CN117233057B - 气体中颗粒物的检测装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了气体中颗粒物的检测装置和方法，所述气体中颗粒物的检测装置包括采样单元、富集单元和第一检测单元，所述富集单元包括滤膜、第一轮和第二轮，所述第一检测单元包括光源和第一探测器，所述光源发出的测量光穿过处于输送管道下侧的滤膜上的颗粒物，被第一探测器接收；所述测量光的部分穿过未富集颗粒物的滤膜，被第二探测器接收，输出的电信号送计算单元；计算单元处理第一探测器和第二探测器的输出信号，获得滤膜上富集颗粒物中吸光物质的浓度。本发明具有测量准确等优点。
Description
技术领域
本发明涉及气体检测，特别涉及气体中颗粒物的检测装置和方法。
背景技术
在空气颗粒物吸光性物质检测中，利用采样滤膜富集空气中的颗粒物，随着颗粒物浓度增加，颗粒物之间相互干扰遮挡，会导致颗粒物对光的吸收变少，这种现象叫做遮蔽效应，这会带来检测误差大的缺陷。为了克服遮蔽效应带来的技术问题，目前的解决方案为：
利用不同采样流量的两个点位同步采集颗粒物，联立方程来求出上述遮蔽效应的修正系数。随之带来的问题是：需要将采集到的样品分成两个采样斑点，相当于每个斑点上的样品富集量变少，且增加一路流路，流路成本和复杂度增加。
为了监测颗粒物中碳质组分含量，常见的监测方法为：
热光法，该方法通过自动采样将颗粒物富集在耐高温石英滤膜上，用纯惰性气体吹扫管路，依次开启无氧和有氧热解析流程，生成的气体经高温氧化炉转化为CO2进入NDIR分析模块。热解析过程中可根据透过滤膜或滤膜反射的激光光强的变化，判断OC和EC的分割点。热解析结束后，惰性气体/CH4内标气体经过定量环进入管路，经氧化炉氧化为CO2，进入NDIR，通过分割点前后的CO2峰面积与内标物峰面积的比值关系，计算出OC和EC浓度。上述热光法的不足在于：
需要高纯惰性气体、惰性气体/OX混合气以及惰性气体/CH4混合气，运行成本高，且具有流路复杂、石英结构易碎、滤膜更换周期短、运维工作量大等缺点。
发明内容
为解决上述现有技术方案中的不足，本发明提供了一种气体中颗粒物的检测装置。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
气体中颗粒物的检测装置，所述气体中颗粒物的检测装置包括采样单元、富集单元和第一检测单元，所述采样单元包括输送管道和泵，使得气体依次通过所述输送管道、滤膜和泵；所述富集单元包括滤膜、第一轮和第二轮，所述第一检测单元包括光源和第一探测器，所述光源发出的测量光穿过处于输送管道下侧的滤膜上的颗粒物，被第一探测器接收；所述气体中颗粒物的检测装置还包括：
第二探测器，所述测量光的部分穿过未富集颗粒物的滤膜，被所述第二探测器接收，输出的电信号送计算单元；
计算单元，所述计算单元处理第一探测器和第二探测器的输出信号，获得滤膜上富集颗粒物中吸光物质的浓度；
；S是所述滤膜上富集颗粒物的面积，Q是前后二次光强测量之间的气体流量，t是前后二次光强测量之间的时间差，Cλ是与波长相关的常数，I00、I0n、I0(n+1)分别是初次、第n次、第（n+1）次测量时第二探测器的输出光强，I10、I1n、I1(n+1)分别是初次、第n次、第（n+1）次测量时第一探测器的输出光强，a、b为常数。
本发明的另一目的在于提供了气体中颗粒物的检测方法，该发明目的是通过以下技术方案得以实现的：
气体中颗粒物的检测方法；所述气体中颗粒物的检测方法包括以下步骤：
（A1）滤膜转移到第一检测单元下侧的富集位，输送管道夹紧所述滤膜，待测气体穿过所述输送管道和所述滤膜，颗粒物被所述滤膜截留；
（A2）光源发出测量光，部分测量光穿过处于富集位的滤膜上富集的颗粒物，被第一探测器接收，部分测量光穿过未富集颗粒物的滤膜，被第二探测器接收；
（A3）计算单元处理第一探测器和第二探测器的输出信号，获得滤膜上富集颗粒物中吸光物质的浓度；
；S是所述滤膜上富集颗粒物的面积，Q是前后二次光强测量之间的气体流量，t是前后二次光强测量之间的时间差，Cλ是与波长相关的常数，I00、I0n、I0(n+1)分别是初次、第n次、第（n+1）次测量时第二探测器的输出光强，I10、I1n、I1(n+1)分别是初次、第n次、第（n+1）次测量时第一探测器的输出光强，a、b为常数。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：
1.检测准确；
利用第一探测器和第二探测器的输出修正了颗粒物中吸光物质浓度，提高了检测准确性；
2.结构简单；
无需多路采样结构，仅需一路采样，节省流路和相应流量控制器件，降低了成本；
利用一套第二检测单元实现颗粒物中多种组分检测，如碳、硫的检测；
3.成本低；
无需使用惰性气体，仅需使用空气等包含样气的气体即可。
附图说明
参照附图，本发明的公开内容将变得更易理解。本领域技术人员容易理解的是：这些附图仅仅用于举例说明本发明的技术方案，而并非意在对本发明的保护范围构成限制。图中：
图1是根据本发明实施例的气体中颗粒物的检测装置的结构示意图；
图2是根据本发明实施例的气体中颗粒物的检测方法的流程示意图；
图3是根据本发明实施例的富集单元的结构示意图。
具体实施方式
图1-图3和以下说明描述了本发明的可选具体实施方式以教导本领域技术人员如何实施和再现本发明。为了解释本发明技术方案，已简化或省略了一些常规方面。本领域技术人员应该理解源自这些具体实施方式的变型或替换将在本发明的范围内。本领域技术人员应该理解下述特征能够以各种方式组合以形成本发明的多个变型。由此，本发明并不局限于下述可选具体实施方式，而仅由权利要求和它们的等同物限定。
实施例1
图1给出了本发明实施例的气体中颗粒物的检测装置的结构示意图，如图1所示，所述气体中颗粒物的检测装置包括：
采样单元、富集单元和第一检测单元，所述采样单元包括输送管道和泵26，使得气体依次通过所述输送管道、滤膜13和泵26；所述富集单元包括滤膜13、第一轮11和第二轮12，所述第一检测单元包括光源31和第一探测器32，所述光源31发出的测量光穿过处于输送管道下侧的滤膜13上的颗粒物，被第一探测器32接收；
第二探测器33，所述测量光的部分穿过未富集颗粒物的滤膜13，被所述第二探测器33接收，输出的电信号送计算单元41；
计算单元41，所述计算单元41处理第一探测器32和第二探测器33的输出信号，获得滤膜13上富集颗粒物中吸光物质的浓度；
；S是所述滤膜13上富集颗粒物的面积，Q是前后二次光强测量（第一探测器32和第二探测器33是同步检测的）之间的气体流量，t是前后二次光强测量之间的时间差，Cλ是与波长相关的常数，I00、I0n、I0(n+1)分别是初次、第n次、第（n+1）次测量时第二探测器33的输出光强，I10、I1n、I1(n+1)分别是初次、第n次、第（n+1）次测量时第一探测器32的输出光强，a=-0.0372，b=0.571。
为了形成封闭的气体通道，防止待测气体在富集时泄漏，进一步地，所述输送管道包括分别处于滤膜13上侧和下侧的上管道23和下管道24，所述第一检测单元还包括：
第一驱动模块，所述上管道23在所述第一驱动模块作用下，夹紧或松开所述滤膜13。
为了获得特定粒径的颗粒物，进一步地，所述第一检测单元还包括：
颗粒物切割器21和第一VOCs过滤器22，气体依次经过所述颗粒物切割器21和第一VOCs过滤器22后进入所述上管道23。
为了监测富集颗粒物中组分含量，进一步地，所述气体中颗粒物的检测装置还包括第二检测单元，所述第二检测单元包括：
第一管道53和第二管道54，所述第一管道53和第二管道54分别处于所述滤膜13的上侧和下侧；
第二驱动模块，所述第一管道53和第二管道54在第二驱动模块作用下夹紧或松开所述滤膜13；
加热模块61，所述加热模块61用于加热被夹在第一管道53和第二管道54间的滤膜13，使得第一管道53内的反应气体和富集颗粒物中组分反应；
气体传感器56，所述气体传感器56设置在所述第二管道54的下游，用于检测反应产物的浓度。
为了提高加热效果以促使颗粒物中组分完全反应，进一步地，所述加热模块61分别设置在第一管道53和第二管道54上。
为了排除反应气体中组分对检测的影响，进一步地，所述第二检测单元还包括：
颗粒物过滤器51和第二VOCs过滤器52，空气依次经过所述颗粒物过滤器51和第二VOCs过滤器52后，进入所述第一管道53。
本发明实施例的气体中颗粒物的检测方法，也即本实施例检测装置的工作方法，如图2所示，所述气体中颗粒物的检测方法包括以下步骤：
（A1）滤膜13转移到第一检测单元下侧的富集位，输送管道夹紧所述滤膜13，待测气体穿过所述输送管道和所述滤膜13，颗粒物被所述滤膜13截留；
（A2）光源31发出测量光，部分测量光穿过处于富集位的滤膜13上富集的颗粒物，被第一探测器32接收，部分测量光穿过未富集颗粒物的滤膜13，被第二探测器33接收，第一探测器32和第二探测器33是同步检测的；
（A3）计算单元41处理第一探测器32和第二探测器33的输出信号，获得滤膜13上富集颗粒物中吸光物质的浓度；
；S是所述滤膜13上富集颗粒物的面积，Q是前后二次光强测量之间的气体流量，t是前后二次光强测量之间的时间差，Cλ是与波长相关的常数，I00、I0n、I0(n+1)分别是初次、第n次、第（n+1）次测量时第二探测器33的输出光强，I10、I1n、I1(n+1)分别是初次、第n次、第（n+1）次测量时第一探测器32的输出光强，a=-0.0372，b=0.571。
为了检测富集颗粒物中组分含量，进一步地，所述气体中颗粒物的检测方法还包括处于步骤（A3）之后的步骤：
（A4）所述输送管道松开所述滤膜13，所述滤膜13移动到第二检测单元检测位，第一管道53和第二管道54夹紧所述滤膜13；
（A5）反应气体进入所述第一管道53内，并在加热环境下与滤膜13上富集的颗粒物中组分反应，生成的反应产物穿过所述滤膜13和第二管道54；
（A6）气体传感器56获得第二管道54内反应产物的含量，从而获得气体中颗粒物的含量。
实施例2
根据本发明实施例1的气体中颗粒物的检测装置和方法在空气监测中的应用例。
在该应用例中，如图1所示，在采样单元中，输送管道包括分别设置在滤膜13上下两侧的上管道23和下管道24，颗粒物切割器21、第一VOCs过滤器22和上管道23依次设置，下管道24、第一流量控制模块25和泵26依次设置，第一驱动模块驱动所述上管道23上下移动，使得上管道23和（固定的）下管道24夹紧及松开滤膜13。
第一检测单元中，光源31采用激光器，设置在所述上管道23内，并随着上管道23同步移动。上管道23的底侧设置透过测量光的窗片，所述窗片上具有允许气体通过的圆形通孔，上管道23内的气体仅能通过该圆形通孔排出 ；下管道24上具有出口，该出口连接泵26，在泵26的抽吸下，空气依次通过上管道23内部、圆形通孔、滤膜13和下管道24，空气中的颗粒物在圆形通孔下侧的滤膜13上富集，形成圆形斑。
第一探测器32和第二探测33分别设置在下管道24内，且设置在滤膜13下侧；第一探测器设置在所述圆形通孔的下侧。光源31发出测量光，测量光的部分穿过滤膜13上富集的颗粒物，被第一探测器32接收，测量光的部分穿过所述窗片、滤膜13后被第二探测器33接收，即该部分测量光未穿过颗粒物；第一探测器32和第二探测器33是同步检测的。
富集单元中，耐高温滤膜13的两端分别卷绕在第一轮11和第二轮12上，通过第二轮12的旋转去驱动滤膜13平移，使得滤膜13分别处于富集位和检测位，滤膜13采用石英膜。
第二检测单元中，颗粒物过滤器51、第二VOCs过滤器52、输送泵57和第一管道53依次设置，第二管道54、第二流量控制模块55和气体传感器56依次设置，第一管道53和第二管道54分别处于滤膜13的上侧和下侧；第二驱动模块驱动所述第一管道53上下移动，使得第一管道53和（固定的）第二管道54夹紧及松开滤膜13；加热模块61分别设置在所述第一管道53底端和第二管道54的上端，用于加热被夹在第一管道53和第二管道54间的滤膜13，使得进入第一管道53的反应气体和滤膜13上富集的颗粒物中组分反应；气体传感器56用于检测二氧化碳和/或二氧化硫的浓度。
本发明实施例的气体中颗粒物的检测方法，也即本实施例检测装置的工作方法，如图2所示，所述气体中颗粒物的检测方法包括以下步骤：
（A1）滤膜13转移到第一检测单元下侧的富集位，在第一驱动模块作用下，输送管道夹紧所述滤膜13，即所述窗片压紧所述滤膜13；
在泵26抽吸下，空气依次通过颗粒物切割器21、第一VOCs过滤器22后进入上管道23，颗粒物被所述圆形通孔下侧的滤膜13截留，形成圆形斑，之后空气依次通过下管道24、第一流量控制模块25和泵26；
（A2）光源31发出测量光，部分测量光依次穿过上管道23、圆形通孔、滤膜13上富集的颗粒物（呈圆形斑），之后被第一探测器32接收，部分测量光依次穿过上管道23，所述窗片和未富集颗粒物的滤膜13，之后被第二探测器33接收；第一探测器32和第二探测器33是同步检测的。
（A3）计算单元41处理第一探测器32和第二探测器33的输出信号，获得滤膜13上富集颗粒物中吸光物质的浓度；
；S是所述滤膜13上富集颗粒物的面积，Q是前后二次光强测量之间的气体流量，t是前后二次光强测量之间的时间差，Cλ是与波长相关的常数，I00、I0n、I0(n+1)分别是初次、第n次、第（n+1）次测量时第二探测器33的输出光强，I10、I1n、I1(n+1)分别是初次、第n次、第（n+1）次测量时第一探测器32的输出光强，a=-0.0372，b=0.571；
（A4）在第一驱动模块作用下，所述输送管道松开所述滤膜13，所述滤膜13移动到第二检测单元检测位，在第二驱动模块作用下，第一管道53和（固定的）第二管道54夹紧所述滤膜13；
（A5）空气依次通过颗粒物过滤器51、第二VOCs过滤器52和输送泵57，之后进入第一管道53内，同时，在加热模块61作用下，滤膜13上富集的颗粒物被加热，温度达到850℃-1000℃，使得空气中的氧气与富集颗粒物中碳、硫反应，生成反应产物二氧化碳、二氧化硫，反应产物穿过所述滤膜13和第二流量控制模块55；
（A6）气体传感器56获得二氧化碳、二氧化硫的浓度，从而获得空气颗粒物中碳和硫的含量。
本发明实施例的参数如下：
S为1cm2， Cλ为390000cm2/g，每分钟采样体积（Q*t）为0.005m3，a=-0.0372，b=0.571，I0和I1分别为每分钟第二探测器33和第一探测器32实测光强数据，如I00=1.091329，I01=1.091517，I02=1.091454，I10=1.154705，I11=1.144017，I12=1.13358，结合上述参数，开展吸光物质浓度计算，结果如下表格所示：
可见，随着滤膜13上颗粒物的累加，单位时间内吸光物质原始浓度计算数据会越来越低，接近3小时的170多组数据，现有技术中获得的浓度从4800ng/m3多降低到2400ng/m3多，降低接近一倍，而短时间内环境颗粒物中的吸光物质不会有这么明显的变化。采用本发明后，获得的浓度变化小，符合真实情况，克服了遮蔽效应导致准确度下降的缺陷。
实施例3
根据本发明实施例1的气体中颗粒物的检测装置和方法在烟气监测中的应用例，与实施例2不同的是：
1.无需颗粒物切割器21，采样烟气经过第一VOCs过滤器22后进入上管道23。
2.如图3所示，滤膜13呈环形带状，绕在第一轮11和第二轮12上，滤膜13上的同一位置依次经过富集位和检测位，经过加热模块61的加热后，原滤膜13上富集颗粒物的区域无碳、硫组分残留，通过循环转动，所述区域再次分别处于富集位和检测位，开展下一次富集和检测，使得滤膜13得到反复利用，显著地提高了滤膜13利用率，降低了成本。
在滤膜13上同一区域反复使用多次后，通过控制第一轮11和第二轮12的转动角度，使得滤膜13上未被使用的部分分别处于富集位和检测位，进一步提高了滤膜13的利用率。
Claims (8)
1.气体中颗粒物的检测装置，所述气体中颗粒物的检测装置包括采样单元、富集单元和第一检测单元，所述采样单元包括输送管道和泵，使得气体依次通过所述输送管道、滤膜和泵；所述富集单元包括滤膜、第一轮和第二轮，所述滤膜呈环形带状，绕在第一轮和第二轮上；所述第一检测单元包括光源和第一探测器，所述光源发出的测量光穿过处于输送管道下侧的滤膜上的颗粒物，被第一探测器接收；其特征在于，所述气体中颗粒物的检测装置还包括：
第二探测器，所述测量光的部分穿过未富集颗粒物的滤膜，被所述第二探测器接收，输出的电信号送计算单元；
计算单元，所述计算单元处理第一探测器和第二探测器的输出信号，获得滤膜上富集颗粒物中吸光物质的浓度；
；S是所述滤膜上富集颗粒物的面积，Q是前后二次光强测量之间的气体流量，t是前后二次光强测量之间的时间差，Cλ是与波长相关的常数，I00、I0n、I0(n+1)分别是初次、第n次、第（n+1）次测量时第二探测器的输出光强，I10、I1n、I1(n+1)分别是初次、第n次、第（n+1）次测量时第一探测器的输出光强，a、b为常数；
所述输送管道包括分别处于滤膜上侧和下侧的上管道和下管道，所述光源采用激光器，设置在所述上管道内，所述第一探测器和第二探测器分别设置在下管道内，且处于滤膜的下侧；所述第一检测单元还包括：
第一驱动模块，所述上管道在所述第一驱动模块作用下，夹紧或松开所述滤膜。
2.根据权利要求1所述的气体中颗粒物的检测装置，其特征在于，所述第一检测单元还包括：
颗粒物切割器和VOCs过滤器，气体依次经过所述颗粒物切割器和VOCs过滤器后进入所述上管道。
3.根据权利要求1所述的气体中颗粒物的检测装置，其特征在于，所述气体中颗粒物的检测装置还包括第二检测单元，所述第二检测单元包括：
第一管道和第二管道，所述第一管道和第二管道分别处于所述滤膜的上侧和下侧；
第二驱动模块，所述第一管道和第二管道在第二驱动模块作用下夹紧或松开所述滤膜；
加热模块，所述加热模块用于加热被夹在第一管道和第二管道间的滤膜，使得第一管道内的反应气体和颗粒物中组分反应；
气体传感器，所述气体传感器设置在所述第二管道的下游，用于检测反应产物的浓度。
4.根据权利要求3所述的气体中颗粒物的检测装置，其特征在于，所述加热模块分别设置在第一管道和第二管道上。
5.根据权利要求3所述的气体中颗粒物的检测装置，其特征在于，所述第二检测单元还包括：
颗粒物过滤器和VOCs过滤器，空气依次经过所述颗粒物过滤器和VOCs过滤器后，进入所述第一管道。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的检测装置的气体中颗粒物的检测方法；其特征在于，所述气体中颗粒物的检测方法包括以下步骤：
（A1）滤膜转移到第一检测单元处的富集位，输送管道夹紧所述滤膜，待测气体穿过所述输送管道和所述滤膜，颗粒物被所述滤膜截留；
（A2）光源发出测量光，部分测量光穿过处于富集位的滤膜上富集的颗粒物，被第一探测器接收，部分测量光穿过未富集颗粒物的滤膜，被第二探测器接收；
（A3）计算单元处理第一探测器和第二探测器的输出信号，获得滤膜上富集颗粒物中吸光物质的浓度；
；S是所述滤膜上富集颗粒物的面积，Q是前后二次光强测量之间的气体流量，t是前后二次光强测量之间的时间差，Cλ是与波长相关的常数，I00、I0n、I0(n+1)分别是初次、第n次、第（n+1）次测量时第二探测器的输出光强，I10、I1n、I1(n+1)分别是初次、第n次、第（n+1）次测量时第一探测器的输出光强，a、b为常数。
7.根据权利要求6所述的气体中颗粒物的检测方法，其特征在于，所述气体中颗粒物的检测方法还包括处于步骤（A3）之后的步骤：
（A4）所述输送管道松开所述滤膜，所述滤膜移动到第二检测单元检测位，第一管道和第二管道夹紧所述滤膜；
（A5）反应气体进入所述第一管道内，并在加热环境下与滤膜上富集的颗粒物中组分反应，生成的反应产物穿过所述滤膜和第二管道；
（A6）气体传感器获得第二管道内反应产物的含量，从而获得气体中颗粒物组分的含量。
8.根据权利要求7所述的气体中颗粒物的检测方法，其特征在于，所述反应气体包含氧气，所述组分是碳或硫。
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