CN105092442B - 一种细颗粒物测量装置及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种细颗粒物测量装置，用于检测空气中的PM2.5的含量，包括用于收集空气样品的PM10收集器、用于分离所述空气样品中细颗粒物的PM2.5切割器、用于检测空气样品中细颗粒物含量的检测装置以及用于稳定气流的气泵，所述细颗粒物测量装置测量误差小，可以实现实时监控，本发明还提供了所述细颗粒物测量装置的测量方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种细颗粒物测量装置，特别是涉及一种细颗粒物测量装置及其测量方法。
背景技术
由于细微颗粒物对人体的健康产生很大的危害，尤其是小于2.5微米的颗粒，PM2.5因为体积比较小，具有很大的比表面积，因而容易吸附有毒物质，并且这些颗粒可以轻易的到达肺部深处，从而引起各种肺部疾病，为此国家发布了新修订的《环境空气质量》标准。新标准增加了PM2.5的浓度限值检测标准。因此亟需一个简单可靠的并且价格低廉的PM2.5实时测量设备。
测量PM2.5最经典的方法就是50年代发明的滤膜法，这种方法只需要一个PM2.5切割头、一台泵和膜架及其滤膜，采集24小时样品后，取下滤膜称重即可，必要时可以平行采集3个样品，经恒温恒湿后再称重。该可靠实用的方法于1975年写进了德国工业标准，用于校准各种测量仪器。这种方法的缺点是，气流长时间不断通过采样滤膜，滤膜上采集到的物质随着气流和温度的变化会造成挥发性和半挥发性物质损失。同时，一些极细小的颗粒还是能穿过滤膜造成检测结果偏低；相反，气态物质也可能被滤膜吸附，造成结果偏高。并且该方法也不能实现PM2.5的实时监测。
石英微量震荡天平法是目前我国很多城市监测PM10最常用的方法，也可以用来确定PM2.5的浓度。该方法利用了石英晶体谐振器的压电特性，将石英晶振电极表面质量变化转化为石英晶体振荡电路输出电信号的频率变化。优点是定量关系明确，尤其是对小颗粒。缺点是目前的技术无法解决样品加热后挥发性和半挥发性物质的损失，导致测定结果被认为偏低；如果增加膜动态校准系统，则会因技术不成熟造成成本大幅度增高、操作复杂化，最关键的是仪器故障率大幅度升高，难以获得高质量数据。且石英微量震荡天平法对测量环境的要求很高，比如空气温度，湿度，压力，因此不适合南方潮湿地区和污染过于严重城市。
测量PM10或者PM2.5的另外一种比较常见的方法是β射线法。首先一定厚度的颗粒被收集在β源和盖革计数器之间的滤膜表面。当β射线通过时，其强度随着厚度的增加而逐渐衰弱。根据采样前后的盖革计数器的数值变化可以推算出滤膜上吸附的颗粒的质量。β射线法居于两个假设:一是仪器的采样滤膜条带均一；二是采集下来的粒子物理特性均一。上述两个假设往往并不成立，因此测定数据一般被认为偏高，这种检测方法在相对干净和干燥的地区故障率低，在潮湿高温区域故障率较高。并且该设备成本相对较高。
其次常用的方法还有激光散射法。该方法利用的是空气中颗粒可以光散射。通过测量散射光的强度可以间接的确定颗粒的浓度。利用激光散射法的测量受颗粒大小的影响。通过确定颗粒的数量浓度和大小可以计算出颗粒的质量浓度。通常激光散射法只对0.3微米以上的颗粒比较敏感，并且颗粒的密度也未知，从而导致PM2.5测量产生很大的误差。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种简单可靠，且价格低廉的PM2.5检测装置。
为实现上述目的，本发明提供以下的技术方案：一种细颗粒物测量装置，用于检测空气中的PM2.5的含量，包括用于收集空气样品的PM10收集器、用于分离所述空气样品中细颗粒物的PM2.5切割器、用于检测空气样品中细颗粒物含量的检测装置以及用于稳定气流的气泵，所述检测装置包括，
激光散射传感器，用于测定空气样品中细颗粒物散射强度；
激光散射传感器II，用于测定空气样品中细颗粒物散射强度；
信号处理器，用于将所述细颗粒物散射强度转换为细颗粒物浓度；
所述激光散射传感器I和激光散射传感器II包括串联的空气通道、激光模块以及探测模块，
所述激光模块包括用于激光通过的激光通道和设于所述激光通道两端的用于发射激光的激光源和用于吸收激光的激光捕捉器；
所述探测模块包括用于激光散射的散射通道和设于所述散射通道两端的检测空气样品中细颗粒物散射强度的激光强度探测仪和用于吸收散射激光的激光捕捉器；
所述激光通道和散射通道分别与所述串联的空气通道设有已测量的交叉空间；
所述激光源入射光线和激光散射光线的交叉区域设于所述已测量的交叉空间内；
所述两个激光源的入射光线分别平行和垂直于激光散射截面；
所述PM10收集器的出口连接所述PM2.5切割器的进口；
所述PM2.5切割器的进口连接所述串联的空气通道的进口；
所述串联的空气通道的出口连接所述气泵；
所述激光强度探测仪均连接所述信号处理器。
所述激光源和交叉区域之间还设有用于聚焦的棱镜。
优选的，所述串联的空气通道的出口与所述气泵之间还设有用于收集空气样品中细颗粒物的过滤器。
优选的，所述过滤器与所述气泵之间还设有用于去除空气样品中湿气的干燥器。
优选的，所述干燥器还设有用于去除空气样品中气态酸性物质的活性炭层。
优选的，所述气泵后还设有用于循环使用净化后空气的分流装置，所述分流装置为用于分流气体的毛细管；所述气泵连接所述毛细管的进口；所述毛细管的出口分别连接所述PM10收集器和外界。
本发明还提供另一个技术方案，一种细颗粒物测量方法，所述细颗粒物测量方法的工艺流程为：（1）收集空气样品（2）分离空气样品中的细颗粒物（3）测定空气样品中的细颗粒物散射强度并转换为空气样品中的细颗粒物浓度。
优选的，所述细颗粒物测量方法的工艺流程还包括：a、干燥净化余气；b、循环利用余气。
所述细颗粒物测量方法的具体步骤为：
（1）收集空气样品，通过PM10收集器收集所要测量的空气样品，并且根据空气情况对所述空气样品进行加热和/或稀释；
（2）分离空气样品中的细颗粒物，通过PM2.5切割器分离，直径大于2.5微米的颗粒物被去除，直径小于和等于2.5微米通过所述PM2.5切割器；
（3）测定空气样品中的细颗粒物散射强度并转换为细颗粒物浓度，依次通过1#激光散射传感器和2#激光散射传感器测定空气样品中细颗粒物的散射强度，并通过信号处理器将所述空气样品中细颗粒物的散射强度转换为空气样品中细颗粒物的浓度；
（4）干燥净化余气，空气样品被过滤器收集细颗粒物后的余气，通过设有活性炭层的干燥器去除所述余气中的湿气和气态酸性物质；
（5）循环利用余气，通过气泵稳定气流，并且通过毛细管将净化后的余气分别分流至PM10收集器用于稀释空气样品和外界。
采用以上技术方案的有益效果是：由于两个激光散射传感器的激光源与激光散射截面分别为平行和垂直的关系，它们对不同的大小的颗粒敏感度不一样，通过组合两个激光散射传感器不仅可以消除颗粒大小对测量的影响而且可以大大降低颗粒密度对测量的影响；通过得到的测量信号，信号转换装置利用校正系数将它们换算成PM2.5的质量浓度；为了测量的重复性，通过激光散射传感器的流量是一定的；并且通过一个颗粒过滤器被收集起来，该过滤器还有一个很重要的作用就是可以通过一定时间的收集到颗粒的质量，来检验由激光散射传感器计算出来的浓度对比，从而可以修正系数，这样可以使测量更加准确，另外一个特别之处就是PM10收集器，该PM10收集器可以根据不同的要求对吸入的空气稀释和加热，从而最大程度上减少空气湿度，空气温度等对测量的影响。
附图说明
图1是本发明的组成方框图；
图2是本发明1#激光散射传感器的结构示意图；
图3是本发明2#激光散射传感器的结构示意图；
图4是本发明一种PM2.5测量测量方法的工艺流程图。
其中，1.PM10收集器 2.PM2.5分离器 3.1#激光散射传感器 31.1#空气通道321.1#激光通道 322.1#激光源 323.1#棱镜 324.1#激光捕捉器 331.1#散射通道 332.1#激光强度探测仪 333.1#散射激光捕捉器 34.1#交叉空间 35.1# 交叉区域 4.2#激光散射传感器 41.2#空气通道 421.2#激光通道 422.2#激光源 423.2#棱镜 424.2#激光捕捉器431.2#散射通道 432.2#激光强度探测仪 433.2#散射激光捕捉器 44.2#交叉空间 45.2#交叉区域 5.信号处理器 6.过滤器7.干燥器 71.活性炭层 8.气泵 9.分流装置装置91.1#毛细管 92.2#毛细管
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的优选实施方式。
实施例1
参见图1、图2以及图3，如其中的图例所示，一种细颗粒物测量装置，用于检测空气中PM2.5的含量，包括用于收集空气样品的一PM10收集器1、用于分离所述空气样品中细颗粒物的一PM2.5切割器2、用于检测空气样品中细颗粒物含量的一检测装置、用于收集空气样品中细颗粒物的一过滤器6、用于去除空气样品中湿气的干燥器7、用于稳定气流的一气泵8以及用于循环利用净化余气的分流装置9，所述检测装置包括，
一1#激光散射传感器3，用于测定空气样品中细颗粒物散射强度；
一2#激光散射传感器4，用于测定空气样品中细颗粒物散射强度；
一信号处理器5，用于将所述细颗粒物散射强度转换为细颗粒物浓度；
所述1#激光散射传感器3和2#激光散射传感器4包括串联的1#空气通道31、2#空气通道41、1#激光散射传感器3的激光模块、2#激光散射传感器4的激光模块、1#激光散射传感器3的探测模块以及2#激光散射传感器4的激光模块。
所述1#激光散射传感器3的激光模块包括用于激光通过的1#激光通道321和设于所述1#激光通道321两端的用于发射激光的一1#激光源322和用于吸收激光的一1#激光捕捉器324；
所述2#激光散射传感器4的激光模块包括用于激光通过的2#激光通道421和设于所述2#激光通道421两端的用于发射激光的一2#激光源422和用于吸收激光的一2#激光捕捉器424；
所述1#激光散射传感器3的探测模块包括用于激光散射的一1#散射通道331和设于所述1#散射通道331两端的检测空气样品中细颗粒物散射强度的一1#激光强度探测仪332和用于吸收散射激光的一1#激光捕捉器333；
所述2#激光散射传感器4的探测模块包括用于激光散射的一2#散射通道431和设于所述2#散射通道431两端的检测空气样品中细颗粒物散射强度的一2#激光强度探测仪432和用于吸收散射激光的一2#激光捕捉器433。
所述1#激光通道321和1#散射通道331与所述1#空气通道31设有一1#已测量的交叉空间34；
所述1#激光源322入射光线和激光散射光线的交叉区域35设于所述已测量的交叉空间34内；
所述1#激光源322和1#交叉空间34之间还设有用于聚焦的1#棱镜323。
所述2#激光通道421和2#散射通道431与所述2#空气通道41设有一2#交叉空间44。
所述2#激光源422入射光线和散射光线的交叉区域45设于所述已测量的交叉空间45内；
所述2#激光源422和2#交叉空间44之间还设有用于聚焦的2#棱镜423。
所述干燥器7还设有用于去除空气样品中气态酸性物质的一活性炭层71。
所述分流装置9为用于分流气体的毛细管；包括1#毛细管91和2#毛细管92；
所述1#激光源322的入射光线平行于1#激光散射截面；
所述2#激光源422的入射光线垂直于2#激光散射截面；
所述PM10收集器1的出口连接所述PM2.5切割器2的进口；
所述PM2.5切割器2的进口连接所述1#空气通道31的进口；
所述1#空气通道31的出口连接所述2#空气通道41的进口；
所述2#空气通道41的出口连接所述干燥器6；
所述干燥器连接所述气泵7；
所述气泵7的出口连接所述1#毛细管81和2#毛细管82；
所述1#毛细管81连接所述PM10收集器；
所述2#毛细管82连接外界。
所述1#激光强度探测仪332和2#激光强度探测仪432均连接所述信号处理器5。
参见图4，下面介绍本发明的所述细颗粒物测量方法的具体步骤：
（1）收集空气样品，通过PM10收集器1收集所要测量的空气样品，并且根据空气情况对所述空气样品进行加热和/或稀释，所述空气的流量为3.3L/min；
（2）分离空气样品中的细颗粒物，通过PM2.5切割器2分离，直径大于2.5微米的颗粒物被去除，直径小于和等于2.5微米通过所述PM2.5切割器；
（3）测定空气样品中的细颗粒物散射强度并转换为细颗粒物浓度，依次通过1#激光散射传感器3和2#激光散射传感器4测定空气样品中细颗粒物的散射强度，并通过信号处理器5将所述空气样品中细颗粒物的散射强度转换为空气样品中细颗粒物的浓度；
（4）干燥净化余气，空气样品被过滤器6收集细颗粒物后的余气，通过设有活性炭层71的干燥器7去除所述余气中的湿气和气态酸性物质；
（5）循环利用余气，通过气泵8稳定气流，并且通过1#毛细管91将净化后的余气分流至PM10收集器用于稀释空气样品；2#毛细管92将净化后的余气通向外界。
采用以上技术方案的有益效果是：由于两个激光散射传感器的激光源与激光散射截面分别为平行和垂直的关系，它们对不同的大小的颗粒敏感度不一样，通过组合两个激光散射传感器不仅可以消除颗粒大小对测量的影响而且可以大大降低颗粒密度对测量的影响；通过得到的测量信号，信号转换装置利用校正系数将它们换算成PM2.5的质量浓度；为了测量的重复性，通过激光散射传感器的流量是一定的；并且通过一个颗粒过滤器被收集起来，该过滤器还有一个很重要的作用就是可以通过一定时间的收集到颗粒的质量，来检验由激光散射传感器计算出来的浓度对比，从而可以修正系数，这样可以使测量更加准确，另外一个特别之处就是PM10收集器，该PM10收集器可以根据不同的要求对吸入的空气稀释和加热，从而最大程度上减少空气湿度，空气温度等对测量的影响。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种细颗粒物测量装置，用于检测空气中的PM2.5的含量，包括用于收集空气样品的PM10收集器、用于分离所述空气样品中细颗粒物的PM2.5切割器、用于检测空气样品中细颗粒物含量的检测装置以及用于稳定气流的气泵，其特征在于，所述检测装置包括，
1#激光散射传感器，用于测定空气样品中细颗粒物散射强度；
2#激光散射传感器，用于测定空气样品中细颗粒物散射强度；
信号处理器，用于将所述细颗粒物散射强度转换为细颗粒物浓度；
所述1#激光散射传感器和2#激光散射传感器包括串联的空气通道、激光模块以及探测模块，
所述激光模块包括用于激光通过的激光通道和设于所述激光通道两端的用于发射激光的激光源和用于吸收激光的激光捕捉器；
所述探测模块包括用于激光散射的散射通道和设于所述散射通道两端的检测空气样品中细颗粒物散射强度的激光强度探测仪和用于吸收散射激光的激光捕捉器；
所述激光通道和散射通道分别与所述串联的空气通道设有已测量的交叉空间；
所述激光源入射光线和激光散射光线的交叉区域设于所述已测量的交叉空间内；
所述两个激光源的入射光线分别平行和垂直于激光散射截面；
所述PM10收集器根据空气情况对所述空气样品进行加热和/或稀释；
所述PM10收集器的出口连接所述PM2.5切割器的进口；
所述PM2.5切割器的进口连接所述串联的空气通道的进口；
所述串联的空气通道的出口连接所述气泵；
所述激光强度探测仪均连接所述信号处理器；
所述气泵后还设有用于循环使用净化后空气的分流装置，所述分流装置为用于分流气体的毛细管；所述气泵连接所述毛细管的进口；所述毛细管的出口分别连接所述PM10收集器和外界。
2.根据权利要求1所述的细颗粒物测量装置，其特征在于，所述激光源和交叉区域之间还设有用于聚焦的棱镜。
3.根据权利要求2所述的细颗粒物测量装置，其特征在于，所述串联的空气通道的出口与所述气泵之间还设有用于收集空气样品中细颗粒物的过滤器。
4.根据权利要求3所述的细颗粒物测量装置，其特征在于，所述过滤器与所述气泵之间还设有用于去除空气样品中湿气的干燥器。
5.根据权利要求4所述的细颗粒物测量装置，其特征在于，所述干燥器还设有用于去除空气样品中气态酸性物质的活性炭层。
6.一种细颗粒物测量方法，其特征在于，采用权利要求5所述的细颗粒物测量装置，所述细颗粒物测量方法的具体步骤为：
(1)收集空气样品，通过PM10收集器收集所要测量的空气样品，并且根据空气情况对所述空气样品进行加热和/或稀释；
(2)分离空气样品中的细颗粒物，通过PM2.5切割器分离，直径大于2.5微米的颗粒物被去除，直径小于和等于2.5微米通过所述PM2.5切割器；
(3)测定空气样品中的细颗粒物散射强度并转换为细颗粒物浓度，依次通过1#激光散射传感器和2#激光散射传感器测定空气样品中细颗粒物的散射强度，并通过信号处理器将所述空气样品中细颗粒物的散射强度转换为空气样品中细颗粒物的浓度；
(4)干燥净化余气，空气样品被过滤器收集细颗粒物后的余气，通过设有活性炭层的干燥器去除所述余气中的湿气和气态酸性物质；
(5)循环利用余气，通过气泵稳定气流，并且通过毛细管将净化后的余气分别分流至PM10收集器用于稀释空气样品和外界。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 215123, Jiangsu, Suzhou province Suzhou Industrial Park, No. 188 charity road building Applicant after: Jiangsu Yuantai intelligent Polytron Technologies Inc Address before: 215123, Jiangsu, Suzhou province Suzhou Industrial Park, No. 188 charity road building Applicant before: Yuantai Automation Technology (Suzhou) Co., Ltd. |
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| GR01 | Patent grant | ||
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