CN105092441A - 一种细颗粒物测量装置及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种细颗粒物测量装置，用于检测空气中的PM2.5的含量，包括用于收集空气样品的PM10收集器、用于分离所述空气样品中细颗粒物的PM2.5切割器、用于检测空气样品中细颗粒物含量的检测装置以及用于稳定气流的气泵，所述检测装置包括激光散射仪、光电子发射检测仪已经信号处理器，所述细颗粒物测量装置简单可靠，价格低廉，且能够节省设备，本发明还公开了所述细颗粒物测量装置的测量方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种细颗粒物测量装置，特别是涉及一种细颗粒物测量装置及其测量方法。
背景技术
由于细微颗粒物对人体的健康产生很大的危害，尤其是小于2.5微米的颗粒，PM2.5因为体积比较小，具有很大的比表面积，因而容易吸附有毒物质，并且这些颗粒可以轻易的到达肺部深处，从而引起各种肺部疾病，为此国家发布了新修订的《环境空气质量》标准。新标准增加了PM2.5的浓度限值检测标准。因此亟需一个简单可靠的并且价格低廉的PM2.5实时测量设备。
测量PM2.5最经典的方法就是50年代发明的滤膜法，这种方法只需要一个PM2.5切割头、一台泵和膜架及其滤膜，采集24小时样品后，取下滤膜称重即可，必要时可以平行采集3个样品，经恒温恒湿后再称重。该可靠实用的方法于1975年写进了德国工业标准，用于校准各种测量仪器。这种方法的缺点是，气流长时间不断通过采样滤膜，滤膜上采集到的物质随着气流和温度的变化会造成挥发性和半挥发性物质损失。同时，一些极细小的颗粒还是能穿过滤膜造成检测结果偏低；相反，气态物质也可能被滤膜吸附，造成结果偏高。并且该方法也不能实现PM2.5的实时监测。
石英微量震荡天平法是目前我国很多城市监测PM10最常用的方法，也可以用来确定PM2.5的浓度。该方法利用了石英晶体谐振器的压电特性，将石英晶振电极表面质量变化转化为石英晶体振荡电路输出电信号的频率变化。优点是定量关系明确，尤其是对小颗粒。缺点是目前的技术无法解决样品加热后挥发性和半挥发性物质的损失，导致测定结果被认为偏低；如果增加膜动态校准***，则会因技术不成熟造成成本大幅度增高、操作复杂化，最关键的是仪器故障率大幅度升高，难以获得高质量数据。且石英微量震荡天平法对测量环境的要求很高，比如空气温度，湿度，压力，因此不适合南方潮湿地区和污染过于严重城市。
测量PM10或者PM2.5的另外一种比较常见的方法是β射线法。首先一定厚度的颗粒被收集在3源和盖革计数器之间的滤膜表面。当β射线通过时，其强度随着厚度的增加而逐渐衰弱。根据采样前后的盖革计数器的数值变化可以推算出滤膜上吸附的颗粒的质量。β射线法居于两个假设：一是仪器的采样滤膜条带均一；二是采集下来的粒子物理特性均一。上述两个假设往往并不成立，因此测定数据一般被认为偏高，这种检测方法在相对干净和干燥的地区故障率低，在潮湿高温区域故障率较高。并且该设备成本相对较高。
其次常用的方法还有激光散射法。该方法利用的是空气中颗粒可以光散射。通过测量散射光的强度可以间接的确定颗粒的浓度。利用激光散射法的测量受颗粒大小的影响。通过确定颗粒的数量浓度和大小可以计算出颗粒的质量浓度。通常激光散射法只对0.3微米以上的颗粒比较敏感，并且颗粒的密度也未知，从而导致PM2.5测量产生很大的误差。
除此以外，还有一种用于确定来自燃烧过程产生的颗粒浓度的方法就是光电子发射检测法。该方法的原理就是来自燃烧产生的颗粒通常含有芳香族碳氢化合物，这些物质对紫外线非常敏感。通过紫外线的照射，这些物质就会释放出电子。除掉这些激发出来的电子，这样颗粒就会带上正电。颗粒的带电量跟颗粒的质量浓度成比。这种方法适用小于一个微米颗粒的测量。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种简单可靠，且价格低廉的细颗粒物测量装置。
为实现上述目的，本发明提供以下的技术方案：一种细颗粒物测量装置，用于检测空气中的PM2.5的含量，包括用于收集空气样品的PM10收集器、用于分离所述空气样品中细颗粒物的PM2.5切割器、用于检测空气样品中细颗粒物含量的检测装置以及用于稳定气流的气泵，所述检测装置包括，
激光散射仪，用于测定空气样品中细颗粒物散射强度；
光电子发射检测仪，用于测定空气样品中细颗粒物带电量；
信号处理器，用于将所述细颗粒物散射强度和细颗粒物带电量转换为细颗粒物浓度；
所述PM10收集器连接所述PM2.5切割器；
所述PM2.5切割器连接所述激光散射仪；
所述激光散射仪连接所述光电子发射检测仪；
所述光电子发射仪连接所述气泵；
所述激光散射仪和光电子发射检测仪还分别连接所述信号处理器。
所述激光散射仪包括空气通道、激光模块以及探测模块，
所述激光模块包括用于激光通过的激光通道和设于所述激光通道两端的用于发射激光的激光源和用于吸收激光的激光捕捉器；
所述探测模块包括用于激光散射的散射通道和设于所述散射通道两端的检测空气样品中细颗粒物散射强度的激光强度探测仪和用于吸收散射激光的激光捕捉器；
所述空气通道、激光通道以及散射通道设有已测量的交叉空间；
所述激光源的入射光线与激光散射光线的交叉区域设于所述已测量的交叉空间内；
所述PM2.5切割器的出口连接所述空气通道的进口；
所述激光强度探测仪连接所述信号处理器。
所述激光源和交叉区域之间还设有用于聚焦的棱镜。
所述光电子发射检测仪包括，
紫外线照射空间，用于激发空气样品中细颗粒物的电子；
电子收集器，用于去除空气样品中细颗粒物的电子；
过滤器，用于收集空气样品中的细颗粒物；
法拉第杯，用于测定所述过滤器中细颗粒物的带电量；
放大器，用于放大带电量的信号；
所述空气通道的出口连接所述紫外线照射空间的进口；
所述紫外线照射空间的出口连接所述电子收集器的进口；
所述电子收集器的出口连接所述过滤器；
所述过滤器设于所述法拉第杯中并且连接所述放大器；
所述放大器连接所述信号处理器；
所述法拉第杯的出口连接所述气泵。
优选的，所述法拉第杯和气泵之间还设有用于去除空气中湿气的干燥器；
优选的，所述干燥器中设有用于去除气态酸性物质的活性炭层。
优选的，所述气泵后还设有用于循环使用净化后空气的分流装置，所述分流装置为用于分流气体的毛细管；所述气泵的出口连接所述毛细管的进口；所述毛细管的出口分别连接所述PM10收集器和外界。
本发明还提供另一个技术方案，一种细颗粒物测量方法，所述细颗粒物测量方法的工艺流程为：(1)收集空气样品(2)分离空气样品中的细颗粒物(3)测定空气样品中的细颗粒物散射强度并转换为空气样品中的细颗粒物浓度(4)测定空气样品中的细颗粒物带电量并转换为空气样品中的细颗粒物浓度。
优选的，所述细颗粒物测量方法的工艺流程还包括：a、干燥净化余气；b、余气循环利用。
所述细颗粒物测量方法的具体步骤为：
(1)收集空气样品，通过PM10收集器收集所要测量的空气样品，并且根据空气情况对所述空气样品进行加热和/或稀释；
(2)分离空气样品中的细颗粒物，通过PM2.5切割器分离，直径大于2.5微米的颗粒物被去除，直径小于和等于2.5微米通过所述PM2.5切割器；
(3)测定空气样品中的细颗粒物散射强度并转换为细颗粒物浓度，通过激光散射仪测定空气样品中细颗粒物的散射强度，并通过信号处理器将所述空气样品中细颗粒物的散射强度转换为空气样品中细颗粒物的浓度；
(4)测定空气样品中的细颗粒物带电量并转换为细颗粒物浓度，通过光电子发射检测仪收集空气样品中的细颗粒物，并测定细颗粒物的带电量，然后通过放大器放大带电量的信号，然后通过信号处理器将所述空气样品中细颗粒物的带电量转换为空气样品中细颗粒物的浓度；
(5)干燥净化余气，空气样品被收集细颗粒物后的余气，通过设有活性炭层的干燥器去除所述余气中的湿气和气态酸性物质；
(6)余气循环利用，通过气泵稳定气流，并且通过毛细管将净化后的余气分别分流至PM10收集器用于稀释空气样品和外界。
采用以上技术方案的有益效果是：该方法的特点就是组合了激光散射法和光电子发射检测法，在激光散射法中，信号随着颗粒大小的增加而增加，而对于光电子发射检测法，信号随着颗粒大小的增加而减小；反之，激光散射法的信号随着颗粒大小的减小而减小，而光电子发射检测法随着颗粒边小而变大；通过组合这两种方法，可以消弱颗粒性质对测量的影响；同时通过采用净化装置和分流装置，能够直接循环利用洁净的空气对空气样品进行稀释，节省了设备。
附图说明
图1是本发明的组成方框图；
图2是本发明中激光散射仪的结构示意图；
图3是本发明中光电子发射检测仪的结构示意图；
图4是本发明一种PM2.5测量测量方法的工艺流程图。
其中，1.PM10收集器2.PM2.5分离器3.激光散射仪31.空气通道321.激光通道322.激光源323.棱镜324.激光捕捉器331.散射通道332.激光强度探测仪333.散射激光捕捉器34.交叉空间35.交叉区域4.光电子发射检测仪41.紫外线照射空间411.紫外线照射空间进口412.紫外线灯管42.电子收集器43.过滤器44.法拉第杯441.法拉第杯进口442.法拉第杯出口45.放大器5.信号处理器6.干燥器61.活性炭层7.气泵8.分流装置81.毛细管I82.毛细管II
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的优选实施方式。
实施例1
参见图1、图2以及图3，如其中的图例所示，一种细颗粒物测量装置，用于检测空气中的PM2.5的含量，包括用于收集空气样品的一PM10收集器1、用于分离所述空气样品中细颗粒物的一PM2.5切割器2、用于检测空气样品中细颗粒物含量的一检测装置、用于去除空气样品中湿气的一干燥器6、用于稳定气流的一气泵7以及用于循环使用净化后空气的一分流装置8，所述检测装置包括，
一激光散射仪3，用于测定空气样品中细颗粒物散射强度；
所述激光散射仪3包括一空气通道31、一激光模块以及一探测模块，
所述激光模块包括用于激光通过的一激光通道321和设于所述激光通道321两端的用于发射激光的一激光源322和用于吸收激光的一激光捕捉器324；
所述探测模块包括用于激光散射的一散射通道331和设于所述散射通道331两端的检测空气样品中细颗粒物散射强度的一激光强度探测仪332和用于吸收散射激光的一激光捕捉器333；
所述空气通道31、激光通道321以及散射通道331设有一已测量的交叉空间34。
所述激光源322与散射光线的交叉区域35设于所述已测量的交叉空间34内；
所述激光源322和交叉区域35之间还设有用于聚焦的一棱镜323。
一光电子发射检测仪4，用于测定空气样品中细颗粒物带电量；
所述光电子发射检测仪4包括，
一紫外线照射空间41，用于激发空气样品中细颗粒物的电子；
一电子收集器42，用于去除空气样品中细颗粒物的电子；
一过滤器43，用于收集空气样品中的细颗粒物；
一法拉第杯44，用于测定所述过滤器中细颗粒物的带电量；
一放大器45，用于放大带电量的信号；
一信号处理器5，用于将所述细颗粒物散射强度和细颗粒物带电量转换为细颗粒物浓度；
一干燥器6，用于去除空气样品中的湿气，所述干燥器6中设有一用于去除气态酸性物质的一活性炭层61；
所述PM10收集器1连接所述PM2.5切割器2；
所述PM2.5切割装置2连接所述空气通道31的入口；
所述空气通道31的出口连接所述紫外线照射空间入口411；
所述紫外线照射空间41连接所述电子收集器42；
所述紫外线照射空间41内设有紫外线灯管412，用于照射通过的空气；
所述电子收集器42通过所述法拉第杯进口441连接所述过滤器43；
所述过滤器43设于所述法拉第杯44中并且连接所述放大器45；
所述激光强度探测仪332和放大器45均连接所述信号处理器5；
所述法拉第杯出口442连接所述干燥器6；
所述干燥器6连接所述气泵7。
所述气泵7连接所述毛细管I81和毛细管II82；
所述毛细管I81和毛细管II82分别连接PM10收集器1和外界。
本发明还提供另一个技术方案，一种细颗粒物测量方法，所述细颗粒物测量方法的工艺流程为：(1)收集空气样品(2)分离空气样品中的细颗粒物(3)测定空气样品中的细颗粒物散射强度并转换为空气样品中的细颗粒物浓度(4)测定空气样品中的细颗粒物带电量并转换为空气样品中的细颗粒物浓度(5)干燥净化余气；(6)余气循环利用。
所述细颗粒物测量方法的具体步骤为：
(1)收集空气样品，通过PM10收集器收集所要测量的空气样品，并且根据空气情况对所述空气样品进行加热和/或稀释；
(2)分离空气样品中的细颗粒物，通过PM2.5切割器分离，直径大于2.5微米的颗粒物被去除，直径小于和等于2.5微米通过所述PM2.5切割器；
(3)测定空气样品中的细颗粒物散射强度并转换为细颗粒物浓度，通过激光散射仪测定空气样品中细颗粒物的散射强度，并通过信号处理器将所述空气样品中细颗粒物的散射强度转换为空气样品中细颗粒物的浓度；
(4)测定空气样品中的细颗粒物带电量并转换为细颗粒物浓度，通过光电子发射检测仪收集空气样品中的细颗粒物，并测定细颗粒物的带电量，然后通过放大器放大带电量的信号，然后通过信号处理器将所述空气样品中细颗粒物的带电量转换为空气样品中细颗粒物的浓度；
(5)干燥净化余气，空气样品被收集细颗粒物后的余气，通过设有活性炭层的干燥器去除所述余气中的湿气和气态酸性物质；
(6)余气循环利用，通过气泵稳定气流，并且通过毛细管将净化后的余气分别分流至PM10收集器用于稀释空气样品和外界。
采用以上技术方案的有益效果是：该方法的特点就是组合了激光散射法和光电子发射检测法，在激光散射法中，信号随着颗粒大小的增加而增加，而对于光电子发射检测法，信号随着颗粒大小的增加而减小；反之，激光散射法的信号随着颗粒大小的减小而减小，而光电子发射检测法随着颗粒边小而变大；通过组合这两种方法，可以消弱颗粒性质对测量的影响；同时通过采用净化装置和分流装置，能够直接循环利用洁净的空气对空气样品进行稀释，节省了设备。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种细颗粒物测量装置，用于检测空气中的PM2.5的含量，包括用于收集空气样品的PM10收集器、用于分离所述空气样品中细颗粒物的PM2.5切割器、用于检测空气样品中细颗粒物含量的检测装置以及用于稳定气流的气泵，其特征在于，所述检测装置包括，
激光散射仪，用于测定空气样品中细颗粒物散射强度；
光电子发射检测仪，用于测定空气样品中细颗粒物带电量；
信号处理器，用于将所述细颗粒物散射强度和细颗粒物带电量转换为细颗粒物浓度；
所述PM10收集器的出口连接所述PM2.5切割器的进口；
所述PM2.5切割器的出口连接所述激光散射仪；
所述激光散射仪连接所述光电子发射检测仪；
所述光电子发射仪连接所述气泵；
所述激光散射仪和光电子发射检测仪还分别连接所述信号处理器。
2.根据权利要求1所述的细颗粒物测量装置，其特征在于，所述激光散射仪包括空气通道、激光模块以及探测模块，
所述激光模块包括用于激光通过的激光通道和设于所述激光通道两端的用于发射激光的激光源和用于吸收激光的激光捕捉器；
所述探测模块包括用于激光散射的散射通道和设于所述散射通道两端的检测空气样品中细颗粒物散射强度的激光强度探测仪和用于吸收散射激光的激光捕捉器；
所述空气通道、激光通道以及散射通道设有已测量的交叉空间；
所述激光源的入射光线与激光散射光线的交叉区域设于所述已测量的交叉空间内；
所述PM2.5切割器的出口连接所述空气通道的进口；
所述激光强度探测仪连接所述信号处理器。
3.根据权利要求2所述的细颗粒物测量装置，其特征在于，所述激光源和交叉区域之间还设有用于聚焦的棱镜。
4.根据权利要求3所述的细颗粒物测量装置，其特征在于，所述光电子发射检测仪包括，
紫外线照射空间，用于激发空气样品中细颗粒物的电子；
电子收集器，用于去除空气样品中细颗粒物的电子；
过滤器，用于收集空气样品中的细颗粒物；
法拉第杯，用于测定所述过滤器中细颗粒物的带电量；
放大器，用于放大带电量的信号；
所述空气通道的出口连接所述紫外线照射空间的进口；
所述紫外线照射空间的出口连接所述电子收集器的进口；
所述电子收集器的出口连接所述过滤器；
所述过滤器设于所述法拉第杯中并且连接所述放大器；
所述放大器连接所述信号处理器；
所述法拉第杯的出口连接所述气泵。
5.根据权利要求4所述的细颗粒物测量装置，其特征在于，所述法拉第杯和气泵之间还设有用于去除空气中湿气的干燥器。
6.根据权利要求5所述的细颗粒物测量装置，其特征在于，所述干燥器中设有用于去除气态酸性物质的活性炭层。
7.根据权利要求6所述的细颗粒物测量装置，其特征在于，所述气泵后还设有用于循环使用净化后空气的分流装置，所述分流装置为用于分流气体的毛细管；所述气泵的出口连接所述毛细管的进口；所述毛细管的出口分别连接所述PM10收集器和外界。
8.一种细颗粒物测量方法，其特征在于，所述细颗粒物测量方法的工艺流程为：(1)收集空气样品(2)分离空气样品中的细颗粒物(3)测定空气样品中的细颗粒物散射强度并转换为空气样品中的细颗粒物浓度(4)测定空气样品中的细颗粒物带电量并转换为空气样品中的细颗粒物浓度。
9.根据权利要求8所述的细颗粒物测量方法，其特征在于，所述细颗粒物测量方法的工艺流程还包括：a、干燥净化余气；b、余气循环利用。
10.根据权利要求9所述的细颗粒物测量方法，其特征在于，所述细颗粒物测量方法的具体步骤为：
(1)收集空气样品，通过PM10收集器收集所要测量的空气样品，并且根据空气情况对所述空气样品进行加热和/或稀释；
(2)分离空气样品中的细颗粒物，通过PM2.5切割器分离，直径大于2.5微米的颗粒物被去除，直径小于和等于2.5微米通过所述PM2.5切割器；
(3)测定空气样品中的细颗粒物散射强度并转换为细颗粒物浓度，通过激光散射仪测定空气样品中细颗粒物的散射强度，并通过信号处理器将所述空气样品中细颗粒物的散射强度转换为空气样品中细颗粒物的浓度；
(4)测定空气样品中的细颗粒物带电量并转换为细颗粒物浓度，通过光电子发射检测仪收集空气样品中的细颗粒物，并测定细颗粒物的带电量，然后通过放大器放大带电量的信号，然后通过信号处理器将所述空气样品中细颗粒物的带电量转换为空气样品中细颗粒物的浓度；
(5)干燥净化余气，空气样品被收集细颗粒物后的余气，通过设有活性炭层的干燥器去除所述余气中的湿气和气态酸性物质；
(6)余气循环利用，通过气泵稳定气流，并且通过毛细管将净化后的余气分别分流至PM10收集器用于稀释空气样品和外界。
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