一種pm2.5的監測設備的製作方法
2023-06-01 03:28:06
專利名稱：一種pm2.5的監測設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及環境大氣採集與監測領域，具體涉及一種PM2. 5的監測設備。
背景技術：
PM2. 5是指大氣中直徑小於或等於2. 5微米的顆粒物，也稱為可入肺顆粒物，雖然PM2. 5隻是地球大氣成分中含量很少的組分，但它對空氣品質和能見度等有重要的影響。與 較粗的大氣顆粒物相比，PM2. 5粒徑小，富含大量的有毒、有害物質且在大氣中的停留時間長、輸送距離遠，因而對人體健康和大氣環境質量的影響更大。PM2. 5產生的主要來源，是日常發電、工業生產、汽車尾氣排放等過程中經過燃燒而排放的殘留物，大多含有重金屬等有毒物質。一般而言，粒徑2. 5微米至10微米的粗顆粒物主要來自道路揚塵等；2.5微米以下的細顆粒物(PM2. 5)則主要來自化石燃料的燃燒(如機動車尾氣、燃煤)、揮發性有機物等。氣象專家和醫學專家認為，由細顆粒物造成的灰霾天氣對人體健康的危害甚至要比沙塵暴更大。粒徑10微米以上的顆粒物，會被擋在人的鼻子外面；粒徑在2. 5微米至10微米之間的顆粒物，能夠進入上呼吸道，但部分可通過痰液等排出體外，另外也會被鼻腔內部的絨毛阻擋，對人體健康危害相對較小；人體的生理結構決定了對PM2. 5沒有任何過濾、阻攔能力，而PM2. 5對人類健康的危害卻隨著醫學技術的進步，逐步暴露出其恐怖的一面。例如，在PM2. 5水平遠遠低於中國的歐洲，PM2. 5導致人們的平均壽命減少8. 6個月；而？112. 5還可成為病毒和細菌的載體，為呼吸道傳染病的傳播推波助瀾。目前國際上主要發達國家以及亞洲的日本、泰國、印度等均將PM2. 5列入空氣品質標準，中國也開始意識到該問題，並著手將PM2. 5列入環境空氣品質指標。最近幾個月，位於北京朝陽區的美國大使館公布的北京PM2. 5對應的AQI數據已經幾次打破人類建立表格以來的極限值500，達到「極其糟糕」的540和557，而同期中國政府採用PM-10設備監測的數據卻顯示「輕度-重汙染」。現有的對PM2. 5進行監測的方法一般採用石英晶體震蕩天平法、β (beta)射線法和光散射法，以及手工標準秤重方法，但這4種技術都有其局限性第一種石英晶體振蕩天平法，是在質量傳感器內使用一個石英空心錐形管，在空心錐形管振蕩端上安放可更換的濾膜，振蕩頻率取決於石英錐形管特性和它的質量。當採樣氣流通過濾膜，其中的顆粒物沉積在濾膜上，濾膜質量變化導致振蕩頻率變化，通過測量振蕩頻率的變化計算出沉積在濾膜上顆粒物的質量，再根據採樣流量、採樣現場環境溫度和氣壓計算出該時段的顆粒物標態質量濃度。這種技術的優點是定量關係明確，缺點是目前的技術無法解決樣品加熱後揮發性和半揮發性物質的損失，導致測定結果被認為偏低，從而出現失真；第二種β射線法，其基本原理是利用堆積在石英濾膜上的顆粒物對碳-14釋放的β射線衰減量的變化檢測大氣顆粒物質量的變化。環境空氣由採樣泵經切割器吸入採樣管，經過濾膜後排出，而顆粒物沉澱在條狀石英濾膜上，當β射線通過沉積著顆粒物的濾膜時，β射線強度發生衰減，通過對衰減量的測定計算出顆粒物的濃度。這一方法是基於兩個假設，其一是儀器的石英採樣濾膜條帶均一，其ニ是採集下來的PM2. 5粒子物理特性均一(即顆粒大小一致，顆粒成分一致，顆粒在過濾膜上的分布均勻等)，對β射線強度衰減率相同。而上述兩點在現實條件下往往並不成立，因此測定數據一般被認為也存在偏差，且這種檢測方法在潮溼高溫區域故障率也很高；第三種光散射法，在國內有很大誤解，國內一些專家認為光散射法是主要測量ΡΜ2. 5的數量濃度，關注的是M2. 5的個數，因此主要用於氣象部門的能見度監測研究。其實這是不對的，光散射法監測的是顆粒數量的多少、顆粒橫截面積的多少、發光管的波長、接收管的波長、以及顆粒相對於發光管和接收管的角度。在大多情況下，顆粒物的重量和顆粒物的橫截面積是有很高的關聯度的。並且光學散射法是能監測有機揮發物(VOC VOLATILEORGANIC COMPOUNDS)的，而其餘三種方案都不能有效監測VOC ;第四種手工標準秤重法，在我國前述幾種方法中，無論振蕩天平法還是β射線法在實踐中都各有優劣，其使用必須與標準稱重法(又稱濾膜稱重法)進行校準。所謂標準稱重法只需要ー個ΡΜ2. 5切割頭、一臺泵和膜架及其濾膜，採集24小時樣品後，取下濾膜稱重即可，必要時可以平行採集3個樣品，經恆溫恆溼後再稱重。雖然這種方法經濟成本低， 容易實施，但也存在一定的缺陷，當氣流長時間不斷通過採樣濾膜時，濾膜上採集到的物質隨著氣流和溫度的變化也會造成揮發性和半揮發性物質的損失，同時ー些極細小的顆粒還是能穿過濾膜造成結果偏低；相反，氣態物質也可能被濾膜吸附，造成結果偏高。總之，上述4種方法都有其局限性，荷蘭在2007年對使用前三種技術的九種產品進行測試實驗，所有檢測器在ー些項目上都沒有達標，其中還有ー種震蕩型傳感器在16個檢測項目中，有聞達14項未能達標。
發明內容
本發明的目的在於提供ー種ΡΜ2. 5的監測設備，主要解決現有儀器檢測不準確的問題，尤其是對大氣中有機揮發物VOC(VOLATILE ORGANIC COMPOUNDS)的檢測。本發明解決上述技術問題的技術方案如下ー種PM2. 5的監測設備，包括依次設置的顆粒物採集層、多個第一分離層、多個第二分離層以及有機揮發物檢測層，其中，所述顆粒物採集層，用於採集大氣中多級顆粒物；所述多個第一分離層，用於按不同尺寸收集PM2. 5以上的顆粒物；所述多個第二分離層，用於按不同尺寸大小收集PM2. 5以下的粉塵顆粒並測量其重量;所述有機揮發物檢測層，用於檢測有機揮發物的質量、體積參數。進ー步，所述有機揮發物檢測層由QCM以及加附在QCM表面具有吸附有機揮發物的吸附膜或吸附層組成。進ー步，所述有機揮發物檢測層由加熱器以及加附在加熱器表面具有吸附有機揮發物的吸附膜或吸附層組成。進ー步，所述有機揮發物檢測層還包括加熱控制電路，由所述加熱控制電路控制加熱器而產生不同的溫度，從而使吸附在吸附膜或吸附層上的多種有機揮發物在不同溫度脫離吸附，進入空氣流。進ー步，所述有機揮發物檢測層還包括傳感器檢測單元，所述傳感器檢測單元用於在有機揮發物脫離吸附後對有機揮發物的體積和質量進行檢測。進ー步，所述傳感器檢測單元包括光學散射傳感器和空氣流量傳感器。進ー步，所述具有吸附有機揮發物的吸附膜或吸附層為具有吸附有機揮發物的大表面積多孔的有機或者無機物質構成。進ー步，所述具有吸附有機揮發物的大表面積多孔的有機或者無機物質為非晶矽、泡沸石(ZEOLITE)或活性炭。進ー步，在所述顆粒物採集層、多個第一分離層、多個第二分離層以及有機揮發物檢測層的每ー層內採用ー個獨立的高空氣流量的細管，用於對相應層進行清潔。進ー步，所述顆粒物採集層採用PM2. 5切割器實現。
進ー步，所述多個第一分離層採用多個慣性衝撞粉塵顆粒分離板實現。進ー步，所述多個第二分離層採用多個QCM實現。進一歩，所述多個第二分離層還包括光學散射傳感器，所述光學散射傳感器設置於QCM底端，用於在QCM收集粉塵顆粒時或者對QCM表面使用高空氣流量清潔時對粉塵顆粒進行監測。進一歩，所述多個第二分離層還包括過濾網，所述過濾網設置在QCM檢測表面的上方，通過支點架空過濾網的邊緣，使得過濾網不與QCM檢測表面相接觸。進ー步，所述過濾網採用金屬材料製成，所述過濾網的網孔直徑大於2. 5微米。採用上述本發明技術方案的有益效果是採用本發明提供的PM2. 5的監測設備，能夠準確監測大氣中的有機揮發物VOC (VOLATILE ORGANIC COMPOUNDS)，且不需要過濾膜，並能實現系統自動清洗。
圖I為本發明實施方式ー的設備結構示意圖；圖2為本發明實施例中有機揮發物檢測層的第二種實現方式的結構示意圖；圖3為本發明實施方式ニ的設備結構示意圖；圖4A為本發明實施方式三的設備結構示意圖；圖4B為本發明實施方式四的設備結構示意圖。
具體實施例方式以下結合附圖對本發明的原理和特徵進行描述，所舉實例只用於解釋本發明，並非用於限定本發明的範圍。本發明提供了ー種PM2. 5的監測設備，圖I為本發明實施方式一的設備結構示意圖，如圖I所示，在所述設備的進氣道前端設置有顆粒物採集層101，其後依次設置有多個第一分離層102、多個第二分離層103以及有機揮發物檢測層104，其中，所述顆粒物採集層101，用於採集大氣中多級顆粒物，在本發明實施例中，所述顆粒物採集層101採用標準的PM2. 5切割器實現，其可以是過濾紙，也可以常規的慣性衝撞平板；所述多個第一分離層102，用於按不同尺寸分層並收集PM2. 5以上的顆粒物，在本發明實施例中，所述多個第一分離層102採用多個慣性衝撞粉塵顆粒分離板實現，其中不同尺寸的顆粒物將會被不同層次的分離板收集；
所述多個第二分離層103，用於按不同尺寸大小收集PM2. 5以下的粉塵顆粒並測量其重量；在本發明實施例中，所述多個第二分離層102採用多個QCM(石英晶體微重量天平)實現，每個QCM對不同尺寸大小的粉塵進行檢測，但是每個QCM所收集的粉塵尺寸大小是有交疊的，比如第一個QCM所收集的粉塵顆粒尺寸可能是I. 8 2. 5微米；第ニ個QCM所收集的粉塵顆粒尺寸可能是I. 3 2. I微米；第三個QCM所收集的粉塵顆粒尺寸可能是
O.6 I. 5微米等；所述有機揮發物檢測層104，用於檢測有機揮發物的質量、體積參數，在本發明實施例中，所述有機揮發物檢測層104可以採用多種方式實現，其第一種實現方式為採用QCM以及加附在QCM表面具有吸附有機揮發物的吸附膜或吸附層106實現，VOC的檢測可以通過ー個或者多個QCM來實現，在該實施方式中，吸附有機揮發物的吸附膜或吸附層106的清洗和復原是通過加熱的強空氣流實現；其第二種實現方式如圖2所示所述有機揮發物檢測層104採用加熱器201以及加附在加熱器201表面具有吸附有機揮發物的吸附膜或吸附層106實現，在該實施方式中，所述有機揮發物檢測層104還包括加熱控制電路202，由所述加熱控制電路202控制加熱器201而產生不同的溫度，從而使吸附在吸附膜或吸附 層106上的多種有機揮發物能夠在不同溫度下脫離吸附，進入空氣流；由於各種VOC物質脫離吸附的溫度不同，其在特定溫度下的密度是一定的，因此，有機揮發物檢測層還包括傳感器檢測單元203，例如可以採用光學散射傳感器和空氣流量傳感器等，由傳感器檢測單元203在有機揮發物脫離吸附後對有機揮發物的體積和質量進行檢測，通過該方法就能夠得到準確的VOC的質量/體積的參數值。通過加熱器溫度控制系統，實現對VOC吸附材料的分布脫離吸附，由於各種VOC物質脫離吸附的溫度不同，其在特定溫度下的密度是一定的，其密度可以通過光學散射方法檢測，因此通過該方法就能夠得到準確的VOC的質量/體積的參數值；其第三種實現方式是採用空氣流量傳感器實現，這類傳感器一般利用各種物質的導熱率不同而區分不同物質，加上物質的密度、溫度、壓強等參數實現對VOC的總流量的檢測，例如，在採用空氣流量傳感器對VOC進行檢測時，還需要溫度和溼度傳感器來進行補償，其補償曲線可以通過實驗室數據來校準。實驗室的校準方法可以使用完全無粉塵的空氣進行，通過變動溫度、溼度參數，從而得到各種不同曲線；當然，對於野外使用的儀器也可以進行校準，同樣也必須有ー套可以基本100%過濾掉粉塵的系統。假設溫度、溼度和檢測設備能達成一致，因此校準不需要很頻繁，所以校準部分內的過濾器可以使用很長時間。在該實施方式中，吸附有機揮發物的吸附膜或吸附層106的清潔是通過對有機揮發物加熱來實現。在上述實施式方式中，所述具有吸附有機揮發物的吸附膜或吸附層為具有吸附有機揮發物的大表面積多孔的有機或者無機物質構成，在具體應用時，所述大表面積多孔的有機或者無機物質可以選用非晶矽、泡沸石(ZEOLITE)或活性炭以及其他一些類似特性的物質。在本發明實施例中，在所述顆粒物採集層102、多個第一分離層102、多個第二分離層103以及有機揮發物檢測層104的每ー層內採用ー個獨立的高空氣流量的細管105，用於對相應層進行清潔。當然，對於設備內的清潔工作，也可以通過調節主管的空氣流量來實現，當主管內空氣流量特別大時，就達到了清洗QCM表麵粉塵的目的。另外，最後ー級附著在QCM表面VOC的清洗可以使用QCM上面的加熱器，通過加熱實現；也可以使用獨立的細管，引入高溫氣流對VOC吸附物質進行清理，從而實現VOC脫離吸附的目的。在該實施方式中，通過高空氣流量清潔設備是按照一定的順序進行如開始清潔時從最下層清洗，清洗後關閉氣流；然後開啟較上一層的氣流，直到PM2. 5監測設備的最高ー層；當最高ー層清洗完成後，關閉氣流，再開啟下面一層的氣流進行清洗，直到最底ー層清洗完畢；為了達到完全清潔的目的，此過程可以重複進行。圖3為本發明實施方式ニ的設備結構示意圖，如圖2所示在該實施方式中，所述PM2. 5的監測設備的具體結構與實施方式一相同，此處不再贅述，其不同之處僅在於多個第二分離層103還包括光學散射傳感器301,所述光學散射傳感器301設置於QCM底端,用於在QCM收集粉塵顆粒時或者對QCM表面使用高空氣流量清潔時對粉塵顆粒進行監測。與現有其他技術以及本發明專利申請前面提到的方案相比，光學散射傳感器301雖然只是檢測粉塵顆粒的體積濃度，但是卻可以通過光學法監測100%的粉塵顆粒，其他任何方法都只是監測部分粉塵顆粒的質量，而光學散射傳感器301可以在QCM收集粉塵顆粒的同時對其進行監測(此時被監側的粉塵顆粒尺寸範圍比較大)；也可以在每一層粉塵顆粒被高氣流清洗的時候對其監測(此時被監測的粉塵顆粒尺寸分布範圍比較小)。另外，光學散射傳感 器301還可以判斷QCM表面是否已經清理乾淨，當各層的光學散射傳感器301的信號強度都降低到一定數值時，即可以判定QCM表面已經被清理乾淨。在上述兩種實施方式中，由於在PM2. 5切割器後沒有設置收集粉塵的過濾膜，因此省去了定期更換過濾膜的工作，與現有技術相比，本發明上述兩種實施方式中公開的設備，其優越性在於可以準確監測V0C，不需要過濾膜，且可以實現設備自動清洗的功能。圖4A、4B為本發明實施方式三、四的設備結構示意圖，如圖4A、4B所示，在該實施方式中，所述PM2. 5的監測設備的具體結構與實施方式一或實施方式二相同，對於相同之處此處不再贅述，僅對不同之處進行闡述該實施方式中圖4A是在實施方式一的基礎上對多個第二分離層增加過濾網401實現、該實施方式中圖4B是在實施方式ニ的基礎上對多個第二分離層增加過濾網401實現，所述過濾網401設置在QCM檢測表面的上方，過濾網401在QCM的上面離開QCM監測表面一定距離，通過支點架空過濾網401的邊緣，使得過濾網401不與QCM檢測表面相接觸，從而使過濾網401和QCM之間有足夠的尺寸讓粉塵顆粒在清理過程中被清理出QCM表面。由於本發明專利中使用的過濾網401不需要稱量重量，所以材料可以是金屬的，或者其他任意的長壽命材料。該實施方式中，由於使用了過濾網401，因此使得QCM能夠收集更多的粉塵顆粒。而過濾網401的網孔直徑大於2. 5微米，也可以幾倍於所收集的粉塵顆粒的大小，當每次收集粉塵、稱量過程完成後，都需要使用高壓氣體清理QCM的表面，在清洗過程中依然可以使用高壓氣流；另外，由於本設計使用的過濾網401強度十分大，因此也可以選擇人工清洗過濾網401，或者利用ー些機械運動、轉動，配合高壓氣體，實現對過濾網401的清洗。以上所述僅為本發明的較佳實施例，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種PM2. 5的監測設備，其特徵在於，包括依次設置的顆粒物採集層、多個第一分離層、多個第二分離層以及有機揮發物檢測層，其中， 所述顆粒物採集層，用於採集大氣中多級顆粒物； 所述多個第一分離層，用於按不同尺寸收集PM2. 5以上的顆粒物； 所述多個第二分離層，用於按不同尺寸大小收集PM2. 5以下的粉塵顆粒並測量其重量; 所述有機揮發物檢測層，用於檢測有機揮發物的質量、體積參數。
2.根據權利要求I所述的設備，其特徵在於，所述有機揮發物檢測層由QCM以及加附在QCM表面具有吸附有機揮發物的吸附膜或吸附層組成。
3.根據權利要求I所述的設備，其特徵在於，所述有機揮發物檢測層由加熱器以及加附在加熱器表面具有吸附有機揮發物的吸附膜或吸附層組成。
4.根據權利要求3所述的設備，其特徵在於，所述有機揮發物檢測層還包括加熱控制電路，由所述加熱控制電路控制加熱器而產生不同的溫度，從而使吸附在吸附膜或吸附層上的多種有機揮發物在不同溫度脫離吸附，進入空氣流。
5.根據權利要求4所述的設備，其特徵在於，所述有機揮發物檢測層還包括傳感器檢測單元，所述傳感器檢測單元用於在有機揮發物脫離吸附後對有機揮發物的體積和質量進行檢測。
6.根據根據權利要求5所述的設備，其特徵在於，所述傳感器檢測單元包括光學散射傳感器和空氣流量傳感器。
7.根據根據權利要求2或3所述的設備，其特徵在於，所述具有吸附有機揮發物的吸附膜或吸附層為具有吸附有機揮發物的大表面積多孔的有機或者無機物質構成。
8.根據權利要求I所述的設備，其特徵在於，在所述顆粒物採集層、多個第一分離層、多個第二分離層以及有機揮發物檢測層的每一層內採用一個獨立的高空氣流量的細管，用於對相應層進行清潔。
9.根據權利要求I所述的設備，其特徵在於，所述顆粒物採集層採用PM2.5切割器實現。
10.根據權利要求I所述的設備，其特徵在於，所述多個第一分離層採用多個慣性衝撞粉塵顆粒分離板實現。
11.根據權利要求I所述的設備，其特徵在於，所述多個第二分離層採用多個QCM實現。
12.根據權利要求11所述的設備，其特徵在於，所述多個第二分離層還包括光學散射傳感器，所述光學散射傳感器設置於QCM底端，用於在QCM收集粉塵顆粒時或者對QCM表面使用高空氣流量清潔時對粉塵顆粒進行監測。
13.根據權利要求12所述的設備，其特徵在於，所述多個第二分離層還包括過濾網，所述過濾網設置在QCM檢測表面的上方，通過支點架空過濾網的邊緣，使得過濾網不與QCM檢測表面相接觸。
14.根據權利要求13所述的設備，其特徵在於，所述過濾網採用金屬材料製成，所述過濾網的網孔直徑大於2. 5微米。
全文摘要
本發明涉及一種PM2.5的監測設備，包括依次設置的顆粒物採集層、多個第一分離層、多個第二分離層以及有機揮發物檢測層，其中，所述顆粒物採集層，用於採集大氣中多級顆粒物；所述多個第一分離層，用於按不同尺寸收集PM2.5以上的顆粒物；所述多個第二分離層，用於按不同尺寸大小收集PM2.5以下的粉塵顆粒並測量其重量；所述有機揮發物檢測層，用於檢測有機揮發物的質量、體積參數。採用本發明提供的PM2.5的監測設備，能夠準確監測大氣中的有機揮發物VOC(VOLATILE ORGANIC COMPOUNDS)，且不需要過濾膜，並能實現系統自動清洗。
文檔編號G01N7/04GK102680349SQ201210089570
公開日2012年9月19日 申請日期2012年3月30日 優先權日2012年3月30日
發明者詹姆斯·劉 申請人:北京盈勝泰科技術有限公司