CN106323828A - 一种基于细颗粒物的环境采样监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于细颗粒物的环境采样监测系统及方法，包括环境检测装置、细颗粒物采样装置和主控单元，环境检测装置将检测到的环境参数输出给主控单元，采样装置包括细颗粒物切割器、自动称重装置、采样风机和静压舱压力检测单元，细颗粒物切割器对采样的细颗粒物分级后输出给自动称重装置称重，静压舱压力检测单元、自动称重装置将信号输出给主控单元，主控单元输出控制信号给采样风机，主控单元根据静压力确定细颗粒物的实际采样流量，并根据实际采样流量控制采样风机的转速。本发明综合考虑了监测点的环境参数，对细颗粒物的形成、流动状况进行分析，实现对细颗粒物污染排放的追溯，解决现有监测方式不易对细颗粒物污染排放追溯的问题。

Description

一种基于细颗粒物的环境采样监测系统及方法

技术领域

本发明涉及环境监测技术领域，具体是一种基于细颗粒物的环境采样监测系统及方法。

背景技术

污染危害人类身体健康，无论是空气、水还是固体污染物，都已经得到了人类的高度重视。，多年来的研究表明，颗粒物是空气污染物中的主体。一些有害元素如Pb、Cr、Mn、As、Cd、Ni及有机化合物PAH等主要吸附在小于2.5μm的细颗粒物上。颗粒物粒径越小，在空气中的稳定程度越高，沉降速度越慢，被吸入呼吸道的几率就越大，因而增加了其有害效应。颗粒物对人体健康的危害与颗粒物的粒径大小和化学组成以及在呼吸道中的沉积部位有密切关系。

颗粒物的理化特性决定了它对人体健康有十分显著的影响，因此随着人类对自身生活质量的逐步重视，对生活环境的要求也相应不断提高。2012年，国家环境监测中心将可吸入颗粒物(PM2.5)的监测数据取代PM10成为环境空气质量重要监测指标，细颗粒物(PM2.5)也成为人们关心的重点，进入了人们生活的茶余饭后。但是细颗粒物(PM2.5)由于采样设备不能满足需要，科研机构难以开展比较深层次的研究，许多污染物的形成机理无法完全搞清楚，对于人类健康的影响还缺乏充分的理论及实践依据。

目前，环境监测仪器基本集中在中低档的设备，无法适应环境监测工作快速发展的需要。虽然也有部分产品在仪器智能化、自动称重等方面取得突破，但其主要是应用在实时监测过程中，以小流量为主，其采集的样品数量对于开展细颗粒物理化分析明显不足。另外，虽然有许多单位开展了PM2.5环境监测的网络布点，但仅局限于颗粒物的监测，针对即时风力、风向、温湿度、大气压等同步数据的监测并没有建立，这对于颗粒物污染排放的追溯带来了困难。而且对于细颗粒物的较大流量采样、监测技术以及针对综合环境因素同步数据采集装置还未见报道。

另外，自动称重是进行空气质量定量分析的关键，目前较常采用的是振荡天平法，又称TEOM法(Tapered Element Oscillating Microbalance)，是在圆锥的顶端设置称量元件，下部固定，并在顶端装有滤膜卡盒。使称量元件发生振动，滤膜卡盒以同样的振动频率也发生振动，当保持一定流量的空气试样导入称量元件部位，空气中的颗粒物被卡盒上的滤膜捕集。捕集的颗粒物成为称量元件的负荷从而振动频率的衰减与颗粒物的捕集量存在一定的关系，通过测定振动频率来计算出颗粒物的质量浓度。但是目前的称重方法都是应用在小流量的采样监测设备中，在中流量以上的采样设备中至今未见在线称重技术的应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于细颗粒物的环境采样监测系统，所述的环境采样监测系统同时考虑了监测点的环境温湿度、大气压力以及风速风向的监测，对细颗粒物的形成、流动状况进行分析，实现对细颗粒物污染排放的追溯，更加有利于空气质量分析，用以解决现有的对细颗粒物的监测没有综合考虑环境因素，不易对细颗粒物污染排放的追溯的问题。

为实现上述目的，本发明的方案是：一种基于细颗粒物的环境采样监测系统，所述的环境采样监测系统包括设置于监测点的环境检测装置、细颗粒物采样装置和主控单元；

所述的细颗粒物采样装置包括细颗粒物切割器、自动称重装置、采样风机和静压舱压力检测单元，所述静压舱压力检测单元用于实时检测静压舱的静压力，所述静压舱压力检测单元与主控单元连接，主控单元根据所述的静压力确定细颗粒物的实际采样流量；所述采样风机连接在主控单元的控制输出端，所述的主控单元根据实际采样流量控制采样风机的转速，实现稳定的采样流量；细颗粒物切割器对采样的细颗粒物分级后输出给自动称重装置称重，所述自动称重装置的信号输出端连接主控单元，用于将称重检测到的细颗粒物浓度发送给主控单元；

所述的环境监测模块包括温湿度检测单元、大气压力检测单元和风速风向检测单元，所述温湿度检测单元、大气压力检测单元和风速风向检测单元的信号输出端连接主控单元的数据输入端口，所述的大气压力检测单元位于细颗粒物采样称重模块的进风口处，所述的主控单元根据周围环境参数，对细颗粒物的形成、流动状况进行分析，实现细颗粒物污染排放的追溯。

根据本发明所述的基于细颗粒物的环境采样监测系统，包括上位机，所述的主控单元通过无线网络与上位机连接，通过上位机对检测到的细颗粒物浓度和周围环境参数进行实时远程监测，且所述的上位机通过无线网络连接多个环境监测点的主控单元，构成测控网络。

根据本发明所述的基于细颗粒物的环境采样监测系统，所述的无线网络为基于GSM网的无线网络。

根据本发明所述的基于细颗粒物的环境采样监测系统，所述的细颗粒物切割器是以空气动力学当量直径中值为2.5μm的气溶胶颗粒为目标的分离装置，包括采集挡板和滤纸，大于2.5μm的颗粒被截留在切割器的采集挡板上，小于等于2.5μm的颗粒被滤纸捕获。

根据本发明所述的基于细颗粒物的环境采样监测系统，所述的温湿度检测单元为温湿度传感器，所述的大气压力检测单元为气压传感器。

根据本发明所述的基于细颗粒物的环境采样监测系统，所述的静压仓压力检测单元为压力传感器，所述的自动称重装置采用电子天平。

本发明的目的还在于提供一种基于细颗粒物的环境采样监测方法，所述的环境采样监测方法同时考虑了监测点的环境温湿度、大气压力以及风速风向的监测，对细颗粒物的形成、流动状况进行分析，实现对细颗粒物污染排放的追溯，更加有利于空气质量分析，用以解决现有的对细颗粒物的监测没有综合考虑环境因素，不易对细颗粒物污染排放的追溯的问题。

为实现上述目的，本发明的方案是：一种基于细颗粒物的环境采样监测方法，具体包括如下步骤：

(1)所述的环境检测装置实时检测监测点周围环境参数，包括空气温湿度、大气压力以及细颗粒物采样装置进气口处的风速风向，并发送给主控单元；

(2)主控制单元控制采样风机工作，空气通过进气口进入细颗粒物采样装置，静压舱压力传感器实时检测静压舱的静压力，并发送给主控单元，主控制单元根据所述的静压力值确定实际细颗粒物的采样流量，并调整采样风机的转速，以实现100L/min的稳定采样流量；

(3)空气进入到细颗粒物采样装置后，通过颗粒物切割器进行颗粒分级，使大于2.5μm的颗粒被截留，小于等于2.5μm的颗粒进入自动称重装置；

(4)自动称重装置对小于等于2.5μm的颗粒进行在线称重，取得细颗粒物的浓度值，并发送给主控单元，通过主控单元对细颗粒物浓度进行实时监测，并通过对监测点周围环境参数的实时监测，分析细颗粒物的形成、流动状况，实现细颗粒物污染排放的追溯，为空气质量分析提供预警条件。

根据本发明所述的采样监测方法，将各分散的监测点数据均通过无线网络传输到上位机，通过上位机对各监测点的实时环境数据和细颗粒物污染数据进行存储和远程监测。

根据本发明所述的采样监测方法，所述的主控单元输出PWM信号控制采样风机，通过调整PWM信号的占空比，来调整采样风机的转速。

本发明达到的有益效果：本发明的环境采样监测系统综合考虑了监测点的环境温湿度、大气压力以及风速风向的采样和监测，通过综合环境参数的采样，对细颗粒物的形成、流动状况进行分析，实现对细颗粒物污染排放的追溯，更加有利于空气质量分析，而且对细颗粒物的采样适用于较大流量的采样，采样分析结果更加准确，效率更高。

另外，本发明采用在线称重技术，能实时反映细颗粒物的浓度情况，能很好地反映出城市颗粒物污染在空间和时间上的变化现状和规律，有助于对城市环境空气中颗粒物的扩散趋势及影响做出连续的判断，从而提高城市环境管理水平。

附图说明

图1是本发明监测系统的原理图；

图2是本发明监测系统的结构示意图。

图中，1为风速风向检测单元，2为进风口，3为细颗粒物切割器，4为自动称重装置，5为采样风机，6为静压舱，7为机箱箱体，8为静压舱压力检测单元，9为监控计算机，10大气压力检测单元，11为温湿度检测单元。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明所述的环境采样监测系统包括用于远程监测的上位机，设置于多个分散监测点的环境检测装置、细颗粒物采样装置和主控单元。所述的环境检测装置包括温湿度检测单元、大气压力检测单元和风速风向检测单元，所述温湿度检测单元、大气压力检测单元和风速风向检测单元的信号输出端连接主控单元的数据输入端口，将检测的监测点的环境数据发送给主控单元。所述的温湿度检测单元为温湿度传感器，所述的大气压力检测单元为气压传感器。

所述的细颗粒物采样装置包括细颗粒物切割器、自动称重装置、采样风机、静压舱和静压舱压力检测单元，所述静压舱压力检测单元用于实时检测静压舱的静压力，所述的静压舱压力检测单元和自动称重装置连接主控单元的输入端，将检测到的细颗粒物浓度和静压舱的静压力发送给主控单元。

所述主控单元与上位机通过基于GSM网的无线网络连接，将检测数据通过无线网络传输到上位机，由上位机对多个分散监测点的环境同时进行远程监控，根据监测数据，对细颗粒物的形成、流动状况进行分析，实现细颗粒物污染排放的追溯。

基于GSM网的无线网络把分散在各地的监测设备纳入上位机的统一管理下，能及时掌握各个监测点，尤其是不固定监测点的实时情况。GSM通讯模块利用已经成熟的GSM短信息系统，以短信息的形式进行数据传输，达到远程监控的目的。

如图2所示，所述的大气压力检测单元位于细颗粒物采样称重模块的进风口处，所述自动称重装置位于细颗粒物切割器下方，空气通过进风口进入到细颗粒物采样装置后，通过颗粒物切割器进行颗粒分级，所述的细颗粒物切割器是以空气动力学当量直径中值为2.5μm的气溶胶颗粒为目标的分离装置，包括采集挡板和滤纸，大于2.5μm的颗粒被截留在切割器的采集挡板上，小于等于2.5μm的颗粒被滤纸捕获，滤纸固定在专用支架上，由自动称重装置进行实时在线称重，取得细颗粒物的浓度值。本实施例的静压仓压力检测单元采用压力传感器，所述的自动称重装置采用电子天平。

在采样过程中，要求保证空气流量恒定，但由于多种因素的影响，切割器内的阻力会发生变化，从而使气流的流速相应变化，所以必须及时调整吸气动力，改变抽气泵的转速，使气流基本保持恒定，目前小流量采样中，一般都是在采样器的出气口处加装限流管，只要吸气动力足够强劲，气体流量就可以得到保证。

本发明要实现较大流量的采样，是通过主控单元控制采样风机的转速来控制采样流量的稳定性，所述主控单元的输出端连接采样风机，根据静压舱的静压力确定采样流量，控制采样风机的转速，实现100L/min的稳定采样流量。

本实施例中，主控单元输出PWM信号控制采样风机的工作，采样风机抽取空气时，在静压舱形成对管壁的静压力，根据静压力大小与空气流速的关系，主控单元得到静压力值后，确定实际采样流量，并通过改变PWM信号占空比的方式调整采样风机的转速，以实现稳定的采样流量。本发明由于单位时间里采样量较大，能够在比较短的时间内采集到适合研究实验的样品数量，对于提高环境状况分析的准确性大有裨益。

本实施例所述的静压仓压力检测单元为压力传感器，所述的自动称重装置采用电子天平。出于对监测点海拔高度的考虑，主控制单元采用大气压力监测数据用于采样流量的补偿运算。主控制单元通过风速风向的监测数据可以判断细颗粒物的来源，也可以对下风区提出预警。

切割器是整个监测设备的核心部件，本发明的细颗粒物切割器可以是单级粒径采样，也可以是多级粒径采样，如果将不同粒径的切割器由大至小、由上至下顺序组合，就形成了多级粒径的采样，分别采样不同粒径范围的颗粒物，可以用于测定颗粒物的粒度分布。

本发明的环境采样监测系统综合考虑了监测点的环境温湿度、大气压力以及风速风向的采样和监测，通过综合环境参数的采样，对细颗粒物的形成、流动状况进行分析，实现对细颗粒物污染排放的追溯，更加有利于空气质量分析，而且对细颗粒物的采样适用于较大流量的采样，采样分析结果更加准确，效率更高。另外，本发明采用在线称重技术，能实时反映细颗粒物的浓度情况，能很好地反映出城市颗粒物污染在空间和时间上的变化现状和规律，有助于对城市环境空气中颗粒物的扩散趋势及影响做出连续的判断，从而提高城市环境管理水平。

Claims (9)

1.一种基于细颗粒物的环境采样监测系统，其特征在于：所述的环境采样监测系统包括设置于监测点的环境检测装置、细颗粒物采样装置和主控单元；

所述的细颗粒物采样装置包括细颗粒物切割器、自动称重装置、采样风机和静压舱压力检测单元，所述静压舱压力检测单元用于实时检测静压舱的静压力，所述静压舱压力检测单元与主控单元连接，主控单元根据所述的静压力确定细颗粒物的实际采样流量；所述采样风机连接在主控单元的控制输出端，所述的主控单元根据实际采样流量控制采样风机的转速，实现稳定的采样流量；细颗粒物切割器对采样的细颗粒物分级后输出给自动称重装置称重，所述自动称重装置的信号输出端连接主控单元，用于将称重检测到的细颗粒物浓度发送给主控单元；

所述的环境检测装置包括温湿度检测单元、大气压力检测单元和风速风向检测单元，所述温湿度检测单元、大气压力检测单元和风速风向检测单元的信号输出端连接主控单元的数据输入端口，所述的大气压力检测单元位于细颗粒物采样称重模块的进风口处，所述的主控单元根据周围环境参数，对细颗粒物的形成、流动状况进行分析，实现细颗粒物污染排放的追溯。

2.根据权利要求1所述的基于细颗粒物的环境采样监测系统，其特征在于，所述的环境采样监测系统包括上位机，所述的主控单元通过无线网络与上位机连接，通过上位机对检测到的细颗粒物浓度和周围环境参数进行实时远程监测，且所述的上位机通过无线网络连接多个环境监测点的主控单元，构成测控网络。

3.根据权利要求2所述的基于细颗粒物的环境采样监测系统，其特征在于，所述的无线网络为基于GSM网的无线网络。

4.根据权利要求1所述的基于细颗粒物的环境采样监测系统，其特征在于，所述的细颗粒物切割器是以空气动力学当量直径中值为2.5μm的气溶胶颗粒为目标的分离装置，包括采集挡板和滤纸，大于2.5μm的颗粒被截留在切割器的采集挡板上，小于等于2.5μm的颗粒被滤纸捕获。

5.根据权利要求1所述的基于细颗粒物的环境采样监测系统，其特征在于，所述的温湿度检测单元为温湿度传感器，所述的大气压力检测单元为气压传感器。

6.根据权利要求1所述的基于细颗粒物的环境采样监测系统，其特征在于，所述的静压仓压力检测单元为压力传感器，所述的自动称重装置采用电子天平。

7.一种采用如权利要求1所述环境采样监测系统的采样监测方法，其特征在于，所述的环境监测方法包括如下步骤：

(1)所述的环境检测装置实时检测监测点周围环境参数，包括空气温湿度、大气压力以及细颗粒物采样装置进气口处的风速风向，并发送给主控单元；

(2)主控制单元控制采样风机工作，空气通过进气口进入细颗粒物采样装置，静压舱压力传感器实时检测静压舱的静压力，并发送给主控单元，主控制单元根据所述的静压力值确定实际细颗粒物的采样流量，并调整采样风机的转速，以实现100L/min的稳定采样流量；

(3)空气进入到细颗粒物采样装置后，通过颗粒物切割器进行颗粒分级，使大于2.5μm的颗粒被截留，小于等于2.5μm的颗粒进入自动称重装置；

(4)自动称重装置对小于等于2.5μm的颗粒进行在线称重，取得细颗粒物的浓度值，并发送给主控单元，通过主控单元对细颗粒物浓度进行实时监测，并通过对监测点周围环境参数的实时监测，分析细颗粒物的形成、流动状况，实现细颗粒物污染排放的追溯，为空气质量分析提供预警条件。

8.根据权利要求7所述的采样监测方法，其特征在于，所述的环境监测方法将各分散的监测点数据均通过无线网络传输到上位机，通过上位机对各监测点的实时环境数据和细颗粒物污染数据进行存储和远程监测。

9.根据权利要求7所述的采样监测方法，其特征在于，所述的主控单元输出PWM信号控制采样风机，通过调整PWM信号的占空比，来调整采样风机的转速。