越高，就代表空气污染越严重。虽然PM2.5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，PM2.5粒径小，面积大，活性强，易附带有毒、有害物质(例如，重金属、微生物等)，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。
为了更有效地监测随着工业化日益发达而出现的、在旧标准中被忽略的对人体有害的细小颗粒物。PM2.5指数已经成为一个重要的测控空气污染程度的指数。除美国和欧盟一些国家将PM2.5纳入国标并进行强制性限制外，世界上大部分国家都还未开展对PM2.5的监测，大多通行对PM10进行监测。
目前三种主流的检测PM2.5方法有振荡天平法，该方法定量关系明确，缺点是测定结果被认为偏低，需要加装膜动态测量系统(Filter Dynamic Measurement System，)对偏低的结果进行校准；β射线法，这一方法是基于两个假设，其一是仪器的石英采样滤膜条带均一，其二是采集下来的PM2.5粒子物理特性均一，对β射线强度衰减率相同。而上述两个在现实条件下，假设往往并不成立，因此测定数据一般被认为也存在偏差；光散射法，主要测量PM2.5的数量浓度，关注的是PM2.5的个数，因此主要用于气象部门的能见度监测研究。而如果将数量浓度转化为环保部门所需的质量浓度，其准确度将会大幅下降。因此，环保部门很少采用这种方法。上述三种方法操作都比较复杂，测量结果都需要使用滤膜称重法进行校准，且仪器造价昂贵。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种用于测量PM2.5的装置及方法，依据密立根静态油滴实验测量PM2.5颗粒所包含的所有元电荷质量，以所有元电荷质量之和作为PM2.5颗粒重量，该方法检测精度和效率高，成本较低，操作简单。
著名的密立根静态油滴实验所喷油滴直径为1.2-2.0μm时测量效果最好，可以精确测量出元电荷，而PM2.5指当量直径≤2.5μm的颗粒，两者尺度非常接近。由此可结合密立根油滴实验的思想对PM2.5进行测量。此方法简单易行；密立根实验可以测出10^(-19)数量级的元电荷电量，利用静态法能达到较高的PM2.5精度。
一种用于测量PM2.5的装置，包括粒子源发射单元、平行极板对、极板电压调节单元、电流测量单元以及CCD监控单元；
所述粒子源发射单元位于平行极板对的中间，输入端与PM2.5切割头的输出端相连，输出端将经PM2.5切割头切割后的颗粒打入平行极板对形成的电场中；
所述CCD监控单元获取平行极板对间的图像。
一种用于测量PM2.5的方法，采用上述的一种用于测量PM2.5的装置，具体步骤如下：
步骤1：将待测空气输入PM2.5切割头，经PM2.5切割头切割后得到的PM2.5颗粒相互碰撞后带电分离开，从粒子源发射单元打入平行极板对中；
步骤2：利用极板电压调节单元，在平行极板对上加载电压，使得所有带电的PM2.5颗粒按正负极性分别聚集在平行极板上；
步骤3：加载在平行极板对上的电压从0开始逐渐递增，同时，从CCD监控单元观测平行极板对中的悬浮颗粒，直到无法再从CCD监控单元中观测到悬浮颗粒时，停止增加平行极板对上的电压；
每次出现悬浮颗粒时，记录加载在平行极板对上的电压后，将电场撤去；
利用电流测量单元测量平行极板对上的电流I，计算产生电流对应的电荷量Qi，Qi＝∫Idt；
基于平行极板对之间的电场强度Ei，得到对应的颗粒质量，
将所有的颗粒质量求和得到待测空气中的所有PM2.5颗粒的质量n表示质量不同的颗粒总数，完成PM2.5的测量。
每次悬浮在平行极板对中间的颗粒质量均相同，质量不同的颗粒所需的电场力不同。
所述的PM2.5的质量计算，对单个颗粒在电场中流动及悬浮时受力分析，气固两相流中颗粒与流体作动量交换的普通方程：式中为颗粒相重力场、电场作用力，为颗粒相除场力以外的力，表示自由流速度，表示相加权速度，F表示流体与颗粒群动量交换松弛时间的倒数；因碰撞、加速、流体剪切等受到的8种力(在一个运动过程中这8种力不会同时出现)。所述的8种力即流体力，固体力，马格努斯旋转提升力，萨夫曼剪切提升力、虚拟质量力、倍瑟特力、压力梯度力、范德华斯力等。密立根静态油滴实验中仅考虑重力与电场力对油滴的作用，能得到较精确的电子电荷量。跟的大小相差几个数量级，故我们可仅考虑在温度、湿度、压强恒定的情况下对颗粒运动的影响，结合气固两项流进行计算。
结合气固两相流的一般受力情况分析了颗粒群可能会受到的力，基于油滴实验原理分析可得在颗粒质量计算过程中可忽略不计的力，采用类比油滴实验并且提出改进的方法，计算PM2.5颗粒质量。
有益效果
本发明提供了一种用于测量PM2.5的装置及方法，该装置包括粒子源发射单元、平行极板对、极板电压调节单元、电流测量单元以及CCD监控单元；利用该装置进行PM2.5测量时，根据密立根静态油滴实验所喷油滴直径为1.2-2.0μm时测量效果最好，可以精确测量出元电荷，而PM2.5指当量直径≤2.5μm的颗粒，更可以对PM2.5进行精确检测，密立根实验可以测出10^(-19)数量级的元电荷电量，利用静态法能达到较高的PM2.5测量精度；其次，该方法考虑了气固两相流多种因素，对多场区下PM2.5颗粒的质量进行计算；采用本发明的系统能够精确测量单位体积空气里所含PM2.5颗粒的质量，同时检测出PM2.5的浓度，满足校准PM2.5监测仪的要求，解决当前对PM2.5检测体系和大气环境污染防控的动态检测设备的极大需求，为当前治理雾霾提供监测手段。
目前三种主流的检测PM2.5方法，操作都比较复杂，测量结果都需要使用滤膜称重法进行校准，且仪器造价昂贵，而本发明所述的方法简单易行。
附图说明
图1为本发明的装置结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
如图1所示，一种用于测量PM2.5的装置，包括粒子源发射单元、平行极板对、极板电压调节单元、电流测量单元以及CCD监控单元；
所述粒子源发射单元位于平行极板对的中间，输入端与PM2.5切割头的输出端相连，输出端将经PM2.5切割头切割后的颗粒打入平行极板对形成的电场中；
所述CCD监控单元获取平行极板对间的图像。
一种用于测量PM2.5的方法，采用上述的一种用于测量PM2.5的装置，具体步骤如下：
步骤1：将待测空气输入PM2.5切割头，经PM2.5切割头切割后得到的PM2.5颗粒相互碰撞后带电分离开，从粒子源发射单元打入平行极板对中；
步骤2：利用极板电压调节单元，在平行极板对上加载电压，使得所有带电的PM2.5颗粒按正负极性分别聚集在平行极板上；
步骤3：加载在平行极板对上的电压从0开始逐渐递增，同时，从CCD监控单元观测平行极板对中的悬浮颗粒，直到无法再从CCD监控单元中观测到悬浮颗粒时，停止增加平行极板对上的电压；
每次出现悬浮颗粒时，记录加载在平行极板对上的电压后，将电场撤去；
利用电流测量单元测量平行极板对上的电流I，计算产生电流对应的电荷量Qi，Qi＝∫Idt；
基于平行极板对之间的电场强度Ei，得到对应的颗粒质量，
将所有的颗粒质量求和得到待测空气中的所有PM2.5颗粒的质量n表示质量不同的颗粒总数，完成PM2.5的测量。
每次悬浮在平行极板对中间的颗粒质量均相同，质量不同的颗粒所需的电场力不同。
通过从CCD监控单元观测电场中的悬浮颗粒时，需要经过多次的试验，才能得到的合适的极板电压，使得颗粒群悬浮于平行极板对的正中央。
以上是对本发明的优选实施例进行说明，应该理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定此发明。

Claims (1)

1.一种用于测量PM2.5的方法，其特征在于，采用一种用于测量PM2.5的装置；
所述装置包括粒子源发射单元、平行极板对、极板电压调节单元、电流测量单元以及CCD监控单元；
所述粒子源发射单元位于平行极板对的中间，输入端与PM2.5切割头的输出端相连，输出端将经PM2.5切割头切割后的颗粒打入平行极板对形成的电场中；
所述CCD监控单元获取平行极板对间的图像；
利用所述装置进行PM2.5测量具体步骤如下：
步骤1：将待测空气输入PM2.5切割头，经PM2.5切割头切割后得到的PM2.5颗粒相互碰撞后带电分离开，从粒子源发射单元打入平行极板对中；
步骤2：利用极板电压调节单元，在平行极板对上加载电压，使得所有带电的PM2.5颗粒按正负极性分别聚集在平行极板上；
步骤3：加载在平行极板对上的电压从0开始逐渐递增，同时，从CCD监控单元观测平行极板对中的悬浮颗粒，直到无法再从CCD监控单元中观测到悬浮颗粒时，停止增加平行极板对上的电压；
每次出现悬浮颗粒时，记录加载在平行极板对上的电压后，将电场撤去；
利用电流测量单元测量平行极板对上的电流I，计算产生电流对应的电荷量Qi，Qi＝∫Idt；
基于平行极板对之间的电场强度Ei，得到对应的颗粒质量，
将所有的颗粒质量求和得到待测空气中的所有PM2.5颗粒的质量n表示质量不同的颗粒总数，完成PM2.5的测量。
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