CN205607814U

CN205607814U - 双通道颗粒物自动监测装置

Info

Publication number: CN205607814U
Application number: CN201620189593.5U
Authority: CN
Inventors: 孟国鑫; K·古斯
Original assignee: Thermo Fisher Scientific Shanghai Instruments Co Ltd
Current assignee: Thermo Fisher Scientific Shanghai Instruments Co Ltd
Priority date: 2016-03-11
Filing date: 2016-03-11
Publication date: 2016-09-28
Anticipated expiration: 2026-03-11

Abstract

本实用新型的双通道颗粒物自动监测装置(10)包括双通道颗粒物分离取样部(1)、第一尘样检测部(3)、以及第二尘样检测部(4)，双通道颗粒物分离取样部(1)具有分别与大气连通的第一采样头(101)和第二采样头(102)，第一采样头(101)经由第一样气分离装置(103)与第一尘样检测部(3)相连，并向第一尘样检测部(3)输出含有第一颗粒物的第一样气，第二采样头(102)与第二尘样检测部(4)相连，并向第二尘样检测部(4)输出含有第二颗粒物的第二样气，第一尘样检测部(3)对第一样气中的第一颗粒物的浓度进行检测，第二尘样检测部(4)对第二样气中的第二颗粒物的浓度进行检测。

Description

双通道颗粒物自动监测装置

技术领域

本实用新型属于大气颗粒物浓度测量的技术领域，具体而言，涉及一种基于β射线法的双通道颗粒物自动监测装置。

背景技术

大气环境对人们的生活及健康有着至关重要的影响，因此对于大气环境中的颗粒物的监控也尤为重要。大气颗粒物是分散在大气中固态或液态颗粒状物质的总称。粒径为0.01μm～100μm的大气颗粒物，统称为总悬浮颗粒物TSP。而PM₁₀和PM_2.5分别指空气动力学直径小于或等于10μm和2.5μm的大气颗粒物。PM₁₀也称为可吸入颗粒物，世界卫生组织(WHO)则称为之可进入胸部的颗粒物；PM_2.5能够进入人体肺泡，被称为可入肺颗粒物。

PM₁₀在环境空气中持续的时间很长，对人体健康和大气能见度影响都很大，被人吸入后，会累积在呼吸系统中，引发许多疾病。PM_2.5相对于PM₁₀来说，更容易长时间悬浮在空中，PM₁₀可进入人的鼻腔及气管，而PM_2.5除了能进入肺部，还能进入肺泡甚至血液。引起肺部和全身炎症，增加动脉硬化、血脂升高的风险，导致心律不齐、血压升高等。而且PM_2.5的危害是多重的，它会形成灰霾，降低能见度，还会影响生态环境，并通过远距离输送，造成区域性或全球性环境问题，甚至影响气候变化，PM₁₀和PM_2.5已经成为环境空气质量监测的必测参数。

目前空气颗粒物的自动监测方法有：β射线吸收法，微量振荡天平法，光散射法。β射线吸收法主要是通过测量射线经过附有颗粒物的滤纸的损耗来计算颗粒物的质量浓度；微量振荡天平法是通过测量振荡频率的变化计算出沉积在滤膜上颗粒物质量的一种方法；光散射法主要是利用颗粒物对光的散射直接实现气溶胶光学粒径的测量，是一种非接触、在线式测量方法。

目前市场上大多数自动监测仪器均为单通道颗粒物监测仪，只能实现PM₁₀或PM_2.5一个参数的测量，测两个参数需要两台仪器，占用面积大，成本高，维护量大，使用不方便。虽然现有技术中也有相关双通道颗粒物自动检测装置，然而这类产品在现实使用中还存在着较大的缺陷，最重要的就是大气颗粒物的采集，特别是PM₁₀和PM_2.5的分级采集技术、双通道之间的干扰等问题是现有技术亟需改进的技术难题。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型针对现有技术存在的问题，其主要目的在于提供一种能同时独立地连续地测量两种颗粒物浓度且两个通道之间不会相互干扰的双通道颗粒物自动监测装置。

本发明的双通道颗粒物自动监测装置的特征在于，包括双通道颗粒物分离取样部、第一尘样检测部、以及第二尘样检测部，所述双通道颗粒物分离取样部具有分别与大气连通的第一采样头和第二采样头，所述第一采样头经由第一样气分离装置与所述第一尘样检测部相连，并向所述第一尘样检测部输出含有第一颗粒物的第一样气，所述第二采样头与所述第二尘样检测部相连，并向所述第二尘样检测部输出含有第二颗粒物的第二样气，所述第一尘样检测部对所述第一样气中的所述第一颗粒物的浓度进行检测，所述第二尘样检测部对所述第二样气中的所述第二颗粒物的浓度进行检测。

由于采用上述结构，在一台设备中具有两个独立的采样通道和测量部分，因此能同时且独立地测定两种不同直径范围的颗粒物的浓度，在不影响测量精度的前提下,两个通道之间不会产生相互干扰。

此外，本发明的双通道颗粒物自动监测装置的特征在于，第一尘样检测部具有第一样气通路，该第一样气通路供所述第一样气流通，所述第一采样头经由所述第一样气分离装置与该第一样气通路相连，第二尘样检测部具有第二样气通路，该第二样气通路供所述第二样气流通，所述第二采样头与该第二样气通路相连，所述第一尘样检测部及第二尘样检测部还分别具有：采样膜，该采样膜对所述第一颗粒物或所述第二颗粒物进行吸附；放射源，该放射源向所述采样膜照射β射线；以及检测器，该检测器测量经由所述采样膜照射过来的β射线的强度，所述采样膜设置在所述检测器与所述放射源之间，根据所述β射线经过吸附有所述第一或第二颗粒物的所述采样膜后的损耗来计算所述第一颗粒物或所述第二颗粒物的浓度。采样膜可以由玻璃纤维材料制成，可以过滤和/或吸附颗粒物。优选地，该采样膜可以为带状。颗粒物富集到采样膜，因此，当β射线穿过采样膜后信号衰减，通过测量衰减后的β射线强度可以计算出颗粒物的浓度。

此外，本发明的双通道颗粒物自动监测装置的特征在于，还包括双通道样气湿度控制部，该双通道样气湿度控制部设置在所述双通道颗粒物分离取样部与所述第一及第二尘样检测部之间，所述双通道颗粒物分离取样部中对于所述第一样气和所述第二样气分别设置有加热装置，以对所述第一样气和所述第二样气的湿度进行控制。通过实施该特征能减少颗粒吸附结合水的产生，并能降低采样气体的湿度。同时，能防止因水分在采样膜上凝结而引起的测量失真。

此外，本发明的双通道颗粒物自动监测装置的特征在于，还包括双路流量控制部，该双路流量控制部与所述第一及第二尘样检测部相连，包括两个流量控制单元和一个采样泵，以对所述第一样气和所述第二样气的流量进行控制。由此，能对两个通道分别独立地进行流量控制。

此外，本发明的双通道颗粒物自动监测装置的特征在于，每个流量控制单元包括：限流装置，其对第一及第二样气的流量进行限制；环境温度传感器，其对大气温度进行测量；流体温度传感器，其对所述第一及第二样气的温度进行测量；压力差传感器，其对所述限流装置的压力差进行测量；真空度传感器，其对通道内的真空度进行测量；以及比例调节阀，其根据所述第一及第二样气的压力、温度对所述第一及第二样气的流量进行控制，所述第一及第二尘样检测部的样气通路出口通过管路与所述限流装置连接，该管路上安装有所述环境温度传感器、所述流体温度传感器、所述压力差传感器以及所述真空度传感器，所述限流装置通过所述管路与所述比例调节阀相连，所述比例调节阀连接到所述采样泵，所述比例调节阀与所述采样泵之间连接有三通阀，所述三通阀的常开输入口经由所述比例调节阀与所述管路相连，常开输出口与所述采样泵相连，换向口与大气相连。

通过设置限流装置、环境温度传感器、流体温度传感器、压力差传感器、真空度传感器以及比例调节阀，能更精确地进行流量控制。此外，在进行通道的维护或设备更换时，一路的气流变化会对另一路的气流产生影响。通过如上述那样将三通阀的常开输入口和常开输出口分别与比例调节阀和采样泵相连，并使换向口与大气相连通，从而能将需要进行作业的通路暂时隔离，以确保不对另一通路造成影响。

此外，本发明的双通道颗粒物自动监测装置的特征在于，所述第二采样头经由第二样气分离装置与所述第二尘样检测部相连。通过设置第二样气分离装置，从而能从第二样气中分离出含有其它粒径颗粒物、例如PM₁颗粒物的样气，能根据需要选择测定对象。

此外，本发明的双通道颗粒物自动监测装置的特征在于，所述第一样气分离装置为PM_2.5气旋切割器或PM₁气旋切割器。

此外，本发明的双通道颗粒物自动监测装置的特征在于，所述第一采样头与所述第二采样头的至少其中一个为PM₁₀采样头。

通过如上述那样在双通道中设置对应颗粒物的分离装置，从而能任意搭配双通道的测定对象。例如可以同时独立地测定PM_2.5和PM₁₀、或者PM_2.5和PM₁等。

此外，本发明的双通道颗粒物自动监测装置的特征在于，所述放射源为碳14源，所述检测器为盖革计数器。

此外，本发明的双通道颗粒物自动监测装置的特征在于，所述采样膜为玻璃纤维滤带等过滤带、或者滤膜。

附图说明

图1是示出本实用新型的双通道颗粒物自动监测装置10的概要结构的示意图。

图2是示出本实用新型的双通道颗粒物自动监测装置10的具体结构的示意图。

图3是示出本实用新型的PM_2.5检测部3和PM₁₀检测部4的一个实施方式的结构的示意图。

图4是示出三通阀506、507的连接关系的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的双通道颗粒物自动监测装置的优选实施方式进行说明。

[实施方式1]

本实施方式以同时测量PM_2.5和PM₁₀颗粒浓度的双通道颗粒物自动监测装置10为例进行说明。

图1是示出本实用新型的双通道颗粒物自动监测装置10的概要结构的示意图。图2是示出本实用新型的双通道颗粒物自动监测装置10的具体结构的示意图。这里，假设图中左侧为用于测量PM_2.5浓度的第一通道，右侧为用于测量PM₁₀浓度的第二通道。但这仅仅是一个示例，并不限于此。

如图1和图2所示，该双通道颗粒物自动监测装置10包括双通道颗粒物分离取样部1、双通道样气湿度控制部2、用于测量PM_2.5浓度的第一尘样检测部3、用于测量PM₁₀浓度的第二尘样检测部4以及双路流量控制部5。

双通道颗粒物分离取样部1具有分别与大气连通的PM₁₀采样头101、102。大气经过PM₁₀采样头101、102之后，成为仅含有PM₁₀颗粒的样气，以便用于后续的监测以及进一步分离。这里，优选根据美国环境保护局(EPA)的设计标准，将两个PM₁₀采样头101、102的水平间距设定在10英寸(25.4cm)以上，垂直间距设定在18英寸(45.72cm)以上，以减少两个通道之间的干扰，从而确保测量精度。

本实施方式中，为了在第一通道中测量PM_2.5的颗粒浓度，需要将由PM₁₀采样头101输出的含有PM₁₀颗粒物的第一样气中空气动力学直径大于2.5μm的颗粒物去除。为此，在第一通道中安装了PM_2.5气旋切割器103(相当于第一样气分离装置)。该PM_2.5气旋切割器103的输入端与PM₁₀采样头101的输出端相连，用于将大气中空气动力学直径大于2.5μm的颗粒物去除。该PM_2.5气旋切割器103的输出端与采样管相连，该采样管下端连接到双通道样气湿度控制部2。本实施方式中，右侧的第二通道中未安装气旋切割器，从而直接输出含有PM₁₀颗粒物的第二样气。可选地，第二通道中也可安装其它切割器、例如PM₁切割器，也可以将PM₁₀采样头102替换为其它采样头、例如PM₁₀₀采样头等，其余结构与第一通道所对应结构基本相同。如果第二通道不安装切割器而仅安装PM₁₀采样头，则可以用于测定PM₁₀的颗粒浓度。如果第二通道不安装切割器并将PM₁₀采样头更换为PM₁₀₀(TSP)采样头，则可以用于测定PM₁₀₀(TSP)的颗粒浓度。如果第二通道中安装了PM₁气旋切割器，则可以用于测定PM₁的颗粒浓度。该情况下，与第一通道同样地，在PM₁₀采样头102的输出端设置PM₁气旋切割器即可。当然，也可以在两个通道中均不设置气旋切割器，而在一个通道中设置PM₁₀采样头，在另一个通道中设置PM₁₀₀采样头，从而可以同时测量PM₁₀和PM₁₀₀的浓度。本实用新型不限于上述示例，技术人员可以根据需要对是否设置采样头和气旋切割器及其种类进行任意变更，也可以利用其它装置来从大气中分离出含有所需颗粒物的样气。

双通道样气湿度控制部2包括动态加热器201，用于对输入的样气进行湿度控制，以将样气调整到合适的湿度或温度。由此减少颗粒吸附结合水的产生，并能降低采样气体的湿度。同时，能防止因水分在后述的采样膜301、401上凝结而引起的测量失真。

优选的，如图2所示，为了更准确地控制样气湿度，双通道样气湿度控制部2的两个输入端分别设有湿度传感器RHa、温度传感器Ta、压力传感器Pa(这里，为便于图示，仅示出了一个通道的传感器)，用来测量输入样气的湿度、温度和压力。并且，在双通道样气湿度控制部2的两个(样气经动态加热器201加热后的)输出端分别设有另一组未图示的温度传感器和压力传感器。由此能根据输入端样气的湿度、温度和压力以及输出端样气的温度和压力来计算输出端样气的湿度，并根据计算出的输出端样气湿度实时调整动态加热器201的输出。由此能控制输入到第一尘样检测部3以及第二尘样检测部4中的样气的湿度。当然，也可以直接在双通道样气湿度控制部2的输入端和输出端分别设置湿度传感器来控制湿度。

经双通道样气湿度控制部2处理后的样气分别进入到PM_2.5检测部3和PM₁₀检测部4中。下面对PM_2.5检测部3和PM₁₀检测部4的结构进行说明。

本实用新型采用β射线吸收法来测量颗粒物浓度，即，根据测量射线经过附有颗粒物的采样膜的损耗来计算颗粒物的浓度。具体而言，以PM_2.5检测部3(PM₁₀检测部4)为例，包括：供采样气体流通的样气通路；用于吸附采样气体中的颗粒物来进行β射线检测的采样膜301(401)；向该采样膜301(401)照射β射线的放射源302(402)；以及用于对经由该采样膜照射301(401)过来的β射线的强度进行测量的检测器303(403)。

图3示出PM_2.5检测部3和PM₁₀检测部4的一个实施方式的结构。优选的，采样膜301、401是玻璃纤维滤带。采样膜设置成与样气通路垂直，即与样气的流动方向垂直。采样膜301、401的两端分别缠绕在供带轮304、404和收带轮305、405上，其设置在放射源302、402与检测器303、403之间。当样气通过时，样气中含有的颗粒物(例如，直径小于PM_2.5或PM₁₀的颗粒物)会被采样膜301、401吸附。由放射源302、402分别照射出的β射线在穿过采样膜301、401时，会因为被吸附在采样膜301、401上的颗粒物而造成强度衰减。根据由检测器303、403检测到的衰减量即可计算出样气中的颗粒物浓度。

可选的，采样膜的测量点位可通过供带轮304、404和收带轮305、405的卷绕动作来调整，该调整可以根据需要设定预设时间或其它预设条件进行控制。例如在环境污染较为严重的地区，可以将预设时间设定得较短，以增加更换频率。若更换频率较低，则可能会因采样膜上吸附的颗粒物过多而增大气阻，影响流量，甚至影响到测量精度。

在本发明的一个实施例中，放射源302、402采用碳14源，检测器6采盖革计数器。采样膜301、401的固定方式也不限于供带轮和收带轮，也可以利用其它方式来进行固定，只要能使采样膜301、401可与样气接触以吸收颗粒物即可。

以下结合图1和图2对双路流量控制部5的结构进行说明。如图1、图2所示，双路流量控制部5的两个输入端分别与PM_2.5检测部3以及PM₁₀检测部4的输出端相连，用于对两个通道内的样气进行流量控制。该双路流量控制部5包括一个采样泵501以及分别与两个通道对应的流量控制单元。每个流量控制单元分别包括：对采样气体的流速进行限制的限流器502、503(相当于限流装置)；测定大气温度的大气温度传感器(相当于环境温度传感器)TS；测定采样气体温度的样气温度传感器(相当于流体温度传感器)TF；测定限流器502、503两端的压力差的压力差传感器ΔP；对通道内的真空度进行测定的真空度传感器VAC；以及根据采样气体的压力、温度等参数来对该采样气体的流量进行控制的比例调节阀504、505。

通过采用上述结构，能根据各传感器采集到的信息，经计算后，利用比例调节阀504、505控制各通道的流量，从而能持续地以所需的流量抽取大气样品。在采样泵501和流量控制单元的作用下，能独立地控制各通道的流量。优选地，双路流量控制部5对两个通道进行恒流控制，从而能在相同的条件下测定各通道中的颗粒物浓度，例如，将两通道流量分别控制为16.67L/m³。

此外，本实用新型中，在比例调节阀504、505与采样泵501之间还设置有三通阀506、507。图4是示出三通阀506、507的连接关系的示意图。三通阀与通常的阀门相比，增设有一个换向口，因此能够切换多种不同的流向。本实施方式中，三通阀506、507的常开输入口5062、5072分别与比例调节阀504、505相连，常开输出口5061、5071均与采样泵501相连。此外，换向口5063、5073分别连接到大气。因此，在两个通道同时正常工作时，如图4中实线箭头所示，该三通阀506、507的常开通道5062-5061、5072-5071打开，可使通道内的流体正常通过。但当需要对某个通道、例如左侧的第一通道进行维护、例如更换某个设备、或者采样带等情况下，则可以将三通阀506的常开输入口5062关闭并打开换向口5063，从而切换为常开通道5063-5061。此时的气体流向如图中虚线箭头所示。由此，可以将该三通阀506所在的通道暂时隔离，由大气对采样泵501产生的压力差进行补偿，而在另一通道中，大气样品仍然在比例调节阀505的控制下以指定的流量通过，从而能保证另一个通道正常工作。通过采用上述结构，能在不关闭采样泵501的情况下将某个通道隔离，以便进行维护更换作业，且不会对另一通道的工作造成影响。因此能降低维护成本，简化操作。

通过采用本实施方式，由于在一台设备中具有两个独立的采样通道和测量部分，因此能同时且独立地测定两种颗粒物的浓度，并且两个通道之间不会产生相互干扰，测量精度得以提高。

并且，由于能对两个通道的流量进行独立的控制，因此，能独立地对两个通道进行压力、流量等参数的校准。

此外，由于设置有三通阀，因此在例如进行某个通道的维护、设备更换等时，只要将三通阀切换成换向口与输出口连通，则能由大气对采样泵进行补偿，从而将该三通阀所在通路暂时隔离，以便进行各种维护作业，而不会对另一通路造成影响。因此能降低维护成本，简化操作。

此外，本实用新型也不限于双通道的测定，本领域技术人员可以根据需要设定通道数量，并自由选择通道内的样气分离装置。本实用新型在进行两个以上通道的测量时也能在各个通道中独立地进行控制和测量。

以上详细描述了本实用新型的优选实施方式。但应当理解为本实用新型在不脱离其广义精神和范围的情况下可以采用各种实施方式及变形。本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本实用新型的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本领域技术人员依本实用新型的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应属于由本实用新型的权利要求书所确定的保护范围内。

标号说明

1 双通道颗粒物分离取样部

2 双通道样气湿度控制部

3 PM_2.5检测部(相当于第一尘样检测部)

4 PM₁₀检测部(相当于第二尘样检测部)

5 双路流量控制部

10 双通道颗粒物自动监测装置

101、102 PM₁₀采样头

103 PM_2.5气旋切割器(相当于第一样气分离装置)

201 动态加热器

301、401 采样膜

302、402 放射源

303、403 检测器

304、404 供带轮

305、405 收带轮

501 采样泵

502、503 限流器(相当于限流装置)

504、505 比例调节阀

506、507 三通阀

5061、5071 常开输出口

5062、5072 常开输入口

5063、5073 换向口

Ta 温度传感器

RHa 湿度传感器

Pa 压力传感器

TS 大气温度传感器(相当于环境温度传感器)

TF 样气温度传感器(相当于流体温度传感器)

VAC 真空度传感器

ΔP 压力差传感器

Claims

1.一种双通道颗粒物自动监测装置，其特征在于，包括双通道颗粒物分离取样部、第一尘样检测部、以及第二尘样检测部，

所述双通道颗粒物分离取样部具有分别与大气连通的第一采样头和第二采样头，所述第一采样头经由第一样气分离装置与所述第一尘样检测部相连，并向所述第一尘样检测部输出含有第一颗粒物的第一样气，所述第二采样头与所述第二尘样检测部相连，并向所述第二尘样检测部输出含有第二颗粒物的第二样气，

所述第一尘样检测部对所述第一样气中的所述第一颗粒物的浓度进行检测，所述第二尘样检测部对所述第二样气中的所述第二颗粒物的浓度进行检测。

2.如权利要求1所述的双通道颗粒物自动监测装置，其特征在于，

第一尘样检测部具有第一样气通路，该第一样气通路供所述第一样气流通，所述第一采样头经由所述第一样气分离装置与该第一样气通路相连，

第二尘样检测部具有第二样气通路，该第二样气通路供所述第二样气流通，所述第二采样头与该第二样气通路相连，

所述第一尘样检测部及第二尘样检测部还分别具有：

采样膜，该采样膜对所述第一颗粒物或所述第二颗粒物进行吸附；

放射源，该放射源向所述采样膜照射β射线；以及

检测器，该检测器测量经由所述采样膜照射过来的β射线的强度，

所述采样膜设置在所述检测器与所述放射源之间，

根据所述β射线经过吸附有所述第一或第二颗粒物的所述采样膜后的损耗来计算所述第一颗粒物或所述第二颗粒物的浓度。

3.如权利要求1所述的双通道颗粒物自动监测装置，其特征在于，

还包括双通道样气湿度控制部，该双通道样气湿度控制部设置在所述双通道颗粒物分离取样部与所述第一及第二尘样检测部之间，

所述双通道颗粒物分离取样部中对于所述第一样气和所述第二样气分别设置有加热装置，以对所述第一样气和所述第二样气的湿度进行控制。

4.如权利要求1所述的双通道颗粒物自动监测装置，其特征在于，

还包括双路流量控制部，该双路流量控制部与所述第一及第二尘样检测部相连，包括两个流量控制单元和一个采样泵，以对所述第一样气和所述第二样气的流量进行控制。

5.如权利要求4所述的双通道颗粒物自动监测装置，其特征在于，

每个流量控制单元包括：

限流装置，其对第一及第二样气的流量进行限制；

环境温度传感器，其对大气温度进行测量；

流体温度传感器，其对所述第一及第二样气的温度进行测量；

压力差传感器，其对所述限流装置的压力差进行测量；

真空度传感器，其对通道内的真空度进行测量；以及

比例调节阀，其根据所述第一及第二样气的压力、温度对所述第一及第二样气的流量进行控制，

所述第一及第二尘样检测部的样气通路出口通过管路与所述限流装置连接，该管路上安装有所述环境温度传感器、所述流体温度传感器、所述压力差传感器以及所述真空度传感器，所述限流装置通过所述管路与所述比例调节阀相连，所述比例调节阀连接到所述采样泵，

所述比例调节阀与所述采样泵之间连接有三通阀，所述三通阀的常开输入口经由所述比例调节阀与所述管路相连，常开输出口与所述采样泵相连，换向口与大气相连。

6.如权利要求1所述的双通道颗粒物自动监测装置，其特征在于，

所述第二采样头经由第二样气分离装置与所述第二尘样检测部相连。

7.如权利要求1或6所述的双通道颗粒物自动监测装置，其特征在于，

所述第一样气分离装置为PM_2.5气旋切割器或PM₁气旋切割器。

8.如权利要求6所述的双通道颗粒物自动监测装置，其特征在于，

所述第一采样头与所述第二采样头的至少其中一个为PM₁₀采样头。

9.如权利要求2所述的双通道颗粒物自动监测装置，其特征在于，所述放射源为碳14源，所述检测器为盖革计数器。

10.如权利要求2所述的双通道颗粒物自动监测装置，其特征在于，所述采样膜的材料为玻璃纤维。