CN206627148U - 一种多组分大气环境网格化监测仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于环境监测技术领域，尤其涉及一种多组分大气环境网格化监测仪。为解决传统大气监测设备体积大、价格高、安装维护复杂，难以满足越来越高的监测要求的问题。本实用新型提出一种多组分大气环境网格化监测仪，包括箱体主体、箱体上盖、太阳能电池板、太阳能电池充电管理单元、蓄电池、开关电源、主板、GPRS传输模块、GPRS天线、GPS模块、隔板转接板、温湿度传感器、防护罩、入口湿度调控单元、导风风扇、PM_2.5传感器、PM₁₀传感器、气体传感器单元与气象站，相比于传统大气监测设备，本大气监测仪在众多的传感器中进行合理的选型，对传感器测量的湿度条件进行控制，使得传感器在大气网格化布点监测时准确度高、稳定性好、可对比性强。

Description

一种多组分大气环境网格化监测仪

技术领域

本实用新型属于环境监测技术领域，尤其涉及一种多组分大气环境网格化监测仪。

背景技术

目前常规监测的大气污染物主要是一氧化碳、二氧化硫、二氧化氮、臭氧、PM_2.5和PM₁₀，主要来源于扬尘、燃煤、机动车、工厂排放等。随着人们对环保的日益重视，对空气质量监测、交通路网排放监测、工业废气监测的需求逐渐增加，改善生态环境和人民群众生活条件迫在眉睫。然而传统大气监测设备体积大、价格高、安装维护复杂，难以满足越来越高的监测要求。目前市场上小型化、低成本的传感器不断涌现，如何在众多的传感器中进行合理的选型，对仪器气路的布局以及对传感器测量的湿度条件进行控制，使得传感器在大气网格化布点监测时准确度高、稳定性好、可对比性强，显得尤为重要。目前常见的小型网格化大气环境监测仪大多不适用于在户外长期监测，如实用新型专利一种小型化的空气质量监测装置及用小型化的空气质量监测装置检测空气质量的方法(公开号105021779A)，在测量气体组分SO₂、NO₂、O₃、NH₃时分别用膜化学反应的方式，需要定期取样进行后续的实验室分析；实用新型专利一种空气质量检测仪(公开号105548502A)，在对于颗粒物监测时，只对PM_2.5进行了监测，没有对PM₁₀进行监测，且没有对颗粒物传感器的湿度进行控制，测量数据受相对湿度影响，且难以进行数据修正。

实用新型内容

针对上述问题，本实用新型提出一种多组分大气环境网格化监测仪，包括箱体、电源单元、数据采集传输单元、GPS单元、传感器单元、气流导风调节单元、气象参数测量单元；所述箱体包括箱体主体1、箱体上盖2、隔板转接板11、防护罩13，箱体主体1采用上下层布局设计，中间用密封隔板将箱体主体1分为测量室与电气室，隔板转接板11安装于箱体主体1的中间隔板上，箱体主体1和箱体上盖2通过密封胶条和锁扣进行锁紧密封，在测量室气路进出口分别设置防护罩13；所述气流导风调节单元包括入口湿度调控单元14和导风风扇15，在测量室左侧安装导风风扇15，测量室右侧进气口处安装入口湿度调控单元14；所述传感器单元包括PM_2.5传感器16和PM₁₀传感器17、温湿度传感器12和气体传感器单元18，PM_2.5传感器16和PM₁₀传感器17布置在靠近测量室右侧气流入口处及入口湿度调控单元14后，沿入口中心线并排放置，气体传感器单元18位于PM_2.5传感器16和PM₁₀传感器17后侧，温湿度传感器12固定于隔板转接板11上。

所述气体传感器单元18包括气体传感器底座18-1、气体传感器信号板18-2、气体传感器18-3、不锈钢丝网18-4和气体传感器上盖18-5；所述气体传感器18-3包括CO、SO₂、NO、NO₂、O₃、CO₂、VOCs传感器；气体传感器信号板18-2和气体传感器18-3通过插针插座结构进行连接，气体传感器信号板18-2通过密封胶垫与气体传感器底座18-1进行密封固定，气体传感器上盖18-5上开有多个圆形透气孔，气体传感器上盖18-5与不锈钢丝网18-4焊接为一体。

所述电源单元包括太阳能电池板3、太阳能充电管理单元4、蓄电池5和开关电源6；太阳能电池板3固定于箱体上盖2上面，太阳能电池板3通过箱体主体1底部防水接头连接太阳能充电管理单元4，太阳能充电管理单元4连接蓄电池5，市电供电部分将220V交流市电通过箱体主体1底部引入并接入开关电源6，开关电源6将220V交流电转换为12V直流电，同时在开关电源6的入口加入气体放电管进行雷电或过脉冲防护。

所述数据采集传输单元包括主板7、GPRS传输模块8、GPRS天线9；GPRS传输模块8固定在主板7上，GPRS天线9位于箱体外侧底部。

所述主板7采用单片机作为主芯片，主板7的外围电路包括电源、高精度实时时钟芯片、铁电存储器芯片、SD卡存储模块、模拟数字转换芯片，主板7可与中心服务器端进行数据的实时传送，下发和获取远程的传感器校准参数、下发仪器运行参数，也可以进行远程校时、远程程序升级、远程重启和历史数据回调的操作。

所述GPS单元包括GPS模块10，GPS模块10具有防水功能，且底部有磁性，GPS模块10通过磁吸方式固定于箱体外部。

所述入口湿度调控单元14包括入口过滤网和湿度调控模块，入口过滤网为不锈钢材质，用于对漂浮异物进行粗过滤和拦截；湿度调控模块采用加热的方式来降低进入箱体的气流的相对湿度；湿度调控模块有两种运行模式，一是常开模式，设定测量室内相对湿度不超过40％；二是周期性开和关模式，当进行网格化布点时设置几台运行周期性开关模式，用于研究在除湿和非除湿情况下的数据对比，同时修正未安装入口湿度调控单元14的仪器。

所述气象参数测量单元包括气象站19，气象站19布置在箱体上部支架上，用来测量大气温度、湿度、风向和风速；大气温度通过铂电阻进行测量，湿度通过湿敏电容进行测量，风向和风速采用超声方式进行测量。

所述导风风扇15用于将外界大气气流引入仪器测量室，导风风扇15的工作电压为5V，有频率信号输出功能，可用于风扇状态检测。

本实用新型的有益效果在于：

(1)箱体采用上下层结构设计，使得电气部分和气路部分隔开，电气部分处于隔离环境，免受大气环境对电路部分造成影响；

(2)采用市电和太阳能供电双电源设计，太阳能板固定在箱体上盖上，便于安装固定；

(3)颗粒物传感器靠近进气口中心并排放置，减少颗粒物在箱体内的损失；PM_2.5采用直接撞击式切割，PM₁₀传感器采用虚拟撞击式切割；

(4)入口湿度调控单元运行模式可调，可运行在周期性开关模式，可获得更多的关于颗粒物方面的信息，同时也可用于修正其它未经过湿度调控的仪器；

(5)气体传感器固定在气体传感器信号板上，两者固定放置在一个电磁屏蔽的环境内，使其更稳定；

(6)箱体外部安装有小型气象站，可获得当地气象信息，辅助进行污染物溯源和传输扩散分析。

附图说明

附图1为一种大气环境网格化监测仪示意图

附图2为气体传感器单元示意图

附图标记：

1—箱体主体；2—箱体上盖；3—太阳能电池板；4—太阳能电池充电管理单元；5—蓄电池；6—开关电源；7—主板；8—GPRS传输模块；9—GPRS天线；10—GPS模块；11—隔板转接板；12—温湿度传感器；13—防护罩；14—入口湿度调控单元；15—导风风扇；16—PM_2.5传感器；17—PM₁₀传感器；18—气体传感器单元；19—气象站；

18-1—气体传感器底座；18-2—气体传感器信号板；18-3—气体传感器；18-4—不锈钢丝网；18-5—气体传感器上盖；

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进行详细说明。

附图1为一种大气环境网格化监测仪示意图。如图1所示，包括箱体主体1、箱体上盖2、太阳能电池板3、太阳能电池充电管理单元4、蓄电池5、开关电源6、主板7、GPRS传输模块8、GPRS天线9、GPS模块10、隔板转接板11、温湿度传感器12、防护罩13、入口湿度调控单元14、导风风扇15、PM_2.5传感器16、PM₁₀传感器17、气体传感器单元18、气象站19，箱体由箱体主体1和箱体上盖2组成，材质为铁或者不锈钢材质，表面喷塑处理，箱体主体1和箱体上盖2通过密封胶条和锁扣进行锁紧密封，箱体主体1使用中间隔板将其分割为上下两部分，上部区域为测量室，下部区域为电气室，测量室为与大气环境进行直接接触，电气室为与大气隔离的区域，从而可以较好的保护电路部分，免受周围大气环境的影响；测量室的左右侧分别开有直径为35mm的圆孔，外侧有防护罩13，可以保护测量室免受雨雪和风速的影响；测量室左侧安装有40mm的导风风扇15，用来将外界大气气流导入测量室进行测量；测量室右侧为气流进气口，在气流进气口处安装入口湿度调控单元14，其作用有两点：一是可对入口气流进行粗过滤，二是对气流相对湿度进行调控；当相对湿度较高时，可通过升温的方式降低相对湿度在40％左右，入口湿度调控单元14外侧有保温棉包裹。PM_2.5传感器16和PM₁₀传感器17布置在靠近气流入口处，入口湿度调控单元14后，沿着入口中心线并排放置，传感器的入口正对气流入口，保证颗粒物损失达到最小；气体传感器单元18位于颗粒物传感器后侧；测量室和电气室中间的密封隔板上开有长方形孔，通过密封胶条将隔板转接板11固定，该转接板的主要作用有两个，一个是安装温湿度传感器12，用于得到测量室的温湿度信息；另一是用于测量室和电气室的电线的连接，分别连接有测量室的导风风扇15、气体传感器单元18、PM_2.5传感器16、PM₁₀传感器17和入口湿度调控单元14，入口湿度调控单元14包括入口过滤网和湿度调控模块组成，入口过滤网为不锈钢材质，可以在对待测颗粒物和气体影响较小的情况下对大气中较大的漂浮异物如柳絮等进行粗过滤和拦截，湿度调控模块为采用加热的方式来降低进入箱体的气流的相对湿度，通常情况下设定相对湿度为40％，当相对湿度大于40％时，通过提升温度使相对湿度降低到40％左右；正常运行时，有两种模式可选，一是常开模式，设定测量室内相对湿度不超过40％，使得颗粒物传感器测量数据和国控点仪器测量数据具有可对比性；二是周期性开和关模式，当进行网格化布点时，由于电力和成本条件所限，可在区域布点时，选择性的设置几台运行周期性开关模式，可以研究在除湿和非除湿情况下的数据对比，同时该信息也可用于修正未安装入口湿度调控单元14的仪器；导风风扇15位于箱体左侧，通过风扇的抽力将外界大气气流引入仪器测量室，风扇工作电压为5V，有频率信号输出，可用于风扇状态检测。PM_2.5传感器16和PM₁₀传感器17均采用光散射的原理，气流的导入是各自的引导风扇来完成的；通过对测量室的光学检测区域的颗粒物的散射光强或颗粒物个数进行测量，间接推算颗粒物的质量信息；其中PM_2.5传感器16对于2.5um切割点的实现是通过直接撞击式切割和散射光强脉冲高度的判断综合来实现的；PM₁₀传感器17是采用虚拟撞击的原理，通过调节风扇转速和流量配比，将颗粒物的空气动力学直径大于10um的颗粒物去除来实现的；PM_2.5传感器16和PM₁₀传感器17布置在靠近气流入口处，沿着入口中心线并排放置，传感器的入口正对气流入口，保证颗粒物损失达到最小；优选的，PM_2.5传感器16和PM₁₀传感器17为采用激光光源、线性度好的传感器，颗粒物传感器在使用前需经过实验室的校准方可使用。转接板将信号线分为模拟线和数字线，使用两束排线分别连接至电气室的主板7。电气室底部有五个开孔，分别为市电入口、太阳能电池入口、GPRS天线入口、GPS模块入口和气象站入口。市电供电通过从箱体主体1底部的防水接头接入，连接开关电源6入口的220VAC，开关电源6的出口为直流12V，连接至主板7；同时在开关电源入口有并联气体放电管作为雷电或过脉冲防护；选用的开关电源为宽范围输入的抗干扰电源，电源输入范围为100-240VAC，使其在户外运行时能适应电网电压波动的影响；同时在开关电源入口加入气体放电管进行雷电或过脉冲的防护；太阳能供电部分，太阳能电池板3位于箱体上盖2上，简化了仪器的现场安装过程，太阳能电池板3的出口通过箱体底部防水接头接入太阳能充电管理单元4的入口，太阳能充电管理单元4的出口连接蓄电池5，蓄电池5连接至主板7，太阳能电池板3获得的电压能量通过箱体底部防水接头进入太阳能充电管理单元4，通过其对蓄电池5进行充电管理，蓄电池5采用锂电池，容量为60AH，可以在市电缺失和连续阴雨天的情况下，运行一周。主板7位于电气室中部，以美国德州仪器公司的MSP430单片机为主芯片，外围包括电源、高精度实时时钟芯片、铁电存储器芯片、SD卡存储模块、24位模拟数字转换芯片等；电源将主板入口的直流12V降压为后续模块使用的5V和3.3V；高精度实时时钟芯片可使仪器在网格化监测系统保持与其它节点仪器的同步，使得数据之间具有较好的可对比性；铁电存储器芯片可以很方便的对仪器运行参数和传感器校准参数进行存储，同时可以作为远程在线升级的程序存储器；SD卡存储模块可以对采集到的数据进行记录，容量为8G；24位模拟数字转换芯片可以对气体传感器单元18的信号进行高精度采集；选用16位高性能低功耗的MSP430单片机，运行UCOS-II系统，通过设定采集时间间隔，当定时时间到时，开启数据采集，并且将数据传送至GPRS传输模块8，采集和传输完成后，仪器整体将进入低功耗状态，GPRS传输模块8为可插拔式结构，可安装固定在主板7上，通过RS232C与主板进行数据通信，GPRS传输模块8通过箱体外部的GPRS天线9接收手机卡的网络运行商的GPRS信号，通过域名或者IP的方式，连接至中心服务器端，进行数据传输通信；主板7和中心服务器端除了进行常规的数据的实时传送，也包括远程的传感器校准参数的下发和获取、仪器运行参数的下发、远程校时、远程程序升级、远程重启和历史数据回调等操作，保证了仪器的灵活可操作性和数据完整性。GPS模块10位于箱体外部，通过磁吸方式固定，具有防水功能，GPS信号通过GPS模块入口连接至主板7。气象参数测量单元为布置在箱体上部的一个小型气象站19，可测量大气温度、湿度、风向和风速；大气温度通过铂电阻PT100进行测量，湿度通过湿敏电容进行测量，采用超声方式测量大气风向风速，该信息可用于研究污染物的传输和扩散的气象背景条件。附图2为气体传感器单元示意图，如图2所示，从下往上依次为气体传感器底座18-1、气体传感器信号板18-2和气体传感器18-3、不锈钢丝网18-4和气体传感器上盖18-5；气体传感器信号板18-2和气体传感器18-3通过插针插座结构进行连接，气体传感器信号板18-2通过密封胶垫与气体传感器底座18-1进行密封固定，保护气体传感器信号板18-2免受大气环境的影响；不锈钢丝网18-4和气体传感器上盖18-5焊接为一体，保证良好的屏蔽性能。气体传感器有CO、SO₂、NO、NO₂、O₃、CO₂、VOCs传感器，对于CO、SO₂、NO、NO₂、O₃传感器，优选电化学方法且在低浓度测量范围内精度较高、寿命长且干扰气体特性明确的；对于CO₂传感器，优选非色散红外NDIR传感器；对于VOCs传感器，优选光离子PID传感器；气体传感器18-3的信号通常是小电流或者电压信号，需要首先通过气体传感器信号板18-2进行信号的转换和放大滤波处理，气体传感器18-3与气体传感器信号板18-2是插针插座式结构设计，方便的进行触点连接，在气体传感器18-3的实验室校准和实际运行时，两者作为一个整体进行操作；气体传感器信号板18-2通过密封垫固定在气体传感器底座18-1上，与气体传感器底座18-1形成一个密闭的空间，保证信号板电路部分不受环境的影响；气体传感器上盖18-5上开有多个圆形透气孔，上面安装有密集的不锈钢丝网18-4，作用主要有三个：一是留有气体扩散通道，使得气体可以扩散到气体传感器18-3中进行测量；二是不锈钢丝网18-4可以对颗粒物进行粗过滤，同时不会对测量气体产生吸附作用；三是可以与气体传感器底座18-1形成整体，对气体传感器18-3进行了电磁屏蔽，使得传感器更加稳定。监测仪设置为上电即运行的方式，可定时对传感器和各参数信息进行采集上传，包括：电池电压、两个颗粒物传感器数值和多个气体传感器数值、温湿度信息、风扇状态信息、气象参数信息和其它状态信息。当监测仪通过GPRS网络连接至中心数据服务端时，可进行远程的配置仪器运行参数和传感器校准参数、数据回调、固件升级，以及进行参数的在线修正，使得仪器更灵活可控。

此实施例仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种多组分大气环境网格化监测仪，其特征在于，包括箱体、电源单元、数据采集传输单元、GPS单元、传感器单元、气流导风调节单元、气象参数测量单元；所述箱体包括箱体主体(1)、箱体上盖(2)、隔板转接板(11)、防护罩(13)，箱体主体(1)采用上下层布局设计，中间用密封隔板将箱体主体(1)分为测量室与电气室，隔板转接板(11)安装于箱体主体(1)的中间隔板上，箱体主体(1)和箱体上盖(2)通过密封胶条和锁扣进行锁紧密封，在测量室气路进出口分别设置防护罩(13)；所述气流导风调节单元包括入口湿度调控单元(14)和导风风扇(15)，在测量室左侧安装导风风扇(15)，测量室右侧进气口处安装入口湿度调控单元(14)；所述传感器单元包括PM_2.5传感器(16)和PM₁₀传感器(17)、温湿度传感器(12)和气体传感器单元(18)，PM_2.5传感器(16)和PM₁₀传感器(17)布置在靠近测量室右侧气流入口处及入口湿度调控单元(14)后，沿入口中心线并排放置，气体传感器单元(18)位于PM_2.5传感器(16)和PM₁₀传感器(17)后侧，温湿度传感器(12)固定于隔板转接板(11)上。

2.根据权利要求1所述一种多组分大气环境网格化监测仪，其特征在于，所述气体传感器单元(18)包括气体传感器底座(18-1)、气体传感器信号板(18-2)、气体传感器(18-3)、不锈钢丝网(18-4)和气体传感器上盖(18-5)；所述气体传感器(18-3)包括CO、SO₂、NO、NO₂、O₃、CO₂、VOCs传感器；气体传感器信号板(18-2)和气体传感器(18-3)通过插针插座结构进行连接，气体传感器信号板(18-2)通过密封胶垫与气体传感器底座(18-1)进行密封固定，气体传感器上盖(18-5)上开有多个圆形透气孔，气体传感器上盖(18-5)与不锈钢丝网(18-4)焊接为一体。

3.根据权利要求1所述一种多组分大气环境网格化监测仪，其特征在于，所述电源单元包括太阳能电池板(3)、太阳能充电管理单元(4)、蓄电池(5)和开关电源(6)；太阳能电池板(3)固定于箱体上盖(2)上面，太阳能电池板(3)通过箱体主体(1)底部防水接头连接太阳能充电管理单元(4)，太阳能充电管理单元(4)连接蓄电池(5)，市电供电部分将220V交流市电通过箱体主体(1)底部引入并接入开关电源(6)，开关电源(6)将220V交流电转换为12V直流电，同时在开关电源(6)的入口加入气体放电管进行雷电或过脉冲防护。

4.根据权利要求1所述一种多组分大气环境网格化监测仪，其特征在于，所述数据采集传输单元包括主板(7)、GPRS传输模块(8)、GPRS天线(9)；GPRS传输模块(8)固定在主板(7)上，GPRS天线(9)位于箱体外侧底部。

5.根据权利要求4所述一种多组分大气环境网格化监测仪，其特征在于，所述主板(7)采用单片机作为主芯片，主板(7)的外围电路包括电源、高精度实时时钟芯片、铁电存储器芯片、SD卡存储模块、模拟数字转换芯片，主板(7)可与中心服务器端进行数据的实时传送，下发和获取远程的传感器校准参数、下发仪器运行参数，也可以进行远程校时、远程程序升级、远程重启和历史数据回调的操作。

6.根据权利要求1所述一种多组分大气环境网格化监测仪，其特征在于，所述GPS单元包括GPS模块(10)，GPS模块(10)具有防水功能，且底部有磁性，GPS模块(10)通过磁吸方式固定于箱体外部。

7.根据权利要求1所述一种多组分大气环境网格化监测仪，其特征在于，所述入口湿度调控单元(14)包括入口过滤网和湿度调控模块，入口过滤网为不锈钢材质，用于对漂浮异物进行粗过滤和拦截；湿度调控模块采用加热的方式来降低进入箱体的气流的相对湿度；湿度调控模块有两种运行模式，一是常开模式，设定测量室内相对湿度不超过40％；二是周期性开和关模式，当进行网格化布点时设置几台运行周期性开关模式，用于研究在除湿和非除湿情况下的数据对比，同时修正未安装入口湿度调控单元(14)的仪器。

8.根据权利要求1所述一种多组分大气环境网格化监测仪，其特征在于，所述气象参数测量单元包括气象站(19)，气象站(19)布置在箱体上部支架上，用来测量大气温度、湿度、风向和风速；大气温度通过铂电阻进行测量，湿度通过湿敏电容进行测量，风向和风速采用超声方式进行测量。

9.根据权利要求1所述一种多组分大气环境网格化监测仪，其特征在于，所述导风风扇(15)用于将外界大气气流引入仪器测量室，导风风扇(15)的工作电压为5V，有频率信号输出功能，可用于风扇状态检测。