CN220356762U - 一种用于精细化暴露测量的大气颗粒物采样及监测装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提出了一种用于精细化暴露测量的大气颗粒物采样及监测装置，包括颗粒物采集装置、颗粒物浓度监测装置、人体呼吸特征监测装置和控制器；所述颗粒物采集装置包括抽气泵和抽气管道；所述颗粒物浓度监测装置包括监测气室，所述监测气室安装在抽气管道中段，所述监测气室内设有用于监测气流中颗粒物浓度的监测模块；所述人体呼吸特征监测装置用于监测人体的呼吸特征数据；所述控制器用于根据人体的呼吸特征数据控制抽气泵间歇式开启，使抽气泵的抽气频率、抽气量与人体的吸气频率、吸气量保持一致，保证大气采样体积与呼吸量一致，从而精细化测量个体大气颗粒物上的污染物实际暴露浓度及暴露量，以用于准确评估个体经呼吸暴露的健康风险。
Description
技术领域
本实用新型涉及大气环境监测技术领域，尤其涉及一种用于精细化暴露测量的大气颗粒物采样及监测装置。
背景技术
随着工业化的发展以及城市化进程的加快，大气颗粒物污染问题日益严重，大气污染物对人体健康的影响越来越受到关注。附着在大气颗粒物(PM2.5、PM10等)上的重金属及有机物等污染物已被证实与各种呼吸道疾病、心血管疾病等密切相关。因此，对大气颗粒物上的污染物进行精细化暴露测量和健康风险评估至关重要。
目前进行环境健康风险评估所使用的浓度为使用传统的大气颗粒物采样器进行定点监测所获得的污染物日平均浓度，由于人的活动范围较大，而非固定在一个地点，另外，每个人的呼吸频率及呼吸量差别较大，传统采样方式只能监测到某个定点空间中污染物的平均浓度，无法对个体吸入的实际污染物暴露浓度及暴露量进行监测，从而无法准确评估经呼吸暴露的健康风险。另外，传统的大气颗粒物采样器不包括大气质量参数即单位体积内的颗粒物浓度(PM10及PM2.5)实时监测模块，而大气质量参数对于健康风险评估来说是是重要的参考指标。
基于上述问题，亟需一种可以精细化测量个体大气颗粒物上的污染物暴露浓度及暴露量用于健康风险评估的大气颗粒物采样及监测装置。
发明内容
本实用新型提出一种用于精细化暴露测量的大气颗粒物采样及监测装置，解决了现有技术中只能监测到某个定点空间中的大气颗粒物污染物平均浓度，无法对吸入人体的实际污染物暴露浓度及暴露量进行监测，从而无法准确评估个体经呼吸暴露健康风险的问题。
本实用新型的技术方案是这样实现的：
一种用于精细化暴露测量的大气颗粒物采样及监测装置，包括颗粒物采集装置、颗粒物浓度监测装置、人体呼吸特征监测装置和控制器；
所述颗粒物采集装置包括抽气泵和抽气管道；
所述颗粒物浓度监测装置包括监测气室，所述监测气室安装在抽气管道中段，所述监测气室内设有用于监测气流中颗粒物浓度的监测模块；
所述人体呼吸特征监测装置用于监测人体的呼吸特征数据；
所述控制器分别与抽气泵、监测模块、人体呼吸特征监测装置连接，用于根据人体的呼吸特征数据控制抽气泵间歇式开启，并控制监测模块实时监测抽气管道中的颗粒物浓度。
本实用新型通过人体呼吸特征监测装置实时监测人体的呼吸特征参数，通过控制器控制抽气泵模拟人体的呼吸特征参数进行间歇式工作，使抽气泵的抽气频率、抽气量与人体的吸气频率、吸气量保持一致，再通过颗粒物浓度监测装置实时监测抽气管道中的颗粒物(PM10及PM2.5)浓度，可以提供实时大气质量参数，从而为健康风险评估提供数据参考。
作为本实用新型优选的方案，所述监测模块采用光电监测模块，包括光发射器件、光接收器件和监测电路，采用光电监测模块这种非接触式的监测方式，不会影响抽气管道内的气体流通，测量更加准确。
作为本实用新型优选的方案，所述抽气管道远离抽气泵的一端安装有用于模拟人体鼻腔的鼻腔模型，所述鼻腔模型的气道与抽气管道连通；通过在抽气管道的进气端安装模拟人体鼻腔的鼻腔模型，可以更加真实地模拟人体的呼吸气道结构，使得采样环境更加贴近真实人体的呼吸特征，进一步提高了采样过程与实际暴露的相符性。
作为本实用新型优选的方案，所述鼻腔模型与抽气管道通过第一接头可拆卸连接，通过第一接头将鼻腔模型与抽气管道可拆卸连接，方便定期对鼻腔模型和抽气管道进行清理，避免堵塞影响后续监测结果。
作为本实用新型优选的方案，所述抽气管道包括进气管和连接管，所述连接管的一端与监测气室的出气口可拆卸连接，所述连接管的另一端与抽气泵连接，所述监测气室的进气口与进气管连接；通过进气管、连接管分别与监测气室的进气口、出气口可拆卸连接，方便定期对监测气室和抽气管道进行清理，避免监测气室和抽气管道内颗粒物堆积过多影响监测结果。
作为本实用新型优选的方案，所述连接管的中段可拆卸安装有颗粒物收集器，所述颗粒物收集器包括第二接头以及安装在第二接头内的滤膜；所述连接管分为两段，其中一段用于连接监测气室与第二接头，另一段用于连接第二接头与抽气泵；通过在连接管中段可拆卸安装第二接头，并在第二接头内安装滤膜，方便通过滤膜收集颗粒物样本，便于后续对收集有颗粒物的滤膜进行单独试验，可以精细化测量出个体大气重金属、有机物等污染物的实际暴露浓度及暴露量，从而更加准确地评估个体经呼吸暴露的健康风险。
作为本实用新型优选的方案，所述滤膜为薄形设计的石英滤膜或特氟龙滤膜，以便于大气在低流量的情况下可以通过。
作为本实用新型优选的方案，所述呼吸特征数据包括人体的呼吸频率和呼吸气量，通过监测人体的呼吸频率和呼吸气量，可以保证抽气泵每次抽气吸入的气量与人体每次吸气的气量保持一致，从而使得采样数据更加贴近真实人体的呼吸特征数据，保证大气采样体积与呼吸量一致，进一步提高了结果的准确性。
作为本实用新型优选的方案，所述监测装置还包括显示屏，所述显示屏与控制器连接，用于显示人体的呼吸特征数据和颗粒物浓度数据，便于用户更加直观地查看监测结果。
作为本实用新型优选的方案，所述监测装置还包括报警器，所述报警器与控制器连接，用于在监测到颗粒物浓度超标时响应声光报警提示，可以及时提醒用户做好防护工作。
有益效果
与现有技术相比较，本实用新型的有益效果在于：
(1)本实用新型通过人体呼吸特征监测装置实时监测人体的呼吸特征参数，通过控制器控制抽气泵模拟人体的呼吸特征参数进行间歇式工作，使抽气泵的抽气频率、抽气量与人体的吸气频率、吸气量保持一致，保证大气采样体积与呼吸量一致，以便精细化测量出个体大气重金属、有机物等污染物的实际暴露浓度及暴露量，从而更加准确地评估个体经呼吸暴露的健康风险；另外再通过颗粒物浓度监测装置实时监测抽气管道中的颗粒物浓度，模拟对吸入人体的颗粒物浓度(PM10及PM2.5)进行监测，从而可以提供实时大气质量参数，为健康风险评估提供数据参考；
(2)本实用新型通过在抽气管道的进气端安装模拟人体鼻腔的鼻腔模型，可以更加真实地模拟人体的呼吸气道结构，使得采样环境更加贴近真实人体的呼吸特征，进一步提高了采样过程与实际暴露的相符性；
(3)本实用新型通过第一接头将鼻腔模型与抽气管道可拆卸连接，通过进气管、连接管分别与监测气室的进气口、出气口可拆卸连接，方便定期对鼻腔模型、监测气室和抽气管道进行清理，避免鼻腔模型、监测气室和抽气管道内颗粒物堆积过多影响监测结果；
(4)本实用新型通过在连接管中段可拆卸安装第二接头，并在第二接头内安装滤膜，方便通过滤膜收集颗粒物样本，便于后续对收集有颗粒物的滤膜进行单独试验，可以准确检测出大气中的重金属、有机物等污染物的个体实际暴露浓度及暴露量，从而更加精确地评估经呼吸暴露的健康风险。
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。
图1为本实用新型一种用于精细化暴露测量的大气颗粒物采样及监测装置的气道结构示意图；
图2为本实用新型一种用于精细化暴露测量的大气颗粒物采样及监测装置的模块连接结构示意图；
图中：1、抽气泵；2、监测气室；3、光发射器件；4、光接收器件；5、鼻腔模型；6、第一接头；7、进气管；8、连接管；9、第二接头；10、滤膜。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
参照图1、2所示，本实施例提供了一种用于精细化暴露测量的大气颗粒物采样及监测装置，包括颗粒物采集装置、颗粒物浓度监测装置、人体呼吸特征监测装置和控制器；
所述颗粒物采集装置包括抽气泵1和抽气管道；
所述颗粒物浓度监测装置包括监测气室2，所述监测气室2安装在抽气管道中段，所述监测气室2内设有用于监测气流中颗粒物浓度的监测模块；
所述人体呼吸特征监测装置(如毫米波雷达呼吸监测设备)用于监测人体的呼吸特征数据；
所述控制器分别与抽气泵1、监测模块、人体呼吸特征监测装置连接，用于根据人体的呼吸特征数据控制抽气泵1间歇式开启，并控制监测模块实时监测抽气管道中的颗粒物浓度。
本实施例通过人体呼吸特征监测装置实时监测人体的呼吸特征参数，通过控制器控制抽气泵1模拟人体的呼吸特征参数进行间歇式工作，使抽气泵1的抽气频率、抽气量与人体的吸气频率、吸气量保持一致，再通过颗粒物浓度监测装置实时监测抽气管道中的颗粒物(PM10及PM2.5)浓度，可以提供实时大气质量参数，从而为健康风险评估提供数据参考。PM10及PM2.5的国家标准二级浓度限值分别为150及75微克/立方米，当监测值达到限值后，可以为采样人提供预警消息以提醒采样人做好防护等。
作为本实施例优选的方案，所述监测模块采用光电监测模块(可直接采用现有的光电监测模块)，包括光发射器件3、光接收器件4和监测电路，采用光电监测模块这种非接触式的监测方式，不会影响抽气管道内的气体流通，测量更加准确。
光电监测模块监测大气颗粒物浓度的工作原理是根据光的散射原理来开发的，微粒和分子在光的照射下会产生光的散射现象，与此同时，还吸收部分照射光的能量。当一束平行单色光入射到被测颗粒场时，会受到颗粒周围散射和吸收的影响，光强将被衰减。如此一来便可求得入射光通过被测颗粒场的相对衰减率。而相对衰减率的大小基本上能线性反应被测颗粒场颗粒物的相对浓度。光强的大小和经光电转换的电信号强弱成正比，通过测得电信号就可以求得相对衰减率，进而就可以测定被测颗粒场里颗粒物的浓度。
作为本实施例优选的方案，所述抽气管道远离抽气泵1的一端安装有用于模拟人体鼻腔的鼻腔模型5，所述鼻腔模型5的气道与抽气管道连通；通过在抽气管道的进气端安装模拟人体鼻腔的鼻腔模型5，可以更加真实地模拟人体的呼吸气道结构，使得采样环境更加贴近真实人体的呼吸特征，进一步提高了采样过程与实际暴露的相符性。
作为本实施例优选的方案，所述鼻腔模型5与抽气管道通过第一接头6可拆卸连接，通过第一接头6将鼻腔模型5与抽气管道可拆卸连接，方便定期对鼻腔模型5和抽气管道进行清理，避免堵塞影响后续监测结果。
本实施例中的鼻腔模型5可以是根据用户的鼻腔结构1：1等比例建模后通过3D打印制作的，且鼻腔模型5的末端与第一接头6可以是一体成型的，密封性更好；所述第一接头6与抽气管道可通过螺纹接头连接，且为了防止漏气，可在第一接头6与抽气管道的螺接部位设置密封圈。
作为本实施例优选的方案，所述抽气管道包括进气管7和连接管8，所述连接管8的一端与监测气室2的出气口可拆卸连接，所述连接管8的另一端与抽气泵1连接，所述监测气室2的进气口与进气管7连接；通过进气管7、连接管8分别与监测气室2的进气口、出气口可拆卸连接，方便定期对监测气室2和抽气管道进行清理，避免监测气室2和抽气管道内颗粒物堆积过多影响监测结果。
具体实施过程中，所述监测气室2的进气口、出气口均可通过螺纹接头分别与进气管7、连接管8的端部可拆卸连接，且各自的螺接部位均设有密封圈。
作为本实施例优选的方案，所述连接管8的中段可拆卸安装有颗粒物收集器，所述颗粒物收集器包括第二接头9以及安装在第二接头9内的滤膜10；所述连接管8分为两段，其中一段用于连接监测气室2与第二接头9，另一段用于连接第二接头9与抽气泵1；通过在连接管8中段可拆卸安装第二接头9，并在第二接头9内安装滤膜10，方便通过滤膜10收集颗粒物样本，便于后续对收集有颗粒物的滤膜10进行单独试验(该实验检测方法为现有技术，本实施例中不作赘述)，可以检测出大气中的重金属、有机物等污染物实际暴露浓度及暴露量，从而可以更加精确地评估个体经呼吸暴露的健康风险。
具体实施过程中，所述第二接头9可采用两个法兰件实现(图中未示出)，滤膜10夹在两个法兰件的端面上，且两个法兰件的夹持端面均设有硅胶垫，一方面可以起到密封的作用，另一方面也可以防止夹持损坏滤膜10；两个法兰件的两端分别与两段连接管8的端口螺纹连接，且螺接部位均设有密封圈。
作为本实施例优选的方案，所述滤膜10为薄形设计的石英滤膜或特氟龙滤膜，以便于大气在低流量的情况下可以通过，具体材料可根据实际需求选择。
作为本实施例优选的方案，所述呼吸特征数据包括人体的呼吸频率和呼吸气量，通过监测人体的呼吸频率和呼吸气量，可以保证抽气泵1每次抽气吸入的气量与人体每次吸气的气量保持一致，从而使得采样数据更加贴近真实人体的呼吸特征数据，保证大气采样体积与呼吸量一致，进一步准确地提高了结果的准确性。
作为本实施例优选的方案，所述监测装置还包括显示屏，所述显示屏与控制器连接，用于显示人体的呼吸特征数据、颗粒物浓度数据、采样时间、采样量等参数，便于用户更加直观地查看监测结果。
作为本实施例优选的方案，所述监测装置还包括报警器，所述报警器与控制器连接，用于在监测到颗粒物浓度超标时响应声光报警提示，可以及时提醒用户做好防护工作。
具体实施过程中，所述颗粒物采集装置、颗粒物浓度监测装置和控制器可安装在一个轻便的外壳内，外壳可采用航空级别的铝合金材料制成，以确保其轻便、耐用且不易损坏，抽气管道的进气端和抽气泵1的出气端需要暴露在外壳外部，保证正常的采样。外壳的背面可设置一个可调节的挂带，方便用户将外壳固定在胸前或后背，使用更加便携。人体呼吸特征监测装置可放置在胸前，靠近呼吸区域，人体呼吸特征监测装置与控制器可采用无线通信连接方式，如蓝牙、WIFI、5G等，这样可以不影响用户的自由活动。
本实施例的颗粒物监测装置的工作过程如下：
首先，通过人体呼吸特征监测装置实时监测人体的呼吸频率和呼吸量等呼吸参数，再通过控制器控制抽气泵1按照人体的呼吸频率和呼吸量间歇式工作，使抽气泵1的抽气频率、抽气量与人体的吸气频率、吸气量保持一致；同时，通过光电监测模块实时监测气室内的颗粒物浓度，并将颗粒物浓度数据发送给控制器；当颗粒物浓度超过预设值时，所述控制器控制报警器响应声光报警提示，提醒用户采取必要的防护措施(如佩戴口罩等)。用户可将第二接头9拆下，取出其中的滤膜10，将吸附有颗粒物的滤膜10拿去单独进行检测，以便更准确地检测出颗粒物中重金属、有机物等污染物浓度等参数。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、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)
1.一种用于精细化暴露测量的大气颗粒物采样及监测装置，其特征在于，包括颗粒物采集装置、颗粒物浓度监测装置、人体呼吸特征监测装置和控制器；
所述颗粒物采集装置包括抽气泵(1)和抽气管道；
所述颗粒物浓度监测装置包括监测气室(2)，所述监测气室(2)安装在抽气管道中段，所述监测气室(2)内设有用于监测气流中颗粒物浓度的监测模块；
所述人体呼吸特征监测装置用于监测人体的呼吸特征数据；
所述控制器分别与抽气泵(1)、监测模块、人体呼吸特征监测装置连接，用于根据人体的呼吸特征数据控制抽气泵(1)间歇式开启，并控制监测模块实时监测抽气管道中的颗粒物浓度。
2.如权利要求1所述的一种用于精细化暴露测量的大气颗粒物采样及监测装置，其特征在于，所述监测模块采用光电监测模块，包括光发射器件(3)、光接收器件(4)和监测电路。
3.如权利要求1所述的一种用于精细化暴露测量的大气颗粒物采样及监测装置，其特征在于，所述抽气管道远离抽气泵(1)的一端安装有用于模拟人体鼻腔的鼻腔模型(5)，所述鼻腔模型(5)的气道与抽气管道连通。
4.如权利要求3所述的一种用于精细化暴露测量的大气颗粒物采样及监测装置，其特征在于，所述鼻腔模型(5)与抽气管道通过第一接头(6)可拆卸连接。
5.如权利要求1所述的一种用于精细化暴露测量的大气颗粒物采样及监测装置，其特征在于，所述抽气管道包括进气管(7)和连接管(8)，所述连接管(8)的一端与监测气室(2)的出气口可拆卸连接，所述连接管(8)的另一端与抽气泵(1)连接，所述监测气室(2)的进气口与进气管(7)连接。
6.如权利要求5所述的一种用于精细化暴露测量的大气颗粒物采样及监测装置，其特征在于，所述连接管(8)的中段可拆卸安装有颗粒物收集器，所述颗粒物收集器包括第二接头(9)以及安装在第二接头(9)内的滤膜(10)；所述连接管(8)分为两段，其中一段用于连接监测气室(2)与第二接头(9)，另一段用于连接第二接头(9)与抽气泵(1)。
7.如权利要求6所述的一种用于精细化暴露测量的大气颗粒物采样及监测装置，其特征在于，所述滤膜(10)为薄形设计的石英滤膜或特氟龙滤膜。
8.如权利要求1所述的一种用于精细化暴露测量的大气颗粒物采样及监测装置，其特征在于，所述呼吸特征数据包括人体的呼吸频率和呼吸气量。
9.如权利要求1所述的一种用于精细化暴露测量的大气颗粒物采样及监测装置，其特征在于，还包括显示屏，所述显示屏与控制器连接，用于显示人体的呼吸特征数据和颗粒物浓度数据。
10.如权利要求1所述的一种用于精细化暴露测量的大气颗粒物采样及监测装置，其特征在于，还包括报警器，所述报警器与控制器连接，用于在监测到颗粒物浓度超标时响应声光报警提示。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |