本公开涉及大气环境监测设备技术领域，尤其涉及一种振荡天平及大气颗粒物浓度监测方法。
背景技术：
大气颗粒物是环境在线监测的一个热点，研究表明，颗粒物是导致能见度退化、引起区域灰霾现象的主要原因，尤其是细颗粒物(pm2.5)，与较大的大气颗粒物相比，它的粒径小，面积大，活性强，易附带有毒、有害物质(重金属、持久性有机物等)，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。因此，对大气颗粒物质量浓度的在线监测对掌握大气颗粒物的污染水平、变化趋势以及政府决策显得非常重要。
2012年《环境空气质量标准》(gb3095－2012)发布至今，空气质量自动监测站普遍配备了颗粒物在线监测仪，用于实时测量环境空气中的可吸入颗粒物(pm10)和细颗粒物(pm2.5)。颗粒物在线监测国标法中有两种测量方法，β射线法和振荡天平法，振荡天平法属于直接测量方法，在测量精度上与β射线法相比具有很大优势。由于振荡天平法颗粒物监测仪在对大气颗粒物的观测过程中易受环境大气湿度和滤膜中吸附的水汽及其他易挥发物的影响，目前市场上主流的振荡天平法监测仪为克服上述问题，采用了“膜补偿”的技术，其原理是在样品通道增加特制装置，以分时项滤膜轮换输送实际样品气与经冷凝、过滤处理后的样品气，从而能对颗粒物浓度数据进行“补偿”。
然而，在实现本公开的过程中，本申请发明人发现，在实际应用中，特别是在我国沿海和低海拔地区，“膜补偿”技术装置的日常维护标定操作过于复杂、频繁，稳定性、耐用性难以适应检测技术标准要求。
公开内容
(一)要解决的技术问题
基于上述技术问题，本公开提供一种振荡天平及大气颗粒物浓度监测方法，以缓解现有技术中的“膜补偿”装置日常维护标定操作过于复杂、频繁，稳定性、耐用性难以适应检测技术标准要求的技术问题。
(二)技术方案
根据本公开的一个方面，提供一种振荡天平，包括实时称重室和平衡称重室，其中：所述实时称重室和所述平衡称重室均包括：称重腔体；空心锥形管，设置在所述称重腔体内，其顶端设置有滤膜，其底部设置有固定接口，该空心锥形管利用气流通过时附着在所述滤膜上的大气颗粒物，改变该空心锥形管的谐振频率，求得大气颗粒物质量；以及流量计，设置在所述空心锥形管的出口处，用于测量通过所述空心锥形管的气流流量；所述平衡称重室还包括：温湿度调节装置，设置在所述称重腔体内，用于调节所述平衡称重室内的温湿度并消除附着在所述滤膜上的大气颗粒物中的水汽；其中，所述平衡称重室通过计算大气颗粒物中水汽含量获得补偿因子，所述实时称重室利用所述补偿因子校准实时称重数据，获得大气颗粒物真实浓度。
在本公开的一些实施例中，所述温湿度调节装置包括：加热装置，用于改变所述平衡称重室内的温度；干燥装置，用于改变所述平衡称重室内的湿度；温湿度传感器，用于实时监测所述平衡称重室内的温度与湿度；以及控制装置，根据所述温湿度传感器的测量结果控制所述加热装置和所述干燥装置开启或闭合。
在本公开的一些实施例中，所述加热装置和所述温湿度传感器均包括n个，n个所述加热装置和所述温湿度传感器间隔设置在所述称重腔体的内壁上，其中n≥2。
在本公开的一些实施例中，该振荡天平还包括：切割器，用于切割采样大气颗粒物；分流装置，用于将所述切割器排出的气流分别输送至所述实时称重室和所述平衡称重室中；以及流量控制器，用于控制通过所述实时称重室和所述平衡称重室的气流流量。
在本公开的一些实施例中，其中：所述平衡称重室内的温度介于15至30℃之间，调节精度为1℃；所述平衡称重室内的湿度介于45％至55％rh之间。
在本公开的一些实施例中，其中：所述称重腔体的顶部和底部分别设置有进气口和出气口；所述空心锥形管竖直设置在所述称重腔体的底部，其顶端与所述进气口相对设置，其底端与所述出气口连通。
在本公开的一些实施例中，所述切割器采样的大气颗粒物为pm2.5和pm10。
根据本公开的另一个方面，还提供一种大气颗粒物浓度监测方法，通过本公开提供的振荡天平实现，包括：步骤a：利用切割器采集含有大气颗粒物的气流，并分别输送至实时称重室和平衡称重室；步骤b：气流通过实时称重室内的滤膜后被截留并被称重，得出大气颗粒物的采样浓度；步骤c：气流通过平衡称重室内的滤膜后被截留并进行平衡静置，通过温湿度调节装置改变平衡称重室内的温度和湿度，消除附着在滤膜上的大气颗粒物中的水汽；步骤d：根据平衡称重室中获得的水汽含量，对采样浓度进行校准获得大气颗粒物的真实浓度。
在本公开的一些实施例中，所述步骤c包括：步骤c1：根据设定的采集时间进行气流采集；步骤c2：进行平衡静置，并利用温湿度调节装置消除附着在滤膜上的大气颗粒物中的水汽；步骤c3：检测平衡称重室内的湿度，若湿度超过设定范围，则返回步骤c2，若湿度稳定在设定范围内，则进行称重。
在本公开的一些实施例中，所述步骤c2中，平衡静置的时间根据经纬度、节气和外界空气的温湿度动态调整。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开提供的振荡天平及大气颗粒物浓度监测方法具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
(1)采用平衡称重室与实时称重室并行称重，通过温湿度调节装置消除滤膜上附着的大气颗粒物中的水汽，采用此种设置，可以使振荡天平省去常规的膜校准系统，并采用与国标《hj656-2013环境空气颗粒物(pm2.5)手工监测方法(重量法)技术规范》一致的除湿方法，增加了测量精度，并且在维护难度、成本上与“膜补偿”技术相比有很大进步；
(2)通过温湿度调节装置消除水汽的过程中，还能够维持平衡称重室内的温度在合理的范围内，从而缓解附集在滤膜上的大气颗粒物中易挥发性物质快速挥发导致颗粒物浓度测值偏低的问题；
(3)通过加热装置与干燥装置共同配合，能够加快干燥速度，缩短平衡静置时间；
(4)采用多个加热装置与温湿度传感器间隔排列在平衡称重室内部，能够使平衡称重室内的温湿度分布更均匀，并且温湿度传感器的测量结果更精确，从而使大气颗粒物浓度的修正结果更准确。
附图说明
图1为本公开提供的振荡天平中实时称重室和平衡称重室的结构示意图。
图2为本公开提供的振荡天平的结构示意图。
图3为本公开提供的大气颗粒物浓度监测方法的流程示意图。
【附图中本公开实施例主要元件符号说明】
100-实时称重室；
110-称重腔体；
120-空心锥形管；
121-滤膜；122-固定接口；
200-平衡称重室；
210-加热装置；
220-干燥装置；
230-温湿度传感器；
300-切割器；
400-分流装置；
500-流量控制器。
具体实施方式
本公开实施例提供的振荡天平及大气颗粒物浓度监测方法中，采用平衡称重室与实时称重室并行称重，从而有效降低大气颗粒物中的水汽对称重结果的影响，并且能够避免水汽挥发导致测量浓度偏低的问题。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
图1为本公开提供的振荡天平中实时称重室和平衡称重室的结构示意图。
在本公开的一些实施例中，提供一种振荡天平，如图1所示，包括实时称重室100和平衡称重室200，其中：实时称重室100和平衡称重室200均包括：称重腔体110；空心锥形管120，设置在称重腔体110内，其顶端设置有滤膜121，其底部设置有固定接口122，该空心锥形管120利用气流从其内部通过时附着在滤膜121上的大气颗粒物，从而改变该空心锥形管120的谐振频率，求得大气颗粒物质量；以及流量计，设置在空心锥形管120的出口处，用于测量通过空心锥形管120的气流流量。
平衡称重室200还包括：温湿度调节装置，设置在称重腔体110内，用于调节平衡称重室200内的温湿度并消除附着在滤膜121上的大气颗粒物中的水汽，其中，平衡称重室200通过计算大气颗粒物中水汽含量获得补偿因子，实时称重室100利用补偿因子校准实时称重数据。
采用平衡称重室200与实时称重室100并行称重，通过温湿度调节装置消除滤膜121上附着的大气颗粒物中的水汽，采用此种设置，可以使振荡天平省去常规的膜校准系统，并采用与国标《hj656-2013环境空气颗粒物(pm2.5)手工监测方法(重量法)技术规范》一致的除湿方法，增加了测量精度，并且在维护难度、成本上与“膜补偿”技术相比有很大进步；同时，通过温湿度调节装置消除水汽的过程中，还能够维持平衡称重室200内的温度在合理的范围内，从而缓解附集在滤膜121上的大气颗粒物中易挥发性物质快速挥发导致颗粒物浓度测值偏低的问题。
在本公开的一些实施例中，如图1所示，温湿度调节装置包括：加热装置210，用于改变平衡称重室200内的温度；干燥装置220，用于改变平衡称重室200内的湿度；温湿度传感器230，用于实时监测平衡称重室200内的温度与湿度；以及控制装置，根据温湿度传感器230的测量结果控制加热装置210和干燥装置220开启或闭合，通过控制加热装置210开启或闭合，能够将平衡称重室200内温度控制在15至30℃之间，避免由于温度过高导致易挥发物质挥发，同时通过加热装置210与干燥装置220共同配合，能够加快干燥速度，缩短静置平衡时间，干燥装置220可采用不与大气颗粒物发生化学反应的物理干燥剂或化学干燥剂。
在本公开的一些实施例中，如图1所示，加热装置210和温湿度传感器230均包括n个，n个加热装置210和温湿度传感器230间隔设置在称重腔体110的内壁上，其中n≥2，采用多个加热装置210与温湿度传感器230间隔排列在平衡称重室200内部，能够使平衡称重室200内的温湿度分布更均匀，并且温湿度传感器的测量结果更精确，从而使大气颗粒物浓度的修正结果更准确。
图2为本公开提供的振荡天平的结构示意图。
在本公开的一些实施例中，如图2所示，该振荡天平还包括：切割器300，用于切割采样大气颗粒物；分流装置400，用于将切割器300排出的气流分别输送至实时称重室100和平衡称重室200中；以及流量控制器500，用于控制通过实时称重室100和平衡称重室200的气流流量，实际使用时，通过切割器300切割采样需采集的大气颗粒物，将采集的含有大气颗粒物的气流通过分流装置400分别输送至实时称重室100和平衡称重室200中，再通过流量控制器500分别控制通过实时称重室100或平衡称重室200的气流的流量，从而实现对大气颗粒物的高效采集。
在本公开的一些实施例中，其中：平衡称重室200内的温度介于15至30℃之间，调节精度为1℃，从而避免易挥发物质挥发；平衡称重室200内的湿度介于45％至55％rh之间，通过设置平衡称重室200的湿度范围，能够有效判断此时附着在滤膜121上的大气颗粒物中的水分含量。
在本公开的一些实施例中，如图1所示，其中：称重腔体110的顶部和底部分别设置有进气口和出气口；空心锥形管120竖直设置在称重腔体110的底部，其顶端与进气口相对设置，其底端与出气口连通。
在本公开的一些实施例中，切割器500采样的大气颗粒物为pm2.5和pm10，它们的粒径小，面积大，活性强，易附带有毒、有害物质(重金属、持久性有机物等)，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，因此更需要被实时检测。
图3为本公开提供的大气颗粒物浓度监测方法的流程示意图。
根据本公开的另一个方面，还提供一种大气颗粒物浓度监测方法，通过本公开提供的振荡天平实现，包括：步骤a：利用切割器500采集含有大气颗粒物的气流，并分别输送至实时称重室100和平衡称重室200；步骤b：气流通过实时称重室100内的滤膜121后被截留并被称重，并得出大气颗粒物的采样浓度；步骤c：气流通过平衡称重室200内的滤膜121后被截留并进行平衡静置，并通过温湿度调节装置改变平衡称重室200内的温度和湿度，消除附着在滤膜121上的大气颗粒物中的水汽；步骤d：根据平衡称重室200中获得的水汽含量，对采样浓度进行校准获得大气颗粒物的真实浓度。
在本公开的一些实施例中，如图3所示，步骤c包括：步骤c1：根据设定的采集时间进行气流采集；步骤c2：进行平衡静置，并利用温湿度调节装置消除附着在滤膜上的大气颗粒物中的水汽；步骤c3：检测平衡称重室200内的湿度，若湿度超过设定范围，则返回步骤c2，若湿度稳定在设定范围内，则进行称重。
在本公开的一些实施例中，步骤c2中，平衡静置的时间根据经纬度、节气和外界空气的温湿度动态调整。
至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开提供的振荡天平及大气颗粒物浓度监测方法有了清楚的认识。
综上所述，本公开提供的振荡天平及大气颗粒物浓度监测方法采用平衡称重室与实时称重室并行称重，并利用平衡称重室的测量结果对实时称重室进行校正，从而有效降低大气颗粒物中的水汽对称重结果的影响，使测量结果更准确。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如前面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。