CN111624144B - 一种用于颗粒物监测仪的校准装置及方法 - Google Patents

一种用于颗粒物监测仪的校准装置及方法 Download PDF

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Abstract

本申请提供一种用于颗粒物监测仪的校准装置包括：标准粒子发生器，产生所需粒径和所需浓度的标准粒子；气路切换控制装置,设置在标准粒子发生器的下游；气路切换控制装置用于可选择地将颗粒物监测仪与采样管路或标准粒子发生器连接，用于监测颗粒物浓度。本申请提供的校准装置通过实时发生标准粒子来实现颗粒物监测仪的自动校准。

Description

一种用于颗粒物监测仪的校准装置及方法
技术领域
本申请涉及大气监测领域，具体涉及用于颗粒物监测仪的校准装置及方法、颗粒物监测仪。
背景技术
随着我国经济的发展，环境污染日益成为人们关注的首要问题。我国于2012年出台的《环境空气质量标准》(GB 3095-2012)中规定了细颗粒物PM2.5的年均值为35μg/m3，并且要求各地级市以上城市必须配置颗粒物监测仪。目前经我国认可的PM2.5自动监测方法包括β射线和微量振荡天平法，由于长期以来，难以获得大气中颗粒物的标准物质，基于这两种方法设计的仪器目前采用的校准方法分别为校准膜校准和标准膜频率校准，但这两种校准方法使用的标准物质均与实际颗粒物差异较大，如β射线法仪器使用的校准膜，一般为聚乙烯薄膜，其物理化学特性显然与实际颗粒物不同，即使进行了校准，则因校准时采用的标准物质与实际颗粒物差异较大，致使难以实现有效质控。针对光散射法颗粒物自动分析仪，由于没有标准物质，目前只能使用和β射线和微量振荡天平法，或者手工称重法监测结果进行比对，来进行校准。因此使用这些现有的方法进行监测仪器的校准，并不能实现颗粒物自动监测仪器的有效质控，从而也不能确保颗粒物监测结果的准确可靠。
背景技术部分的内容仅仅是公开人所知晓的技术，并不代表本领域的现有技术。
发明内容
本申请提供一种用于颗粒物监测仪的校准装置，该装置基于标准粒子发生器发生的标准粒子来实现对颗粒物监测仪的自动校准。
根据本申请一个方面，所述用于颗粒物监测仪的校准装置，包括：标准粒子发生器，产生所需粒径和所需浓度的标准粒子；气路切换控制装置,设置在所述标准粒子发生器的下游；其中，所述气路切换控制装置用于可选择地将颗粒物监测仪与采样管路或所述标准粒子发生器连接。
根据本申请一些实施例，所述标准粒子发生器包括：气体模块，用于给所述标准粒子发生器提供干燥气体；液体模块，用于给所述标准粒子发生器提供所需溶液；粒子发生腔，配置有雾化器。
根据本申请一些实施例，所述粒子发生腔包括：上部为中空的圆筒，下部为圆锥体。
根据本申请一些实施例，所述粒子发生腔，还包括：气体入口，与所述气体模块连接；液体入口，与所述液体模块连接；粒子出口，用于排出所述标准粒子。
根据本申请一些实施例，所述雾化器连接所述液体入口与所述粒子发生腔，用于将所述溶液雾化成的液滴输入所述粒子发生腔内与所述干燥气体反应生成标准粒子。
根据本申请一些实施例，所述粒子出口与所述气路切换控制装置之间设有三通管路，所述三通管路中一条通路与所述气路切换控制装置连接，另一通路与颗粒物过滤器连接。
根据本申请一些实施例，所述气路切换控制装置包括：三通阀控装置。
根据本申请一些实施例，还包括：控制模块，与所述颗粒物监测仪通信连接，并控制所述气路切换控制装置切换管路。
根据本申请另一方面，还提供一种用于颗粒物监测仪的校准方法，包括：预设标准粒子的粒径和浓度；标准粒子发生器生成所述预设粒径和浓度的标准粒子；控制气路切换控制装置，使颗粒物监测仪与所述标准粒子发生器连接，对所述颗粒物监测仪进行校准。
根据本申请一些实施例，所述预设标准粒子的粒径和浓度之前，气路切换控制装置使所述颗粒物监测仪与所述标准粒子发生器断开。
根据本申请一些实施例，所述预设标准粒子的浓度计算如下公式：
ρ＝106cQ/V
公式中，ρ为标准粒子的浓度；c为溶液浓度；Q为液体流量；V为气体流量。
根据本申请一些实施例，所述气体流量V大于所述颗粒物监测仪的采样流量。
根据本申请一些实施例，所述对所述颗粒物监测仪进行校准，包括：所述颗粒物监测仪进行一测样周期，比较测量值与粒子发生值的关系，进行校准。
根据本申请一些实施例，所述测量值包括：颗粒物监测仪测量到的标准粒子的粒径和浓度。
根据本申请一些实施例，所述粒子发生值包括：标准粒子的粒径和浓度预设值。
本申请的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到通过气路切换控制装置切阀实现管路的切换，可将标准粒子发生器发生的标准粒子引入颗粒物采样管路内，来实现颗粒物自动监测仪的自动校准。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本申请实施例中的颗粒物监测仪的校准装置结构示意图；
图2为本申请实施例中的校准装置与颗粒物监测仪采样管路连接后的结构示意图；
图3为本申请实施例中的颗粒物监测仪的校准方法工艺流程图。
附图标记列表：
100标准粒子发生器
200气路切换控制装置
201采样管路
202切割器
204气体模块
206液体模块
208粒子发生腔
210雾化器
212气体入口
214液体入口
216粒子出口
218三通管路
220颗粒物过滤器
222三通阀控装置
224控制模块
240颗粒物监测仪
具体实施方式
以下结合附图和实施例，对本申请的具体实施方式进行更加详细的说明，以便能够更好地理解本申请的方案以及其各个方面的优点。然而，以下描述的具体实施方式和实施例仅是说明的目的，而不是对本申请的限制。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请的说明书和权利要求书及所述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”和“第四”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖非排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
目前市面上的颗粒物自动监测仪采用的监测方法为β射线和微量振荡天平法。这两种监测方法都未采用发生的标准粒子来对仪器进行校准。如β射线颗粒物监测仪采用了已事先称重好的校准膜片来模拟纸带上采集的颗粒物。由于颗粒物在被采集到纸带上时，可能会出现空间分布不均匀的情况，而且实际大气中颗粒物组分与标准膜片所用材质差异很大，基本没有可比性，其对β射线的吸收会存在差异。因此采用校准膜片的校准方式，不能确保实际工作状况下，颗粒物监测结果准备。另一方面，采用现有的标准膜片校准方法，只是校准了监测仪质量测量单元，还需要配套进行流量校准才能实现完整的测量校准，校准过程较为繁琐。
对于光散射法颗粒物监测仪的校准，现有的校准方法为通过和β射线法、震荡天平法设备监测结果，该方法耗时较长，难以实现自动校准，并且β射线法、震荡天平法监测结果本身质控尚没有解决。针对现有颗粒物监测仪的校准，还有采用手工比对法进行校准的方法，但是手工比对校准一方面耗时较长，技术要求较高，实施起来有一定难度，另外比对浓度完全依赖实际环境中的颗粒物浓度，不可控制，难以实现不同浓度下的校准。
有鉴于此，本申请提供一种颗粒物监测仪的校准装置，来实现对颗粒物监测仪进行自动校准。
下面参考具体实施例，对本申请进行说明。下述实施例中所取工艺条件数值均为示例性的，其可取数值范围如前述申请内容中所示，对于未特别注明的工艺参数，可参照常规技术进行。下述实施例所用的监测方法均为本行业常规的监测方法。
图1为本申请实施例中的颗粒物监测仪的校准装置结构示意图。
参见图1，根据一些实施例，颗粒物监测仪的校准装置包括标准粒子发生器100、气路切换控制装置200。
如图1所示，根据示例性实施例，当颗粒物监测仪处于监测气体样品状态时，气路切换控制装置200，将采集管路与颗粒物监测仪连通。
如图1所示，根据示例性实施例，标准粒子发生器100连入气路切换控制装置。当颗粒物监测仪需要校准时，气路切换控制装置200由采集环境空气切换至采集标准粒子发生器输出的标准粒子，采样过程结束，进入校准过程，实现颗粒物监测仪的校准。
根据一些实施例，采样管路和标准粒子发生器的相互切换，实现颗粒物监测仪的自校准，相较于手工校准，尽可能避免耗时长技术要求高等弊端。
图2为本申请实施例中的校准装置与颗粒物监测仪采样管路连接后的结构示意图。
参见图2，根据示例性实施例，颗粒物监测仪中采样管路201包括切割器202，用于分离不同粒径的气体样品。
如图2所示，根据一些实施例，标准粒子发生器由气体模块204、液体模块206以及粒子发生腔208构成。根据示例性实施例，气体模块204可以提供干燥气体，在本实施例中，干燥气体为不含颗粒的干燥空气。气体模块204的气体流量也是可以设定的，并且可以保持恒定流量输出。
如图2所示，根据一些实施例，液体模块206提供用于生成标准粒子的溶液，在一些实施例中，可以选用盐溶液。在本实施例中，液体模块206可以根据需要精确配置，其液体流量也可以设定，且可以保持恒定流量输出。
根据一些实施例，在粒子发生腔208中，雾化器210将液体模块206所提供的盐溶液雾化成液滴。在一些实施例中，雾化器210可将液体雾化成粒径为几十微米级别的细小液滴。雾化而成的液滴由来自气体模块204提供的干燥气体进行吹扫，将雾化的液滴迅速形成具有一定粒径的标准粒子。上述标准粒子是通过控制和测量液体流量或气体流量，结合液体内溶质的浓度，可计算得到标准粒子的实际浓度。根据一些实施例，这些已知浓度的颗粒物，均匀分布在空气中，其存在状态与实际环境中的颗粒物非常相似，可用于颗粒物自动监测仪240的校准。
如图2所示，根据示例性实施例，粒子发生腔208可以设计为上部位中空的圆筒形结构，下部为圆锥形结构，并设置有气体入口212、液体入口214以及粒子出口216。在本实施例中，气体入口212与气体模块204连通，可以设置在粒子发生腔的侧壁上方，液体入口214与液体模块206连通。参见图2，根据一些实施例，液体模块206可以直接与粒子发生腔所容置的雾化器连接，雾化器210设置在液体入口处，将溶液雾化成液滴输入粒子发生腔208中，在于气体模块所提供的干燥气体反应生成标准粒子。
参见图2，根据一些实施例，生成的标准粒子以一定粒径的气溶胶形式从粒子发生腔208下方的粒子出口216通过一个三通管路218。三通管路218将标准粒子分为两条通路传输，一条通路与采样管路上的气路切换控制装置相连，在本实施例中，气路切换控制装置为三通阀控装置222。三通管路218的另外一条通路与颗粒物过滤器220相连接。根据一些实施例，三通阀控装置222可以切换管路，用于实现采样监测或校准颗粒物监测仪的操作。另外，颗粒物过滤器220主要用于过滤气体中的颗粒物，避免产生的颗粒物排入空气中，本申请此处不做限制。
如图2所示，根据一些实施例，三通阀控装置222有A、B、C三个端口。在颗粒物监测仪240进行采样监测时，A、B端口打开，C端口闭合。需要对颗粒物监测仪240进行校准时，B、C端口打开，A端口闭合。由此，实现了管路的切换，当然本申请不仅限于此。
如图2所示，根据示例性实施例，为实现颗粒物监测仪240的正常自校准过程，设计颗粒物监测仪240与校准装置联动用于颗粒物监测仪自校准的控制程序，该程序储存于控制模块224中。在本实施例中，控制模块224与颗粒物监测仪240通信连接，并控制气路切换控制装置切换管路。
根据一些实施例，本申请所提供的颗粒物监测仪校准装置产生的标准粒子的存在状态，与采集到的大气样品中颗粒物的实际状态十分相近，其校准结果可以保证颗粒物监测仪在实际工作状态下的监测质量。
根据一些实施例，校准装置根据需要发生的不同浓度、不同粒径的标准粒子，实现对颗粒物监测仪不同浓度段的校准。此外，气路切换装置的设置，在一定的程度上是考虑到颗粒物监测过程中采样流量、颗粒物监测仪管路内传输流失等因素对校准过程的影响。
图3为本申请实施例中的颗粒物监测仪的校准方法工艺流程图。
如图3所示，在S301中，预设标准粒子的粒径和浓度。根据一些实施例，预设标准粒子的粒径和浓度之前，气路切换控制装置可以使颗粒物监测与标准粒子发生器断开，并不影响颗粒物监测仪对大气样品的正常测量。
根据示例性实施例，预设标准粒子的浓度如以下公式：
ρ＝106cQ/V
公式中，ρ为标准粒子的浓度；c为溶液浓度；Q为液体流量；V为气体流量。根据一些实施例，气体流量V需要大于颗粒物监测仪的采样流量。
在S303中，标准粒子发生器生成预设粒径和浓度的标准粒子。结合图2所示，根据一些实施例，可直接操作颗粒物监测仪进入校准界面，或控制模块224进入校准界面。由上述设定发生的气体(气体流量为V)和液体(液体流量为Q)的数值，最终可发生浓度为ρ＝106cQ/V的标准粒子(气体流量V应大于颗粒物监测仪的采样流量)。同时，三通电磁阀222由AB位切换到BC位，使得粒子得以进入颗粒物监测仪。随后，颗粒物监测仪进行一个测样周期，并比较测量浓度值与粒子发生浓度值ρ的关系，并对仪器进行校准。
在S305中，控制气路切换控制装置，使颗粒物监测仪与标准粒子发生器连接，对颗粒物监测仪进行校准。在本实施例中，颗粒物监测仪进行一测样周期，比较测量值与粒子发生值的关系，进行校准。根据一些实施例，测量值可以为颗粒物监测仪测量到的标准粒子的粒径和浓度；粒子发生值可以为标准粒子的粒径和浓度预设值。
校准结束，三通电磁阀222切换到AB位，颗粒物监测仪正常开始采样。
需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的操作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本申请并不受所描述的操作顺序的限制。依据本申请，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
通过以上的详细描述，本领域的技术人员易于理解，根据本申请实施例的技术方案具有以下优点中的一个或多个。
根据一些实施例，颗粒物自动监测仪的校准装置，其测定的气体流量值和液体流量值是可溯源的，因此可以发生特定浓度的标准粒子。若测定的气体流量为V(L/mi n)，液体流量为Q(mL/mi n)，使用的溶液浓度为c(g/L)，则发生的标准粒子浓度ρ＝106cQ/V。由于进入粒子发生器中的液体和气体均为连续进入，因此发生的标准粒子也是连续不间断发生的，并且其浓度是恒定的，即浓度为ρ＝106cQ/V的粒子进入颗粒物监测仪内被采集到纸带上。
根据一些实施例，由于校准阶段粒子浓度已知，因此通过比较颗粒物监测仪实际测量值与该计算值，可实现颗粒物监测仪的自动校准。
此外，根据一些实施例，通过改变c、V或Q的值，可发生其他浓度或粒径的标准粒子，实现颗粒物监测仪的多点校准。另外，通过设计气路切换控制装置，例如三通阀控装置，当需要进行仪器校准时，通过切阀实现采样管路的切换，可将标准粒子发生器发生的标准粒子引入颗粒物采样管路内，来实现颗粒物自动监测仪的自动校准。
显然，上述实施例仅是为清楚地说明本申请所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本申请的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种用于颗粒物监测仪的校准装置，其特征在于，包括：
标准粒子发生器，产生所需粒径和所需浓度的标准粒子；
气路切换控制装置,设置在所述标准粒子发生器的下游；
其中，所述气路切换控制装置用于可选择地将颗粒物监测仪与采样管路或所述标准粒子发生器连接；
控制模块，与所述颗粒物监测仪通信连接，并控制所述气路切换控制装置切换管路；
所述控制模块用于对所述颗粒物监测仪进行一测样周期，比较测量值与粒子发生值的关系，进行校准；
所述标准粒子发生器包括：
气体模块，用于给所述标准粒子发生器提供干燥气体；
液体模块，用于给所述标准粒子发生器提供所需溶液；
粒子发生腔，配置有雾化器；
所述校准装置还包括三通管路，所述三通管路设置于所述粒子发生腔的下端，所述三通管路将所述标准粒子分为两条通路，一条通路与所述采样管路上的气路切换控制装置连接，另一条通路与颗粒物过滤器连接；所述气路切换控制装置包括：三通阀控装置。
2.根据权利要求1所述的校准装置，其特征在于，所述粒子发生腔包括：
上部为中空的圆筒，下部为圆锥体。
3.根据权利要求1所述的校准装置，其特征在于，所述粒子发生腔，还包括：
气体入口，与所述气体模块连接；
液体入口，与所述液体模块连接；
粒子出口，用于排出所述标准粒子。
4.根据权利要求3所述的校准装置，其特征在于，所述雾化器连接所述液体入口与所述粒子发生腔，用于将所述溶液雾化成的液滴输入所述粒子发生腔内与所述干燥气体反应生成标准粒子。
5.一种用于颗粒物监测仪的校准方法，其特征在于，所述校准方法是利用如权利要求1-4任一所述的校准装置所执行的，所述校准方法包括：
预设标准粒子的粒径和浓度；
标准粒子发生器生成所述预设粒径和浓度的标准粒子；
控制气路切换控制装置，使颗粒物监测仪与所述标准粒子发生器连接，对所述颗粒物监测仪进行校准；
其中，所述对所述颗粒物监测仪进行校准包括：
所述颗粒物监测仪进行一测样周期，比较测量值与粒子发生值的关系，进行校准。
6.根据权利要求5所述的校准方法，其特征在于，所述预设标准粒子的粒径和浓度之前，气路切换控制装置使所述颗粒物监测仪与所述标准粒子发生器断开。
7.根据权利要求5所述的校准方法，其特征在于，所述预设标准粒子的浓度计算如下公式：
ρ＝106cQ/V
公式中，ρ为标准粒子的浓度；c为溶液浓度；Q为液体流量；V为气体流量。
8.根据权利要求7所述的校准方法，其特征在于，所述气体流量V大于所述颗粒物监测仪的采样流量。
9.根据权利要求5所述的校准方法，其特征在于，所述测量值包括：
颗粒物监测仪测量到的标准粒子的粒径和浓度。
10.根据权利要求5所述的校准方法，其特征在于，所述粒子发生值包括：
标准粒子的粒径和浓度预设值。
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