CN214952875U - 空气质量监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种空气质量监测系统，该系统包括：颗粒物分级监测设备，包括凝聚核计数器和/或电迁移计数器，凝聚核计数器中凝聚单元用于使样气中的指定粒径颗粒物与工质溶液蒸汽结合形成可检测颗粒物；光计数单元发出激光照射可检测颗粒物，检测可检测颗粒物散射激光后的光散射信号，转换为电脉冲信号；电迁移计数器中，当样气通入法拉第杯，微电流检测电路检测预设粒径等级的颗粒物在法拉第杯中产生的电信号；计算机设备，与颗粒物分级监测设备连接，用于接收电脉冲信号和/或电信号，确定指定粒径和/或预设粒径等级的颗粒物的浓度。本实用新型可以检测直径小于1μm的颗粒物的浓度，还可以对1μm以下颗粒物进行分级测量。

Description

空气质量监测系统

技术领域

本实用新型涉及环境监测保护技术领域，尤其涉及一种空气质量监测系统。

背景技术

本部分旨在为权利要求书中陈述的本实用新型实施例提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。

颗粒物(PM10和PM2.5)已经成为各地常态化的被监测污染物，但PM10(直径10μm的颗粒物)和PM2.5(直径2.5μm的颗粒物)并非一次污染物，它们主要是由超细颗粒物(直径小于0.1μm的颗粒物)、臭氧以及挥发性有机化合物(Volatile Organic Compounds，VOC)等气态污染物经过一系列的大气光化学反应形成的二次污染物。

其中直径小于0.1μm的超细颗粒物不仅是PM2.5形成的重要前体物，同时也会对人类健康造成严重威胁。现有研究提出，来自汽车尾气的超细颗粒会富集在大脑中，因为它们的直径小于200纳米，因此可以通过嗅觉神经进入大脑，并且不受血脑屏障的阻拦。阿尔兹海默症就与大脑较高的超细颗粒水平相关。并且，我国学者首次确证人体血液系统中存在外源性超细颗粒物，为颗粒物的全身性健康影响提供了重要科学证据。

目前的空气质量监测设备在颗粒物检测方面，主要是针对PM10、PM2.5等颗粒物进行检测，并不具备对直径小于1μm的颗粒物进行检测的能力，只能从宏观上说明空气的污染指数，而不能为污染来源分析等工作提供详实的数据支持。也就是，目前在用的空气质量监测系统大都是对空气污染结果的一种简单量化，而无法得到切实的超细颗粒物浓度检测结果，从而导致对大气污染的精细化管控无从下手。

实用新型内容

本实用新型实施例提供一种空气质量监测系统，用以检测直径小于1μm的颗粒物的浓度，还可以对1μm以下颗粒污染物进行粒径分级检测，从而为污染来源分析等工作提供详实的数据支持，为大气污染的精细化管控提供有利条件，该系统包括：

颗粒物分级监测设备，包括凝聚核计数器和/或电迁移计数器，所述凝聚核计数器包括凝聚单元和激光计数单元，所述凝聚单元用于使样气中的指定粒径颗粒物与工质溶液蒸汽结合形成可检测颗粒物；光计数单元，用于发出激光照射可检测颗粒物，并检测可检测颗粒物散射激光后的光散射信号，将光散射信号转换为电脉冲信号；所述电迁移计数器包括法拉第杯和与法拉第杯连接的微电流检测电路，当样气通入法拉第杯，微电流检测电路检测样气中预设粒径等级的颗粒物在法拉第杯中产生的电信号；

计算机设备，与颗粒物分级监测设备连接，用于接收所述电脉冲信号和/或所述电信号；根据所述电脉冲信号和/或所述电信号分别确定指定粒径和/或预设粒径等级的颗粒物的浓度。

本实用新型实施例中，凝聚核计数器通过将样气中的指定粒径颗粒物凝聚为可检测颗粒物，来检测可检测颗粒物散射激光的光散射信号所转换的电脉冲信号；电迁移计数器通过将样气通入法拉第杯，来检测颗粒物与法拉第杯碰撞产生的电信号，电脉冲信号和/或电信号输入计算机设备后，计算机设备可确定样气中颗粒物的浓度，从而获得更为丰富的颗粒物粒径谱信息，从而建立数据更为丰富、变化更为明显、特征更为鲜明的空气污染分析样本，为大气污染的精细化管控提供有利条件，进而还能够支持后端平台对颗粒物排放特征不同的污染源进行有针对性的分析，从而能够对不同程度的污染采取更有针对性的措施，提高有关部门对空气污染治理的科学性和有效性。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1为本实用新型实施例中一种空气质量监测系统的结构示意图；

图2为本实用新型实施例中一种凝聚核计数器的结构示意图；

图3为本实用新型实施例中一种电迁移计数器的结构示意图；

图4为本实用新型实施例中一种DMA的结构示意图；

图5为本实用新型实施例中另一种空气质量监测系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本实用新型实施例做进一步详细说明。在此，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，但并不作为对本实用新型的限定。

现有的粒径谱仪等检测仪器一般均用于实验室内对样本的检测分析，或者用于汽车尾气检测等专用设备检测等，其检测浓度范围相对固定。但由于空气环境中含有的指定粒径颗粒物数量与采样所处位置环境有很大关系，并且变化范围很大，一般用于检测分析的粒径谱仪很难满足要求。本实用新型实施例中提供了一种空气质量监测系统，如图1所示，该系统包括：

颗粒物分级监测设备，包括凝聚核计数器和/或电迁移计数器。

其中，凝聚核计数器包括凝聚单元和激光计数单元，凝聚单元用于使样气中的指定粒径颗粒物与工质溶液蒸汽结合形成可检测颗粒物；光计数单元，用于发出激光照射可检测颗粒物，并检测可检测颗粒物散射激光后的光散射信号，将光散射信号转换为电脉冲信号。其中，指定粒径在10nm至1000nm之间；可检测颗粒物为直径大于1μm的颗粒物。

电迁移计数器包括法拉第杯和与法拉第杯连接的微电流检测电路，当样气通入法拉第杯，微电流检测电路检测样气中预设粒径等级的颗粒物在法拉第杯中产生的电信号。其中，指定粒径颗粒物包括预设粒径等级的颗粒物。本实用新型实施例中，对指定粒径按照粒径大小进一步分级，得到粒径等级，预设粒径等级为其中一个粒径等级。

计算机设备，与颗粒物分级监测设备连接，用于接收电脉冲信号和/或电信号；根据电脉冲信号和/或电信号分别确定指定粒径和/或预设粒径等级的颗粒物的浓度。

凝聚核计数器与电迁移计数器的实现原理不同，其在不同大气环境中准确度有所不同。当大气环境较好，待检测的颗粒物较少时，可以采用凝聚核计数器，可以较为准确地得到颗粒物浓度的计数结果；而在大气环境较差时，使用电迁移计数器更为准确，这是因为大气环境较差，其中颗粒物多时，颗粒物与法拉第杯碰撞产生的电信号更易被检测，且检测得到的电信号更加准确。

考虑到大气环境中污染物浓度处于一直变化之中，可以在一个颗粒物分级监测设备中设置凝聚核计数器和电迁移计数器，并为凝聚核计数器检测结果和电迁移计数器检测结果设置不同的权重，结合两个设备的检测结果综合确定颗粒物的浓度，获得大动态范围的颗粒物数量检测能力。经过实际试验，该动态范围的跨度可达10⁶个/cm³以上。

需要说明的是，利用计算机设备实现的，根据电脉冲信号或电信号分别确定凝聚核计数器测量得到的颗粒物浓度，及电迁移计数器测量得到的颗粒物浓度的方法，为本领域的常规技术手段。

本实用新型实施例的一种实现方式中，颗粒物分级监测设备还包括PM1.0切割器；PM1.0切割器，与凝聚核计数器和电迁移计数器分别连接，用于接收大气环境中的空气；滤除空气中除指定粒径颗粒物外的颗粒物，得到样气；将样气输入凝聚核计数器和电迁移计数器。

图2为本实用新型实施例中一种凝聚核计数器的结构示意图。

参见图2，凝聚单元包括：热饱和器、与饱和器连接的冷凝器。其中，热饱和器，容纳工质溶液蒸汽，用于使通入的样气中指定粒径颗粒物饱和；冷凝器，用于使饱和的颗粒物冷凝，形成粒径可检测的颗粒物，激光照射器，光电探测器。

在另一种实现方式中，凝聚单元还包括：丁醇罐，与热饱和器连接，用于为热饱和器中提供工质溶液。

其中，热饱和器中的温度可以由检测人员设置，考虑到经济因素及颗粒物浓度监测效果，可以将热饱和器的温度设置在35±2度，以利用较低的经济成本得到较好的检测效果。

参见图2，激光计数单元，包括：激光照射器，用于发出激光照射粒径可检测的颗粒物；光电探测器，用于检测激光散射的散射光信号，将散射光信号转换为电脉冲信号。

如图2所示，样气连续通入凝聚核计数器(未示出PM1.0切割器)内部，并在热饱和器中用工质溶液蒸汽使其饱和。然后，气溶胶颗粒和工质溶液蒸汽通过冷凝器进行冷却，颗粒物作为凝聚核，工质溶液蒸汽凝结在颗粒物表面。这一过程将使单个纳米颗粒物的粒径增加到可检测颗粒物的大小，也即1μm以上(热饱和器设置35度，冷凝器设置10度时，颗粒物粒径增加到10μm左右)。这么大的液滴可以很方便地用光散射方法来探测。液滴颗粒进入激光技术单元所在的光学测量区，通过激光束的每个颗粒产生散射光信号，用汇聚镜将散射光信号汇聚到光电二极管上，在90度方向上接收此散射光信号。将光信号转换成电脉冲信号，从而根据电脉冲信号进行计数。

对于标准颗粒浓度，即低于20000粒/cm³，由于颗粒浓度低，每个颗粒可单独计数，也即单个计数模式。若出现多个颗粒部分或全部重合的现象，多个颗粒所产生的电脉冲信号与单个颗粒产生的电脉冲信号不同，计算机设备可以自动识别电脉冲信号由多个颗粒产生，从而进行颗粒重合校正。更高的颗粒浓度(20000至10⁷粒/cm³)可以用光度计法来测量，此时颗粒浓度可以通过已标定的在测量区内所有颗粒产生的全光散射强度来计算，具体计算方法可以参见现有技术中的实现方法。

图3为本实用新型实施例中一种电迁移计数器的结构示意图。

参见图3，除了法拉第杯和微电流检测电路之外，电迁移计数器还包括荷电器和差分电迁移分级器(Differential electromobility classifier，DMA)。

其中，荷电器，与PM1.0切割器连接，用于产生自由离子，自由离子与PM1.0切割器输入的样气中指定粒径颗粒物碰撞，进行荷电；DMA，用于将荷电后的样气中指定粒径的颗粒物按照粒径大小进行分级，将预设粒径等级的颗粒物输出至法拉第杯。

具体的，DMA包括上电极板、下电极板、在上电极板上设置的样气入口、高压电极，以及在下电极班上设置的样气出口、高压电极，上电极板和下电极板之间形成两端开口的空腔，样气入口与荷电器连接，样气出口与法拉第杯连接，上电极板和下电极板在各自高压电极作用下产生预设电压，空腔中持续通入鞘气，在鞘气与预设电压的作用下，荷电后的样气中预设粒径等级的颗粒物从样气出口输出至法拉第杯。

此外，DMA还包括上绝缘板和下绝缘ban，上绝缘板和下绝缘板上分别设置凹槽，上绝缘板的凹槽中容纳上电极板，下绝缘板的凹槽中容纳下电极板。

下面将结合图3和图4详细介绍电迁移计数器的工作原理及DMA的工作原理。

参见图3，样气进入PM1.0切割器，把粒径大于1μm的粒子滤除，然后进入粒子荷电模块，单极性荷电器在恒流高压电源激发下产生高浓度自由离子，样气中指定粒径的颗粒物在荷电器中与自由离子碰撞，进行高效荷电。然后，样气中的带电粒子进入粒子分级模块，在平板DMA上施加扫描电压，使带电粒子受到垂直方向上的电场力，并在鞘气的水平作用力下，带电颗粒物能够从平板DMA的出口离开。通过改变施加在平板DMA上的扫描电压，采样气体中的不同粒径的带电颗粒物能在不同扫描电压的作用下分离，达到对采样气体中粒子粒径分级的目的。最后，被分级的带电颗粒物进入微电流反演模块，在法拉第杯中，电敏性滤网与带电颗粒物碰撞，颗粒物丢失电荷并被排出，法拉第杯收集的电荷以微弱电信号被后端微电流检测电路中的微电流放大器放大后传送至计算机设备。计算机设备通过反演运算，得到不同微弱电量所对应的超细颗粒物的数浓度，进一步得到采样气体的粒径谱图。

在上述工作过程中，DMA起到了对指定粒径的颗粒物进行分级的重要作用。具体的，DMA是根据带电颗粒物的电迁移特性达到这一目的。根据电迁移理论，不同粒径的颗粒物拥有不同的电迁移率，当经过荷电器的颗粒物充分荷电后，进入内部有均匀电场的DMA内部，不同粒径的带电颗粒物受到大小不一的作用力，产生了不同的运动轨迹，电迁移率大的颗粒物在电场方向上位移大，电迁移率小的颗粒物位移小，这样就实现了对粒径不同的颗粒物进行筛分。

目前主流DMA分为圆柱型DMA、径向型DMA和平板型DMA，因为圆柱型DMA和径向型DMA体积较大，不易于集成加工，因此本实用新型实施例中选用了平板DMA。在体积条件及加工技术允许的情况下，也可以采用圆柱形DMA或径向型DMA。

样气中的颗粒物经过DMA后被分级，此时需要对分级后的带电颗粒物进行测量，从而获得相应等级颗粒物的浓度。测量带电颗粒物的带电量即用到了法拉第杯。法拉第杯内部有一个使用敏感电极做成的致密金属网，当带电颗粒物随气流进入法拉第杯后，与金属网碰撞丢失电荷，产生的电信号经过底部的探针结构流向微电流放大器，在微电流检测电路中得到一个可以分析处理的电压值，然后计算机设备通过对测量电压值的反演，可以得到颗粒物的数浓度信息，从而得到测量颗粒物的粒径谱图。

本实用新型实施例的另一种实现方式中，空气质量监测系统还包括常规气体污染物监测设备和气象数据监测设备：常规气体污染物监测设备和气象数据监测设备分别与计算机设备连接。常规气体污染物监测设备，用于检测气态污染物、PM2.5颗粒物和PM10颗粒物的浓度；气象数据监测设备，用于检测大气环境的气象数据；计算机设备，用于接收并显示常规气体污染物监测设备测量得到的颗粒物的浓度和气象数据。

具体的，常规气体污染物监测设备可采用电化学原理监测SO2、NO2、O3、CO四种气态污染物的浓度，可以采用光散射原理检测PM2.5、PM10颗粒物浓度。气象数据监测设备可测量大气环境空气温湿度、风速、风向和大气压力等气象数据。

本实用新型实施例中，常规气体污染物监测设备、气象数据监测设备、颗粒物分级监测设备可以集成在机柜中。具体的，可采用了标准19寸室外恒温机柜，从而保证各设备的工作环境温度。其中除气象数据监测设备外，其余各设备均安装于机柜内部，按各设备划分，均固定于各标准插箱内部，各设备插箱均后部出线，前面板排布指示灯及供电、控制开关、显示表/屏等。机柜内排布可以参见图5所示。

计算机设备可与机柜分离设置，机柜采集的气象数据等各项数据可以通过数据网络、无线局域网等网络发送至计算机设备。

本实用新型实施例中，除颗粒物分级监测设备、常规气体污染物监测设备、气象数据监测设备分别与计算机设备连接外，还可以将上述设备之一与计算机设备连接，该设备作为中间设备，接收其他设备要向计算机设备发送的采集数据，该设备将采集数据初步融合后，统一上送至计算机设备。

本实用新型实施例中，凝聚核计数器通过将样气中的指定粒径颗粒物凝聚为可检测颗粒物，来检测可检测颗粒物散射激光的光散射信号所转换的电脉冲信号；电迁移计数器通过将样气通入法拉第杯，来检测颗粒物与法拉第杯碰撞产生的电信号，电脉冲信号和/或电信号输入计算机设备后，计算机设备可确定样气中颗粒物的浓度，从而获得更为丰富的颗粒物粒径谱信息，从而建立数据更为丰富、变化更为明显、特征更为鲜明的空气污染分析样本，为大气污染的精细化管控提供有利条件，进而还能够支持后端平台对颗粒物排放特征不同的污染源进行有针对性的分析，从而能够对不同程度的污染采取更有针对性的措施，提高有关部门对空气污染治理的科学性和有效性。

以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种空气质量监测系统，其特征在于，所述系统包括：

颗粒物分级监测设备，包括凝聚核计数器和/或电迁移计数器，所述凝聚核计数器包括凝聚单元和激光计数单元，所述凝聚单元用于使样气中的指定粒径颗粒物与工质溶液蒸汽结合形成可检测颗粒物；光计数单元，用于发出激光照射可检测颗粒物，并检测可检测颗粒物散射激光后的光散射信号，将光散射信号转换为电脉冲信号；所述电迁移计数器包括法拉第杯和与法拉第杯连接的微电流检测电路，当样气通入法拉第杯，微电流检测电路检测样气中预设粒径等级的颗粒物在法拉第杯中产生的电信号；

计算机设备，与颗粒物分级监测设备连接，用于接收所述电脉冲信号和/或所述电信号；根据所述电脉冲信号和/或所述电信号分别确定指定粒径和/或预设粒径等级的颗粒物的浓度。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述颗粒物分级监测设备还包括PM1.0切割器；

所述PM1.0切割器，与凝聚核计数器和电迁移计数器分别连接，用于接收大气环境中的空气；滤除空气中除指定粒径颗粒物外的颗粒物，得到样气；将样气输入凝聚核计数器和电迁移计数器。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述指定粒径颗粒物包括预设粒径等级的颗粒物；所述指定粒径在10nm至1000nm之间。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述凝聚单元包括：

热饱和器、与饱和器连接的冷凝器；其中，

热饱和器，容纳工质溶液蒸汽，用于使通入的样气中指定粒径颗粒物饱和；

冷凝器，用于使饱和的颗粒物冷凝，形成粒径可检测的颗粒物，激光照射器，光电探测器。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述凝聚单元还包括：

丁醇罐，与热饱和器连接，用于为热饱和器中提供工质溶液。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述激光计数单元，包括：

激光照射器，用于发出激光照射粒径可检测的颗粒物；

光电探测器，用于检测激光散射的散射光信号，将散射光信号转换为电脉冲信号。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电迁移计数器还包括：

荷电器，与PM1.0切割器连接，用于产生自由离子，自由离子与PM1.0切割器输入的样气中指定粒径颗粒物碰撞，进行荷电；

差分电迁移分级器DMA，用于将荷电后的样气中指定粒径的颗粒物按照粒径大小进行分级，将预设粒径等级的颗粒物输出至法拉第杯。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述DMA包括上电极板、下电极板、在上电极板上设置的样气入口、高压电极，以及在下电极班上设置的样气出口、高压电极，上电极板和下电极板之间形成两端开口的空腔，样气入口与荷电器连接，样气出口与法拉第杯连接，上电极板和下电极板在各自高压电极作用下产生预设电压，所述空腔中持续通入鞘气，在鞘气与预设电压的作用下，荷电后的样气中预设粒径等级的颗粒物从样气出口输出至法拉第杯。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述DMA还包括上绝缘板和下绝缘ban，上绝缘板和下绝缘板上分别设置凹槽，上绝缘板的凹槽中容纳上电极板，下绝缘板的凹槽中容纳下电极板。

10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

常规气体污染物监测设备，用于检测气态污染物、PM2.5颗粒物和PM10颗粒物的浓度；

气象数据监测设备，用于检测大气环境的气象数据；

计算机设备，与常规气体污染物和气象数据监测设备分别连接，用于接收并显示常规气体污染物监测设备测量得到的颗粒物的浓度和气象数据。

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