專利名稱：大氣顆粒物—碳黑氣溶膠質(zhì)量濃度監(jiān)測(cè)儀及監(jiān)測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種環(huán)保監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，具體是一種簡(jiǎn)便地在線監(jiān)測(cè)大氣顆粒物一碳 黑氣溶膠質(zhì)量濃度的儀器與方法。
背景技術(shù)：
碳黑氣溶膠對(duì)區(qū)域乃至全球氣候和環(huán)境變遷具有十分重要的影響，其粒徑一 般小于2.5微米，對(duì)人體健康的危害更甚于PMIO，因此逐漸成為各國(guó)氣象部門 和環(huán)保組織的檢測(cè)對(duì)象。目前，國(guó)際上檢測(cè)含碳?xì)馊苣z的方法主要有
A.渾濁度測(cè)定法此方法采用傳統(tǒng)的"渾濁度系數(shù)"采樣器(Coefficient Of Haze tape sampler,簡(jiǎn)稱C0H)在某點(diǎn)固定時(shí)間段收集氣溶膠，然后 測(cè)量從白熾光源發(fā)射的光的反射系數(shù)。隨著樣品中碳黑量的增加，反射 系數(shù)會(huì)減小。該方法由于其數(shù)據(jù)精確性低，已逐漸被其它方法替代。 B .熱光分解法氣溶膠樣品中的有機(jī)碳/元素碳含量由熱光反射分解法 (Thermal Oxidation/ Reflection ，簡(jiǎn)稱TOR)獲得。在無(wú)氧的純He 環(huán)境中，分別在不同的溫度下，對(duì)濾膜片進(jìn)行加熱，將濾紙上的顆粒態(tài) 碳轉(zhuǎn)化為C02;然后再將樣品在含2%氧氣的氦氣環(huán)境下逐步加熱，此時(shí)樣 品中的元素碳釋放出來(lái)。樣品在加熱過(guò)程中，部分有機(jī)碳可發(fā)生碳化現(xiàn) 象而形成碳黑，使濾膜變黑，導(dǎo)致熱譜圖上的有機(jī)碳和元素碳峰不易區(qū) 分。因此激光監(jiān)測(cè)濾紙的反射光強(qiáng)，利用光強(qiáng)的變化明確指示出元素碳 氧化的起始點(diǎn)。由此得到的元素碳和碳黑成較好的同一性。但該方法的 操作復(fù)雜，監(jiān)測(cè)成本較高，不利于碳黑氣溶膠連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的問(wèn)題是采用光學(xué)衰減法，提供一種大氣顆粒物一碳黑氣溶 膠質(zhì)量濃度監(jiān)測(cè)儀及監(jiān)測(cè)方法，提高大氣顆粒物濃度測(cè)量的實(shí)時(shí)性和自動(dòng)化，使
得測(cè)量大氣顆粒物濃度的工作更為簡(jiǎn)單準(zhǔn)確。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案
大氣顆粒物——碳黑氣溶膠質(zhì)量濃度監(jiān)測(cè)儀，其特征在于包括有氣體監(jiān)測(cè) 室，氣體監(jiān)測(cè)室的上端聯(lián)接有懸掛的吸附電磁鐵，氣體監(jiān)測(cè)室的頂部安裝有LED 光源陣列，氣體監(jiān)測(cè)室聯(lián)通有氣體入口，氣體監(jiān)測(cè)室的底部為玻璃底板，玻璃底 板上有透氣窗口；氣體監(jiān)測(cè)室的底部，置于基座上；所述玻璃底板下方是安裝于 基座上的玻璃隔板，玻璃隔板下方安裝有參考光電探測(cè)器，透氣窗口和基座上的 出氣室的進(jìn)氣口吻合，出氣室側(cè)面有氣體出口，出氣室底部為玻璃，其下方安裝 有測(cè)量光電探測(cè)器；氣體監(jiān)測(cè)室和基座之間壓有能蓋住透氣窗口的石英濾紙帶； 所述的氣體出口經(jīng)過(guò)質(zhì)量流量控制器、三通電磁閥和氣泵聯(lián)通，三通電磁閥一個(gè) 接口通過(guò)過(guò)濾器和大氣聯(lián)通。
所述的大氣顆粒物——碳黑氣溶膠質(zhì)量濃度監(jiān)測(cè)方法，其特征在于包括以 下步驟
(1) 、設(shè)置氣體監(jiān)測(cè)室，氣體的頂部安裝有LED光源陣列，氣體監(jiān)測(cè)室聯(lián)通 有氣體入口，氣體監(jiān)測(cè)室的底部為玻璃底板，玻璃底板上有透氣窗口；氣體監(jiān)測(cè) 室的底部有石英過(guò)濾紙帶；透氣窗口和其下方的出氣室上的進(jìn)氣口吻合，并將石 英濾紙壓在中間；通過(guò)氣泵抽氣，并同時(shí)測(cè)量大氣流量，使待測(cè)大氣從氣體監(jiān)測(cè) 室的氣體入口進(jìn)入，從出氣室的出氣口抽出，大氣經(jīng)過(guò)石英過(guò)濾紙過(guò)濾作用，會(huì) 在石英過(guò)濾紙上沉積大氣顆粒物；利用參考光電探測(cè)器透過(guò)玻璃底板與石英濾紙 的光信號(hào)，利用測(cè)量光電探測(cè)器接收透過(guò)透氣窗口下方石英濾紙的光信號(hào)；
(2) 、在不抽氣的情況下，通過(guò)參考與測(cè)量光電探測(cè)器測(cè)量透過(guò)石英濾紙的 參考光強(qiáng)L。和測(cè)量光強(qiáng)L。；
(3) 、抽氣A"所抽的空氣樣品中的碳黑氣溶膠顆粒沉積在石英濾紙膜上；
(4) 、根據(jù)測(cè)量的大氣流量值F，再結(jié)合抽氣時(shí)間A"計(jì)算氣體的體積；
(5) 、打開(kāi)光源，參考與測(cè)量光電探測(cè)器探測(cè)的參考光強(qiáng)^和測(cè)量光強(qiáng)L， 在該種光源下，碳黑氣溶膠顆粒對(duì)該種光的光衰減值增量
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(6) 、計(jì)算碳黑氣溶膠顆粒的質(zhì)量濃度
5"為氣溶膠沉積在石英濾紙上的面積，O"是碳黑氣溶膠的質(zhì)量吸收截面； (7)、顯示碳黑氣溶膠顆粒物的質(zhì)量濃度。
所述的LED光源陣列中有七種光源，在測(cè)量時(shí)，可打開(kāi)其中一個(gè)光源進(jìn)行測(cè) 量；或者依次打開(kāi)各種光源，進(jìn)行測(cè)量，并將在各種不同光源照射下測(cè)量結(jié)果進(jìn) 行對(duì)比。
所述的LED光源陣列中有七種光源，紫光-350nm，藍(lán)光-450nm，綠光-571nm， 黃光-590nm，紅光-660nm，紅外l-880nm，紅外2-950nm，每種光源采用一對(duì)串 聯(lián)的發(fā)光二極管。
測(cè)量原理
石英濾紙采集氣溶膠樣品時(shí)，隨著碳黑量的增加，被光電探測(cè)器檢測(cè)到的光 強(qiáng)度也將減小，其對(duì)應(yīng)的光衰減量則增大。在有效范圍內(nèi)，光衰減量ATN與單位 面積石英濾紙上沉積的碳黑總質(zhì)量孤c有著線性關(guān)系<formula>formula see original document page 6</formula>
式(1)中，/。為通過(guò)原始濾紙即空白濾紙部分的光強(qiáng)；/為通過(guò)樣品濾紙的 光強(qiáng)；為單位面積石英濾紙上沉積的碳黑總質(zhì)量，單位為g.附-、<7(1//1)則是 碳黑氣溶膠的質(zhì)量吸收截面，是BC濃度測(cè)量中最關(guān)鍵的參數(shù)，在實(shí)際應(yīng)用中它 與測(cè)量光波長(zhǎng)/l成反比，單位為m21—1。本發(fā)明大氣顆粒物碳黑監(jiān)測(cè)儀使用波 長(zhǎng)880nm的近紅外光作為BC濃度的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量光，質(zhì)量吸收截面o"取值為 16.6附2 -g—1 。
恥c的增量2l^fe與碳黑氣溶膠質(zhì)量濃度pse有著線性關(guān)系
式(2)中，F(xiàn)為采樣流量，Jt為采樣時(shí)間間隔，S為氣溶膠沉積在石英濾紙上 的面積。若在一測(cè)量周期中，&、 &分別為測(cè)量光探測(cè)器在光源開(kāi)啟和關(guān)閉 時(shí)的輸出；厄、A分 別為參考光探測(cè)器在光源開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)的輸出，則該測(cè)量周期ATN為
<formula>formula see original document page 7</formula>同樣，下一周期的光衰減值為^7AY^2^，通過(guò)計(jì)算可得到光衰減值增] A4黑
<formula>formula see original document page 7</formula> (4)
將(2)式帶入(4)式即可得到該采樣時(shí)段中碳黑氣溶膠的質(zhì)量濃度p^ :
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采用參考與測(cè)量二個(gè)光電探測(cè)器，一路作為參考用，另一路作為測(cè)試用。采 用雙光電探測(cè)器的目的是由于濾紙走紙波動(dòng)、高亮度LED定波長(zhǎng)光源陣列輸出 能量波動(dòng)、光接收二極管由于溫度變化使光電轉(zhuǎn)換效率變化等因素會(huì)造成系統(tǒng) 監(jiān)測(cè)誤差，該誤差可以表現(xiàn)為隨機(jī)誤差，也可表現(xiàn)為長(zhǎng)時(shí)間段測(cè)量誤差，系統(tǒng)監(jiān) 測(cè)波動(dòng)較大，因此本發(fā)明采用了參考光電探測(cè)器來(lái)消除或減小上述各種誤差。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和效果
本發(fā)明提供了一種在線監(jiān)測(cè)大氣顆粒物——碳黑氣溶膠質(zhì)量濃度的儀器，采 用光學(xué)衰減法，實(shí)時(shí)性好，精度高，成本低，提高了自動(dòng)化程度，省時(shí)省力，可 全天候自動(dòng)連續(xù)工作，確保大氣顆粒物碳黑氣溶膠的連續(xù)、實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。


圖1是所述大氣顆粒物碳黑監(jiān)測(cè)儀系統(tǒng)組成框圖。
圖2是氣體監(jiān)測(cè)室和出氣室框圖。
圖3是走紙傳動(dòng)機(jī)構(gòu)框圖。
圖4是LED光源陣列框圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明大氣顆粒物——碳黑氣溶膠質(zhì)量濃度，主要由LED光源陣列11、氣 體監(jiān)測(cè)室4、參考光電探測(cè)器13、測(cè)量光電探測(cè)器14、走紙傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、三通電 磁閥8，質(zhì)量流量控制器7、氣泵1、氣體過(guò)濾器6組成；上述的氣體監(jiān)測(cè)室4 內(nèi)，頂部是LED光源陣列11，氣體監(jiān)測(cè)室4底部是密封的透明的玻璃隔板12，
LED陣列11的光透過(guò)玻璃隔板12后，能量分布均勻；玻璃隔板12上只有一個(gè) 透氣窗口；氣體監(jiān)測(cè)室的底部，壓在透光均勻的石英濾紙帶上，紙帶的下面是安 裝在基座上的光學(xué)玻璃隔板，隔板下是參考光電探測(cè)器13;在透氣窗口下方的 透光石英濾紙帶上表面，有氣體中的碳黑氣溶膠顆粒的沉積，紙帶下方是出氣室 5的進(jìn)氣口，出氣室5底部是光學(xué)玻璃隔板，光學(xué)玻璃隔板下是測(cè)量光電探測(cè)器 14，將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；整個(gè)氣體監(jiān)測(cè)室4側(cè)面有一個(gè)氣體入口外， 其他部分密封。
所述的氣體監(jiān)測(cè)室4上有氣體入口，抽氣時(shí)大氣由此進(jìn)入，出氣室通過(guò)硅膠 管連接到質(zhì)量流量控制器7，再經(jīng)三通電磁閥8主路氣路到氣泵1;氣體過(guò)濾器 6外接大氣，通過(guò)硅膠管，經(jīng)三通電磁閥8旁路氣路到氣泵1。
用于石英濾紙走紙的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，是由紙帶供應(yīng)盤(pán)3，進(jìn)紙電機(jī)18，轉(zhuǎn)紙電機(jī) 9,轉(zhuǎn)紙盤(pán)10和行程開(kāi)關(guān)17組成。
氣體監(jiān)測(cè)室4上端連接有懸掛的電磁鐵15，以及上端限位固定的壓紙彈簧 16，當(dāng)電磁鐵15吸合向上移動(dòng)時(shí)，氣體監(jiān)測(cè)室4也一并向上移動(dòng)，壓紙彈簧16 被壓縮；反之，當(dāng)電磁鐵15處于正常狀態(tài)時(shí)，壓紙彈簧16上端限位，壓在氣體 監(jiān)測(cè)室4上方，使得石英濾紙貼緊氣體監(jiān)測(cè)室4底部。
在真空氣泵1提供抽氣的作用下，氣體從入口進(jìn)入氣體監(jiān)測(cè)室4,經(jīng)透氣窗 口穿過(guò)石英濾紙帶，氣體中的碳黑氣溶膠顆粒被過(guò)濾在濾紙膜上，穿過(guò)濾紙膜的 氣體到達(dá)質(zhì)量流量控制器7后，由質(zhì)量流量控制器7測(cè)量出其真實(shí)流量大小，從 質(zhì)量流量控制器出來(lái)7的氣體經(jīng)三通電磁閥8主通路到達(dá)氣泵1，最后由氣泵1 通過(guò)氣體出口將其排出儀器外。
主要測(cè)量步驟-
第一步換上新的石英濾紙后，通過(guò)光電探測(cè)器測(cè)量第一次的參考光強(qiáng)Ir。 和測(cè)量光強(qiáng)Is。。
第二步關(guān)閉三通電磁閥8的旁路氣路，打開(kāi)其主路氣路，使系統(tǒng)對(duì)著石英 濾紙帶通氣時(shí)間為A"這段時(shí)間內(nèi)，所抽的空氣樣品中，碳黑氣溶膠顆粒全部 沉積在石英濾紙帶上。
第三步根據(jù)質(zhì)量流量控制器反饋的流量值為F，再結(jié)合通氣時(shí)間可確定氣
體的體積。
第四步打開(kāi)一種顏色的光源，此時(shí)，光電探測(cè)器探測(cè)的參考光強(qiáng)In和測(cè) 量光強(qiáng)L，根據(jù)上述公式計(jì)算在該種光源下，碳黑氣溶膠對(duì)該種光的光衰
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第五步計(jì)算碳黑氣溶膠的質(zhì)量濃度
第六步參照步驟四，保證每個(gè)時(shí)刻只有一種顏色的光源被打開(kāi)，逐一測(cè)量 在其他六種不同光源模式下，不同光源所測(cè)量的同一空氣樣品中，碳黑氣溶膠顆 粒物的質(zhì)量濃度。
第七步將測(cè)量結(jié)果本地顯示，并傳送到上位機(jī)，由上位機(jī)軟件在線動(dòng)態(tài)顯示。
所述的LED光源陣列中有七種光源(紫光-350nm，藍(lán)光-450nm，綠光-571nm， 黃光-590nm，紅光-660nm，紅外1-880nm，紅外2-950nm):由于收集的氣溶膠中， 不僅僅含有純凈的元素碳EC,還摻雜有某些種類的有機(jī)成份，例如煙草產(chǎn)生的煙 中的某些成份，剛排放的柴油廢氣等，含有這類有機(jī)成份的碳黑氣溶膠，表現(xiàn)為 對(duì)紫光的強(qiáng)吸收，所以，檢測(cè)到的紫光光衰也比其他光源要大得多。因此，根據(jù) 不同光源對(duì)同一氣溶膠的檢測(cè)并作為參考比對(duì)，可判斷出空氣樣品成份的主要來(lái) 源。
在測(cè)量時(shí)，依次打開(kāi)各種光源，進(jìn)行測(cè)量，并將在各種不同光源照射下測(cè)量 結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)一步判斷出氣體的主要來(lái)源。為了使光源能量分布相對(duì)于兩個(gè) 光電探測(cè)器接近相等，每種光源釆用一對(duì)串聯(lián)的發(fā)光二極管來(lái)相互補(bǔ)償光強(qiáng)。
權(quán)利要求
1、 大氣顆粒物——碳黑氣溶膠質(zhì)量濃度監(jiān)測(cè)儀，其特征在于包括有氣體監(jiān)測(cè)室， 氣體監(jiān)測(cè)室的上端聯(lián)接有懸掛的吸附電磁鐵，氣體監(jiān)測(cè)室的頂部安裝有LED 光源陣列，氣體監(jiān)測(cè)室聯(lián)通有氣體入口，氣體監(jiān)測(cè)室的底部為玻璃底板，玻 璃底板上有透氣窗口；氣體監(jiān)測(cè)室的底部，置于基座上；所述玻璃底板下方 是安裝于基座上的玻璃隔板，玻璃隔板下方安裝有參考光電探測(cè)器，透氣窗 口和基座上的出氣室的進(jìn)氣口吻合，出氣室側(cè)面有氣體出口，出氣室底部為 玻璃，^下方安裝有測(cè)量光電探測(cè)器；氣體監(jiān)測(cè)室和基座之間壓有能蓋住透 氣窗口的石英濾紙帶；所述的氣體出口經(jīng)過(guò)質(zhì)量流量控制器、三通電磁閥和 氣泵聯(lián)通，三通電磁閥一個(gè)接口通過(guò)過(guò)濾器和大氣聯(lián)通。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大氣顆粒物——碳黑氣溶膠質(zhì)量濃度監(jiān)測(cè)方法，其特 征在于包括以下步驟(1) 、設(shè)置氣體監(jiān)測(cè)室，氣體的頂部安裝有LED光源陣列，氣體監(jiān)測(cè)室聯(lián)通 有氣體入口，氣體監(jiān)測(cè)室的底部為玻璃底板，玻璃底板上有透氣窗口；氣體監(jiān)測(cè) 室的底部有石英過(guò)濾紙帶；透氣窗口和其下方的出氣室上的進(jìn)氣口吻合，并將石 英濾紙壓在中間；通過(guò)氣泵抽氣，并同時(shí)測(cè)量大氣流量，使待測(cè)大氣從氣體監(jiān)測(cè) 室的氣體入口進(jìn)入，從出氣室的出氣口抽出，大氣經(jīng)過(guò)石英過(guò)濾紙過(guò)濾作用，會(huì) 在石英過(guò)濾紙上沉積大氣顆粒物；利用參考光電探測(cè)器透過(guò)玻璃底板與石英濾紙 的光信號(hào)，利用測(cè)量光電探測(cè)器接收透過(guò)透氣窗口下方石英濾紙的光信號(hào)；(2) 、在不抽氣的情況下，通過(guò)參考與測(cè)量光電探測(cè)器測(cè)量透過(guò)石英濾紙的參考光強(qiáng):u和測(cè)量光強(qiáng)L。；(3) 、抽氣A"所抽的空氣樣品中的碳黑氣溶膠顆粒沉積在石英濾紙膜上；(4) 、根據(jù)測(cè)量的大氣流量值F，再結(jié)合抽氣時(shí)間A"計(jì)算氣體的體積；(5) 、打開(kāi)光源，參考與測(cè)量光電探測(cè)器探測(cè)的參考光強(qiáng)In和測(cè)量光強(qiáng)乙， 在該種光源下，碳黑氣溶膠顆粒對(duì)該種光的光衰減值增量5"為氣溶膠沉積在石英濾紙上的面積，O"是碳黑氣溶膠的質(zhì)量吸收截面；(7)、顯示碳黑氣溶膠顆粒物的質(zhì)量濃度。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的大氣顆粒物——碳黑氣溶膠質(zhì)量濃度監(jiān)測(cè)方法，其特 征在于所述的LED光源陣列中有七種光源，在測(cè)量時(shí)，可打開(kāi)其中一個(gè)光源進(jìn)行 測(cè)量；或者依次打開(kāi)各種光源，進(jìn)行測(cè)量，并將在各種不同光源照射下測(cè)量結(jié)果 進(jìn)行對(duì)比。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的大氣顆粒物——碳黑氣溶膠質(zhì)量濃度監(jiān)測(cè)方法，其特 征在于所述的LED光源陣列中有七種光源，紫光-350nm，藍(lán)光-450nm,綠光 -571nm，黃光-590nm，紅光-660nm，紅外l-880nm，紅外2-950nm，每種光源采 用一對(duì)串聯(lián)的發(fā)光二極管。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種大氣顆粒物—碳黑氣溶膠質(zhì)量濃度監(jiān)測(cè)儀，包括有氣體監(jiān)測(cè)室，氣體監(jiān)測(cè)室的上端聯(lián)接有懸掛的吸附電磁鐵，氣體監(jiān)測(cè)室的頂部安裝有LED光源陣列，氣體監(jiān)測(cè)室聯(lián)通有氣體入口，氣體監(jiān)測(cè)室的底部為玻璃底板，玻璃底板上有透氣窗口；氣體監(jiān)測(cè)室下方有石英濾紙帶；石英濾紙帶下方安裝參考與測(cè)量二個(gè)光電探測(cè)器，一路作為參考用，另一路作為測(cè)試用。采用光學(xué)衰減法，實(shí)時(shí)性好，精度高，成本低，提高了自動(dòng)化程度，省時(shí)省力，可全天候自動(dòng)連續(xù)工作，確保大氣顆粒物碳黑氣溶膠的連續(xù)、實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。
文檔編號(hào)G06F19/00GK101122556SQ20071002275
公開(kāi)日2008年2月13日 申請(qǐng)日期2007年5月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月29日
發(fā)明者劉建國(guó), 劉文清, 俊 戚, 季 李, 章月法, 魏慶農(nóng) 申請(qǐng)人:合肥霍金光電科技有限公司