一种颗粒物传感器校准系统的制作方法

本发明属于环境气溶胶技术领域，特别地，涉及一种纳米和微米颗粒物传感器的校准系统。

背景技术：

颗粒物传感器校准系统能应用于颗粒物传感器或颗粒物检测仪的校准和性能评估领域。Emily G.Snyder等(Environ.Sci.Technol.,47:11369-11377,2013)认为在高时空分辨率空气质量监测模式的发展趋势下，低成本颗粒物传感器将发挥巨大作用，如何校准该类传感器从而得到可信的监测数据意义重大。

目前国内外关于颗粒物传感器校准系统的研究中，多是利用精度较高的颗粒物浓度检测设备作为参考仪器，和待测对象同步测量一定浓度的颗粒物从而进行校准，其中，校准周期长是一个很普遍的问题，如Wang Yang等(Aerosol Sci.and Tech.,49:1063-1077,2015)以及Rufus Edwards等(J.Air&Waste Manage.Assoc.,56:789-799,2006)分别对几款市面上的颗粒物传感器进行评测，均是利用颗粒物自然沉降和损失的方式来改变颗粒物浓度，前者一次校准需要约2.5小时。

国内为数不多的关于颗粒物传感器校准系统的研究，由于气溶胶发生技术单一，普遍只能进行PM_2.5传感器的校准，如中国发明专利一种多通道PM_2.5监测仪校准装置(公开号103674796A)；以及中国发明专利一种颗粒物传感器标定系统(公开号204831977U)和粉尘浓度在线监测用自动校准装置(公开号105547948A)，前者所用的气溶胶是燃烧产生的碳烟，颗粒物比较特殊，应用范围受限，后者则缺少独立的气溶胶发生装置，没有形成校准系统，使用相对被动。

此外，现有的颗粒物传感器校准系统一次可校准的颗粒物传感器数量十分有限，例如Zohir Chowdhury等(J.Environ Monit.,9:1099-1106,2007)一次最多校准19个普通规格的待测对象，同时实验装置体积很大；还有中国发明专利新型直读式粉尘浓度测量仪检定校准装置(公开号203798704U)实验装置长度大于4米，在尽可能小的空间里校准更多的传感器是亟待解决的问题。

技术实现要素：

为了能够对颗粒物传感器进行快速全面的评估和校准，本发明提供一套含有纳米和微米颗粒物发生装置的颗粒物传感器校准系统，系统中将产生的颗粒物进行干燥和稀释混合处理后通入实验箱体中，传感器和标准参考仪器对箱体内的颗粒物进行同步测量，逐时输出测量结果，从而实现对颗粒物传感器的校准。该系统生成的颗粒物粒径范围大，浓度可动态调节，易于操作，适用于颗粒物传感器的快速校准。

此系统包括纳米颗粒物校准子系统和微米颗粒物校准子系统，它们都是由颗粒物发生器、稀释混合器、实验箱体及数据采集分析系统构成。

一种纳米颗粒物传感器校准系统，包括过滤除水器2，第一高效过滤器3，T型三通10，纳米颗粒物发生器11，第一扩散干燥管12，第一球阀13，第二高效过滤器14，第二球阀15，转子流量计4，Y型三通16，箱体盖板5，实验箱体6，第二扩散干燥管7，切割头8和参考仪器9；过滤除水器2两侧均具有开口，其中入口用于压缩空气进入，出口通过卡套接头与第一高效过滤器3的入口连接；第一高效过滤器3两侧均具有开口，其中入口与过滤除水器2的出口连接，出口与T型三通10连接；T型三通10为不锈钢卡套，入口与第一高效过滤器3的出口连接，出口一路通过卡套与纳米颗粒物发生器11连接，另一路通过卡套与转子流量计4连接；纳米颗粒物发生器11具有入口和出口，其中入口与T型三通10的一路出口连接，出口通过导电性黑炭管与第一扩散干燥管12连接；第一扩散干燥管12两侧均具有开口，其中入口与纳米颗粒物发生器11的出口连接，出口连接桥式稀释器的入口；桥式稀释器的入口通过三通分为两路，一路为第一球阀13和第二高效过滤器14，另一路为第二球阀15，桥式稀释器的出口通过导电性黑炭管与Y型三通16的第一个端口连接，桥式稀释器可实现颗粒物浓度的第一级稀释；转子流量计4具有入口和出口，其中入口与T型三通10的另一路出口连接，出口与Y型三通16的第二个端口连接；Y型三通16的第三个端口通过箱体盖板5与实验箱体6连接；实验箱体6具有入口和出口，其中入口通过箱体盖板5与Y型三通16的第三个端口连接，出口通过穿板接头和导电性黑炭管与第二扩散干燥管7连接，实验箱体内部放置一个箱体隔板支架6-1，箱体隔板支架6-1对称放置一定数量的传感器6-2，并将所有传感器6-2的信号线连接至数据采集主板6-3；第二扩散干燥管7具有入口和出口，其中入口与实验箱体6连接，出口与切割头8连接；切割头8具有入口和出口，其中入口与第二扩散干燥管7的出口连接，出口与参考仪器9的入口连接；参考仪器9动态显示和记录颗粒物浓度。

优选地，所述过滤除水器2对颗粒物进行分级粗过滤和除水处理；第一高效过滤器3对颗粒物进行高效过滤，得到的干燥洁净压缩空气；纳米颗粒物发生器11产生的颗粒物经过第一扩散干燥管12干燥后得到较高浓度的纳米级颗粒物；桥式稀释器实现颗粒物浓度的第一级稀释；Y型三通16实现颗粒物浓度的第二级稀释；切割头8采用机械撞击的原理，去除已知粒径大小之上的颗粒物。

优选地，纳米颗粒物发生器11内的溶质通常选用NaCl与高纯水配制固定浓度的溶液。

优选地，转子流量计的调节范围为2L·min-1～30L·min-1。

优选地，实验箱体6的材质为不锈钢，且与颗粒物相关气路部分均由不锈钢接头与导电性黑炭管组成，以减少颗粒物的气路损失和器壁损失；实验箱体6为的微正压环境，以防止外界颗粒物进入实验箱体6，保证系统工作的可靠性。

优选地，通过调节第一球阀13和第二球阀15的开度，可以调节气路阻力分配比，从而调节稀释比例。

一种微米颗粒物传感器校准系统，包括过滤除水器2，第一高效过滤器3，转子流量计4，超声雾化器18，混合器19，精密注射器20，注射器控制器21，超声能量计22，混合干燥通道23，箱体盖板5，实验箱体6，第二扩散干燥管7，切割头8和参考仪器9；过滤除水器2两侧均具有开口，其中入口用于压缩空气进入，出口通过卡套接头与硅胶干燥管17的入口连接；硅胶干燥管17两侧均具有开口，其中入口与过滤除水器2的出口连接，出口与第一高效过滤器3连接；第一高效过滤器3两侧均具有开口，其中入口与硅胶干燥管17的出口连接，出口与转子流量计4连接；转子流量计4具有入口和出口，其中入口与第一高效过滤器3的出口连接，出口与混合器19连接；混合器19具有鞘气入口、气溶胶入口，其中鞘气入口与转子流量计4的出口连接，气溶胶入口通过O圈密封的形式连接超声雾化器18；混合器19的出口连接混合干燥通道23，混合干燥通道具有上窄下宽的设计，混合干燥通道23的下端通过箱体盖板5与实验箱体6连接；实验箱体6具有入口和出口，其中入口通过箱体盖板5与Y型三通16的第三个端口连接，出口的一部分通过穿板接头和导电性黑炭管与第二扩散干燥管7连接，另一部分多余气体通过实验箱体下部的排气小孔排出，实验箱体内部放置一个箱体隔板支架6-1，箱体隔板支架6-1对称放置一定数量的传感器6-2，并将所有传感器6-2的信号线连接至数据采集主板6-3；第二扩散干燥管7具有入口和出口，其中入口与实验箱体6连接，出口与切割头8连接；切割头8具有入口和出口，其中入口与第二扩散干燥管7的出口连接，出口与参考仪器9的入口连接；参考仪器9动态显示和记录颗粒物浓度。

优选地，过滤除水器2对颗粒物进行分级粗过滤和除水处理；硅胶干燥管17对颗粒物进行再次干燥，确保出口为无颗粒物的干燥载气。

优选地，超声雾化器18的溶液由精密注射器20和注射器控制器21来调控，注射流量可通过界面进行精确调节，超声雾化器18的能量供应是由超声能量计22来提供，功率一般设置为1W。

一种采用校准系统进行传感器校准的方法，包括以下步骤，

1、将传感器6-2对称摆放在箱体隔板支架6-1上，将每个传感器数据线连接至数据采集主板6-3，数据采集主板位于箱体隔板支架6-1中间位置，将数据采集主板的串口通信接口连接至电脑，接通数据采集主板电源，检查当前实验条件下大气颗粒物实测的数据是否正常；

2、关闭实验箱体6，往实验箱体6内通入干燥洁净空气，一是可对传感器6-2进行清零校准，二是排空实验箱体内的大气颗粒物，保证箱体内无其它颗粒物影响后续的实验数据，三是使得箱体内湿度达到一个稳定的干燥水平，同时实验过程中尽量保证箱体外大环境温度无较大波动，待清零完毕、温湿度等条件达到稳定水平，可开始产生颗粒物；

3、往实验箱体6内通入颗粒物，颗粒物浓度急剧上升，当箱体浓度达到传感器6-2测量上限时，逐渐增大稀释比，使实验箱体6内颗粒物浓度逐渐下降，对比参考仪器和所测传感器测量数据；当颗粒物浓度降至接近零时，可关闭颗粒物发生器；

4、加大鞘气流量，对传感器6-2进行再清零操作，确保零点可重复性；

5、对电脑端采集到的数据进行分析，给出校准结果。

本发明与现有技术相比，具有以下的优点及突出性效果：具备纳米级、微米级颗粒物发生器，可对PM_1.0，PM_2.5，PM₁₀等颗粒物传感器进行评估与校准；对于测量不同粒径范围的颗粒物传感器，采用相应的颗粒物发生器产生多分散颗粒物；校准时在实验箱体内对称分布传感器，通过调节不同的流量稀释比进行颗粒物浓度的动态调节实验颗粒物传感器的快速标定，提高了校准效率；传感器的测量数值通过数据采集主板进行实时采集，上传至服务端进行存储分析；另外，此系统操作灵活方便，通过改变不同球阀的开度，可以对颗粒物浓度实现粗调和细调；系统在各管道连接中均采用了卡套连接，实验箱体与混合装置的连接处采用橡胶圈进行密封，保证了管路的密封性；实验箱体保持微正压的测试环境，使得实验环境免受外界环境的影响。

附图说明

图1为本发明的含有纳米颗粒物发生装置的颗粒物传感器校准系统的结构示意图；

图2为本发明的含有微米颗粒物发生装置的颗粒物传感器校准系统的结构示意图；

图3为本发明的颗粒物传感器校准系统的实验箱体内部结构示意图；

标号说明：1－压缩空气，2－过滤除水器，3－第一高效过滤器，4－转子流量计，5－箱体盖板，6-实验箱体，6-1－箱体隔板支架，6-2－传感器，6-3－数据采集主板，6-4－，7-第二扩散干燥管，8-切割头，9-参考仪器，10-T型三通，11-纳米颗粒物发生器，12-第一扩散干燥管，13-第一球阀，14-第二高效过滤器，15-第二球阀，16-Y型三通，17-硅胶干燥管，18-超声雾化器，19-混合器，20-精密注射器，21-注射器控制器，22-超声能量计，23-混合干燥通道。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。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。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

如图1所示，一种含有纳米颗粒物发生装置的颗粒物传感器校准系统，包括过滤除水器2，第一高效过滤器3，T型三通10，纳米颗粒物发生器11，第一扩散干燥管12，第一球阀13，第二高效过滤器14，第二球阀15，转子流量计4，Y型三通16，箱体盖板5，实验箱体6，第二扩散干燥管7，切割头8和参考仪器9。其中，

过滤除水器2两侧均具有开口，其中入口用于压缩空气进入，出口通过3/8英寸的卡套接头与第一高效过滤器3的入口连接，过滤除水器2可对颗粒物进行分级粗过滤和除水处理。

第一高效过滤器3两侧均具有开口，其中入口与过滤除水器2的出口连接，出口尺寸为1/4英寸，与T型三通10连接，第一高效过滤器3可对颗粒物进行高效过滤。T型三通10为1/4英寸的不锈钢卡套，入口与第一高效过滤器3的出口连接，出口一路通过1/4英寸的尼龙卡套与纳米颗粒物发生器11连接，另一路通过特氟龙管与转子流量计4连接。

纳米颗粒物发生器11具有入口和出口，其中入口与T型三通10的一路出口连接，出口通过3/8英寸内径的导电性黑炭管与第一扩散干燥管12连接。纳米颗粒物发生器11内的溶液通常选用NaCl与高纯水配制固定浓度的溶液。

经过过滤除水器2、第一高效过滤器3，T型三通10连接纳米颗粒物发生器11的一路为载气气路。

第一扩散干燥管12两侧均具有开口，其中入口与纳米颗粒物发生器11的出口连接，出口连接桥式稀释器的入口，经过干燥后得到较高浓度的纳米级颗粒物。

桥式稀释器的入口通过三通分为两路，一路为第一球阀13和第二高效过滤器14，另一路为第二球阀15，桥式稀释器的出口通过导电性黑炭管与Y型三通16的第一个端口连接。桥式稀释器可实现颗粒物浓度的第一级稀释。

经过纳米颗粒物发生器11、第一扩散干燥管12、第一球阀13、第二高效过滤器14和第二球阀15的为气溶胶气路。

转子流量计4具有入口和出口，其中入口与T型三通10的另一路出口连接，出口与Y型三通16的第二个端口连接。转子流量计4的调节范围为2L·min-1～30L·min-1。

经过转子流量计4的为鞘气气路。

Y型三通16的第三个端口通过箱体盖板5与实验箱体6连接，Y型三通16部分开始对颗粒物浓度进行第二级稀释。

箱体盖板5直径为100mm，通过密封胶垫，将实验箱体6与Y型三通16的接口转为3/8英寸接口。

实验箱体6具有入口和出口，其中入口通过箱体盖板5与Y型三通16的第三个端口连接，出口通过穿板接头和导电性黑炭管与第二扩散干燥管7连接。实验箱体6尺寸为60*60*70cm，在距离底部25cm高度处放置一个箱体隔板支架6-1，箱体隔板支架6-1对称放置一定数量的传感器6-2，并将所有传感器6-2的信号线连接至数据采集主板6-3。实验箱体6的材质为不锈钢，且与颗粒物相关气路部分均由不锈钢接头与导电性黑炭管组成，以减少颗粒物的气路损失和器壁损失。实验箱体6为的微正压环境，以防止外界颗粒物进入实验箱体6，保证系统工作的可靠性。

第二扩散干燥管7具有入口和出口，其中入口与实验箱体6连接，出口与切割头8连接。

切割头8具有入口和出口，其中入口与第二扩散干燥管7的出口连接，出口与参考仪器9的入口连接。切割头8采用机械撞击的原理，可去除掉已知粒径大小之上的颗粒物。

参考仪器9选用测量精度高、稳定性好、可实时动态显示和记录颗粒物浓度的仪器。

该校准系统的工作原理如下所述。

将载气连接纳米颗粒物发生器11的入口，通过收缩小孔加速气流产生负压，将纳米颗粒物发生器11中配置的溶液通过细管进行抽吸，高速气流将抽吸到的溶液进行冲击破碎得到分散的小液滴后，随载气通过纳米颗粒物发生器11的出口喷出，后流经第一扩散干燥管12，第一扩散干燥管12为中空的不锈钢丝网通道，通过外围的变色硅胶对产生的颗粒物进行扩散吸湿干燥，得到干燥的纳米级颗粒物。

压缩空气1首先经过过滤除水器2进行分级粗过滤和除水处理，然后经过第一高效过滤器3进行高效过滤，得到的干燥洁净压缩空气，经T型三通10后分别进入载气气路与鞘气气路。压缩空气1的气压可调，范围为2-4个大气压，一般设置为2个大气压。

将载气连接纳米颗粒物发生器11的入口，通过收缩小孔加速气流产生负压，将纳米颗粒物发生器11中配置的溶液通过细管进行抽吸，高速气流将抽吸到的溶液进行冲击破碎得到分散的小液滴后，随载气通过纳米颗粒物发生器11的出口喷出后流经第一扩散干燥管12，第一扩散干燥管12为中空的不锈钢丝网通道，通过外围的变色硅胶对产生的颗粒物进行扩散吸湿干燥，得到干燥的纳米级颗粒物。

通常纳米颗粒物发生器11产生的颗粒物数浓度较高，需经过桥式稀释器对纳米颗粒物进行第一级稀释。该桥式稀释器由两路气流组成，第一路气流经第一球阀13和第二高效过滤器14，颗粒物被变成洁净无颗粒物的稀释气，第二路为经过第二球阀15的颗粒物。通过调节第一球阀13和第二球阀15的开度，可以调节气路阻力分配比，从而调节稀释比例。

第二级稀释是经过转子流量计4的鞘气气路，通过Y型三通16与桥式稀释器输出的颗粒物进行稀释混合得到的，稀释后的颗粒物通过箱体盖板5注入实验箱体6。

如图3所示，箱体隔板支架6-1的外部呈四边形结构，放置在距实验箱体6底部的固定高度，起到水平支撑作用；内部呈八边形结构，用于安装传感器6-2和数据采集主板6-3，八边形结构尽可能的保证所有传感器6-2之间的对等性和位置无关性。一般情况下，传感器6-2布置在八边形的外边缘支撑板上，市面上普通大小的传感器每边可放置4个，所以一次可测量32个传感器6-2。数据采集主板6-3安装在八边形的内部区域，一是方便传感器6-2的数据通信连接，二是颗粒物和气流的分布流动上较为均匀。将每个传感器6-2的信号连接至数据采集主板6-3进行数据采集，数据采集间隔约为1秒；同时数据采集主板6-3上安装有温湿度传感器，可对箱体内的温湿度进行实时监测；数据采集主板6-3将所有采集到的信息进行综合处理后，通过RS232C串行通信接口发送给外部电脑主机，进行曲线显示、数据存储和校准分析。

部分气流由具有导电性的黑炭管将实验箱体6内的颗粒物引出箱体，通过第二扩散干燥管7，进入带有切割头8的参考仪器9，实现参考仪器9和待测颗粒物传感器6-2同步测量；实验箱体内多余气体通过箱体底部的排气小孔排出。

纳米颗粒物校准子系统中，由于纳米颗粒物发生器11产生的颗粒物的中值粒径通常在40-100nm之间，最大颗粒物粒径稍小于2.5um，非常适合于PM_1.0、PM_2.5传感器的标定；同时通过配置不同溶质的溶液，可研究颗粒物传感器对不同化学种类的颗粒物的响应情况；由纳米颗粒物发生器11产生的颗粒物浓度较高，流量为4-6升/分钟，通过桥式稀释器进行初步稀释后，经过转子流量计4和Y型三通16进行二次稀释，转子流量计4的设定流量通常为15-30升/分钟，在对颗粒物浓度进行稀释的同时，增大了颗粒物载气的流量，从而缩短实验箱体6内颗粒物浓度调节时间。

如图2所示，一种含有微米颗粒物发生装置的颗粒物传感器校准系统，包括过滤除水器2，，第一高效过滤器3，转子流量计4，超声雾化器18，混合器19，精密注射器20，注射器控制器21，超声能量计22，混合干燥通道23，箱体盖板5，实验箱体6，第二扩散干燥管7，切割头8和参考仪器9。其中，

过滤除水器2两侧均具有开口，其中入口用于压缩空气进入，出口通过3/8英寸的卡套接头与硅胶干燥管17的入口连接，过滤除水器2可对颗粒物进行分级粗过滤和除水处理。

硅胶干燥管17两侧均具有开口，其中入口与过滤除水器2的出口连接，出口与第一高效过滤器3连接，硅胶干燥管17对颗粒物进行再次干燥，确保出口为无颗粒物的干燥载气。

第一高效过滤器3两侧均具有开口，其中入口与硅胶干燥管17的出口连接，出口与转子流量计4连接。

转子流量计4具有入口和出口，其中入口与第一高效过滤器3的出口连接，出口与混合器19连接。转子流量计的调节范围为2L·min-1～30L·min-1。

混合器19具有鞘气入口、气溶胶入口。其中鞘气入口与转子流量计4的出口连接，气溶胶入口通过O圈密封的形式连接超声雾化器18。

混合干燥通道23具有入口和出口，具有上窄下宽的设计，上端入口连接混合器19，下端出口通过箱体盖板5与实验箱体6连接。

超声雾化器18的溶液由精密注射器20和注射器控制器21来调控，注射流量可通过界面进行精确调节，超声雾化器18的能量供应是由超声能量计22来提供，通常功率设置为1W。

实验箱体6、参考仪器9的设置、连接方式以及作用与含有纳米颗粒物发生装置的颗粒物传感器校准系统中的部件相同，在此不再赘述。

该校准系统的工作原理如下所述。

微米级颗粒物发生器的原理是利用超声振动的能量将某溶质的溶液分散成细小的水雾，经由鞘气干燥后，蒸发掉液滴表面的溶剂，形成具有稳定的特定粒径分布的多分散性颗粒物。

压缩空气1首先经过过滤除水器2进行分级粗过滤和除水处理，然后经过硅胶干燥管17进行再次干燥，保证压缩空气1具有足够的干燥度，后经第一高效过滤器3进行高效过滤，得到的干燥洁净压缩空气1，通过转子流量计4控制鞘气流量大小后连接混合器19的鞘气入口。混合器19的气溶胶入口连接超声雾化器18，超声雾化器18的溶液由精密注射器20和注射器控制器21来调控，注射流量可通过界面进行精确调节。超声雾化器18的能量供应是由超声能量计22来提供，通常功率设置为1W。

混合器19的混合口径逐渐缩小，使得鞘气在缩口处加速形成湍流，使混合更加充分；与此同时，上窄下宽的混合干燥通道23可延长液滴的停留时间，使颗粒物得到充分干燥，鞘气的环抱进气方式同时可以保护颗粒物，减少颗粒物的碰壁损失。

实验箱体6、第二扩散干燥管7、切割头8以及参考仪器9部分与含有纳米颗粒物发生装置的颗粒物传感器校准系统相同。

校准实验操作过程简单，整个过程大概时间为1小时，基本可分为五步：

1、将传感器6-2对称摆放在箱体隔板支架6-1上，将每个传感器数据线连接至数据采集主板6-3，数据采集主板位于箱体隔板支架6-1中间位置，将数据采集主板的串口通信接口连接至电脑，接通数据采集主板电源，检查当前实验条件下大气颗粒物实测的数据是否正常；

2、关闭实验箱体6，往实验箱体6内通入干燥洁净空气，一是可对传感器6-2进行清零校准，二是排空实验箱体内的大气颗粒物，保证箱体内无其它颗粒物影响后续的实验数据，三是使得箱体内湿度达到一个稳定的干燥水平，同时实验过程中尽量保证箱体外大环境温度无较大波动，待清零完毕、温湿度等条件达到稳定水平，可开始产生颗粒物；

3、往实验箱体6内通入颗粒物，颗粒物浓度急剧上升，当箱体浓度达到传感器6-2测量上限时，逐渐增大稀释比，使实验箱体6内颗粒物浓度逐渐下降，对比参考仪器和所测传感器测量数据；当颗粒物浓度降至接近零时，可关闭颗粒物发生器；

4、加大鞘气流量，对传感器6-2进行再清零操作，确保零点可重复性；

5、对电脑端采集到的数据进行分析，给出校准结果。

最后需要指出的是：以上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精神和范围。