专利名称：一种新型的pm2.5质量浓度实时监测装置与监测方法
技术领域：
本发明涉及环境监测与保护领域，具体涉及一种新型的PM2. 5质量浓度实时监测装置与监测方法。
背景技术：
PM2. 5是指空气动力学当量直径小于等于2. 5 μ m的大气颗粒物，通常被称为细粒子或细颗粒物，在中国还被称为可入肺颗粒物。PM2. 5的主要成分是元素碳、有机碳化合物、 硫酸盐、硝酸盐、铵盐。除此之外，常见的成分包括各种金属元素，既有钠、镁、钙、铝、铁等地壳中含量丰富的元素，也有铅、锌、镉、铜等主要源自人类污染的重金属元素。PM2. 5主要来源于燃烧、扬尘等过程，如煤炭的燃烧、机动车尾气的排放、生活炉灶的燃烧、垃圾的焚烧、 道路扬尘、建筑扬尘等。同时，人为活动排入大气中的二氧化硫、氮氧化物、氨气、挥发性有机物等气态污染物经化学反应或物理过程也可形成粒径较小的二次颗粒物，包括硫酸盐、 硝酸盐、铵盐和光化学烟雾等。此外，火山灰、森林火灾、海盐、花粉、真菌孢子、细菌等自然污染源也是PM2. 5的来源。PM2. 5由于粒径小，吸附性强的特性，容易携带一些有毒有害物质进入人体肺部,给人体健康带来极大的危害。同时，PM2. 5还可成为病毒和细菌的载体， 为呼吸道传染病的传播推波助澜。在环境方面，PM2. 5会导致大气能见度降低，从而影响到人们的生产和生活。由二氧化硫和氮氧化物等转化而成的硫酸和硝酸液滴是PM2. 5的来源之一，也是形成酸雨的主要原因，能够对水生生态系统、陆地生态系统造成破坏，通过食物链危害人体健康，同时会对建筑物、机械和市政设施产生腐蚀作用。大气中的PM2. 5，还会干扰太阳和地面的辐射，从而对地区性甚至全球性气候产生影响。
国外一些发达国家早已将PM2. 5列入空气质量标准，而随着美国驻华使馆对北京市空气质量监测数据的发布，PM2. 5随即成为新闻热词，国务院新修订的《环境空气质量标准》也增加了对PM2. 5的监测指标。但目前国内的相应监测仪器并不成熟，测得的数据与国外标准存在较大偏差。
目前国内外主要的测量颗粒物浓度的方法有称重法、β射线吸收法、微量振荡天平法、压电晶体法以及光散射法等，在采·样气路前端加上ΡΜ2. 5的切割器即可测得ΡΜ2. 5的浓度。
称重法是颗粒物浓度测量最基本的方法，一般与其它测量方法结合使用，由于其原理简单，结果可靠，常用来检测其它测量方法及仪器的精确度，因此得到了广泛应用。该方法的基本原理是以规定的流量采样，将空气中的颗粒物捕集于高性能滤膜上，称量滤膜采样前后的质量，由其质量差求得捕集的颗粒物质量，再根据采样前后滤膜的重量差与采样空气体积，计算出颗粒物的质量浓度。在保证仪器良好且操作正确的条件下，称重法能得到相对可靠的结果。但它需要大量的手工操作，采样时间长，自动化程度低，成本较高且难以实现在线监测。
β射线吸收法是在称重法基础上发展起来的一种方法，在颗粒测量中应用也很广泛。其测量模块由β射线源、滤膜、滤膜支架以及探测器等组成。当空气通过滤膜时，颗粒被过滤在滤膜上，经过一段时间后，转动轴带动滤膜移动使颗粒进入测量区，测量区域上部发出的β射线透过颗粒介质后衰减并被接收，根据β射线的衰减程度即可确定被测颗粒的质量，进而求得颗粒物的质量浓度。该方法的优点在于测量的动态范围宽，且测量结果与气溶胶的种类、粒径、形状、颜色及化学组成等无关，只与粒子的质量有关。但是由于存在放射性辐射源，容易产生辐射泄漏，因此该方法存在安全隐患，用于现场测量对操作人员的素质要求较高，同时，系统要求增加各种屏蔽措施，结构装置复杂且昂贵。因此，β射线吸收法一般适用于对测量有特殊要求的场合。
微量振荡天平法(TEOM)，是近年才发展起来的颗粒物质量浓度测量方法，测量原理是基于锥形元件振荡微量天平原理，仪器的核心部件为锥形元件振荡器，整个部件是中空的，其中一端固定，另一端装有的滤膜支架可以自由摆动，部件以它固有的频率精确振荡，正反馈控制电路补充能量保证没有能量损失，自动增益控制电路使得振荡保持恒定的幅度。振荡器振荡频率由参加振荡的滤膜和滤膜上的颗粒物质量决定，仪器通过采样泵和流量计，使环境空气以恒定的流量通过采样滤膜，测量出一定间隔时间前后的两个振荡频率，得出这段时间内滤膜上颗粒物质量的变化，再除以流过滤膜的空气的总体积，就得到这段时间内空气中颗粒物的平均浓度。微量振荡天平能够用于实时连续监测空气中颗粒物的浓度，其测量精度和实时性是传统方法所无法比拟的，但该仪器受温度、湿度干扰较大，且对滤膜要求很高。
压电晶体法，又称为压电晶体频差法，采用石英谐振器作为测量颗粒物的敏感元件。其工作原理是使空气以恒定流量通过切割器，进入由高压放电针和微量石英谐振器组成的静电采样器，在高压电晕放电的作用下，气流中的颗粒 物全部沉降于测量谐振器的电极表面上，因电极上增加了颗粒物的质量,其振荡频率发生变化,根据频率变化可测定颗粒物的质量浓度。压电晶体法同样也需经过取样过程，但石英谐振器对其表面量的变化十分敏感，会影响测量的精度，因此使用一段时间后需要清洁石英晶体，清洗的时间间隔视颗粒物质量浓度大小而定。
光散射法作为一种较为新型的颗粒物浓度测量方法，是近年来的研究热点，并已经占据主导地位。光散射法利用颗粒的光学特性，当包含有一定浓度颗粒物的采样气体通过光学区域时，光束由于粒子的散射偏离原来的方向，在一定角度或区域内，通过光电转换模块，将散射光信号转换成电压或电流信号经放大电路和比较电路送入计算机处理得出颗粒物的各种信息，结合采样气体流量，就能得到颗粒物的浓度。随着激光技术、半导体工业和计算机技术的发展，激光散射测量技术已越来越成熟，目前国内外已经相继研制出不同类型的激光粒度仪器。
早在上世纪70年代，国外已开始研究光散射法测粒技术，但至今仍存在很多不足之处，光散射法之所以在如此短的时间内得到广泛应用，是因为它与其它方法相比，具有以下无可比拟的优势(I)适应性广适应于固、液、气三种形态微细颗粒测量。
(2)粒径测量范围宽近年来的全方位多角度测量法，已经能够实现从纳米至毫米的跨6个数量级的精确测量。
(3)重复性好速度快由于光电转换十分迅速，可以实现多次实时在线测量。
(4)自动化及智能化程度高采集测量工作能实现自动运行，仪器操作简便，可节省劳力，并避免测量过程主观因素影响。
同样，光散射法也存在缺陷，除了仪器加工精度要求很高外，在用于实际浓度测量 时，由于温度、湿度的影响，仪器精度难以保证，加上实际粒子形状不规则及运动无规律，在 数学近似处理上十分复杂，因此，目前基于光散射法的仪器还必须依赖称重法等其它基本 方法标定和校准。
PM2. 5由于其特殊性和复杂性，目前对其浓度的监测方法都还存在不足，以上各种 方法也只能在特定条件下反映PM2. 5的浓度。而随着人们环保意识的提高，以及对空气质 量要求的提高，空气污染治理工作迫在眉睫，因此，研制能够实时、高效、准确测量PM2. 5以 及其它粒径范围的颗粒物浓度监测装置的意义十分重大。发明内容
本发明提供一种新型的PM2. 5质量浓度实时监测装置与监测方法，可以提高 PM2. 5质量浓度测量的速度以及精确度。
实现本发明目的的技术方案是一种新型的PM2. 5质量浓度实时监测装置，包括PM2. 5采样机构、光电测量机构及外围 辅件，与现有技术不同的是还设置有粒子凝聚机构，光电测量机构由气路、光路、信号处理 及辅助部件组成；PM2. 5采样机构的出气口与粒子凝聚机构的进气口连接，粒子凝聚机构 的出气口和光电测量机构的进气口连接。
所述凝聚机构由分流区、双极荷电区和凝聚区顺序连接而成。
所述PM2. 5采样机构为现有技术，用于采集只含PM2. 5的待检测空气；所述粒子凝聚机构包括前端的分流区、双极荷电区和后端的凝聚区三大部分，通过凝 聚使样气的粒径分布发生变化，便于后续环节的测量；所述分流区为Y字形结构金属管道，气流入口截面呈方形，与PM2. 5采样机构气流出口 相连接，对称的两根支管的末端为气流出口，整个支管截面均匀缩减，出口处截面呈细长的 矩形，两根支管的末端分别与正负瓷质绝缘管腔的气流入口相连，外壁接地处理。
所述双极荷电区采用瓷质圆筒式管腔结构，顶部装有可开的绝缘盖，底座采用瓷 质绝缘材料，底座上设有接线端子，管腔轴线处为一根金属电晕线。金属电晕线由可调直流 稳压电源供电，电晕线上下端固定于绝缘顶盖和瓷质底座内。
所述凝聚区为一个截面直径大于2倍双极荷电管截面直径的管腔，内部光滑且绝 缘，顶端两侧设有气流入口，气流入口与荷电区的气流出口相连且截面保持一致，气流出口 设置在圆筒底面中心处，截面呈方形，凝聚区气流入口管道和气流出口管道空间垂直，节省 装置空间，腔体顶部设置可开密封盖，便于定期拆卸清理。
所述光电测量机构包括光路、气路、信号处理和辅助部件等几大部分，以获得更加 精确的PM2. 5实时质量浓度数据。
所述光源采用红色高亮度激光二极管，单色性、方向性以及光束线宽满足要求。
所述信号采集器为高灵敏度光电探测器，具有较好的频谱相应。信号处理部分采 用光度直流电压分析器和单粒子脉冲电压分析器，分别得出大小两类粒子的质量浓度，最 终获得实时的PM2. 5质量浓度数据。
整套装置各大部分之间都装有气体流量计和气阀，结合对气泵的调节来控制气流量在合理范围内波动。
一种新型的PM2. 5质量浓度实时监测方法，包括如下步骤(1)通过PM2.5采样机构采集只含PM2. 5的样气，使其进入分流区域；(2)通过Y形分流管道将PM2.5样气分流成两等分，使其分别进入正负双极荷电区；(3)通过直流高压使空气电离，使PM2.5粒子荷电经过加速后的PM2. 5样气形成扁平 的层状气流贴荷电管内壁旋转上升，荷电管中心处的电晕线在直流高压下放电，产生的电 弧使周围空气电离出正负电荷，中心处的负压促使游离电荷向四周扩散，进而与样气中的 粒子结合使其荷电；(4)通过凝聚腔使荷电粒子充分混合，正负荷电粒子在静电力作用下凝聚正负荷电样 气从凝聚腔顶端两侧的气流入口进入，沿腔内壁运动，两股气流迅速汇聚并向腔底扩散，所 包含的正负荷电粒子在静电力作用下凝聚变大后随气流从底面中心处的气流出口流出；(5)通过光电测量装置实现光信号的获取、转换、处理以及PM2.5质量浓度显示输出 特定的激光束打在流经观测区的样气上，由于样气中粒子的作用，光束方向及能量等性质 发生改变，将一定角度范围内的透射光信号通过凹面反射镜会聚到光电探测器上，对光电 探测器输出电压信号进行模数转换、放大、比较并送入光度直流电压分析器和单粒子脉冲 电压分析器，分别得出大小两类粒子的质量浓度，最终获得实时的PM2. 5质量浓度数据。
本发明的有益效果是本发明提供的新型PM2. 5质量浓度实时监测装置及监测方 法，仅针对空气中PM2. 5的质量浓度进行测量，测量专一性强；通过粒子凝聚方法，使粒子 数目减少，粒径增大，降低了装置的数据处理量，采用该装置与方法，可以在多种环境条件 下实现更快、更精确的PM2. 5实时质量浓度测量。
图1是粒子凝聚机构的结构示意图，图中箭头为气流方向。
图2是光电测量机构的详细结构框图。
图中1.气体流量计与气阀入口 2. Y形分流管 3.瓷质底座 4.接线端子 5.电晕线6.双极荷电管7.绝缘密封顶盖8.密封盖9.凝聚腔10.气体流量计 与气阀出口 11. HEPA滤膜12.样气入口 13.光线陷阱14.光学腔15.信号转换 模块16.单粒子脉冲电压分析器17.气孔18.洁净气套19.凹面反射镜20.激光 束21.扩束准直光路器件22.激光二极管23.排气口 24.气体流量计25.可调气 泵26.气流缓冲腔27保护滤膜28.称重滤膜29.观测区30.光度直流电压分析器 31.综合数据显示输出模块。
具体实施方式
一种新型的PM2. 5质量浓度实时监测装置，由PM2. 5采样机构、粒子凝聚机构、光 电测量机构及外围辅件组成，PM2. 5采样机构的出气口与粒子凝聚机构前端的气体流量计 与气阀入口 I连接，粒子凝聚机构后端的气体流量计与气阀出口 10和光电测量机构的样气 入口 12连接。
参照图1，粒子凝聚机构由前端的Y形分流区2、双极荷电区和后端的凝聚区三大 部分组成，通过凝聚使样气的粒径分布发生变化，便于后续环节的测量；Y形分流区2为金属Y字形结构管道，气流入口截面呈方形，与PM2. 5采样机构的气流出口相连接，对称的两根支管的末端为气流出口，整个支管截面均匀缩减，出口处截面呈细长的矩形，两根支管的末端分别与正负瓷质绝缘管腔的气流入口相连，外壁接地处理。
双极荷电区采用两根瓷质圆筒式双极荷电管6，其顶部装有可开的绝缘密封顶盖 7，底部采用瓷质底座3，瓷质底座3上设有接线端子4，双极荷电管6的管腔轴线处设有一根金属电晕线5 ;金属电晕线5采用可调直流稳压电源供电，电晕线5上下端分别与绝缘顶盖7和瓷质底座3固定连接。
凝聚区为一个截面直径大于二倍双极荷电管6截面直径的凝聚腔9，内部光滑且绝缘，顶端两侧设有气流入口，气流入口与荷电区气流出口相连且截面保持一致，气流出口设置在圆筒底面中心处，截面呈方形，凝聚区气流入口管道和气流出口管道空间垂直，节省装置空间，凝聚腔体顶部设置可开密封盖8，便于定期拆卸清理。
参照图2，光电测量机构由光路、气路、信号处理部分和辅助部件等几大部分组成， 以获得更加精确的PM2. 5实时质量浓度数据，其中光路由光线陷阱13、光学腔14、凹面反射镜19、激光束20、扩束准直光路器件21、激光二级管22和观测区29组成；气路由HEPA滤膜11、样气入口 12、洁净气套18、排气口 23、气体流量计24、可调气泵 25和气流缓冲腔26组成；信号处理部分由信号转换模块15、单粒子脉冲电压分析器16、光度直流电压分析器30 和综合数据显示输出模块31组成；辅助部件由气孔17、保护滤膜27和称重滤膜28组成。
整个光电测量机构的工作原理为激光二极管22发出的红色激光束20经扩束准直光路器件 21变换后入射到观测区29内的气流上，透射光由光线陷进13捕捉吸收，部分散射光由凹面反射镜19会聚到信号转换模块15处，该模块包含光电探测器以及后续的模数、放大、比较等转换电路，通过设置一个合适的电压阈值，将产生的数字电压信号分别送入单粒子脉冲电压分析器16和光度直流电压分析器30内进行处理，单粒子脉冲电压分析器显示的大脉冲信号的个数代表大粒子数目，高度均值可通过MIE理论转换得到粒子等效粒径。通过将电压等级定标并进行分阶处理，设定好采样频率，实时分析各个时段电压均值以及方差，从数字相关性方面来判定大粒子数目与等效粒径。然后只需通过称重滤膜28收集一定量的粒子，得出粒子的平均密度，我们便可以让装置输出较为准确的大粒子质量浓度数据；对于较小粒子(等效直径< O. 5μπι)，其信号接收及处理原理与大粒子相同，小粒子具有数目多，信号弱等特点，但经过凝聚处理后，其质量占粒子总质量比重较低，所以通过光度直流电压分析器可反映出细粒子实时的光度平均水平，可专门配置粒径分布接近正态分布的一系列标准粒子，使其通过机构的气路系统，对光度信号进行标定，通过设定一个校准系数，便可得出小粒子的近似质量，综合数据显示输出模块31收集所有得到的数据并进行输出，剩余样气经过整个光电测量机构后由排气口 23流出。HEPA滤膜11、光学腔14、 气孔17和洁净气套18几个部件组成一个洁净气套气路，保证观测区不受外部粒子信号的干扰，装置末端的称重滤膜28用于定标和校准装置，保护滤膜27和气流缓冲腔26用于保护装置，使其在正常状态下运行，延长使用寿命。
所述信号采集器为具有较好的频谱响应的高灵敏度光电探测器。信号处理部分采用光度直流电压分析器和单粒子脉冲电压分析器，分别测出大小两类粒子的质量浓度，最 终获得实时PM2. 5质量浓度数据。
整个气路系统由可调气泵25产生负压，结合对粒子凝聚机构的气体流量计与气 阀入口1、气体流量计与气阀出口 10以及气体流量计24的控制，保证装置各区域的气流量 与气压在合适的范围内。
所述监测方法包括以下步骤(O由可调气泵产生负压使空气进入PM2. 5采样机构，在机构内部，PM2. 5成分分离并 随气流流出装置；(2)分离后的PM2.5样气流经Y形分流管2，由于支管末端口径缩小，气流速度加快并 等分成两股分别进入正负两个双极荷电管6内；(3)荷电管气流入口位于管腔底端且偏置于一侧，加速后的扁平气流贴管壁内侧形成 螺旋状上升的涡流，保证气流环绕电晕线5运行较长时间，电晕线上下端均固定，通过瓷质 底座3上的接线端子4引入直流高压，高压使电晕线产生电弧，周围空气被电离，游离的电 荷在高速旋转气流产生的负压的作用下向四周扩散，被气流中的PM2. 5粒子吸附，使粒子 荷电，由于该直流电源的电压可调，气流进入的速度可控，因此可以实现不同气流速度下粒 子的充分荷电，荷电管顶端的绝缘密封盖7可开，便于清理和检修装置；(4)两股样气经过双极荷电管后分别荷上正负电荷，荷电样气分别从凝聚腔9顶端两 侧的管道进入，两股气流沿圆筒内壁以不同的旋转方向旋转并在凝聚腔顶端汇聚，带不同 电荷的粒子在静电力的作用下接触并凝聚，粒径变大，颗粒数目显著减少，尤其是极细颗粒 成分，便于装置测量。在重力作用下，粒子随气流下降，从凝聚腔底面中心处管道流出，腔顶 也设有密封盖8，其功能与绝缘密封盖7的基本相同；(5)经凝聚处理后的气流从样气入口12处进入光电测量机构，光电测量机构包括气 路、光路、信号处理输出及辅助部分，其中光路部分由光线陷阱13、光学腔14、凹面反射镜 19、激光束20、扩束准直光路器件21、激光二级管22和观测区29组成；气路由HEPA滤膜11、样气入口 12、洁净气套18、排气口 23、气体流量计24、可调气泵25和气流缓冲腔26组 成；信号处理部分由信号转换模块15、单粒子脉冲电压分析器16、光度直流电压分析器30 和综合数据显示输出模块31组成；辅助部件由气孔17、保护滤膜27和称重滤膜28组成。
本发明通过以上装置与方法，可以实现多种环境条件下空气中PM2. 5质量浓度的 测量，通过减少样气中粒子的数目，增大粒径等基本手段，实现更快、更准、更实时地监测 PM2. 5质量浓度的目标,满足相关领域的需求。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和 原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种新型的PM2. 5质量浓度实时监测装置，包括PM2. 5采样机构、光电测量机构及外围辅件，其特征是还设置有粒子凝聚机构，光电测量机构由气路、光路、信号处理及辅助部件组成；PM2. 5采样机构的出气口与粒子凝聚机构的进气口连接，粒子凝聚机构的出气口和光电测量机构的进气口连接。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征是所述凝聚机构由分流区、双极荷电区和凝聚区顺序连接而成。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征是所述分流区为Y字形结构金属管道，气流入口截面呈方形，与PM2. 5采样机构气流出口相连接，对称的两根支管的末端为气流出口，整个支管截面均匀缩减，出口处截面呈细长的矩形，两根支管的末端分别与正负瓷质绝缘管腔的气流入口相连，外壁接地处理。
4.根据权利要求2所述的装置，其特征是所述双极荷电区采用瓷质圆筒式荷电管，顶部装有可开的绝缘盖，底座采用瓷质绝缘材料，底座上设有接线端子，管腔轴线处为一根金属电晕线。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征是金属电晕线采用可调直流稳压电源供电，电晕线上下端固定于绝缘顶盖和瓷质底座内。
6.根据权利要求2所述的装置，其特征是所述凝聚区为一个截面直径大于二倍双极荷电管截面直径的管腔，内部光滑且绝缘，顶端两侧设有气流入口，气流入口与荷电区气流出口相连且截面保持一致，气流出口设置在圆筒底面中心处，截面呈方形，凝聚区气流入口管道和气流出口管道空间垂直，腔体顶部设置可开密封盖。
7.一种新型的PM2. 5质量浓度实时监测方法，其特征是包括如下步骤 (1)通过PM2.5采样机构采集只含PM2. 5的样气，使其进入分流区域； (2)通过Y形分流管道将PM2.5样气分流成两等分，使其分别进入正负双极荷电区； (3)通过直流高压使空气电离，使PM2.5粒子荷电经过加速后的PM2. 5样气形成扁平的层状气流贴荷电管内壁旋转上升，荷电管中心处的电晕线在直流高压下放电，产生电弧使空气电离出正负电荷，中心处的负压促使游离电荷向四周扩散，进而与样气中的粒子结合使其荷电； (4)通过凝聚腔使荷电粒子充分混合，正负荷电粒子在静电力作用下凝聚正负荷电样气从凝聚腔顶端两侧的气流入口进入，沿腔内壁汇聚扩散下沉，正负荷电粒子在静电力作用下凝聚变大后随气流从底面中心气流出口流出； (5)通过光电测量机构实现光信号的获取、转换、处理以及PM2.5质量浓度显不输出特定的激光束打在流经观测区的样气上，由于样气中粒子的作用，光束方向及能量等性质发生改变，将一定角度范围内的透射光信号通过凹面反射镜会聚到光电探测器上，对光电探测器输出电压进行模数转换、放大、比较并送入光度直流电压分析器和单粒子脉冲电压分析器，分别得出大小两类粒子的质量浓度，最终获得实时PM2. 5质量浓度数据。
全文摘要
本发明涉及一种新型的PM2.5质量浓度实时监测装置与监测方法，所述监测装置包括PM2.5采样机构，用于只含PM2.5的样气的获取；粒子凝聚机构，使进入机构的粒子发生凝聚，吸收极细粒子成分，减少粒子数目；光电测量机构，将光信号转换成数字信号并进行处理，实时输出检测到的PM2.5质量浓度数据；本发明提供的新型PM2.5质量浓度实时监测装置与方法，将PM2.5作凝聚处理，大大减少了样气中的粒子数目，降低了装置的数据处理量，加快了测量速度；在光电测量环节，将大粒子的峰值信号与小粒子信号分开处理，并对信号进行分阶求平均，提高了装置的精确度，从而更加高效地对PM2.5质量浓度进行实时监测。
文档编号G01N15/06GK103018145SQ20121038603
公开日2013年4月3日 申请日期2012年10月12日 优先权日2012年10月12日
发明者黄知超, 申双江, 王斌, 李震, 范兴明, 张彤 申请人:桂林电子科技大学