CN109765154B - Pm2.5/pm10光散射颗粒物监测仪的在线校准系统和校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种PM_2.5/PM₁₀光散射颗粒物监测仪的在线校准系统和校准方法，所述在线校准系统由颗粒物动态稀释及层流混匀器、高效过滤器、空气压缩机、变频风机、质量流量控制器、等速采样头、颗粒物滤膜采集器、恒流采样器等组成。可对仪器零点、测量线性、示值误差的校准，消除环境条件等因素对测量结果的影响，保证仪器测量结果的溯源性和可靠性。所述校准系统和方法可集成于光散射颗粒物监测仪中，也可作为独立的校准系统，实现对光散射颗粒物监测仪的自校准、动态校准和现在校准。

Description

PM2.5/PM10光散射颗粒物监测仪的在线校准系统和校准方法

技术领域

本发明涉及环境监测领域，特别是涉及一种气溶胶中颗粒物浓度测量及校准系统。

背景技术

当前，我国大气中的颗粒物(PM_2.5/PM₁₀)污染形势严峻。从全国大气形势及其变化看，大气中颗粒物污染与国民经济发展有密切关系，经济的持续高速发展使我国重点区域PM_2.5/PM₁₀污染、重污染有常态化的趋势。近年来我国为改善空气质量不断加大环境整治力度，颁布了《中华人民共和国环境保护法》和《中华人民共和国大气污染防治法》等政策和法规。

目前我国已初步建立环境空气中颗粒物质量浓度监测网络，国内外环保部门监测PM_2.5/PM₁₀普遍采用的方法有滤膜称重法、β射线吸收法和微量振荡天平法等，这些监测方法的高成本、高运维工作量、时间分辨力低等特点，导致监测点位数量受到限制，从而造成监测覆盖范围有限，监测数据不能实时、准确完整反映出监控区域的空气质量整体状况和变化趋势，无法快速捕捉污染异常排放行为并自动报警预警等方式，做到对区域内污染源、企业的全面监控。

随着环境管理需求的变化，高密度的环境控制质量网格化监测系统被提出并在各地迅速开展网络建设工作。目前生态环境部已制订了《大气PM_2.5网格化监测点位设计指南》等系列技术标准。在该技术标准中推荐使用时间分辨力高、基于光散射原理的颗粒物传感器作为网格监测点的测量仪器。从世界范围来看，基于光散射原理的颗粒物监测仪的研发、应用于空气质量监测监管仍属于崭新领域。如美国EPA和欧盟于2013年左右开始关注小型传感器在空气质量监测和管理方面的应用，主要对空气质量传感器颁布了一些指南、路线和性能测试等文件，分别发布了“下一代空气监测路线图”和专门的科学协作组织的方法，积极开展设备比对，探索应用环境等。而在国内随着大气PM_2.5网格化监测工作的逐步推进，仪器公司纷纷推出各自的光散射颗粒物浓度监测仪。然而在使用该仪器测量颗粒物浓度时影响因素众多，包括环境温湿度、仪器计数效率、颗粒形状、折射率、密度、转换模型等。由于大气环境中颗粒物化学成分、粒径分布、环境温湿度随季节、气候、污染源的变换而经常发生改变，在使用光散射颗粒物监测仪测量大气颗粒物浓度时，需要对仪器进行实时和在线校准，以保证测量数据的可靠性。

发明内容

本发明的目的是提供一种PM_2.5/PM₁₀光散射颗粒物监测仪的在线校准系统和校准方法，可实现对仪器零点、测量线性、示值误差进行现场校准。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案具体如下：

PM_2.5/PM₁₀光散射颗粒物监测仪的在线校准系统，包括颗粒物动态稀释及层流混匀器；空气压缩机、高效过滤器与质量流量控制器依次连通，所述质量流量控制器与颗粒物动态稀释及层流混匀器连通；变频风机与颗粒物动态稀释及层流混匀器连通；颗粒物动态稀释及层流混匀器的出口与第一等速采样头和第二等速采样头相连通；第二等速采样头、颗粒物滤膜采集器和恒流采样器依次相连通。为实现对PM_2.5/PM₁₀光散射颗粒物监测仪零点和测量线性的校准，且在校准过程中有效消除环境颗粒物化学成分、粒径分布、环境温湿度等因素对校准结果的影响，设计了颗粒物动态稀释及层流混匀器。采用颗粒物动态稀释及层流混匀器对现场气溶胶样品进行准确稀释、处理和测量，建立PM_2.5/PM₁₀光散射颗粒物监测仪在不同季节、环境条件下的线性响应曲线。

所述高效过滤器和空气压缩机用于产生洁净空气。洁净空气流量在(0-100)L/min范围内可控调节。

所述等速采样头为一套具有不同截面积的采样头，满足采样流量为(1-10)L/min仪器的等速采样。

所述颗粒物滤膜采集器为可加装直径为25mm空气滤膜的滤膜加托，滤膜的适用流量为(1-10)L/min。

本发明所述的在线校准系统，其中，所述颗粒物动态稀释及层流混匀器内设有限流孔和层流板；颗粒物动态稀释及层流混匀器的一端设有气溶胶颗粒入口和洁净空气入口，另一端设有第一气溶胶出口和第二气溶胶出口和两个排空口，第一等速采样头与光散射颗粒物监测仪相连。为实现对PM_2.5/PM₁₀光散射颗粒物监测仪示值误差的校准，在所述的颗粒物动态稀释及层流混匀器中设计有两个气溶胶出口，通过等速采样头，两个气溶胶出口分别连接被校准仪器和颗粒物滤膜采集器。所述颗粒物滤膜采集器的流量、滤膜质量可准确控制和测量，则气溶胶中颗粒物的质量浓度标准值即可计算得到，通过将此标准值与仪器测量值的比较实现对仪器示值误差的校准，使得光散射测量仪器的测量结果可溯源至国际公认的颗粒物浓度基准测量方法---重量法之上。

所述限流孔可保证气溶胶颗粒与洁净空气的充分混合。所述层流板为带有相同孔径的、类似蜂窝状结构的不锈钢板，使得混合后的气溶胶样品以层流方式流动。所述气溶胶颗粒入口和洁净空气出口的流量采用质量流量控制器进行控制，气溶胶出口的流量则由被校准仪器和颗粒物滤膜采集系统进行控制。

本发明所述的在线校准系统，其中，所述变频风机与气溶胶颗粒入口相连。

本发明所述的在线校准系统，其中，所述气溶胶颗粒入口的流量为1～5L/min。

本发明所述的在线校准系统，其中，所述质量流量控制器与洁净空气入口相连。

本发明所述的在线校准系统，其中，洁净空气入口的流量为1～100L/min。

本发明所述的在线校准系统，其中，所述限流孔的直径为2mm；层流板的孔径大小为0.5～1mm；第一气溶胶出口和第二气溶胶出口的流量为2L/min。

本发明在线校准系统的零点的校准方法及过程，包括以下步骤：

(1)开启光散射颗粒物监测仪，关闭颗粒物滤膜采集器，关闭变频风机，开启空气压缩机，并将质量流量控制器的流量设定≥2L/min，此时产生无颗粒的洁净空气；

(2)通过公式(1)计算颗粒物动态稀释及层流混匀器内层流样品的流速，并选择第一等速采样头，使得层流样品流速与进入采样头的样品流速一致；并将第一等速采样头两端分别与所述颗粒物动态稀释及层流混匀器的第一气溶胶出口和光散射颗粒物监测仪进行连接；

(3)待系统稳定后，记录一段时间t内的颗粒物浓度C_b，该浓度即为仪器的零点；

Q＝V×S (1)

式中，Q：采样流量，m³/s；

V：采样流速，m/s

m：截面积，m²。

本发明在线校准系统的线性的校准方法及过程，包括以下步骤：

(1)开启光散射颗粒物监测仪，并将其与所述颗粒物动态稀释及层流混匀器的第一气溶胶出口进行连接；开启变频风机，并使其流量Q_P为2L/min；

(2)开启空气压缩机，并将质量流量控制器的流量值Q_A设定为0L/min，记录仪器的测量数据；

(3)将质量流量控制器的流量设定值Q_A在2～100L/min范围内，通过公式(1)计算颗粒物动态稀释及层流混匀器内层流样品的流速，并选择第一等速采样头，使得层流样品流速与进入采样头的样品流速一致；并将第一等速采样头两端分别与所述颗粒物动态稀释及层流混匀器的第一气溶胶出口和光散射颗粒物监测仪进行连接；重复步骤2；

(4)颗粒物浓度的稀释比例根据Q_P和Q_A数值计算得到；根据气溶胶颗粒物的稀释比例和仪器测量结果，实现对仪器测量线性的校准；其中，

Q＝V×S (1)

式中，Q：采样流量，m³/s；

V：采样流速，m/s

m：截面积，m²。

本发明在线校准系统的示值误差的校准及过程，包括以下步骤：

(1)在恒温恒湿条件下将滤膜平衡24h，并称量平衡后的滤膜质量，记为M₀，并将其装于颗粒物滤膜采集器中；

(2)开启变频风机，并使其流量Q_P为2L/min；开启空气压缩机，设定质量流量控制器的流量值Q_A，使得颗粒物浓度在30-500μg/m³；

(3)通过公式(1)计算颗粒物动态稀释及层流混匀器内层流样品的流速，并选择第一等速采样头和第二等速采样头，使得层流样品流速与进入采样头的样品流速一致；将第一等速采样头两端分别与所述颗粒物动态稀释及层流混匀器的第一气溶胶出口和光散射颗粒物监测仪进行连接，将第二等速采样头两端分别与所述颗粒物动态稀释及层流混匀器的第二气溶胶出口和颗粒物滤膜采集器进行连接；

(4)同时开启恒流采样器和光散射颗粒物监测仪，根据颗粒物浓度确定采集时间，采集时间t可在1～10h范围内选取；记录光散射颗粒物监测仪的累积测量值C_m，同时，将滤膜放于恒温恒湿系统中平衡24h，之后称量其质量，记为M₁，按照公式(2)计算得到气溶胶颗粒的质量浓度C_s；

其中，Q＝V×S (1)

式中，Q：采样流量，m³/s；

V：采样流速，m/s

m：截面积，m²；

式中，C_s：颗粒质量浓度的仪器测量结果，μg/m³；

M₁：采集颗粒后滤膜的质量，μg；

M₀：采集颗粒前滤膜的质量，μg；

Q：颗粒物采样流量，m³/s；

t：采样时间，s。

比较仪器测量结果C_m和重量法结果C_s，实现对仪器示值误差的校准。

同现有技术相比，本发明的突出效果在于：

(1)本发明的校准方法和系统可集成于光散射颗粒物监测仪中，也可作为独立的校准设备，可实现对仪器的自校准、动态校准和在线校准。

(2)本发明实现了对仪器零点、测量线性、示值误差的校准，建立光散射颗粒物监测仪在不同季节、环境条件下的动态线性响应曲线和校准因子；可消除颗粒物化学成分、粒径分布、环境温湿度、仪器漂移等因素对测量结果的影响，保证仪器测量结果的溯源性和可靠性。

(3)采用该校准技术并通过仪器控制软件对仪器的响应参数进行修正，实现对仪器的动态在线校准，保证测量结果的可靠性和有效性。

下面结合附图说明和具体实施例对本发明所述的PM_2.5/PM₁₀光散射颗粒物监测仪的在线校准系统和校准方法作进一步说明。

附图说明

图1为在线校准系统的结构示意图；

图2为颗粒物动态稀释及层流混匀器的结构示意图；

图3为本发明实施例中的线性校准图。

具体实施方式

仪器及试剂：

(1)PM_2.5/PM₁₀光散射颗粒物监测仪：本发明自制；

(2)颗粒物动态稀释及层流混匀器：本发明自制；

(3)变频风机：最大风量100m³/h，北京万方通顺达通用风机设备有限公司；

(4)质量流量控制器：11，ALICAT SCIENTIFIC；

(5)空气压缩机：最大供气量500m³/h，康普斯压缩机有限公司；

(6)等速采样头：自制；

(7)颗粒物滤膜采集器：自制；

(8)恒流泵：100L/min，美国TSI公司

(9)高效过滤器：0.3μm，美国PALL公司

如图1-2所示，PM_2.5/PM₁₀光散射颗粒物监测仪的在线校准系统，包括颗粒物动态稀释及层流混匀器1；空气压缩机3、高效过滤器2与质量流量控制器5依次连通，所述质量流量控制器5与颗粒物动态稀释及层流混匀器1连通；变频风机4与颗粒物动态稀释及层流混匀器1连通；颗粒物动态稀释及层流混匀器1的出口与第一等速采样头6和第二等速采样头7相连通；第二等速采样头7、颗粒物滤膜采集器8和恒流采样器17依次相连通。

颗粒物动态稀释及层流混匀器内设有限流孔9和层流板10；颗粒物动态稀释及层流混匀器1的一端设有气溶胶颗粒入口11和洁净空气入口12，另一端设有第一气溶胶出口13和第二气溶胶出口14和两个排空口15，第一等速采样头6与光散射颗粒物监测仪16相连。

变频风机4与气溶胶颗粒入口11相连。

气溶胶颗粒入口11的流量为1～5L/min。质量流量控制器5与洁净空气入口12相连。洁净空气入口12的流量为1～100L/min。限流孔9的直径为2mm；层流板10的孔径大小为0.5～1mm；第一气溶胶出口13和第二气溶胶出口14的流量为2L/min。

颗粒物动态稀释及层流混匀器1的材质为302不锈钢。高效过滤器2和空气压缩机3用于产生洁净空气。洁净空气流量在(0-100)L/min范围内可控调节。

等速采样头为一套具有不同截面积的采样头，满足采样流量为(1-10)L/min仪器的等速采样。

颗粒物滤膜采集器8为可加装直径为25mm空气滤膜的滤膜加托，滤膜的适用流量为(1-10)L/min。

限流孔9可保证气溶胶颗粒与洁净空气的充分混合。所述层流板10为带有相同孔径的、类似蜂窝状结构的不锈钢板，使得混合后的气溶胶样品以层流方式流动。所述气溶胶颗粒入口11和洁净空气入口12的流量采用质量流量控制器进行控制，气溶胶出口13、14的流量则由被校准仪器和颗粒物滤膜采集器8进行控制。

采用Labview软件编制了光散射颗粒物监测仪和流量的数据采集和控制程序，采集频率优于1s，通过串口线将仪器与电脑相连接。

(一)零点的校准方法及过程

(1)以校准流量为2L/min的PM_2.5/PM₁₀光散射颗粒物监测仪16为例。

(2)开启光散射颗粒物监测仪16，关闭恒流采样器17，关闭变频风机4，开启空气压缩机3，并将质量流量控制器5的流量设定值≥2L/min(如3L/min)，此时会产生无颗粒的洁净空气。

(3)通过公式(1)计算颗粒物动态稀释及层流混匀器1内层流样品的流速，并选择第一等速采样头6，使得层流样品流速与进入采样头的样品流速一致。并将第一等速采样头6两端分别与所述颗粒物动态稀释及层流混匀器1的第一气溶胶出口13和光散射颗粒物监测仪16进行连接。

(4)待系统稳定后，记录一段时间t内的颗粒物浓度C_b，该浓度即为仪器的零点。

Q＝V×S (1)

式中，Q：采样流量，m³/s；

V：采样流速，m/s

m：截面积，m²。

(二)线性的校准方法及过程

(1)以校准流量为2L/min的PM_2.5/PM₁₀光散射颗粒物监测仪16为例，开启光散射颗粒物监测仪16，并将其与所述颗粒物动态稀释及层流混匀器1的第一气溶胶出口13进行连接。开启变频风机4，并使其流量Q_P为2L/min。

(2)开启空气压缩机3，并将质量流量控制器5的流量值Q_A设定为0L/min，记录仪器的测量数据。

(3)将质量流量控制器5的流量设定值Q_A在(2～100)L/min范围内，通过公式(1)计算颗粒物动态稀释及层流混匀器1内层流样品的流速，并选择第一等速采样头6，使得层流样品流速与进入采样头的样品流速一致。并将第一等速采样头6两端分别与所述颗粒物动态稀释及层流混匀器1的第一气溶胶出口13和光散射颗粒物监测仪16进行连接。重复步骤3.2。

(4)因此颗粒物浓度的稀释比例可根据Q_P和Q_A数值计算得到。根据气溶胶颗粒物的稀释比例和仪器测量结果，可实现对仪器测量线性的校准。校准结果参见图3。

(三)示值误差的校准及过程

在恒温恒湿(20℃，50％)条件下将滤膜平衡24h，并称量平衡后的滤膜质量，记为M₀，并将其装于颗粒物滤膜采集器8中。

以校准流量为2L/min的PM_2.5/PM₁₀光散射颗粒物监测仪16为例。开启变频风机4，并使其流量Q_P为2L/min。开启空气压缩机3，设定质量流量控制器5的流量值Q_A，使得颗粒物浓度在(30-500)μg/m³范围内。

通过公式(1)计算颗粒物动态稀释及层流混匀器1内层流样品的流速，并选择第一等速采样头6和第二等速采样头7，使得层流样品流速与进入采样头的样品流速一致。将第一等速采样头6两端分别与所述颗粒物动态稀释及层流混匀器1的第一气溶胶出口13和光散射颗粒物监测仪16进行连接，将第二等速采样头7两端分别与所述颗粒物动态稀释及层流混匀器1的第二气溶胶出口14和颗粒物滤膜采集器8进行连接。

同时开启恒流采样器17和光散射颗粒物监测仪16，根据颗粒物浓度确定采集时间，采集时间t可在(1～10)h范围内选取。记录光散射颗粒物监测仪的累积测量值C_m，同时，将滤膜放于恒温恒湿系统中平衡24h，之后称量其质量，记为M₁，按照公式2计算得到气溶胶颗粒的质量浓度C_s。

式中，C_s：颗粒质量浓度的仪器测量结果，μg/m³；

M₁：采集颗粒后滤膜的质量，μg；

M₀：采集颗粒前滤膜的质量，μg；

Q：颗粒物采样流量，m³/s；

t：采样时间，s。

比较仪器测量结果C_m和重量法结果C_s，实现对仪器示值误差的校准。校准结果见表1。

表1示值误差校准结果

校准点	1	2	3	4
					重量法结果C<sub>s</sub>	48.7	98.7	210.2	412.2
仪器测量结果C<sub>m</sub>	56	105	227	432
					示值误差	15％	6％	8％	5％

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (2)

1.一种PM_2.5/PM₁₀光散射颗粒物监测仪的在线校准系统的校准方法，其特征在于：所述PM_2.5/PM₁₀光散射颗粒物监测仪的在线校准系统，包括颗粒物动态稀释及层流混匀器（1）；空气压缩机（3）、高效过滤器（2）与质量流量控制器（5）依次连通，所述质量流量控制器（5）与颗粒物动态稀释及层流混匀器（1）连通；变频风机（4）与颗粒物动态稀释及层流混匀器（1）连通；颗粒物动态稀释及层流混匀器（1）的出口与第一等速采样头（6）和第二等速采样头（7）相连通；第二等速采样头（7）、颗粒物滤膜采集器（8）和恒流采样器（17）依次相连通；

所述颗粒物动态稀释及层流混匀器内设有限流孔（9）和层流板（10）；颗粒物动态稀释及层流混匀器（1）的一端设有气溶胶颗粒入口（11）和洁净空气入口（12），另一端设有第一气溶胶出口（13）和第二气溶胶出口（14）和两个排空口（15），第一等速采样头（6）与光散射颗粒物监测仪（16）相连；

所述变频风机（4）与气溶胶颗粒入口（11）相连；所述气溶胶颗粒入口（11）的流量为1~5L/min；所述质量流量控制器（5）与洁净空气入口（12）相连；洁净空气入口（12）的流量为1~100L/min；所述限流孔（9）的直径为2mm；层流板（10）的孔径大小为0.5~1mm；第一气溶胶出口（13）和第二气溶胶出口（14）的流量为2L/min；

包括以下步骤：

（1）开启光散射颗粒物监测仪（16），并将其与所述颗粒物动态稀释及层流混匀器（1）的第一气溶胶出口（13）进行连接；开启变频风机（4），并使其流量Q_P为2L/min；

（2）开启空气压缩机（3），并将质量流量控制器（5）的流量值Q_A设定为0L/min，记录仪器的测量数据；

（3）将质量流量控制器（5）的流量设定值Q_A在2~100L/min范围内，通过公式（1）计算颗粒物动态稀释及层流混匀器（1）内层流样品的流速，并选择第一等速采样头（6），使得层流样品流速与进入采样头的样品流速一致；并将第一等速采样头（6）两端分别与所述颗粒物动态稀释及层流混匀器（1）的第一气溶胶出口（13）和光散射颗粒物监测仪（16）进行连接；重复步骤2；

其中，

（1）

式中， Q：采样流量，m³/s；

V：采样流速，m/s

S：截面积，m²；

（4）颗粒物浓度的稀释比例根据Q_P和Q_A数值计算得到；根据气溶胶颗粒物的稀释比例和仪器测量结果，实现对仪器测量线性的校准。

2.一种PM_2.5/PM₁₀光散射颗粒物监测仪的在线校准系统的校准方法，其特征在于：

所述PM_2.5/PM₁₀光散射颗粒物监测仪的在线校准系统，包括颗粒物动态稀释及层流混匀器（1）；空气压缩机（3）、高效过滤器（2）与质量流量控制器（5）依次连通，所述质量流量控制器（5）与颗粒物动态稀释及层流混匀器（1）连通；变频风机（4）与颗粒物动态稀释及层流混匀器（1）连通；颗粒物动态稀释及层流混匀器（1）的出口与第一等速采样头（6）和第二等速采样头（7）相连通；第二等速采样头（7）、颗粒物滤膜采集器（8）和恒流采样器（17）依次相连通；

所述颗粒物动态稀释及层流混匀器内设有限流孔（9）和层流板（10）；颗粒物动态稀释及层流混匀器（1）的一端设有气溶胶颗粒入口（11）和洁净空气入口（12），另一端设有第一气溶胶出口（13）和第二气溶胶出口（14）和两个排空口（15），第一等速采样头（6）与光散射颗粒物监测仪（16）相连；

所述变频风机（4）与气溶胶颗粒入口（11）相连；所述气溶胶颗粒入口（11）的流量为1~5L/min；所述质量流量控制器（5）与洁净空气入口（12）相连；洁净空气入口（12）的流量为1~100L/min；所述限流孔（9）的直径为2mm；层流板（10）的孔径大小为0.5~1mm；第一气溶胶出口（13）和第二气溶胶出口（14）的流量为2L/min；

包括以下步骤：

（1）在恒温恒湿条件下将滤膜平衡24h，并称量平衡后的滤膜质量，记为M₀，并将其装于颗粒物滤膜采集器（8）中；

（2）开启变频风机（4），并使其流量Q_P为2L/min；开启空气压缩机（3），设定质量流量控制器（5）的流量值Q_A，使得颗粒物浓度在30-500μg/m³；

（3）通过公式（1）计算颗粒物动态稀释及层流混匀器（1）内层流样品的流速，并选择第一等速采样头（6）和第二等速采样头（7），使得层流样品流速与进入采样头的样品流速一致；将第一等速采样头（6）两端分别与所述颗粒物动态稀释及层流混匀器（1）的第一气溶胶出口（13）和光散射颗粒物监测仪（16）进行连接，将第二等速采样头（7）两端分别与所述颗粒物动态稀释及层流混匀器（1）的第二气溶胶出口（14）和颗粒物滤膜采集器（8）进行连接；

（4）同时开启恒流采样器（17）和光散射颗粒物监测仪（16），根据颗粒物浓度确定采集时间，采集时间t可在1~10h范围内选取；记录光散射颗粒物监测仪的累积测量值C_m，同时，将滤膜放于恒温恒湿系统中平衡24h，之后称量其质量，记为M₁，按照公式（2）计算得到气溶胶颗粒的质量浓度C_s；

其中，

（1）

式中， Q：采样流量，m³/s；

V：采样流速，m/s

S：截面积，m²；

（2）

式中，C _s：颗粒质量浓度的重量法计算结果，μg/m³；

M ₁：采集颗粒后滤膜的质量，μg；

M ₀：采集颗粒前滤膜的质量，μg；

Q：颗粒物采样流量，m³/s；

t：采样时间，s；

比较仪器测量结果C_m和重量法结果C_s，实现对仪器示值误差的校准。

Images