专利名称：大气颗粒物测量仪的制作方法
技术领域：
本实用新型有关一种大气颗粒物测量仪，尤其是指一种能在线连续采集大气环境 中的颗粒物并精确测量颗粒物浓度的大气颗粒物测量仪。
背景技术：
空气中的总悬浮颗粒物TSP(Total Suspended Particulate)是指漂浮在空气中 的固态和液态颗粒物的总称，其粒径范围约为0. 1-100 μ m。通常把动力学直径在 ομπι以 下的颗粒物称为PMltl (Particles with Diameters of IOum or less)，又称为可吸入颗粒 物或飘尘，它们是可在大气中长期飘浮的悬浮微粒。尤其对于动力学粒径在5μπι以内呼吸 性颗粒物(如PM5、PM2.5及PM1)，由于粒径小能被直接吸入呼吸道内造成危害，尤其是动力 学粒径在2·5μπι以内的细粒子中，铅(Pb)、锰(Mn)、镉(Cd)、锑(Sb)、砷(As)、镍(Ni)、硫 酸盐、多环芳烃等含量较高，在空气中持留时间长，易将污染物带到很远的地方使污染范围 扩大。可吸入颗粒物在大气中还可为化学反应提供反应床，是气溶胶化学中研究的重点对 象，已被定为空气质量监测的一个重要指标。空气中的颗粒物对环境的有害影响还有散射 阳光、降低大气的能见度等。可吸入颗粒物被人吸入后，会累积在呼吸系统中，引发许多疾病。对粗颗粒物的暴 露可侵害呼吸系统，诱发哮喘病。细颗粒物可能引发心脏病、肺病、呼吸道疾病，降低肺功能 等。因此，对于老人、儿童和已患心肺病者等敏感人群，风险是较大的。另外，环境空气中的 颗粒物还是降低能见度的主要原因，并会损坏建筑物表面。目前应用最广的颗粒物浓度的测量方法为用β源进行测量与采用激光光源测 量。用β源和激光光源的方法测量范围有限，测量精度不高，而且因为β源和激光光源的 限制，该类型仪器长时间工作的可靠性不高，维护困难。对颗粒物的监测分析方法还有称重 测量法，即质量法，总悬浮颗粒物的浓度以每立方米空气中总悬浮颗粒物的毫克数表示，用 标准大容量颗粒采样器在采样效率接近100%滤膜上采集已知体积的颗粒物，恒温恒湿条 件下，称量采样前后采样膜的质量变化来确定采集到的颗粒物质量，再除以采样体积，得到 颗粒物的质量浓度。称重测量的方法的准确度、精确度和可靠性很好，但目前普遍使用的是 利用电子天平手工称重，不仅耗费人力，而且存在手工误差，且不能实现颗粒物浓度监测的 自动化和实时性。且目前对大气颗粒物的监测所采用的分析仪器与设备价格昂贵，普及率 较低。因此，研究大气颗粒物的监测方法，发展高灵敏度、操作简便、经济实用且易于维护的 大气颗粒物监测仪器，发展大气颗粒物在线自动监测技术，在大气环境监测研究领域具有 重要的意义。
实用新型内容有鉴于此，本实用新型的主要目的在于提供一种能对大气颗粒物精确的在线自动 监测、且成本低的大气颗粒物测量仪。为达到上述目的，本实用新型提供一种大气颗粒物测量仪，其包括有用以采集气体的颗粒物切割分流部分、用以确定所采集的颗粒物质量及浓度的质量检测部分、至少两 路控制采样气体流量的流量检测及控制部分，以及采样泵，颗粒物切割分流部分与质量检 测部分连接，质量检测部分通过其中一路流量检测与控制部分连接至采样泵，颗粒物切割 分流部分还通过其余路流量检测与控制部分直接连接至采样泵。颗粒物切割分流部分包括有颗粒物切割器、与颗粒物切割器连接的流量适配器及 与颗粒物切割器连接的除水瓶。流量适配器底端设有一个检测出气口及至少一个分流出气口，其中检测出气口连 接至质量检测部分，质量检测部分连接其中一路流量检测与控制部分，分流出气口连接至 其余路流量检测及控制部分。质量检测部分包括有振荡管、膜托、使振荡管产生振荡的振荡管驱动器、检测振荡 管在振荡时所处位置的位置检测器以及金属工件，振荡管嵌合于金属工件中，膜托设置于 振荡管的顶端，膜托内设有用于收集颗粒物的膜片，振荡管驱动器与位置检测器分别设置 于金属工件的两侧，金属工件的内部上方并嵌合有一采样气体所流经的金属管，该金属管 与流量适配器的检测出气口连接。振荡管上部对称设置有两个磁体，且该两个磁体正对振荡管的极性相异。金属工件包括有枢接连接的盖体及容置体，容置体内部中间形成有容置腔，振荡 管固定在容置体的容置腔内，容置体的顶端形成有连通容置腔的凹孔，振荡管的顶端突出 于凹孔内，膜托放置于凹孔内，金属管正对膜托。容置体的两侧正对振荡管的磁体处各形成有分别用于安装振荡管驱动器与位置 检测器的安装孔。盖体与容置体的外部均设置有加热器及保温材料，盖体与容置体的内部均设有温 度检测器，金属管具有保温材料包裹，金属管并设有温度检测器与加热器。流量检测和控制部分设有过滤与流量检测控制器。盖体的底部形成有至少一个凹部，容置体的顶部对应所述凹部处设有用于固定预 热的膜托的金属桩。借由本实用新型中的大气颗粒物测量仪，可以实现实时自动称量颗粒物的质量， 并精确检测出颗粒物浓度的效果，本实用新型的大气颗粒物测量仪使用安全无辐射，长期 运行稳定可靠，且成本低。
图1为本实用新型大气颗粒物测量仪的系统原理图；图2为本实用新型的振荡管的立体示意图；图3为本实用新型的金属工件中容置体与盖体分解的立体示意图；图4为本实用新型中的振荡管与金属工件组装后的主视图的剖面图；图5为本实用新型中的振荡管与金属工件组装后的左视图的部分截面图；图6为本实用新型中的振荡管与金属工件组装后的俯视图。
具体实施方式
为便于了解本实用新型的结构及达到的效果，现配合附图及较佳实施例详细说明如下。如图1所示，本实用新型大气颗粒物测量仪包括有用以采集气体的颗粒物切割分 流部分1、用以确定所采集的颗粒物质量及浓度的质量检测部分2、至少两路控制采样气体 流量的流量检测及控制部分3，以及采样泵4。颗粒物切割分流部分1与质量检测部分2连 接，质量检测部分2通过其中一路流量检测与控制部分3连接至采样泵4，颗粒物切割分流 部分1通过其余路流量检测与控制部分3直接连接至采样泵4。颗粒物切割分流部分1包括有颗粒物切割器10、与颗粒物切割器10连接的流量 适配器11及与颗粒物切割器10连接的除水瓶12。采样泵4能对所采集的气体提供流通 动力，使含有颗粒物的大气进入颗粒物切割器10，由于大气中的颗粒物的粒径大小不同，大 粒径的颗粒物在颗粒物切割器10中被滤除，含有所要检测的颗粒物的大气进入流量适配 器11，流量适配器11底端设有一个检测出气口 110及至少一个分流出气口 111，其中检测 出气口 110连接至质量检测部分2，分流出气口 111连接至其中至少一路流量检测及控制部 分3。若所采集的大气中含有水分，则可通过除水瓶12将气体中的水分去除。本实用新型 中的分流出气口 111为一个，流量检测与控制部分3为两路。如图4至图6所示，质量检测部分2包括有振荡管20、膜托21、振荡管驱动器22、 位置检测器23以及金属工件。振荡管20嵌合于金属工件中，膜托21设置于振荡管20的顶 端，膜托21内设有膜片(图中未示出)，膜片用于收集所采集的气体中的颗粒物，振荡管驱 动器22与位置检测器23分别用于使振荡管20进行振荡及检测振荡管20在振荡时所处的 位置，振荡管驱动器22与位置检测器23分别设置于金属工件的两侧，金属工件的内部上方 并嵌合有一采样气体所流经的金属管24，该金属管24与流量适配器11的检测出气口 110 连接。如图2所示，本实用新型中的振荡管20为一带有两块磁性材料的锥形玻璃或石英 管，在振荡管20上部对称设置有两个磁体200，且正对振荡管200的极性相异，振荡管200 固定在一圆形底座201上。如图3至图6所示，本实用新型中的金属工件包括有相互连接 的盖体25及容置体26，盖体25与容置体26相接触的一面为斜面，盖体25与容置体26的 同侧均设置有固定块256，两个固定块256枢接连接，因此盖体25与容置体26之间是枢接 连接，通过连接于盖体25与容置体26之间的弹簧而使盖体25与容置体26扣合时更为紧 固，并使他们组成可开合的整体。容置体26内部中间形成有容置腔260，振荡管20底部的 圆形底座201通过螺杆固定于容置体26的底部，并将振荡管20固定在容置体26的容置腔 260内，容置体26的顶端斜面处形成有连通容置腔260的凹孔261，振荡管20容置于容置 腔260后，振荡管20的顶端突出于凹孔261内，膜托21设置于振荡管20的顶端并放置于 凹孔261内。容置体26的两侧正对振荡管20的磁体200处各形成有安装孔262，分别用 于安装振荡管驱动器22与位置检测器23。盖体25的内部正对容置体26的凹孔261处形 成有贯穿的通孔250，金属管24安装于通孔250内并外露于盖体25，即金属管24正对膜托 21。盖体25与容置体26的外部均设置有加热器(图中未示出)及保温材料，盖体25与容 置体26的内部均设有温度检测器(图中未示出)，分别对盖体25及容置体26进行加热并 检测气流的温度。金属管24外露于盖体25的部分有保温材料包裹，并设有温度检测器与 加热器(图中未示出)对其进行温度控制。在正常工作时容置体26与其上的盖体25夹合 在一起，由设于中间的密封圈组成一个完整的密闭的腔体。本实用新型中的盖体25的底部还可形成有至少一个凹部251，容置体26的顶部对应凹部251处设有金属桩263，用于固定预热的膜托21。本实用新型中的每一路流量检测和控制部分3设有过滤与流量检测控制器30，因 采集含有颗粒物的气体时，只需对其中一部分气体进行颗粒物检测，因此采样气体通过流 量适配器11的检测出气口 Iio进入质量检测部分2，再进入与质量检测部分2连接的一路 流量检测和控制部分3，而所采集的大部分气体则通过流量适配器11的分流出气口 111直 接进入其余路流量检测和控制部分3，根据实际需求，通过过滤与流量检测控制器30对气 体流量进行控制，以便对所需的采样气体进行颗粒物浓度分析。如图1所示采样气体以恒定的流量(16. 7L/min)经颗粒物切割器10切割后，进入 流量适配器11，流量适配器11对气流分流一路气流经过滤与流量检测控制器30到达采 样泵4 ；另一路先通过50°C金属管24预热后，进入加热的金属工件中的盖体25，盖体25使 气流温度恒定在50°C，气流继续往下通过膜托21过滤，膜托21使颗粒物聚集吸附在膜片 上，最后通过振荡管20、过滤与流量检测控制器30到达抽气泵4。当本实用新型的颗粒物测量仪工作时，在振荡管驱动器22的作用下产生变化的 电场，振荡管20顶端的磁体在电场力的作用下带动振荡管20产生振荡，根据位置检测器23 得出振荡管20的振荡频率，通过微处理器将振荡管20的频率信号进行数字处理，换算成质 量，频率质量运算公式如下 W = Axjr，其中m为质量，单位g ；k为校正系数；f为测量频率，单位Hz ；颗粒物浓度计算公式如下
AmC =—，其中C为颗粒物浓度，单位mg/m3 ； Am为单位时间内的质量增量，单位
ν
mg ；ν为单位时间内的采气体积，单位m3 ；随着膜片上聚集的颗粒物的增多，振荡管20的振荡频率也发生变化，根据振荡管 20的频率变化可得出颗粒物的质量变化，进而颗粒物质量变化(即Am)及采气体积得出大 气中颗粒物的浓度。本实用新型中的振荡管驱动器22、位置检测器23及温度检测器为市售产品，在此 不作详述。本实用新型由于采取以上技术方案，其具有以下扰点1、本实用新型通过在恒温 环境中使用振荡管来实时称量颗粒物的质量，分辨率和灵敏度比现有技术更高，实时性更 好，完全实现了自动称量，并且安全无辐射，不存在衰减情形，长期运行稳定可靠。2、本实用 新型通过使用过滤与流量检测控制器对流量进行高精度的恒流控制，最大限度的减少了流 量的零漂问题。3、本实用新型通过微处理器将振荡管的频率信号进行数字处理，换算成质 量，再与流量数据进行运算，最终得到大气颗粒物浓度，实现了无人值守的自动化的功能。 4、本实用新型通过使用上述方案，由于减少了人工操作环节，后勤需求低，降低了运行成 本。5、本实用新型通过使用上述方案，由于使用振荡管代替了昂贵的电子天平，降低了仪器 成本。以上所述，仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护 范围。
权利要求一种大气颗粒物测量仪，其特征在于，其包括有用以采集气体的颗粒物切割分流部分、用以确定所采集的颗粒物质量及浓度的质量检测部分、至少两路控制采样气体流量的流量检测及控制部分，以及采样泵，所述颗粒物切割分流部分与所述质量检测部分连接，所述质量检测部分通过其中一路所述流量检测与控制部分连接至所述采样泵，所述颗粒物切割分流部分还通过其余路所述流量检测与控制部分直接连接至所述采样泵。
2.如权利要求1所述的大气颗粒物测量仪，其特征在于，所述颗粒物切割分流部分包 括有颗粒物切割器、与所述颗粒物切割器连接的流量适配器及与所述颗粒物切割器连接的 除水瓶。
3.如权利要求2所述的大气颗粒物测量仪，其特征在于，所述流量适配器底端设有一 个检测出气口及至少一个分流出气口，其中所述检测出气口连接至所述质量检测部分，所 述质量检测部分连接其中一路所述流量检测与控制部分，所述分流出气口连接至所述其余 路流量检测及控制部分。
4.如权利要求3所述的大气颗粒物测量仪，其特征在于，所述质量检测部分包括有振 荡管、膜托、使所述振荡管产生振荡的振荡管驱动器、检测所述振荡管在振荡时所处位置的 位置检测器以及金属工件，所述振荡管嵌合于所述金属工件中，所述膜托设置于所述振荡 管的顶端，所述膜托内设有用于收集颗粒物的膜片，所述振荡管驱动器与所述位置检测器 分别设置于所述金属工件的两侧，金属工件的内部上方并嵌合有一采样气体所流经的金属 管，该金属管与所述流量适配器的检测出气口连接。
5.如权利要求4所述的大气颗粒物测量仪，其特征在于，所述振荡管上部对称设置有 两个磁体，且该两个磁体正对所述振荡管的极性相异。
6.如权利要求5所述的大气颗粒物测量仪，其特征在于，所述金属工件包括有枢接连 接的盖体及容置体，所述容置体内部中间形成有容置腔，所述振荡管固定在所述容置体的 容置腔内，所述容置体的顶端形成有连通所述容置腔的凹孔，所述振荡管的顶端突出于所 述凹孔内，所述膜托放置于所述凹孔内，所述金属管正对所述膜托。
7.如权利要求6所述的大气颗粒物测量仪，其特征在于，所述容置体的两侧正对所述 振荡管的磁体处各形成有分别用于安装所述振荡管驱动器与所述位置检测器的安装孔。
8.如权利要求6所述的大气颗粒物测量仪，其特征在于，所述盖体与所述容置体的外 部均设置有加热器及保温材料，所述盖体与所述容置体的内部均设有温度检测器，所述金 属管具有保温材料包裹，所述金属管并设有温度检测器与加热器。
9.如权利要求1所述的大气颗粒物测量仪，其特征在于，所述流量检测和控制部分设 有过滤与流量检测控制器。
10.如权利要求6所述的大气颗粒物测量仪，其特征在于，所述盖体的底部形成有至少 一个凹部，所述容置体的顶部对应所述凹部处设有用于固定预热的所述膜托的金属桩。
专利摘要本实用新型公开了一种大气颗粒物测量仪，其包括有用以采集气体的颗粒物切割分流部分、用以确定所采集的颗粒物质量及浓度的质量检测部分、至少两路控制采样气体流量的流量检测及控制部分，以及采样泵，颗粒物切割分流部分与质量检测部分连接，质量检测部分通过其中一路流量检测与控制部分连接至采样泵，颗粒物切割分流部分还通过其余路流量检测与控制部分直接连接至采样泵。借由本实用新型的颗粒物测量仪，可以实现自动监测及精确检测大气中颗粒物的浓度，同时可以实现成本低的效果。
文档编号G01N1/24GK201637649SQ201020160130
公开日2010年11月17日 申请日期2010年4月15日 优先权日2010年4月15日
发明者张培生, 李虹杰, 李金平, 陈建新 申请人:武汉市天虹仪表有限责任公司