震蕩天平法大氣顆粒物質量濃度監測的準恆重秤量裝置的製作方法

2023-11-02 23:04:07 4

專利名稱：震蕩天平法大氣顆粒物質量濃度監測的準恆重秤量裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及測試分析技術領域，特別是在大氣顆粒物質量濃度監測中，採用震蕩天平法進行的準恆重秤量裝置。
背景技術：
目前，為了應對、解決因為工業生產和人居生活方式所造成的環境汙染問題，尤其是危害嚴重的灰霾問題，需要對大氣顆粒物質量濃度進行連續、精確、廣泛的監測；因而在遍布各地、數量巨大、體系複雜的環境空氣自動監測站點，都把大氣顆粒物質量濃度作為主要的監測項目。與氣體成分分析不同，大氣顆粒物質量濃度等於被採集樣品中所有非氣態、非液態物質的總質量與樣品標準狀態體積之比。進行大氣顆粒物質量濃度監測的標準方法是重量法，用能夠截獲顆粒物的濾膜，採樣前在恆溫(乾燥)天平室經過放置達到恆重後秤得其初始質量，採樣過程準確測控採樣流量與時間——累計記錄採樣標準狀態體積，採樣後回到恆溫(乾燥)天平室經過放置達到恆重後秤得其截獲質量，以初始質量、截獲質量、採樣標準狀態體積計算出顆粒物濃度的監測結果。上述顆粒物濃度監測的標準重量法，具有在恆溫(乾燥)天平室放置達到恆重後秤量的操作流程；在採樣過程被截獲在濾膜上的可蒸發物質——如顆粒物附著的水分，在恆重過程中被(晾乾)去除，其計算所得監測結果實際上是「幹」顆粒物濃度。因此，能夠使雨霧、潮熱天氣採樣監測結果與晴朗天氣等效——即不會受到採樣時大氣相對溼度水平的影響。現有的震蕩天平法大氣顆粒物質量濃度自動監測儀器，用石英震蕩元件作為質量傳感器，製作成秤量被測樣品氣流通過顆粒物濾膜的質量分析天平，即所稱震蕩天平。能夠秤量出濾膜在很短時間間隔內的微小質量累積數據，並依據同一時間間隔內的被測樣品氣流流量累計，計算出相應的顆粒物濃度；典型定量方程式如下
X- T."'·式中f—震蕩天平震蕩頻率(Hz)，M——載荷質量(g)，K0——彈性載荷比率。 由已知質量用作標準砝碼的濾膜，在過濾去除其中顆粒物而保持流量等動力學、熱力學指標相同的，有輸送零氣氣流通過的條件下，進行震蕩天平計量傳遞與檢驗，即可計算、確定 K0的數值。
/ *| *] vfCSI= K8 Kf -TT - —
v t r* r·- 1-/Λ、
' J- .Ii J.(2)式中dM—累積載荷質量(g)，K0——彈性載荷比率，——累積結束震蕩天平頻率(Hz)，f0——累積開始震蕩天平頻率(Hz)。[0010]C =TT- = TT-
式中C——顆粒物濃度(g/m3)，dM——累積載荷質量(g)，V——累計被測樣品體積(m3 ·標準狀態)，F——被測樣品流量(m3 ·標準狀態/s)，t——累積時間(s)。由於上述震蕩天平的震蕩頻率會受到工作溫度的影響而產生漂移，所以必須避免氣體樣品溫度(即天氣溫度)的變化，使震蕩天平工作溫度的穩定程度，不能達到對濾膜質量準確秤量的要求。所以實用的震蕩天平法顆粒物濃度監測儀器，都會有專門設計的加熱、 保溫部件與構造，保障震蕩天平在被測樣品氣流中，其工作溫度能夠保持恆定(比較常見為50攝氏度)。此外，由於被測樣品氣流連續通過濾膜，震蕩天平的質量載荷是受力平衡的結果，因而使被測樣品壓力、流速等動力學指標保持足夠的穩定程度，也是震蕩天平法儀器檢測顆粒物濃度的關鍵性條件要求。震蕩天平法顆粒物濃度監測儀器在運行時，按照設定的時間間隔(例如2秒)，不斷以最新測定的和其上一次測定的石英震蕩元件的頻率為和fo，計算出最新的氣體樣品顆粒物濃度，實現對大氣顆粒物質量濃度的連續監測。如圖1所示，為現有震蕩天平法顆粒物濃度監測儀器的濾膜採樣與秤量部份的構造示意圖，其工作方式為由抽氣泵1提供吸入氣體動力，和被測樣品流量控制器2限定被測樣品氣流流量；從樣品採集裝置3獲得指定流量(例如lL/min)的被測樣品，通常樣品採集裝置3還具有粒徑切割作用，分離去除被測樣品中粒徑大於指定值(例如10微米)的顆粒物。然後經被測樣品輸送管4進入被測樣品加熱管5，在流過被測樣品加熱管5時，被加熱到指定溫度，以避免樣品溫度變化使石英震蕩元件工作溫度不能滿足穩定度要求。然後被測樣品流過濾膜秤量部6，經被測樣品流量控制器2和抽氣泵1流出，其間被測樣品氣流中的顆粒物被截獲在濾膜上，使濾膜質量增加，引起震蕩天平因質量載荷上升而頻率相應下降。在這種連續不斷地向濾膜秤量部6輸入被測樣品的過程中，引用上述震蕩天平法顆粒物濃度定量關係，即可根據指定時間間隔內震蕩天平的開始與結束頻率，以及樣品流量累計等，計算出被測氣體顆粒物濃度。但是，與大氣顆粒物質量濃度監測的標準重量法比較，上述震蕩天平法大氣顆粒物質量濃度自動監測儀器，缺少了「在恆溫(乾燥)天平室放置達到恆重後秤量」的操作流程。使在採樣過程被截獲在濾膜上的，可蒸發的物質——如顆粒物附著的水分，會受到(為防止石英震蕩元件頻率漂移而設置的)高於氣溫的濾膜秤量機構溫度的「烘烤」作用，逐漸蒸發引起對其累積載荷質量測定的幹擾，造成顆粒物濃度監測數據誤差；尤其是在雨霧、潮熱天氣等大氣相對溼度水平高的情況，往往會出現顆粒物濃度低於0(負值)的異常數據。現有的震蕩天平法顆粒物濃度監測儀器，其構造上無法做到將濾膜恆重(烘乾) 後秤量。因為恆重就必須停止採樣，而如果沒有了被測樣品流量，震蕩天平載荷質量會因氣流阻力消失等動力學指標的改變而改變，其工作溫度也會因對流消失而變化，造成嚴重的震蕩天平頻率漂移現象，以至不能正常進行顆粒物濃度檢測。
發明內容針對以上所述現有技術中的缺陷，為了使震蕩天平法顆粒物濃度監測儀器的監測結果能等效具有濾膜恆重操作流程的標準重量法，本實用新型提供了一種震蕩天平法大氣顆粒物質量濃度監測的準恆重秤量裝置。本實用新型所採用的技術方案一種震蕩天平法大氣顆粒物質量濃度監測的準恆重秤量裝置，包括抽氣泵、被測樣品流量控制器、樣品採集裝置、被測樣品輸送管、被測樣品加熱管和濾膜秤量部，所述抽氣泵和被測樣品流量控制器與濾膜秤量部的輸出端連接，所述被測樣品加熱管與濾膜秤量部的輸入端連接，所述被測樣品輸送管與被測樣品加熱管之間還連接有三通管、電動球閥和顆粒物過濾器，所述採集裝置經被測樣品輸送管與第一三通管的輸入端連接，第一三通管的兩個輸出端分別經電動球閥、顆粒物過濾器與第二三通管的輸入端連接，第二三通管的輸出端與被測樣品加熱管連接。上述樣品採集裝置的輸出端還連接有流量分離器，所述流量分離器的主氣流管路與被測樣品輸送管連接，所述流量分離器的另一支路經過旁路氣流管路與被測樣品流量控制器中輔助流量控制器連接。所述被測樣品輸送管經過第一三通管、電動球閥、第二三通管與被測樣品加熱管、濾膜秤量部連接，所述濾膜秤量部通過氣流管路與被測樣品流量控制器中的主流量控制器連接。所述主流量控制器和輔助流量控制器通過氣流管路與抽氣泵連接。上述樣品採集裝置內還設有顆粒物切割器(具有粒徑切割作用)，用於分離去除被測樣品中粒徑大於指定值的顆粒物。上述電動球閥為用於流體管路開通與關閉的電動或氣動或液動伺服控制閥門。基於上述準恆重秤量裝置，本實用新型同時提供一種震蕩天平法大氣顆粒物質量濃度監測的準恆重秤量方法，包括以下步驟(1)由抽氣泵提供吸入氣體動力，並通過被測樣品流量控制器限定被測樣品氣流
流量；(2)從樣品採集裝置獲得指定流量的被測樣品；(3)開通電動球閥，關閉過濾器，使被測樣品經被測樣品輸送管流過電動球閥和被測樣品加熱管，輸入濾膜秤量部，經被測樣品流量控制器和抽氣泵流出，在濾膜截獲被測樣品顆粒物；(4)關閉電動球閥，開通過濾器，使被測樣品經被測樣品輸送管流過過濾器，去除被測樣品中的顆粒物，將被去除顆粒物的被測樣品作為零氣經被測樣品加熱管，輸入濾膜秤量部，經被測樣品流量控制器和抽氣泵流出，使濾膜及其上顆粒物達到恆重，並獲得恆重穩定後的震蕩天平的載荷質量及其頻率；(5)根據前、後相鄰兩次濾膜及其上顆粒物的恆重過程，獲得的濾膜恆重後震蕩天平的頻率，以及兩次濾膜恆重過程之間，濾膜截獲被測樣品顆粒物過程的被測樣品流量累計，按照震蕩天平法顆粒物濃度的定量關係，計算出被測樣品的顆粒物濃度。上述步驟(5)中被測樣品的顆粒物濃度的計算公式為·Χ = ψ =賓式中:C——
顆粒物濃度，dM——累積載荷質量，V——累計被測樣品體積，F——被測樣品流量，t——累積時間。上述累積載荷質量的計算公式為禪=1￡「味-鑽式中dM——累積載荷質
λ 『,
量，K0——彈性載荷比率，——累積結束震蕩天平頻率，f0——累積開始震蕩天平頻率。[0030]本實用新型所述的震蕩天平法大氣顆粒物質量濃度監測的準恆重秤量裝置，能夠實現以震蕩天平法顆粒物濃度監測儀器進行具有濾膜恆重秤量流程的顆粒物濃度測定，有效地解決了與標準重量法的可比性，得到與要求濾膜恆重的標準重量法等效的監測結果， 特別適用於在雨霧、潮熱天氣等相對溼度較大的情況下。另外，本實用新型的測控運行與數據獲取流程簡單，便於進行分析計算。

圖1是現有震蕩天平法顆粒物濃度監測儀器的結構示意圖；圖2是本實用新型所述震蕩天平法大氣顆粒物質量濃度監測的準恆重秤量裝置的結構示意圖；圖3是本實用新型所述準恆重秤量裝置的其中一種實施例的結構圖。其中1、抽氣泵；2、被測樣品流量控制器；3、樣品採集裝置；4、被測樣品輸送管； 5、被測樣品加熱管；6、濾膜秤量部；7、第一三通管；8、電動球閥；9、顆粒物過濾器；10、第二三通管；11、流量分離器；12、旁路氣流管路、13、氣流管路；14、過濾器；21、主流量控制器；22、輔助流量控制器。
具體實施方式
如圖2所示，為實施上述準恆重秤量方法，本實用新型在現有震蕩天平法顆粒物濃度監測儀器的被測樣品輸送管4與被測樣品加熱管5之間，接入第一三通管7、電動球閥 8、顆粒物過濾器9和第二三通管10。所述準恆重秤量裝置的工作方式為由抽氣泵1提供吸入氣體動力，和被測樣品流量控制器2限定被測樣品氣流流量；從樣品採集裝置3獲得指定流量(例如lL/min)的被測樣品；通常樣品採集裝置3還具有粒徑切割作用，分離去除被測樣品中粒徑大於指定值(例如10微米)的顆粒物。此後將原先連續不斷地向濾膜秤量部6輸入被測樣品的過程，改變為間歇式的，按照指定的周期，分別進行濾膜截獲被測樣品顆粒物過程和濾膜恆重過程，具體如下在濾膜截獲被測樣品顆粒物過程，電動球閥8開通，顆粒物過濾器9關閉，使被測樣品僅流過第一三通管7、電動球閥8和第二三通管10，以及被測樣品加熱管5，輸入濾膜秤量部6，經被測樣品流量控制器2和抽氣泵1流出。在此期間被測樣品氣流中的顆粒物被截獲在濾膜上，使濾膜質量增加，弓I起震蕩天平載荷質量上升而頻率下降。在濾膜恆重過程，電動球閥8關閉，顆粒物過濾器9開通，使被測樣品僅流過第一三通管7、顆粒物過濾器9和第二三通管10，去除被測樣品中顆粒物，將被去除顆粒物的被測樣品作為零氣經被測樣品加熱管5，輸入濾膜秤量部6——使其動力學、熱力學指標保持符合測定累積載荷質量的要求，經被測樣品流量控制器2和抽氣泵1流出。在此期間濾膜上的水分等易揮發物質被蒸發至與濾膜秤量部6的溫度、溼度等條件平衡，使濾膜逐漸達到恆重，從而獲得濾膜恆重後穩定的震蕩天平載荷質量及其頻率。由此即可根據前、後相鄰兩次濾膜恆重過程，獲得的濾膜恆重後震蕩天平頻率，作為f0與A ；以及該兩次濾膜恆重過程之間的，濾膜截獲被測樣品顆粒物過程的被測樣品流量累計等，按照震蕩天平法顆粒物濃度定量關係，計算出具有濾膜恆重流程的，被測樣品的「幹」顆粒物濃度。由於這種恆重的方式、條件，與標準重量法有所不同，是以讓零氣通過濾膜的形式實施，因此，本實用新型中將其定義為準衡重秤量裝置。在圖2中，電動球閥8包括電動、氣動、液動等用於流體管路開通與關閉的伺服控制閥門，通路材質、形狀按照被測樣品輸送管4要求。顆粒物過濾器9的氣流通過阻力，需低於(因流態、流速、壓力等指標變化)使震蕩天平不能正確測定累積載荷質量的限度；當顆粒物過濾器9開通時的氣流阻力遠大於電動球閥8開通時的氣流阻力，則可不配置關閉功能而固定保持開通狀態。本實用新型特別適用於在雨霧、潮熱等顆粒物濃度監測數據誤差受環境氣候影響較大的環境下，如圖3所示，是利用其中的震蕩天平法大氣顆粒物質量濃度監測儀器，按照本實用新型進行改造後的一種具體實施例。在該實施例中，樣品採集裝置3(包括具有粒徑切割作用的顆粒物切割器)經流量分離器11的主氣流管路與被測樣品輸送管4連接，然後經過第一三通管7、電動球閥8、第二三通管10與被測樣品加熱管5、濾膜秤量部6連接，所述濾膜秤量部6通過氣流管路13與被測樣品流量控制器2中的主流量控制器21連接，所述第一三通管7和第二三通管10之間還設有另一支路，該支路上接有顆粒物過濾器9 (用於去除被測樣品中顆粒物)。所述流量分離器11的另一支路經過旁路氣流管路12、氣流管路13、過濾器14與被測樣品流量控制器2中的輔助流量控制器22連接。最後，所述主流量控制器21和輔助流量控制器22通過氣流管路13與抽氣泵1 (真空泵)連接，利用抽氣泵1提供的吸入氣體動力和被測樣品流量控制器2限定的被測樣品氣流流量，從樣品採集裝置3獲得指定流量的被測樣品。針對顆粒物濃度較低的環境，其工作流程採用測定周期為30分鐘(每1小時產生2個顆粒物濃度監測數據)，其中，濾膜恆重過程時間為10分鐘，濾膜截獲被測樣品顆粒物過程時間為20分鐘。 本實用新型所述濾膜恆重必須在停止採樣狀態下進行，實質作用是要求濾膜上截獲的顆粒物不再繼續增加。如果在需要進行濾膜恆重時，能夠做到僅僅將被測樣品氣流中的顆粒物去除——變成零氣，保持流量不變。就可以同時滿足濾膜上顆粒物不再增加，並且保持震蕩天平秤量濾膜的相關動力學、熱力學指標符合測定累積載荷質量的要求。從而實現，沿用震蕩天平法顆粒物濃度監測儀器的功能與定量關係，在測定fo和A時採用經過濾膜恆重後的震蕩天平頻率，計算顆粒物濃度，得到與要求濾膜恆重的標準重量法等效的監測結果。
權利要求1.一種震蕩天平法大氣顆粒物質量濃度監測的準恆重秤量裝置，包括抽氣泵(1)、被測樣品流量控制器O)、樣品採集裝置(3)、被測樣品輸送管G)、被測樣品加熱管( 和濾膜秤量部(6)，所述抽氣泵(1)和被測樣品流量控制器( 與濾膜秤量部(6)的輸出端連接，所述被測樣品加熱管( 與濾膜秤量部(6)的輸入端連接，其特徵在於，所述被測樣品輸送管(4)與被測樣品加熱管( 之間還連接有三通管(7、10)、電動球閥(8)和顆粒物過濾器(9)，所述採集裝置C3)經被測樣品輸送管(4)與第一三通管(7)的輸入端連接，第一三通管(7)的兩個輸出端分別經電動球閥(8)、顆粒物過濾器(9)與第二三通管(10)的輸入端連接，第二三通管(10)的輸出端與被測樣品加熱管( 連接。
2.根據權利要求1所述震蕩天平法大氣顆粒物質量濃度監測的準恆重秤量裝置，其特徵在於，所述樣品採集裝置(3)的輸出端還連接有流量分離器(11)，所述流量分離器的主氣流管路與被測樣品輸送管(4)連接，所述流量分離器(11)的另一支路經過旁路氣流管路 (12)與被測樣品流量控制器中輔助流量控制器0 連接。
3.根據權利要求2所述震蕩天平法大氣顆粒物質量濃度監測的準恆重秤量裝置，其特徵在於，所述被測樣品輸送管(4)經過第一三通管(7)、電動球閥(8)、第二三通管(10)與被測樣品加熱管(5)、濾膜秤量部(6)連接，所述濾膜秤量部通過氣流管路與被測樣品流量控制器中的主流量控制器連接。
4.根據權利要求3所述震蕩天平法大氣顆粒物質量濃度監測的準恆重秤量裝置，其特徵在於，所述主流量控制器和輔助流量控制器0 通過氣流管路與抽氣泵(1)連接。
5.根據權利要求1至4中任一權利要求所述震蕩天平法大氣顆粒物質量濃度監測的準恆重秤量裝置，其特徵在於，所述樣品採集裝置(3)內還設有顆粒物切割器，用於分離去除被測樣品中粒徑大於指定值的顆粒物。
6.根據權利要求1所述震蕩天平法大氣顆粒物質量濃度監測的準恆重秤量裝置，其特徵在於，所述電動球閥(8)為用於流體管路開通與關閉的電動或氣動或液動伺服控制閥門。
專利摘要本實用新型公開了一種震蕩天平法大氣顆粒物質量濃度監測的準恆重秤量裝置，通過在現有震蕩天平法顆粒物濃度監測儀器的被測樣品輸送管與被測樣品加熱管之間，接入三通管、電動球閥和顆粒物過濾器；將原先連續不斷地向濾膜秤量部輸入被測樣品的過程，改變為間歇式的，按照指定的周期，分別進行濾膜截獲被測樣品顆粒物過程和濾膜恆重過程。本實用新型可實現以震蕩天平法顆粒物濃度監測儀器進行具有濾膜恆重秤量流程的顆粒物濃度測定，有效地解決了與標準重量法的可比性，得到與要求濾膜恆重的標準重量法等效的監測結果，特別適用於在雨霧、潮熱天氣等相對溼度較大的情況下。
文檔編號G01N5/00GK202119689SQ20112018420
公開日2012年1月18日 申請日期2011年6月2日 優先權日2011年6月2日
發明者周炎, 嶽玎利, 師建中, 郝華傑 申請人:廣東省環境監測中心