PM2.5切割器切割特性检测装置及方法与流程

本发明涉及空气质量监测
技术领域：
，尤其是涉及一种PM2.5切割器切割特性检测装置及方法。
背景技术：
：PM2.5是指大气中空气动力学当量直径小于或等于2.5μm的颗粒物，也称为可入肺颗粒物。PM2.5粒径小，富含大量的有毒、有害物质且在大气中的停留时间长、输送距离远，因而对人体健康和大气环境质量的影响更大。粒径在2.5μm以下的细颗粒物，不易被阻挡，被吸入人体后会直接进入支气管，干扰肺部的气体交换，引发包括哮喘、支气管炎和心血管病等方面的疾病。目前，PM2.5颗粒物是我国空气首要的污染物，PM2.5监测及有效治理，是我国环境保护部门及国家政府的目标。2011年环境保护部颁布了HJ618-2011《环境空气PM10和PM2.5的测定标准》，规定用于PM2.5颗粒物浓度监测的仪器为颗粒物采样器和颗粒物直读仪，按其原理可分为手工分析方法和自动分析方法(含：微量振荡天平(TEOM)法、β射线测量法、光散射测量法)。无论是重量法、振荡天平法、β射线法还是光散射测量法，PM2.5浓度测量均是通过PM2.5切割器将大气颗粒物中空气动力学当量直径小于或等于2.5μm的颗粒物分离出来，收集在滤膜上，然后进行测量分析；其中，PM2.5切割器是指能将大气颗粒物中空气动力学直径小于或等于2.5μm的颗粒物分离出来的装置。由此可以看出，PM2.5切割器的切割性能直接影响PM2.5监测仪的准确性，因此需要对PM2.5切割器的切割特性进行定期的检测。对于PM2.5切割器的切割特性的检测，美国国家环保局(EPA)标准《40CFRPart53，SubpartF》、我国国家环境保护标准HJ618-2011《环境空气PM10和PM2.5的测定重量法》和日本JISZ8851:2008《大气中PM2.5采样器技术标准》中，都推荐使用标准物质(由不同空气动力学当量直径聚苯乙烯颗粒组成)对PM2.5切割器的切割特性进行检测，检测过程中需要的标准物质如表1所示。表1检测PM2.5切割器的切割特性用标准物质要求表*表1中对标准物质要求为空气动力学当量直径。由表1可以看出，PM2.5切割器的切割特性检测需要使用8种空气动力学当量粒径范围为(1.5-4.0)μm的标准物质。但是，现有技术中，对PM2.5切割器的切割特性进行检测的效果较差。技术实现要素：本发明的目的在于提供一种PM2.5切割器切割特性检测装置及方法，以解决现有技术中存在的对PM2.5切割器的切割特性进行检测效果较差的技术问题。本发明提供了一种PM2.5切割器切割特性检测装置，包括气源装置、雾化气溶胶发生器、干燥器、静电中和器、混匀管、气溶胶粒径谱仪、抽气泵、第一阀门、第二阀门、第三阀门和第四阀门；所述气源装置的输出端与所述雾化气溶胶发生器的输入端相连通，所述雾化气溶发生器的输出端与所述干燥器的输入端相连通，所述干燥器的输出端与所述静电中和器的输入端相连通，所述静电中和器的输出端与所述混匀管的输入端相连通；所述混匀管的输出端与所述第一阀门的输入端相连通，所述第一阀门的输出端与所述气溶胶粒径谱仪相连通；所述混匀管的输出端还与待检测PM2.5切割器的输入端相连通，所述待检测PM2.5切割器的输出端与所述第二阀门的输入端相连通，所述第二阀门的输出端与所述气溶胶粒径谱仪相连通；所述第一阀门的输入端还与所述第三阀门的输入端相连通，所述第三阀门的输出端与所述抽气泵的输入端相连通；所述第二阀门的输入端还与所述第四阀门的输入端相连通，所述第四阀门的输出端与所述抽气泵的输入端相连通。进一步地，还包括质量流量控制器，所述抽气泵的输入端与所述质量流量控制器的输出端相连通，所述第四阀门的输出端、所述第三阀门的输出端分别与所述质量流量控制器的输入端相连通。进一步地，所述气源装置包括空气压缩机、储气罐、三级高效过滤器和冷冻干燥机，其中，所述空气压缩机、所述储气罐、所述三级高效过滤器和所述冷冻干燥机依次连通，且所述冷冻干燥机还与所述雾化气溶胶发生器相连通。进一步地，所述储气罐上安装有气压传感器，用于检测所述储气罐中气体的压强。进一步地，所述气源装置的输出端与所述静电中和器的输入端之间还连通有第一补气管道。进一步地，所述混匀管的顶部具有倒锥形结构，所述混匀管的输入端位于所述倒锥形结构的端部。进一步地，所述气源装置与所述混匀管之间还连通有第二补气管道，其中，所述气源装置的输出端与所述第二补气管道的一端连通，所述第二补气管道的另一端与所述混匀管的补气端相连通，且所述补气端伸入到所述倒锥形结构的锥面处，用于使从所述第二补气管道流出的气体沿所述倒锥形结构的锥面流动。进一步地，所述干燥器中填充有硅胶；所述静电中和器为气溶胶静电中和器。进一步地，所述三级高效过滤器为HEPA过滤器。进一步地，所述第一阀门、所述第二阀门、所述第三阀门和所述第四阀门均为电磁阀。本发明还提供了一种使用所述的PM2.5切割器切割特性检测装置的检测方法，该检测方法包括以下步骤：向所述雾化气溶胶发生器内加入超纯水和标准颗粒悬浮液，以产生单分散固态气溶胶颗粒，其中，所述标准颗粒浮液中含有多种不同粒径的标准颗粒，且多种不同粒径的标准颗粒的含量为定值；打开所述第一阀门和所述第三阀门，关闭所述第二阀门和所述第四阀门后，读取所述气溶胶粒径谱仪测量测得的气溶胶颗粒数目浓度值；打开所述第二阀门和所述第四阀门，关闭所述第一阀门和所述第三阀门后，读取所述气溶胶粒径谱仪测量测得的气溶胶颗粒数目浓度值。与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明提供的PM2.5切割器切割特性检测装置及方法中，气源装置能够提供洁净的空气，雾化气溶胶发生器能够产生多种不同粒径的含量为定值的单分散固态气溶胶颗粒，通过干燥器能够干燥单分散固态气溶胶颗粒，而静电中和器能够中和干燥后的单分散固态气溶胶颗粒，防止带电荷的单分散固态气溶胶颗粒吸附在管壁上，造成单分散固态气溶胶颗粒损失，影响检测气溶胶颗粒数目浓度值；通过气溶第一阀门、第二阀门、第三阀门和第四阀门的开启和关闭的切换，实现在两种状态下测得的气溶胶颗粒数目浓度值，并经过分析得出PM2.5切割器切割特性是否符合要求，综上，本发明能够对PM2.5切割器的切割特性进行有效的检测，并且检测效果好、快捷方便。附图说明为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明实施例一提供的PM2.5切割器切割特性检测装置结构示意图；图2为本发明实施例一中气源装置的结构示意图；图3为本发明实施例一中混匀管的结构示意图；图4为本发明实施例二中PM2.5切割器切割特性检测装置的检测方法的流程图。图中：100-气源装置；102-雾化气溶胶发生器；103-干燥器；104-静电中和器；105-混匀管；106-气溶胶粒径谱仪；107-抽气泵；108-第一阀门；109-第二阀门；110-第三阀门；111-第四阀门；112-质量流量控制器；113-空气压缩机；114-储气罐；115-三级高效过滤器；116-冷冻干燥机；117-第一补气管道；118-第二补气管道；119-第五阀门；120-第六阀门；121-倒锥形结构；122-气流分流器；123-补气端；124-待检测PM2.5切割器；125-第七阀门。具体实施方式下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。实施例一参见图1至图3所示，本发明实施例一提供了一种PM2.5切割器切割特性检测装置，包括气源装置100、雾化气溶胶发生器102、干燥器103、静电中和器104、混匀管105、气溶胶粒径谱仪106、抽气泵107、第一阀门108、第二阀门109、第三阀门110和第四阀门111；气源装置100的输出端与雾化气溶胶发生器102的输入端相连通，具体而言，气源装置100的输出端与雾化气溶胶发生器102的输入端之间还连通有第五阀门119；雾化气溶发生器的输出端与干燥器103的输入端相连通，干燥器103的输出端与静电中和器104的输入端相连通，静电中和器104的输出端与混匀管105的输入端相连通；混匀管105的输出端与第一阀门108的输入端相连通，第一阀门108的输出端与气溶胶粒径谱仪106相连通；混匀管105的输出端还与待检测PM2.5切割器的输入端相连通，待检测PM2.5切割器的输出端与第二阀门109的输入端相连通，第二阀门109的输出端与气溶胶粒径谱仪106相连通；第一阀门108的输入端还与第三阀门110的输入端相连通，第三阀门110的输出端与抽气泵107的输入端相连通，具体而言，第一阀门108的输入端与混匀管105的输出端的连接点与第三阀门110的输入端相连通；第二阀门109的输入端还与第四阀门111的输入端相连通，第四阀门111的输出端与抽气泵107的输入端相连通，具体而言，第二阀门109的输入端与待检测PM2.5切割器的输出端的连接点与第四阀门111的输入端相连通。该实施例中，PM2.5切割器切割特性检测装置还包括质量流量控制器112，抽气泵107的输入端与质量流量控制器112的输出端相连通，第四阀门111的输出端、第三阀门110的输出端分别与质量流量控制器112的输入端相连通。具体而言，第四阀门111的输出端与第三阀门110的输出端的连接点与质量流量控制器112的输入端相连通，质量流量控制器112的输出端与抽气泵107的输入端相连通。该实施例中，气源装置100包括空气压缩机113、储气罐114、三级高效过滤器115和冷冻干燥机116，其中，空气压缩机113、储气罐114、三级高效过滤器115和冷冻干燥机116依次连通，且冷冻干燥机116还与雾化气溶胶发生器102相连通。具体而言，空气压缩机113的输出端与储气罐114的输入端相连通，储气罐114的输出端与三级高效过滤器115的输入端相连通，三级高效过滤器115的输出端与冷冻干燥机116的输入端相连通，冷冻干燥机116的输出端与雾化气溶胶发生器102的输入端相连通。空气压缩机113将空气压缩到储气罐114中，经三级高效过滤器115过滤后得到粒径小于0.3μm的洁净气源，冷冻干燥机116将洁净气源中含水物质先冻结成固态，使其中的水分从固态升华成气态，从而达到干燥的目的，其中，冷冻干燥机116处理气量为1.5m3/min。该实施例中，储气罐114上安装有气压传感器，用于检测储气罐114中气体的压强。PM2.5切割器切割特性检测装置还包括控制器，空气压缩机113、冷冻干燥机116、抽气泵107分别与控制器电连接。通过气压传感器可以使储气罐114内的气体压强控制在设定的范围内，为后续的过程提供持续稳定的气源。具体过程为：储气罐114和空气压缩机113具有自动调节功能，当储气罐114内的压强达到0.6MPa时，气压传感器向控制器发送压强信息，控制器接收到气压传感器发送的压强信息后，使空气压缩机113停止工作，从而保证储气罐114的压力处于安全范围。随着气源的不断使用，储气罐114内的压强逐渐下降，当气压传感器检测到储气罐114内的气压压强降到0.4MPa时，气压传感器向控制器发送压强信息，控制器接收到气压传感器发送的压强信息后，使空气压缩机113重新工作，继续制造干燥的洁净气体，从而能保证源源不断为后续的过程提供稳定气源。该实施例中，气源装置100的输出端与静电中和器104的输入端之间还连通有第一补气管道117，通过第一补气管道117可以先静电中和器104中直接输入洁气源，以稀释气体中的颗粒物浓度。第一补气管道117上设置有第六阀门120。该实施例中，混匀管105的顶部具有倒锥形结构121，混匀管105的输入端位于倒锥形结构121的端部。具体而言，气源装置100与混匀管105之间还连通有第二补气管道118，其中，气源装置100的输出端与第二补气管道118的一端连通，第二补气管道118的另一端与混匀管105的补气端123相连通，且补气端伸入到倒锥形结构121的锥面处，用于使从第二补气管道118流出的气体沿倒锥形结构121的锥面流动。第一阀门108的输入端、待检测PM2.5切割器的输入端均通过气流分流器122与混匀管105的输出端相连通。第二补气管道118上设置有第七阀门。通过检测试验，当混匀管105的长度为100mm时，混匀管105的横截面上的气溶胶的体积分数就不再发生变化。随着距离的增加，各个截面上的体积分数保持不变。说明气溶胶和从补气端进入的稀释气体在很短的距离就能实现完全混合。该实施例中，干燥器103中填充有硅胶；静电中和器104为气溶胶静电中和器。雾化发生器产生的发生的单分散固态气溶胶颗粒，每个颗粒被5个水分子包围，导致颗粒的聚集并在管壁上粘附，因此采用填充有硅胶的干燥器103，能够有效去除水分。而经过气体结过干燥器103后，干燥效果能达到99.5％，单分散气溶胶非常干燥，而且实验中使用的颗粒粒径范围1.5μm～4.5μm，颗粒粒径较小，极易产生静电，带电荷的单分散固态气溶胶颗粒会吸附在管壁上，造成损失，影响检测气溶胶颗粒数目浓度值，而气溶胶静电中和器可以处理固体或液体气溶胶，粒径范围为0.1μm～150μm，其除静电的原理为：气溶胶进入气溶胶静电中和器的混合室内，与从第一补气管道117进入的带电荷的洁净气体充分混合后，消除颗粒附着的静电。该实施例中，三级高效过滤器115为HEPA过滤器。该实施例中，第一阀门108、第二阀门109、第三阀门110和第四阀门111均为电磁阀；第五阀门119、第六阀门120和第七阀门均为电磁阀，电磁阀与控制器电连接。通过采用电磁阀，能够尽量减少人为因素对测量时间的影响。该实施例中，根据检测要求，处理后的气源不应含有0.3μm以上的颗粒物；因此，通过气溶胶粒径谱仪106检测处理后的气源粒径分布实验。气溶胶粒径谱仪106是采用光散射原理测量气溶胶粒子计数的典型仪器，测量粒径范围0.3μm-20μm。去掉雾化气溶胶发生器102，将冷冻干燥机116的输出端直接连接到干燥器103的输入端，经过静电中和器104、混匀管105后，进入气溶胶粒径谱仪106。气体充满气路，通气半小时，去除沾附在管壁的残余颗粒，使用气溶胶粒径谱仪106测量此时气源中颗粒物计数浓度。测试结果如表2所示。表2为洁净气源中0.3μm以上颗粒物浓度测量次数123456780.3μm以上颗粒物浓度00000000由表2可以看出，经过滤的洁净气体满足EPA和我国环境保护标准对气源颗粒物含量的要求。该实施例中，在PM2.5切割器的切割特性检测过程中，聚苯乙烯悬浮液，即标准颗粒悬浮液，分散在超纯水中，所以首先需要使用气溶胶粒径谱仪106测试超纯水中颗粒物含量，来验证超纯水中是否存在影响实验的颗粒物。在雾化气溶胶发生器102中只加入20mL超纯水，然后通入干燥的洁净气体，经过干燥器103、静电中和器104、混匀管105后，进入气溶胶粒径谱仪106。测试8次的结果如表3所示。表3为超纯水中颗粒物数目测试(一次测试体积15cm3)次数12345678总的颗粒物数目01101010由表3可以看出，超纯水中含有的颗粒物数目几乎没有，相对于高浓度的聚苯乙烯气溶胶数目可以忽略不计。超纯水可以作为雾化气溶胶发生器102的悬浮液的分散介质。通过控制储气罐114内的气体的压强的大小来控制雾化发生器的体积流量，经测试得到压力在0.5psi和20psi之间时对应的体积流量为2lpm和20lpm。在此流量区间内，针对不同粒径加入固定体积的标准颗粒，经气溶胶粒径谱仪106检测均可以达到1.5个/cm3，符合EPA对检测气溶胶浓度的要求。实施例二参见图4所示，本发明实施例二提供了一种使用实施例一所述的PM2.5切割器切割特性检测装置的检测方法，该检测方法包括以下步骤：步骤200，向雾化气溶胶发生器102内加入超纯水和标准颗粒浮液，以产生单分散固态气溶胶颗粒，其中，标准颗粒浮液中含有多种不同粒径的标准颗粒，且多种不同粒径的标准颗粒的含量为定值；具体而言，该实施例中，采用现有技术中的8种空气动力学当量粒径范围为(1.5-4.0)μm的标准颗粒。每种不同粒径的标准颗粒的含量均为定值。步骤201，打开第一阀门108和第三阀门110，关闭第二阀门109和第四阀门111后，读取气溶胶粒径谱仪106测量测得的气溶胶颗粒数目浓度值；步骤202，打开第二阀门109和第四阀门111，关闭第一阀门108和第三阀门110后，读取气溶胶粒径谱仪106测量测得的气溶胶颗粒数目浓度值；步骤203，最后，根据在两种状态下测得的气溶胶颗粒数目浓度值，分析得出PM2.5切割器切割特性是否符合要求。具体而言，通过交替测量两种状态下气溶胶颗粒数目浓度，得到不同空气动力学当量直径的颗粒对应的不同的捕集效率；然后以空气动力学当量直径为横坐标，以捕集效率为纵坐标，建立直角坐标系，使用TableCurve2D软件拟合得到PM2.切割器的切割特性曲线，并通过分析切割特性曲线的D50和几何标准偏差，判断PM2.5切割器的切割性能是否符合相关标准要求，其中，D50表示切割器对颗粒物的捕集效率为50％时，所对应的粒子空气动力学当量直径，单位为μm。最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。当前第1页1 2 3