CN113567620A - 一种室外微型空气监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种室外微型空气监测装置，进气管道，用于将环境空气吸入空气监测组件中；空气监测组件，用于通过传感器对进气管道吸收的环境空气进行监测；百叶箱，用于监测环境空气的物理参数；主控器，用于控制室外微型空气监测装置的多个部件的运行，并对环境空气的监测数据结果进行管理，以及通信模块，用于将监测数据结果发送至软件平台；其中进气管道包括加热器，用于对环境空气进行加热，以将进气温度保持在预设温度状态。本发明的技术方案提高了空气监测数据的准确性和稳定性，有助于实现更精准、更高效的大气污染防治目标。
Description
技术领域
本发明属于环境监测领域，特别涉及一种室外微型空气监测装置。
背景技术
在新时代的环境保护要求下，空气网格化监测逐渐成为环境监测与大气污染预警领域的发展趋势。微型空气监测站或称空气微站将分析出的数据提供给监管部门作为空气质量优劣的参考，并辅助环保决策，相对于大型监测站具有易于搭建且覆盖广的特点。为实现对空气质量监测，一般在某个设定的环保区域内围绕标准站点设立多个空气微站，随着监测设备的连续自动监测，需要对监测数据进行实时分析、存储和上传。
根据国家环境空气监测站运行管理的规定，空气监测站需要定期检查/校准污染物分析仪。然而，目前大多数空气监测站只进行污染物监测，没有实现自动定期检查/校准的过程。事实上，作为网格化微型空气监测站的核心部件之一，监测传感器的正常工作需要满足固有的工况条件，包括温度、湿度等。传统的微型空气监测站中的传感器通常容易受到天气变化的影响，会出现监测结果不稳定的现象。例如在高寒地区，由于无法达到传感器的工作温度，空气监测站可能发生监测失常甚至数据错误。而主处理器无法获取传感器的工作状态，不能确定监测传感器是否发生失常，传感数据结果是否正确。而传感器自身无法从失常状态中恢复，从而导致整个监测系统可能长时间处于无效运行状态。另一方面，传统的空气监测站在监测到污染空气后，直接排放监测后的空气样本，缺乏对污染空气的处理。
发明内容
本发明的目的在于提供一种微型化、高性价比、多参数连续监测的室外微型空气监测装置，旨在解决现有技术中出现的上述问题。所述室外微型空气监测装置包括：
进气管道，用于将环境空气吸入空气监测组件中；
空气监测组件，用于通过传感器对所述进气管道吸收的所述环境空气进行污染物监测；
百叶箱，用于监测所述环境空气的物理参数；
主控器，用于控制所述室外微型空气监测装置的多个部件的运行，并对环境空气的监测结果进行数据处理；
出气管道，用于排出监测后的环境空气，以及
通信模块，用于将所述监测数据结果发送至软件平台；
其中所述进气管道包括加热器，用于对所吸收的环境空气进行加热，以将进气温度保持在预设温度状态，并且所述出气管道包括空气净化模块，用于对监测后的环境空气进行净化处理。
优选地，所述进气管道与第一过滤网相连接，所述第一过滤网用于在所述环境空气进入进气管道之前对所述环境空气进行过滤。
优选地，所述空气监测组件包括气态污染物监测室和颗粒物监测室；
所述气态污染物监测室设置有高灵敏度电化学传感器；
所述颗粒物监测室设置有高灵敏度光学传感器。
优选地，所述高灵敏度电化学传感器利用电化学反应来识别气态污染物成分，并监测污染物浓度。
优选地，所述气态污染物包括SO2、NO2、O3和CO中的一项或多项。
优选地，所述高灵敏度光学传感器采用激光散射原理，基于米氏MIE算法测量所述颗粒物的浓度。
优选地，所述颗粒物包括PM2.5和PM10。
优选地，当室外温度低于预设低温阈值时，自动启动所述加热器的进气加热功能。
优选地，所述百叶箱包括温度传感器、湿度传感器、气压传感器，分别用于实时监测大气温度、大气湿度、大气压力。
优选地，所述高灵敏度电化学传感器和所述高灵敏度光学传感器内置自诊断程序，当故障发生时，自动执行所述自诊断程序进行校准，并将工作状态发送至所述主控器。
相比于现有技术，本发明具有以下优点：
通过保证气体传感器在恒温下正常工作，提高了空气监测站对恶劣天气的抵抗能力；通过传感器部件的自诊断功能实现异常状态下的诊断和校准，从而有效提高了空气监测数据的准确性和稳定性；实现对空气中的污染物的连续无人值守监测，有助于实现更精准、更高效的大气污染防治目标。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获取。
附图说明
为更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的某些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取其他的附图。
图1示出了根据本发明的示例性微型空气监测装置的总体结构示意图。
图2示出了根据本发明的示例性微型空气监测装置的主控器的结构示意图。
图3示出了根据本发明的示例性微型空气监测装置的电源管理模块的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获取的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种适用于室外的微型化、高性价比、多参数连续监测的空气监测装置。采用光学及电化学传感器技术，提供了多样化并普遍适用的空气污染物连续监测方案，对空气中的PM2.5、PM10、SO2、NO2、O3、CO等首要污染物进行连续无人值守监测，有助于实现更精准、更高效的大气污染防治目标。
本发明的微型空气监测装置包括进出气管道、空气监测组件、百叶箱、主控器、电源管理模块以及通信模块。
其中，进气管道的一端与第一过滤网相连接。所述第一过滤网可以是金属过滤网。室外空气在进入进气管道之前，首先通过金属过滤网进行过滤，以滤除空气中较大的杂质，例如碎屑、柳絮等。所述进气管道的一端还可与气泵相连接，通过气泵的增压促进空气样本的吸入。在可选的实施例中，所述进气管道通过微型空气监测装置的机箱下侧底面伸出。特别地，为防止冬天仪器内部出现冷凝现象，采用负压进气设计，当室外温度低于设定温度阈值时，自动启动进气加热功能，利用设置在空气监测组件中的电加热器对进气管道进行加热，以将进气温度保持在室温状态。
所述空气监测组件包括气态污染物监测室和颗粒物监测室。当室外空气通过进气管道，进入气态污染物监测室和颗粒物监测室。具体地，所述气态污染物监测室和颗粒物监测室分别包括高灵敏度电化学传感器和高灵敏度光学传感器。所述光学传感器采用高灵敏度激光散射原理，基于米氏(MIE)理论算法精准测量颗粒浓度。所述电化学传感器利用电化学反应来识别气体成分，并监测气体浓度；电化学传感器支持各种常规气态污染物的识别和监测，包括SO2、NO2、O3、CO。
所述空气监测组件与主控器可通信地连接，在空气监测组件完成空气监测之后，实时将检测结果上传给主控器，主控器通过通信模块与其他设备或软件平台进行无线信号通信。
为了提高污染物监测精度，所述颗粒物监测室位于所述气态污染物监测室的上游。也就是说，颗粒物监测室的进气口与进气管道相连接，颗粒物监测室的出气口通过第二过滤网与气态污染物监测室的进气口相连接。第二过滤网是比第一过滤网孔径更小的过滤网。由此，首先对进入的空气进行颗粒物浓度监测，经再次过滤后，进行气态污染物浓度监测。最后通过出气管道将监测后的气体排出。而所述出气管道进一步包括空气净化模块，用于对监测后的环境空气进行净化处理。例如，所述空气净化模块为活性炭净化器。所述出气管道还可设置有排气扇，用于将检测完毕的气体扇入排气管，促进气体的排出。
为保证各传感器的正常运行，所述空气监测组件内置电加热器和温度控制系统，将温度控制精度在0.5℃以内，实时控制各传感器的温度漂移。
如图2所示，所述主控器进一步包括微处理器、嵌入式存储器、接口模块和显示器。由高灵敏传感器所产生的信号经由微处理器进行采集、计算、数据处理，产生污染浓度结果数据，将数据结果存储在嵌入式存储器中，并发送到显示器进行展示。所述主控器结合嵌入式物联网通讯技术，连续监测大气中空气污染物浓度和温湿度等参数，全面显示所需要的测量数据。与基于分析技术的传统站点相比，成本大幅降低。
具体地，所述接口模块包括电源接口，电源接口优选为24V电源接口，增加TVS保护功能和保险丝；所述接口模块还包括风扇控制接口，具体为12VPWM接口，用于控制风扇调速；所述接口模块还包括ADC采集接口，用于预留外部电压采集；所述接口模块还包括通信接口，具体为485多路通信接口，其中一路用于屏幕显示，一路用于传感器采集，支持校准协议接收，一路用于温控器控制；所述接口模块还包括I2C接口，用于箱内环境温湿度采集；所述接口模块还包括SIM卡接口，用于放置物联网卡。
优选地，所述显示器为液晶屏，可动态直观地显示各种监测数据和仪器工作状态等信息，例如包括空气监测装置的电量信息、进气管道的温度信息、各个传感器的校准信息等。
同时，所述微处理器将颗粒物监测结果数据和气态污染物监测结果数据由所述通信模块经无线网络发送至云服务器进行数据存储和云端展示。所述无线网络包括但不限于4G、5G、NB-IOT等类型。用户利用移动终端登录所述云服务器之后，可实时采集仪器的监测数据，或在云端的软件平台实时显示数据。
所述通信模块还包括GPS定位器。根据空气监测布局的需求，在优选的实施例中，GPS定位偏差小于50m。
所述百叶箱包括温度传感器、湿度传感器、气压传感器，用于实时监测大气温度、大气湿度、大气压力。
其中，所述嵌入式存储器以分钟为单位来存储监测数据结果。优选地，嵌入式存储器的存储容量至少为1年的监测数据。
所述传感器部件内置自诊断程序，当发生故障时，会自动执行自诊断程序进行校准，同时将故障编码发送至微处理器，以使微处理器发送断电重启命令至传感器部件，并由所述显示器显示传感器状态参数，供维护人员对传感器部件进行检测和手工调试。
所述电源管理模块与其他各模块电信号连接，如图3所示，所述电源管理模块包括：浪涌保护器、空气开关、三相插头、电池、电池充电器。
具体地，浪涌保护器用于抑制瞬态过压，泄放电涌能量，从而保护系统电路及设备；空气开关用于保障线路安全，降低设备漏电风险及危害；三相插头用于插电；所述电池为充电锂电池；所述电池充电器具备过压保护，短路保护，过温保护的功能。
根据本发明的一个实施例，所述电源模块还包括避雷器。所述避雷器具体可采用阀型避雷器、管型避雷器等，用于保护监测设备免受雷击时高瞬态过电压危害。
参见表1，本发明的微型空气监测装置所采用的光学传感器对于环境空气颗粒物(PM2.5、PM10)的详细监测技术参数如下。
表1
参见表2，本发明的微型空气监测装置所采用的电化学传感器对环境空气的气态污染物(SO2、NO2、O3、CO)的详细监测技术参数如下。
表2
参见表3，本发明的微型空气监测装置所采用的温湿度和气压传感器对环境温湿压的详细监测技术参数如下。
表3
本发明的微型空气监测装置的主控器、监测室、通信模块、进气和出气管道等可整体封装在机壳中。机壳与背部安装架相连接。背部安装架用于将微型空气监测装置固定在其他固定物上。
参见图2，在优选的实施例中，微型空气监测装置整体封装在大致为长方体的机壳中。室外防护等级为IP65。整机尺寸可为600H×400W×220T(mm)，该尺寸不包括顶部大气温湿压百叶箱及背部安装架尺寸。除此之外，参见表4，示例性微型空气监测装置的基本参数详细说明如下。
| 工作电压 | 220V±22VAC，50Hz±1Hz |
| 主机功率 | 12W |
| 辅热功率 | 300W |
| 工作气压 | 80kPa～106kPa |
| 工作环境 | -20℃～+50℃，15％～95％RH |
| 储存环境 | -30℃～+50℃，0～95％RH |
| 产品重量 | 20kg |
| 防护等级 | IP54 |
表4
为更好地反映污染物排放状况，在选址和布局方面，本发明的微型空气监测装置安装在气体混合均匀的位置上，如气流的下游。另外，由于采用4G通讯，微型空气监测装置的安装位置优选安装在运营商信号质量满足预设条件的位置。而出于获取GPS卫星定位信息和装置正常运行的需求，安装位置优选为空旷地带，无剧烈震动，电压稳定并有接地线的区域，并避开灰尘、断电频繁、存在电源干扰如变电站、配电站、发电机组等区域。
对于本发明的空气监测装置安装方式，参见图3，可通过上下两个直角抱箍或环行抱箍将空气监测装置固定在室外的立杆上。采用上述整体封装设计和安装方式，使得本发明的空气监测装置的整机造型更为紧凑并且易于安装，坚固耐用。
本领域技术人员可以理解，上述实施例中描述的空气监测装置的结构和参数仅为举例说明。本领域技术人员可以根据需要而做出容易想到的变型，包括改变各个部件的结构关系，或调整各个参数的取值范围。
可以看出，本发明提出的室外微型空气监测装置，通过将进气温度保持在室温状态，保证在户外任何环境下，气体传感器都能在恒温下正常工作，通过传感器部件的自诊断功能实现异常状态下的诊断和校准，而且通过4G网络与云端的连接实现数据存储和远程应用，有效地提高了空气监测数据的准确性和稳定性，有助于实现更精准、更高效的大气污染防治目标。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种室外微型空气监测装置，其特征在于，包括：
进气管道，用于将环境空气吸入空气监测组件中；
空气监测组件，用于通过传感器对所述进气管道吸收的所述环境空气进行污染物监测；
百叶箱，用于监测所述环境空气的物理参数；
主控器，用于控制所述室外微型空气监测装置的多个部件的运行，并对环境空气的监测结果进行数据处理；
出气管道，用于排出监测后的环境空气，以及
通信模块，用于将所述监测数据结果发送至软件平台；
其中所述进气管道包括加热器，用于对所吸收的环境空气进行加热，以将进气温度保持在预设温度状态，并且所述出气管道包括空气净化模块，用于对监测后的环境空气进行净化处理。
2.根据权利要求1所述的室外微型空气监测装置，其特征在于，所述进气管道与第一过滤网相连接，所述第一过滤网用于在所述环境空气进入进气管道之前对所述环境空气进行过滤。
3.根据权利要求1所述的室外微型空气监测装置，其特征在于，所述空气监测组件包括气态污染物监测室和颗粒物监测室；
所述气态污染物监测室设置有高灵敏度电化学传感器；
所述颗粒物监测室设置有高灵敏度光学传感器。
4.根据权利要求3所述的室外微型空气监测装置，其特征在于，所述高灵敏度电化学传感器利用电化学反应来识别气态污染物成分，并监测污染物浓度。
5.根据权利要求4所述的室外微型空气监测装置，其特征在于，所述气态污染物包括SO2、NO2、O3和CO中的一项或多项。
6.根据权利要求3所述的室外微型空气监测装置，其特征在于，所述高灵敏度光学传感器采用激光散射原理，基于米氏MIE算法测量所述颗粒物的浓度。
7.根据权利要求6所述的室外微型空气监测装置，其特征在于，所述颗粒物包括PM2.5和PM10。
8.根据权利要求1所述的室外微型空气监测装置，其特征在于，当室外温度低于预设低温阈值时，自动启动所述加热器的进气加热功能。
9.根据权利要求1所述的室外微型空气监测装置，其特征在于，所述百叶箱包括温度传感器、湿度传感器、气压传感器，分别用于实时监测大气温度、大气湿度、大气压力。
10.根据权利要求3或4所述的室外微型空气监测装置，其特征在于，所述高灵敏度电化学传感器和所述高灵敏度光学传感器内置自诊断程序，当故障发生时，自动执行所述自诊断程序进行校准，并将工作状态发送至所述主控器。
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