專利名稱：一種新型的pm2.5質(zhì)量濃度實時監(jiān)測裝置與監(jiān)測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及環(huán)境監(jiān)測與保護領(lǐng)域，具體涉及一種新型的PM2. 5質(zhì)量濃度實時監(jiān)測裝置與監(jiān)測方法。
背景技術(shù)：
PM2. 5是指空氣動力學(xué)當(dāng)量直徑小于等于2. 5 μ m的大氣顆粒物，通常被稱為細(xì)粒子或細(xì)顆粒物，在中國還被稱為可入肺顆粒物。PM2. 5的主要成分是元素碳、有機碳化合物、 硫酸鹽、硝酸鹽、銨鹽。除此之外，常見的成分包括各種金屬元素，既有鈉、鎂、鈣、鋁、鐵等地殼中含量豐富的元素，也有鉛、鋅、鎘、銅等主要源自人類污染的重金屬元素。PM2. 5主要來源于燃燒、揚塵等過程，如煤炭的燃燒、機動車尾氣的排放、生活爐灶的燃燒、垃圾的焚燒、 道路揚塵、建筑揚塵等。同時，人為活動排入大氣中的二氧化硫、氮氧化物、氨氣、揮發(fā)性有機物等氣態(tài)污染物經(jīng)化學(xué)反應(yīng)或物理過程也可形成粒徑較小的二次顆粒物，包括硫酸鹽、 硝酸鹽、銨鹽和光化學(xué)煙霧等。此外，火山灰、森林火災(zāi)、海鹽、花粉、真菌孢子、細(xì)菌等自然污染源也是PM2. 5的來源。PM2. 5由于粒徑小，吸附性強的特性，容易攜帶一些有毒有害物質(zhì)進入人體肺部,給人體健康帶來極大的危害。同時，PM2. 5還可成為病毒和細(xì)菌的載體， 為呼吸道傳染病的傳播推波助瀾。在環(huán)境方面，PM2. 5會導(dǎo)致大氣能見度降低，從而影響到人們的生產(chǎn)和生活。由二氧化硫和氮氧化物等轉(zhuǎn)化而成的硫酸和硝酸液滴是PM2. 5的來源之一，也是形成酸雨的主要原因，能夠?qū)λ鷳B(tài)系統(tǒng)、陸地生態(tài)系統(tǒng)造成破壞，通過食物鏈危害人體健康，同時會對建筑物、機械和市政設(shè)施產(chǎn)生腐蝕作用。大氣中的PM2. 5，還會干擾太陽和地面的輻射，從而對地區(qū)性甚至全球性氣候產(chǎn)生影響。
國外一些發(fā)達(dá)國家早已將PM2. 5列入空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，而隨著美國駐華使館對北京市空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)的發(fā)布，PM2. 5隨即成為新聞熱詞，國務(wù)院新修訂的《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》也增加了對PM2. 5的監(jiān)測指標(biāo)。但目前國內(nèi)的相應(yīng)監(jiān)測儀器并不成熟，測得的數(shù)據(jù)與國外標(biāo)準(zhǔn)存在較大偏差。
目前國內(nèi)外主要的測量顆粒物濃度的方法有稱重法、β射線吸收法、微量振蕩天平法、壓電晶體法以及光散射法等，在采·樣氣路前端加上ΡΜ2. 5的切割器即可測得ΡΜ2. 5的濃度。
稱重法是顆粒物濃度測量最基本的方法，一般與其它測量方法結(jié)合使用，由于其原理簡單，結(jié)果可靠，常用來檢測其它測量方法及儀器的精確度，因此得到了廣泛應(yīng)用。該方法的基本原理是以規(guī)定的流量采樣，將空氣中的顆粒物捕集于高性能濾膜上，稱量濾膜采樣前后的質(zhì)量，由其質(zhì)量差求得捕集的顆粒物質(zhì)量，再根據(jù)采樣前后濾膜的重量差與采樣空氣體積，計算出顆粒物的質(zhì)量濃度。在保證儀器良好且操作正確的條件下，稱重法能得到相對可靠的結(jié)果。但它需要大量的手工操作，采樣時間長，自動化程度低，成本較高且難以實現(xiàn)在線監(jiān)測。
β射線吸收法是在稱重法基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種方法，在顆粒測量中應(yīng)用也很廣泛。其測量模塊由β射線源、濾膜、濾膜支架以及探測器等組成。當(dāng)空氣通過濾膜時，顆粒被過濾在濾膜上，經(jīng)過一段時間后，轉(zhuǎn)動軸帶動濾膜移動使顆粒進入測量區(qū)，測量區(qū)域上部發(fā)出的β射線透過顆粒介質(zhì)后衰減并被接收，根據(jù)β射線的衰減程度即可確定被測顆粒的質(zhì)量，進而求得顆粒物的質(zhì)量濃度。該方法的優(yōu)點在于測量的動態(tài)范圍寬，且測量結(jié)果與氣溶膠的種類、粒徑、形狀、顏色及化學(xué)組成等無關(guān)，只與粒子的質(zhì)量有關(guān)。但是由于存在放射性輻射源，容易產(chǎn)生輻射泄漏，因此該方法存在安全隱患，用于現(xiàn)場測量對操作人員的素質(zhì)要求較高，同時，系統(tǒng)要求增加各種屏蔽措施，結(jié)構(gòu)裝置復(fù)雜且昂貴。因此，β射線吸收法一般適用于對測量有特殊要求的場合。
微量振蕩天平法(TEOM)，是近年才發(fā)展起來的顆粒物質(zhì)量濃度測量方法，測量原理是基于錐形元件振蕩微量天平原理，儀器的核心部件為錐形元件振蕩器，整個部件是中空的，其中一端固定，另一端裝有的濾膜支架可以自由擺動，部件以它固有的頻率精確振蕩，正反饋控制電路補充能量保證沒有能量損失，自動增益控制電路使得振蕩保持恒定的幅度。振蕩器振蕩頻率由參加振蕩的濾膜和濾膜上的顆粒物質(zhì)量決定，儀器通過采樣泵和流量計，使環(huán)境空氣以恒定的流量通過采樣濾膜，測量出一定間隔時間前后的兩個振蕩頻率，得出這段時間內(nèi)濾膜上顆粒物質(zhì)量的變化，再除以流過濾膜的空氣的總體積，就得到這段時間內(nèi)空氣中顆粒物的平均濃度。微量振蕩天平能夠用于實時連續(xù)監(jiān)測空氣中顆粒物的濃度，其測量精度和實時性是傳統(tǒng)方法所無法比擬的，但該儀器受溫度、濕度干擾較大，且對濾膜要求很高。
壓電晶體法，又稱為壓電晶體頻差法，采用石英諧振器作為測量顆粒物的敏感元件。其工作原理是使空氣以恒定流量通過切割器，進入由高壓放電針和微量石英諧振器組成的靜電采樣器，在高壓電暈放電的作用下，氣流中的顆粒 物全部沉降于測量諧振器的電極表面上，因電極上增加了顆粒物的質(zhì)量,其振蕩頻率發(fā)生變化,根據(jù)頻率變化可測定顆粒物的質(zhì)量濃度。壓電晶體法同樣也需經(jīng)過取樣過程，但石英諧振器對其表面量的變化十分敏感，會影響測量的精度，因此使用一段時間后需要清潔石英晶體，清洗的時間間隔視顆粒物質(zhì)量濃度大小而定。
光散射法作為一種較為新型的顆粒物濃度測量方法，是近年來的研究熱點，并已經(jīng)占據(jù)主導(dǎo)地位。光散射法利用顆粒的光學(xué)特性，當(dāng)包含有一定濃度顆粒物的采樣氣體通過光學(xué)區(qū)域時，光束由于粒子的散射偏離原來的方向，在一定角度或區(qū)域內(nèi)，通過光電轉(zhuǎn)換模塊，將散射光信號轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號經(jīng)放大電路和比較電路送入計算機處理得出顆粒物的各種信息，結(jié)合采樣氣體流量，就能得到顆粒物的濃度。隨著激光技術(shù)、半導(dǎo)體工業(yè)和計算機技術(shù)的發(fā)展，激光散射測量技術(shù)已越來越成熟，目前國內(nèi)外已經(jīng)相繼研制出不同類型的激光粒度儀器。
早在上世紀(jì)70年代，國外已開始研究光散射法測粒技術(shù)，但至今仍存在很多不足之處，光散射法之所以在如此短的時間內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，是因為它與其它方法相比，具有以下無可比擬的優(yōu)勢(I)適應(yīng)性廣適應(yīng)于固、液、氣三種形態(tài)微細(xì)顆粒測量。
(2)粒徑測量范圍寬近年來的全方位多角度測量法，已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)從納米至毫米的跨6個數(shù)量級的精確測量。
(3)重復(fù)性好速度快由于光電轉(zhuǎn)換十分迅速，可以實現(xiàn)多次實時在線測量。
(4)自動化及智能化程度高采集測量工作能實現(xiàn)自動運行，儀器操作簡便，可節(jié)省勞力，并避免測量過程主觀因素影響。
同樣，光散射法也存在缺陷，除了儀器加工精度要求很高外，在用于實際濃度測量 時，由于溫度、濕度的影響，儀器精度難以保證，加上實際粒子形狀不規(guī)則及運動無規(guī)律，在 數(shù)學(xué)近似處理上十分復(fù)雜，因此，目前基于光散射法的儀器還必須依賴稱重法等其它基本 方法標(biāo)定和校準(zhǔn)。
PM2. 5由于其特殊性和復(fù)雜性，目前對其濃度的監(jiān)測方法都還存在不足，以上各種 方法也只能在特定條件下反映PM2. 5的濃度。而隨著人們環(huán)保意識的提高，以及對空氣質(zhì) 量要求的提高，空氣污染治理工作迫在眉睫，因此，研制能夠?qū)崟r、高效、準(zhǔn)確測量PM2. 5以 及其它粒徑范圍的顆粒物濃度監(jiān)測裝置的意義十分重大。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種新型的PM2. 5質(zhì)量濃度實時監(jiān)測裝置與監(jiān)測方法，可以提高 PM2. 5質(zhì)量濃度測量的速度以及精確度。
實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是一種新型的PM2. 5質(zhì)量濃度實時監(jiān)測裝置，包括PM2. 5采樣機構(gòu)、光電測量機構(gòu)及外圍 輔件，與現(xiàn)有技術(shù)不同的是還設(shè)置有粒子凝聚機構(gòu)，光電測量機構(gòu)由氣路、光路、信號處理 及輔助部件組成；PM2. 5采樣機構(gòu)的出氣口與粒子凝聚機構(gòu)的進氣口連接，粒子凝聚機構(gòu) 的出氣口和光電測量機構(gòu)的進氣口連接。
所述凝聚機構(gòu)由分流區(qū)、雙極荷電區(qū)和凝聚區(qū)順序連接而成。
所述PM2. 5采樣機構(gòu)為現(xiàn)有技術(shù)，用于采集只含PM2. 5的待檢測空氣；所述粒子凝聚機構(gòu)包括前端的分流區(qū)、雙極荷電區(qū)和后端的凝聚區(qū)三大部分，通過凝 聚使樣氣的粒徑分布發(fā)生變化，便于后續(xù)環(huán)節(jié)的測量；所述分流區(qū)為Y字形結(jié)構(gòu)金屬管道，氣流入口截面呈方形，與PM2. 5采樣機構(gòu)氣流出口 相連接，對稱的兩根支管的末端為氣流出口，整個支管截面均勻縮減，出口處截面呈細(xì)長的 矩形，兩根支管的末端分別與正負(fù)瓷質(zhì)絕緣管腔的氣流入口相連，外壁接地處理。
所述雙極荷電區(qū)采用瓷質(zhì)圓筒式管腔結(jié)構(gòu)，頂部裝有可開的絕緣蓋，底座采用瓷 質(zhì)絕緣材料，底座上設(shè)有接線端子，管腔軸線處為一根金屬電暈線。金屬電暈線由可調(diào)直流 穩(wěn)壓電源供電，電暈線上下端固定于絕緣頂蓋和瓷質(zhì)底座內(nèi)。
所述凝聚區(qū)為一個截面直徑大于2倍雙極荷電管截面直徑的管腔，內(nèi)部光滑且絕 緣，頂端兩側(cè)設(shè)有氣流入口，氣流入口與荷電區(qū)的氣流出口相連且截面保持一致，氣流出口 設(shè)置在圓筒底面中心處，截面呈方形，凝聚區(qū)氣流入口管道和氣流出口管道空間垂直，節(jié)省 裝置空間，腔體頂部設(shè)置可開密封蓋，便于定期拆卸清理。
所述光電測量機構(gòu)包括光路、氣路、信號處理和輔助部件等幾大部分，以獲得更加 精確的PM2. 5實時質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)。
所述光源采用紅色高亮度激光二極管，單色性、方向性以及光束線寬滿足要求。
所述信號采集器為高靈敏度光電探測器，具有較好的頻譜相應(yīng)。信號處理部分采 用光度直流電壓分析器和單粒子脈沖電壓分析器，分別得出大小兩類粒子的質(zhì)量濃度，最 終獲得實時的PM2. 5質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)。
整套裝置各大部分之間都裝有氣體流量計和氣閥，結(jié)合對氣泵的調(diào)節(jié)來控制氣流量在合理范圍內(nèi)波動。
一種新型的PM2. 5質(zhì)量濃度實時監(jiān)測方法，包括如下步驟(1)通過PM2.5采樣機構(gòu)采集只含PM2. 5的樣氣，使其進入分流區(qū)域；(2)通過Y形分流管道將PM2.5樣氣分流成兩等分，使其分別進入正負(fù)雙極荷電區(qū)；(3)通過直流高壓使空氣電離，使PM2.5粒子荷電經(jīng)過加速后的PM2. 5樣氣形成扁平 的層狀氣流貼荷電管內(nèi)壁旋轉(zhuǎn)上升，荷電管中心處的電暈線在直流高壓下放電，產(chǎn)生的電 弧使周圍空氣電離出正負(fù)電荷，中心處的負(fù)壓促使游離電荷向四周擴散，進而與樣氣中的 粒子結(jié)合使其荷電；(4)通過凝聚腔使荷電粒子充分混合，正負(fù)荷電粒子在靜電力作用下凝聚正負(fù)荷電樣 氣從凝聚腔頂端兩側(cè)的氣流入口進入，沿腔內(nèi)壁運動，兩股氣流迅速匯聚并向腔底擴散，所 包含的正負(fù)荷電粒子在靜電力作用下凝聚變大后隨氣流從底面中心處的氣流出口流出；(5)通過光電測量裝置實現(xiàn)光信號的獲取、轉(zhuǎn)換、處理以及PM2.5質(zhì)量濃度顯示輸出 特定的激光束打在流經(jīng)觀測區(qū)的樣氣上，由于樣氣中粒子的作用，光束方向及能量等性質(zhì) 發(fā)生改變，將一定角度范圍內(nèi)的透射光信號通過凹面反射鏡會聚到光電探測器上，對光電 探測器輸出電壓信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換、放大、比較并送入光度直流電壓分析器和單粒子脈沖 電壓分析器，分別得出大小兩類粒子的質(zhì)量濃度，最終獲得實時的PM2. 5質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)。
本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明提供的新型PM2. 5質(zhì)量濃度實時監(jiān)測裝置及監(jiān)測方 法，僅針對空氣中PM2. 5的質(zhì)量濃度進行測量，測量專一性強；通過粒子凝聚方法，使粒子 數(shù)目減少，粒徑增大，降低了裝置的數(shù)據(jù)處理量，采用該裝置與方法，可以在多種環(huán)境條件 下實現(xiàn)更快、更精確的PM2. 5實時質(zhì)量濃度測量。


圖1是粒子凝聚機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中箭頭為氣流方向。
圖2是光電測量機構(gòu)的詳細(xì)結(jié)構(gòu)框圖。
圖中1.氣體流量計與氣閥入口 2. Y形分流管 3.瓷質(zhì)底座 4.接線端子 5.電暈線6.雙極荷電管7.絕緣密封頂蓋8.密封蓋9.凝聚腔10.氣體流量計 與氣閥出口 11. HEPA濾膜12.樣氣入口 13.光線陷阱14.光學(xué)腔15.信號轉(zhuǎn)換 模塊16.單粒子脈沖電壓分析器17.氣孔18.潔凈氣套19.凹面反射鏡20.激光 束21.擴束準(zhǔn)直光路器件22.激光二極管23.排氣口 24.氣體流量計25.可調(diào)氣 泵26.氣流緩沖腔27保護濾膜28.稱重濾膜29.觀測區(qū)30.光度直流電壓分析器 31.綜合數(shù)據(jù)顯示輸出模塊。
具體實施方式
一種新型的PM2. 5質(zhì)量濃度實時監(jiān)測裝置，由PM2. 5采樣機構(gòu)、粒子凝聚機構(gòu)、光 電測量機構(gòu)及外圍輔件組成，PM2. 5采樣機構(gòu)的出氣口與粒子凝聚機構(gòu)前端的氣體流量計 與氣閥入口 I連接，粒子凝聚機構(gòu)后端的氣體流量計與氣閥出口 10和光電測量機構(gòu)的樣氣 入口 12連接。
參照圖1，粒子凝聚機構(gòu)由前端的Y形分流區(qū)2、雙極荷電區(qū)和后端的凝聚區(qū)三大 部分組成，通過凝聚使樣氣的粒徑分布發(fā)生變化，便于后續(xù)環(huán)節(jié)的測量；Y形分流區(qū)2為金屬Y字形結(jié)構(gòu)管道，氣流入口截面呈方形，與PM2. 5采樣機構(gòu)的氣流出口相連接，對稱的兩根支管的末端為氣流出口，整個支管截面均勻縮減，出口處截面呈細(xì)長的矩形，兩根支管的末端分別與正負(fù)瓷質(zhì)絕緣管腔的氣流入口相連，外壁接地處理。
雙極荷電區(qū)采用兩根瓷質(zhì)圓筒式雙極荷電管6，其頂部裝有可開的絕緣密封頂蓋 7，底部采用瓷質(zhì)底座3，瓷質(zhì)底座3上設(shè)有接線端子4，雙極荷電管6的管腔軸線處設(shè)有一根金屬電暈線5 ;金屬電暈線5采用可調(diào)直流穩(wěn)壓電源供電，電暈線5上下端分別與絕緣頂蓋7和瓷質(zhì)底座3固定連接。
凝聚區(qū)為一個截面直徑大于二倍雙極荷電管6截面直徑的凝聚腔9，內(nèi)部光滑且絕緣，頂端兩側(cè)設(shè)有氣流入口，氣流入口與荷電區(qū)氣流出口相連且截面保持一致，氣流出口設(shè)置在圓筒底面中心處，截面呈方形，凝聚區(qū)氣流入口管道和氣流出口管道空間垂直，節(jié)省裝置空間，凝聚腔體頂部設(shè)置可開密封蓋8，便于定期拆卸清理。
參照圖2，光電測量機構(gòu)由光路、氣路、信號處理部分和輔助部件等幾大部分組成， 以獲得更加精確的PM2. 5實時質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)，其中光路由光線陷阱13、光學(xué)腔14、凹面反射鏡19、激光束20、擴束準(zhǔn)直光路器件21、激光二級管22和觀測區(qū)29組成；氣路由HEPA濾膜11、樣氣入口 12、潔凈氣套18、排氣口 23、氣體流量計24、可調(diào)氣泵 25和氣流緩沖腔26組成；信號處理部分由信號轉(zhuǎn)換模塊15、單粒子脈沖電壓分析器16、光度直流電壓分析器30 和綜合數(shù)據(jù)顯示輸出模塊31組成；輔助部件由氣孔17、保護濾膜27和稱重濾膜28組成。
整個光電測量機構(gòu)的工作原理為激光二極管22發(fā)出的紅色激光束20經(jīng)擴束準(zhǔn)直光路器件 21變換后入射到觀測區(qū)29內(nèi)的氣流上，透射光由光線陷進13捕捉吸收，部分散射光由凹面反射鏡19會聚到信號轉(zhuǎn)換模塊15處，該模塊包含光電探測器以及后續(xù)的模數(shù)、放大、比較等轉(zhuǎn)換電路，通過設(shè)置一個合適的電壓閾值，將產(chǎn)生的數(shù)字電壓信號分別送入單粒子脈沖電壓分析器16和光度直流電壓分析器30內(nèi)進行處理，單粒子脈沖電壓分析器顯示的大脈沖信號的個數(shù)代表大粒子數(shù)目，高度均值可通過MIE理論轉(zhuǎn)換得到粒子等效粒徑。通過將電壓等級定標(biāo)并進行分階處理，設(shè)定好采樣頻率，實時分析各個時段電壓均值以及方差，從數(shù)字相關(guān)性方面來判定大粒子數(shù)目與等效粒徑。然后只需通過稱重濾膜28收集一定量的粒子，得出粒子的平均密度，我們便可以讓裝置輸出較為準(zhǔn)確的大粒子質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)；對于較小粒子(等效直徑< O. 5μπι)，其信號接收及處理原理與大粒子相同，小粒子具有數(shù)目多，信號弱等特點，但經(jīng)過凝聚處理后，其質(zhì)量占粒子總質(zhì)量比重較低，所以通過光度直流電壓分析器可反映出細(xì)粒子實時的光度平均水平，可專門配置粒徑分布接近正態(tài)分布的一系列標(biāo)準(zhǔn)粒子，使其通過機構(gòu)的氣路系統(tǒng)，對光度信號進行標(biāo)定，通過設(shè)定一個校準(zhǔn)系數(shù)，便可得出小粒子的近似質(zhì)量，綜合數(shù)據(jù)顯示輸出模塊31收集所有得到的數(shù)據(jù)并進行輸出，剩余樣氣經(jīng)過整個光電測量機構(gòu)后由排氣口 23流出。HEPA濾膜11、光學(xué)腔14、 氣孔17和潔凈氣套18幾個部件組成一個潔凈氣套氣路，保證觀測區(qū)不受外部粒子信號的干擾，裝置末端的稱重濾膜28用于定標(biāo)和校準(zhǔn)裝置，保護濾膜27和氣流緩沖腔26用于保護裝置，使其在正常狀態(tài)下運行，延長使用壽命。
所述信號采集器為具有較好的頻譜響應(yīng)的高靈敏度光電探測器。信號處理部分采用光度直流電壓分析器和單粒子脈沖電壓分析器，分別測出大小兩類粒子的質(zhì)量濃度，最 終獲得實時PM2. 5質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)。
整個氣路系統(tǒng)由可調(diào)氣泵25產(chǎn)生負(fù)壓，結(jié)合對粒子凝聚機構(gòu)的氣體流量計與氣 閥入口1、氣體流量計與氣閥出口 10以及氣體流量計24的控制，保證裝置各區(qū)域的氣流量 與氣壓在合適的范圍內(nèi)。
所述監(jiān)測方法包括以下步驟(O由可調(diào)氣泵產(chǎn)生負(fù)壓使空氣進入PM2. 5采樣機構(gòu)，在機構(gòu)內(nèi)部，PM2. 5成分分離并 隨氣流流出裝置；(2)分離后的PM2.5樣氣流經(jīng)Y形分流管2，由于支管末端口徑縮小，氣流速度加快并 等分成兩股分別進入正負(fù)兩個雙極荷電管6內(nèi)；(3)荷電管氣流入口位于管腔底端且偏置于一側(cè)，加速后的扁平氣流貼管壁內(nèi)側(cè)形成 螺旋狀上升的渦流，保證氣流環(huán)繞電暈線5運行較長時間，電暈線上下端均固定，通過瓷質(zhì) 底座3上的接線端子4引入直流高壓，高壓使電暈線產(chǎn)生電弧，周圍空氣被電離，游離的電 荷在高速旋轉(zhuǎn)氣流產(chǎn)生的負(fù)壓的作用下向四周擴散，被氣流中的PM2. 5粒子吸附，使粒子 荷電，由于該直流電源的電壓可調(diào)，氣流進入的速度可控，因此可以實現(xiàn)不同氣流速度下粒 子的充分荷電，荷電管頂端的絕緣密封蓋7可開，便于清理和檢修裝置；(4)兩股樣氣經(jīng)過雙極荷電管后分別荷上正負(fù)電荷，荷電樣氣分別從凝聚腔9頂端兩 側(cè)的管道進入，兩股氣流沿圓筒內(nèi)壁以不同的旋轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)并在凝聚腔頂端匯聚，帶不同 電荷的粒子在靜電力的作用下接觸并凝聚，粒徑變大，顆粒數(shù)目顯著減少，尤其是極細(xì)顆粒 成分，便于裝置測量。在重力作用下，粒子隨氣流下降，從凝聚腔底面中心處管道流出，腔頂 也設(shè)有密封蓋8，其功能與絕緣密封蓋7的基本相同；(5)經(jīng)凝聚處理后的氣流從樣氣入口12處進入光電測量機構(gòu)，光電測量機構(gòu)包括氣 路、光路、信號處理輸出及輔助部分，其中光路部分由光線陷阱13、光學(xué)腔14、凹面反射鏡 19、激光束20、擴束準(zhǔn)直光路器件21、激光二級管22和觀測區(qū)29組成；氣路由HEPA濾膜11、樣氣入口 12、潔凈氣套18、排氣口 23、氣體流量計24、可調(diào)氣泵25和氣流緩沖腔26組 成；信號處理部分由信號轉(zhuǎn)換模塊15、單粒子脈沖電壓分析器16、光度直流電壓分析器30 和綜合數(shù)據(jù)顯示輸出模塊31組成；輔助部件由氣孔17、保護濾膜27和稱重濾膜28組成。
本發(fā)明通過以上裝置與方法，可以實現(xiàn)多種環(huán)境條件下空氣中PM2. 5質(zhì)量濃度的 測量，通過減少樣氣中粒子的數(shù)目，增大粒徑等基本手段，實現(xiàn)更快、更準(zhǔn)、更實時地監(jiān)測 PM2. 5質(zhì)量濃度的目標(biāo),滿足相關(guān)領(lǐng)域的需求。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和 原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種新型的PM2. 5質(zhì)量濃度實時監(jiān)測裝置，包括PM2. 5采樣機構(gòu)、光電測量機構(gòu)及外圍輔件，其特征是還設(shè)置有粒子凝聚機構(gòu)，光電測量機構(gòu)由氣路、光路、信號處理及輔助部件組成；PM2. 5采樣機構(gòu)的出氣口與粒子凝聚機構(gòu)的進氣口連接，粒子凝聚機構(gòu)的出氣口和光電測量機構(gòu)的進氣口連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征是所述凝聚機構(gòu)由分流區(qū)、雙極荷電區(qū)和凝聚區(qū)順序連接而成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征是所述分流區(qū)為Y字形結(jié)構(gòu)金屬管道，氣流入口截面呈方形，與PM2. 5采樣機構(gòu)氣流出口相連接，對稱的兩根支管的末端為氣流出口，整個支管截面均勻縮減，出口處截面呈細(xì)長的矩形，兩根支管的末端分別與正負(fù)瓷質(zhì)絕緣管腔的氣流入口相連，外壁接地處理。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征是所述雙極荷電區(qū)采用瓷質(zhì)圓筒式荷電管，頂部裝有可開的絕緣蓋，底座采用瓷質(zhì)絕緣材料，底座上設(shè)有接線端子，管腔軸線處為一根金屬電暈線。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其特征是金屬電暈線采用可調(diào)直流穩(wěn)壓電源供電，電暈線上下端固定于絕緣頂蓋和瓷質(zhì)底座內(nèi)。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征是所述凝聚區(qū)為一個截面直徑大于二倍雙極荷電管截面直徑的管腔，內(nèi)部光滑且絕緣，頂端兩側(cè)設(shè)有氣流入口，氣流入口與荷電區(qū)氣流出口相連且截面保持一致，氣流出口設(shè)置在圓筒底面中心處，截面呈方形，凝聚區(qū)氣流入口管道和氣流出口管道空間垂直，腔體頂部設(shè)置可開密封蓋。
7.一種新型的PM2. 5質(zhì)量濃度實時監(jiān)測方法，其特征是包括如下步驟 (1)通過PM2.5采樣機構(gòu)采集只含PM2. 5的樣氣，使其進入分流區(qū)域； (2)通過Y形分流管道將PM2.5樣氣分流成兩等分，使其分別進入正負(fù)雙極荷電區(qū)； (3)通過直流高壓使空氣電離，使PM2.5粒子荷電經(jīng)過加速后的PM2. 5樣氣形成扁平的層狀氣流貼荷電管內(nèi)壁旋轉(zhuǎn)上升，荷電管中心處的電暈線在直流高壓下放電，產(chǎn)生電弧使空氣電離出正負(fù)電荷，中心處的負(fù)壓促使游離電荷向四周擴散，進而與樣氣中的粒子結(jié)合使其荷電； (4)通過凝聚腔使荷電粒子充分混合，正負(fù)荷電粒子在靜電力作用下凝聚正負(fù)荷電樣氣從凝聚腔頂端兩側(cè)的氣流入口進入，沿腔內(nèi)壁匯聚擴散下沉，正負(fù)荷電粒子在靜電力作用下凝聚變大后隨氣流從底面中心氣流出口流出； (5)通過光電測量機構(gòu)實現(xiàn)光信號的獲取、轉(zhuǎn)換、處理以及PM2.5質(zhì)量濃度顯不輸出特定的激光束打在流經(jīng)觀測區(qū)的樣氣上，由于樣氣中粒子的作用，光束方向及能量等性質(zhì)發(fā)生改變，將一定角度范圍內(nèi)的透射光信號通過凹面反射鏡會聚到光電探測器上，對光電探測器輸出電壓進行模數(shù)轉(zhuǎn)換、放大、比較并送入光度直流電壓分析器和單粒子脈沖電壓分析器，分別得出大小兩類粒子的質(zhì)量濃度，最終獲得實時PM2. 5質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種新型的PM2.5質(zhì)量濃度實時監(jiān)測裝置與監(jiān)測方法，所述監(jiān)測裝置包括PM2.5采樣機構(gòu)，用于只含PM2.5的樣氣的獲??；粒子凝聚機構(gòu)，使進入機構(gòu)的粒子發(fā)生凝聚，吸收極細(xì)粒子成分，減少粒子數(shù)目；光電測量機構(gòu)，將光信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并進行處理，實時輸出檢測到的PM2.5質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)；本發(fā)明提供的新型PM2.5質(zhì)量濃度實時監(jiān)測裝置與方法，將PM2.5作凝聚處理，大大減少了樣氣中的粒子數(shù)目，降低了裝置的數(shù)據(jù)處理量，加快了測量速度；在光電測量環(huán)節(jié)，將大粒子的峰值信號與小粒子信號分開處理，并對信號進行分階求平均，提高了裝置的精確度，從而更加高效地對PM2.5質(zhì)量濃度進行實時監(jiān)測。
文檔編號G01N15/06GK103018145SQ20121038603
公開日2013年4月3日 申請日期2012年10月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月12日
發(fā)明者黃知超, 申雙江, 王斌, 李震, 范興明, 張彤 申請人:桂林電子科技大學(xué)