一种便携式大气颗粒物数浓度谱分布测量及样品收集装置

1.本实用新型属于大气科学技术领域，涉及大气气溶胶测量和采样技术，尤其是一种便携式大气颗粒物数浓度谱分布测量及样品收集装置。


背景技术：

2.环境空气质量是打赢蓝天保卫战、加强生态文明建设和建设美丽中国的重要一环，对社会经济发展、居民人体健康、气候变化有重要影响。2013年至2017年《大气污染防治行动计划》(“大气十条”)、2018年至2020年《打赢蓝天保卫战三年行动计划》实施以来，我国大气污染防治取得阶段性成效，全国空气质量明显改善，重点区域持续向好，主要污染物浓度降幅显著，但多污染物协同控制有待强化，重污染天气仍时有发生，pm2.5问题还没有完全彻底得到解决，仍是大气污染防治的重点之一。
[0003]“精准治霾”需要科学理论的发展和科学认识的深入，需要更加广泛详实的科研数据支撑，这对环境空气测量仪器提出了更高的要求。大气颗粒物的粒径与其性质密切相关，是大气颗粒污染物的采样与控制技术中主要考虑的特性之一，其粒径范围极广，从1nm(或10nm)到 100μm覆盖了4-5个数量级，包括核模态、积聚模态和粗粒子模态。美国tsi公司研发的扫描电迁移率粒径谱仪是美国国家标准技术研究所和科研单位广泛使用的亚微米粒径数浓度谱分布测量仪器，其测量精度和可靠性已经得到全球认可。但是该仪器质量重(35kg)、体积大 (50
×
70
×
40cm)、功率高(220v)，对观测场所有一定要求和限制，仅适合地面定点观测或经过复杂改装后的大型商用车载移动观测，难以满足在无人机、探空气球、小型飞艇、高塔、自行车、背包等移动端进行大气颗粒物数浓度谱分布测量的多样化科研需求，而这些特殊环境和地点的研究正是目前对颗粒物理化性质认识的盲区，也是研究的难点和未来发展的一个方向。
[0004]
随着技术进步，仪器小型化、微型化快速发展。目前，尚缺少一种便携式的具备大气颗粒物数浓度谱分布测量、气象温湿度测量和颗粒物样品收集等多种功能的装置，以满足多样化的大气颗粒物理化性质研究需求。


技术实现要素：

[0005]
为了克服上述现有技术的不足，本实用新型提供一种便携式大气颗粒物数浓度谱分布测量及样品收集装置，用于解决大气颗粒物数浓度谱分布测量和样品采集问题。
[0006]
本实用新型提供的技术方案是：
[0007]
一种便携式大气颗粒物数浓度谱分布测量及样品收集装置，包括：大气颗粒物测量与样品收集单元和远程操作与系统控制单元；
[0008]
所述大气颗粒物测量与样品收集单元为模块化集成的多功能便携式测量装置，用于测量颗粒物数浓度谱分布与气象要素、收集颗粒物样品和获取位置信息；所述大气颗粒物测量与样品收集单元包括颗粒物数浓度谱分布测量模块、颗粒物多粒径光学计数测量模块、撞击式颗粒物收集模块、气象温湿度测量模块和gps定位模块，分别与所述远程操作与
系统控制单元的系统控制模块相连接；所述颗粒物数浓度谱分布测量模块采用定制的微型化仪器，用于测量大气颗粒物的数浓度谱分布；所述颗粒物多粒径光学计数测量模块使用光学计数法测量多个粒径段的大气颗粒物的数浓度；所述撞击式颗粒物收集模块用于收集多个粒径段的大气颗粒物样品；所述气象温湿度测量模块用于测量环境空气的温度和相对湿度；所述gps定位模块用于获取精准的地理位置；
[0009]
所述远程操作与系统控制单元包括远程连接模块和系统控制模块，用于设置所述大气颗粒物测量与样品收集单元的仪器状态，并且实现采集、记录、存储、处理和显示测量数据的功能，使其稳定有效运行；所述系统控制模块是整个便携式大气颗粒物数浓度谱分布测量及样品收集装置的控制核心，包括控制系统和供电系统，控制系统可分别操作所述颗粒物数浓度谱分布测量模块、颗粒物多粒径光学计数测量模块、撞击式颗粒物收集模块、气象温湿度测量模块和gps定位模块，获取、存储、处理、可视化展示监测得到的颗粒物、温湿度和 gps数据，收集颗粒物样品，供电系统为整个便携式大气颗粒物数浓度谱分布测量及样品收集装置提供电能；所述远程连接模块与所述系统控制模块相连接，接收无线远程控制指令，发送所述大气颗粒物测量与样品收集单元各模块的仪器状态和测量数据集，使所述便携式大气颗粒物数浓度谱分布测量及样品收集装置具备云端远程操控和无人值守的工作能力。
[0010]
所述颗粒物数浓度谱分布测量模块包括小型x射线气溶胶中和器、定制化微型差分电迁移率分析仪、定制化微型凝聚核粒子计数器、流量控制器和微型抽气泵，能够测量8-250nm 粒径范围的颗粒物数浓度谱分布，通过特殊设计和合理布局，大大减小了传统扫描电迁移率粒径谱仪的体积和重量，可使用锂电池供电，具备搭载在无人机、探空气球、小型飞艇、高塔、自行车、背包等移动端进行大气颗粒物数浓度谱分布测量的能力。定制化微型凝聚核粒子计数器包括：饱和蒸发器、凝聚器和激光计数器。
[0011]
所述颗粒物多粒径光学计数测量模块包括小型光学粒子计数器、流量控制器和微型抽气泵，能够测量0.3-10μm粒径范围内多个粒径段的颗粒物数浓度，与所述颗粒物数浓度谱分布测量模块优势互补，提供更大粒径范围的颗粒物信息。
[0012]
所述撞击式颗粒物收集模块包括三级单颗粒撞击式采样头、流量传感器和微型抽气泵，能够收集中值切割粒径为1、2.5和10μm的大气颗粒物样品，供后续的离线分析使用。
[0013]
所述气象温湿度测量模块为集成化温湿度传感器，以温湿度一体式的探头作为测温元件，直接暴露在环境空气中，采集温度和湿度信号并通过算法转换为数值，用于提供高时间分辨率的环境温度和相对湿度信息。
[0014]
所述gps定位模块获取高精度的全球经纬度、海拔高度等地理位置信息和系统授时。
[0015]
所述大气颗粒物测量与样品收集单元为模块化设置，所包括的颗粒物数浓度谱分布测量模块、颗粒物多粒径光学计数测量模块、撞击式颗粒物收集模块、气象温湿度测量模块和gps 定位模块均可独立使用，互不影响。
[0016]
所述颗粒物数浓度谱分布测量模块、颗粒物多粒径光学计数测量模块、撞击式颗粒物收集模块分别设置有环境空气进样口，与外界大气相通，所有气路的接口处均密闭连接，无漏气现象。
[0017]
所述系统控制模块的控制系统为自主编写的控制程序系统，可以通过现场操作方
式或远程在线方式设置、查看所述大气颗粒物测量与样品收集单元各模块的仪器状态，采集、汇总、储存各模块的测量结果，并对数据进行处理分析和可视化展示；所述系统控制模块的供电系统用于提供电能，可根据需要自由选用锂电池供电和220v市电供电中的一种。
[0018]
所述远程连接模块通过互联网连接实现远程访问，接收操作指令，发送测量数据，包括时间、颗粒物数浓度谱分布、颗粒物多粒径数浓度、气象温湿度数据、gps定位信息、仪器参数设置。
[0019]
与现有技术相比，本实用新型的有益效果包括：
[0020]
(1)本实用新型为模块化设置，拥有颗粒物数浓度谱分布测量模块、颗粒物多粒径光学计数测量模块、撞击式颗粒物收集模块、气象温湿度测量模块和gps定位模块，均可独立使用，互不影响，能够满足不同使用需求；
[0021]
(2)本实用新型采用小型化、微型化设计，特别是颗粒物数浓度谱分布测量模块，利用差分电迁移率筛选结合凝聚核粒子计数的方法，直接测量得到颗粒物浓度而无需假设粒径分布的形状，测量精度高，可重复性好。经过理论计算，定制相关仪器部件，在具有高粒径分辨率和快速扫描特点的同时，极大地缩小了设备体积(30
×
30
×
20cm)，减轻了设备质量(本实用新型全重为不高于2.5kg)，且可以使用220v市电或锂电池工作，具备搭载在无人机、探空气球、小型飞艇、高塔、自行车、背包等移动端进行测量的优势，涵盖了道路移动监测和垂直探空监测等场景，能够获得高粒径、高时间、高空间分辨率的大气颗粒物数浓度谱分布数据；
[0022]
(3)本实用新型设置有颗粒物多粒径光学计数测量模块，与颗粒物数浓度谱分布测量模块结合，优势互补，极大地扩展了可测量的颗粒物粒径范围，能够提供8nm-10μm的颗粒物数浓度信息，满足多种科研分析需求；
[0023]
(4)本实用新型设置有撞击式颗粒物收集模块，在在线测量颗粒物数浓度谱分布、气象温湿度等数据的同时，可以按照计划收集分粒径(1、2.5和10μm)的大气颗粒物样品，供后续的离线分析使用，提供粒径分布、形貌、化学组成等颗粒物理化性质信息。
[0024]
(5)本实用新型能够获取气象温湿度和gps定位信息，为无人机、探空气球、小型飞艇、高塔、自行车、背包等移动端场景下的大气颗粒物分析工作提供更多信息，远程连接模块接收控制指令、发送数据，可以随时连接和控制各模块，便于确认仪器工作状态，获取高质量数据。
附图说明
[0025]
图1为本实用新型的结构框图；
[0026]
图2为本实用新型的组成示意图；
[0027]
其中，1.大气颗粒物测量与样品收集单元；11.颗粒物数浓度谱分布测量模块；111.进样口；112.小型x射线气溶胶中和器；113.气溶胶过滤器；114-1.流量控制器；115.定制化微型差分电迁移率分析仪；116.定制化微型凝聚核粒子计数器的饱和蒸发器；117.定制化微型凝聚核粒子计数器的凝聚器；118.定制化微型凝聚核粒子计数器的激光计数器；114-2.流量控制器；119.微型抽气泵；12.颗粒物多粒径光学计数测量模块；121.进样口；122.小型光学粒子计数器；123.流量控制器；124.微型抽气泵；13.撞击式颗粒物收集模块；131.进样口；132.三级单颗粒撞击式采样头；133.流量控制器；134.微型抽气泵；14.气象温
湿度测量模块；141.温度、湿度探头；15.gps定位模块；151.gps装置；2.远程操作与系统控制单元；21.远程连接模块；211.无线接发装置；22.系统控制模块；221.控制系统；222.供电系统，包括锂电池供电和220v市电供电两种方式；图1中的虚线框表示大气颗粒物测量与样品收集单元和远程操作与系统控制单元，单向箭头表示模块连接；图2中的单向箭头表示气流方向，实线连接线表示气路连接，虚线连接线表示电路和信号连接。
具体实施方式
[0028]
下面结合附图，通过实施例进一步描述本实用新型，但不以任何方式限制本实用新型的范围。
[0029]
如图1和图2所示，本实用新型为一种便携式大气颗粒物数浓度谱分布测量及样品收集装置，包括：大气颗粒物测量与样品收集单元1和远程操作与系统控制单元2；
[0030]
所述大气颗粒物测量与样品收集单元1为模块化集成的多功能便携式测量装置，用于测量颗粒物数浓度谱分布与气象要素、收集颗粒物样品和获取位置信息；所述大气颗粒物测量与样品收集单元1包括颗粒物数浓度谱分布测量模块11、颗粒物多粒径光学计数测量模块12、撞击式颗粒物收集模块13、气象温湿度测量模块14和gps定位模块15，分别与所述远程操作与系统控制单元2的系统控制模块22相连接；所述颗粒物数浓度谱分布测量模块11采用定制的微型化仪器，用于测量大气颗粒物的数浓度谱分布；所述颗粒物多粒径光学计数测量模块12使用光学计数法测量多个粒径段的大气颗粒物的数浓度；所述撞击式颗粒物收集模块 13用于收集多个粒径段的大气颗粒物样品；所述气象温湿度测量模块14用于测量环境空气的温度和相对湿度；所述gps定位模块15用于获取精准的地理位置；
[0031]
所述远程操作与系统控制单元2包括远程连接模块21和系统控制模块22，用于设置所述大气颗粒物测量与样品收集单元1的仪器状态，并且实现采集、记录、存储、处理和显示测量数据的功能，使其稳定有效运行；所述系统控制模块22是整个便携式大气颗粒物数浓度谱分布测量及样品收集装置的控制核心，包括控制系统221和供电系统222，控制系统221 可分别操作所述颗粒物数浓度谱分布测量模块11、颗粒物多粒径光学计数测量模块12、撞击式颗粒物收集模块13、气象温湿度测量模块14和gps定位模块15，获取、存储、处理、可视化展示监测得到的颗粒物、温湿度和gps数据，收集颗粒物样品，供电系统222为整个便携式大气颗粒物数浓度谱分布测量及样品收集装置提供电能；所述远程连接模块21与所述系统控制模块22相连接，接收无线远程控制指令，发送所述大气颗粒物测量与样品收集单元1 各模块的仪器状态和测量数据集，使所述便携式大气颗粒物数浓度谱分布测量及样品收集装置具备云端远程操控和无人值守的工作能力。
[0032]
所述颗粒物数浓度谱分布测量模块11包括小型x射线气溶胶中和器112、定制化微型差分电迁移率分析仪115、定制化微型凝聚核粒子计数器(116、117、118共同构成)、流量控制器(114-1和114-2)和微型抽气泵119，能够测量8-250nm粒径范围的颗粒物数浓度谱分布，通过特殊设计和合理布局，大大减小了传统扫描电迁移率粒径谱仪的体积和重量，可使用锂电池供电，具备搭载在无人机、探空气球、飞艇、高塔、自行车、背包等移动端进行大气颗粒物数浓度谱分布测量的能力。
[0033]
所述颗粒物多粒径光学计数测量模块12包括小型光学粒子计数器122、流量控制器123 和微型抽气泵124，能够测量0.3-10μm粒径范围内多个粒径段的颗粒物数浓度，与所
述颗粒物数浓度谱分布测量模块11优势互补，提供更大粒径范围的颗粒物信息。
[0034]
所述撞击式颗粒物收集模块13包括三级单颗粒撞击式采样头132、流量传感器133和微型抽气泵134，能够收集中值切割粒径为1、2.5和10μm的大气颗粒物样品，供后续的离线分析使用。
[0035]
本实用新型提供的便携式大气颗粒物数浓度谱分布测量及样品收集装置的工作流程如下：
[0036]
1)将本实用新型平稳放置或固定在无人机等移动平台上，选择锂电池或220v市电连接供电系统222，打开控制系统221和无线接发装置211；
[0037]
2)通过控制系统221发送指令，打开颗粒物数浓度谱分布测量模块11、颗粒物多粒径光学计数测量模块12、撞击式颗粒物收集模块13、气象温湿度测量模块14和gps定位模块 15共5个模块或其中的任意几个模块，待各测量模块预热后，即可稳定、连续测量颗粒物与气象要素；
[0038]
3)在颗粒物数浓度谱分布测量模块11中，环境空气从进样口111进入，经过小型x射线气溶胶中和器112后到达定制化微型差分电迁移率分析仪115，同时，一路通过气溶胶过滤器113和流量控制器114-1的循环气作为保护气进入定制化微型差分电迁移率分析仪115，然后，经过扫描式粒径筛分的颗粒物依次进入定制化微型凝聚核粒子计数器的饱和蒸发器116、定制化微型凝聚核粒子计数器的凝聚器117、定制化微型凝聚核粒子计数器的激光计数器118，最后流经流量控制器114-2，从微型抽气泵119排出；
[0039]
4)在颗粒物多粒径光学计数测量模块12中，环境空气从进样口121进入，由小型光学粒子计数器122进行分粒径段计数，通过流量控制器123限制流量后，从微型抽气泵124排出；
[0040]
5)在撞击式颗粒物收集模块13中，环境空气从进样口131进入，颗粒物分别被收集在三级单颗粒撞击式采样头132的对应位置，其余气体通过流量控制器133限制流量后，从微型抽气泵134排出；
[0041]
6)控制系统221按照操作指令记录、处理、储存、实时显示各监测数据，并通过无线接发装置211接收远程指令和发送测量结果；
[0042]
上述仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本实用新型进行非实质性的改动，均应属于侵犯本实用新型保护范围的行为，本实用新型要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。