一種自動測定雙通道顆粒物質量濃度的裝置的製作方法

2023-10-11 02:41:14 2

本發明屬於大氣自動監測設備技術領域，具體涉及一種自動測定雙通道顆粒物質量濃度的裝置。

背景技術：

大氣環境對人們的生活及健康有著至關重要的影響，因此對於大氣環境中的顆粒物的監控也尤為重要。大氣顆粒物是分散在大氣中固態或液態顆粒狀物質的總稱。粒徑為0.01μm～100μm的大氣顆粒物，統稱為總懸浮顆粒物tsp。而pm10和pm2.5分別指空氣動力學直徑小於或等於10μm和2.5μm的大氣顆粒物。pm10也稱為可吸入顆粒物，世界衛生組織(who)則稱為之可進入胸部的顆粒物；pm2.5能夠進入人體肺泡，被稱為可入肺顆粒物。

pm10在環境空氣中持續的時間很長，對人體健康和大氣能見度影響都很大，被人吸入後，會累積在呼吸系統中，引發許多疾病。pm2.5相對於pm10來說，更容易長時間懸浮在空中，pm10可進入人的鼻腔及氣管，而pm2.5除了能進入肺部，還能進入肺泡甚至血液。引起肺部和全身炎症，增加動脈硬化、血脂升高的風險，導致心律不齊、血壓升高等。而且pm2.5的危害是多重的，它會形成灰霾，降低能見度，還會影響生態環境，並通過遠距離輸送，造成區域性或全球性環境問題，甚至影響氣候變化，pm10和pm2.5已經成為環境空氣品質監測的必測參數。

目前空氣顆粒物的自動監測方法有：β射線吸收法，微量振蕩天平法，光散射法。β射線吸收法主要是通過測量射線經過附有顆粒物的濾紙的損耗來計算顆粒物的質量濃度；微量振蕩天平法是通過測量振蕩頻率的變化計算出沉積在濾膜上顆粒物質量的一種方法；光散射法主要是利用顆粒物對光的散射直接實現氣溶膠光學粒徑的測量，是一種非接觸、在線式測量方法。目前市場上大多數自動監測儀器均為單通道顆粒物監測儀，只能實現pm10或pm2.5一個參數的測量，測兩個參數需要兩臺儀器，佔用面積大，成本高，維護量大，使用不方便。雖然現有技術中也有相關雙通道顆粒物自動檢測裝置，然而這類產品在現實使用中還存在著較大的缺陷，存在如下技術問題：(1)由於β射線檢測器和β放射源的成本相對較高，在同一臺機器上同時使用，必然增加設備的投入成本:；(2)由於β放射源具有放射性，其測量射線對環境汙染長遠，大約5730年才能真正分解；(3)由於β射線檢測器和β放射源定期需要校準和清洗，其相對帶來的設備維護成本較高。針對上述現有技術中存在的技術問題，如何研發一種只需要一個β射線檢測器和一個β放射源，既可完成雙通道連續在線採樣過程的裝置具有重要的現實意義。

技術實現要素：

針對現有技術中存在的問題，本發明的目的在於提供一種自動測定雙通道顆粒物質量濃度的裝置，真正解決了只需要一個β射線檢測器和一個β放射源，既可完成雙通道連續在線採樣過程，結構簡單可靠，降低了儀器成本和後期維護成本。

本發明採取的技術方案為：

一種自動測定雙通道顆粒物質量濃度的裝置，包括顆粒物分離取樣模塊、樣氣溼度控制模塊、雙通道的採樣檢測模組、兩路恆流調節模組，顆粒物分離取樣模塊與樣氣溼度控制模塊相連接，樣氣溼度控制模塊的出氣口連接雙通道的採樣檢測模組；雙通道的採樣檢測模組的兩路出氣口分別與兩路恆流調節模組連接，兩路恆流調節模組的出氣口通過三通閥與採樣泵相連接。本發明裝置可同時測定大氣環境中pm10和pm2.5顆粒物的質量濃度，具有結構簡單、維護成本低、運行周期長、數據快速準確，真正實現在線自動連續監測。

雙通道的採樣檢測模組包括第一路顆粒物採集檢測部、第二路顆粒物採集部和濾紙帶左右移動控制部，其中，第一路顆粒物採集檢測部包括第一塵樣採樣檢測通道、一個β射線探測器和一個β射線源；第二路顆粒物採集部只包括第二塵樣採集通道；濾紙帶左右移動控制部包括左側前進收紙電機驅動輪、右側後退收紙電機驅動輪、定位光電對射傳感器、濾紙帶和撞針定位打孔機構，濾紙帶套設在由左右兩個電機分別驅動的左側前進收紙電機驅動輪、右側後退收紙電機驅動輪上，定位光電對射傳感器相對設置在濾紙帶的上下兩側，撞針定位打孔機構設置在濾紙帶上方的兩路噴嘴升降控制機構上。

進一步的，所述第一路顆粒物採集檢測部的第一塵樣採樣檢測通道的下端安裝β射線源，β射線源和β射線探測器相對設置安裝在濾紙帶的上、下兩側。

進一步的，所述第一塵樣採樣檢測通道和第二塵樣採集通道呈平行排布且固定安裝在兩路噴嘴升降控制機構上。

進一步的，所述濾紙帶上設置有張緊機構，張緊機構設置為沿著濾紙帶上下兩側設置的漲緊輪。

進一步的，所述撞針定位打孔機構包括打孔針，打孔針通過螺紋固定在兩路噴嘴升降控制機構上。

進一步的，所述兩路噴嘴升降控制機構採用偏心凸輪和定位傳感器控制第一塵樣採樣檢測通道、第二塵樣採集通道的噴嘴的上下位移位置。

進一步的，所述定位光電對射傳感器和撞針定位打孔機構沿著右側後退收紙電機驅動輪的驅動方向依次設置在第一塵樣採樣檢測通道的兩側。

進一步的，所述顆粒物分離取樣模塊由pm10切割器、除水瓶、虛擬撞擊式切割器、採樣管組成，pm10切割器與除水瓶相連接，pm10切割器的下端與虛擬撞擊式切割器連接，並用o型圈密封，虛擬撞擊式切割器分別與兩個採樣管相連，採樣管下端連接管道適配器，管道適配器與雙通道的採樣檢測模組的第一塵樣採樣檢測通道、第二塵樣採集通道相連接。

進一步的，所述樣氣溼度控制模塊由採樣管加熱塊、保溫套、樣氣溼度調控器組成，採樣管加熱塊及其保溫套覆蓋安裝在顆粒物分離取樣模塊下部的採樣管外圍，樣氣溼度調控器的線路與儀器主機相連接。

進一步的，所述兩路恆流調節模組由兩個流量控制單元和1個採樣泵組成，每個流量控制單元包括一個流量傳感器、一個高效過濾器、一個比例調節閥、一個溫度傳感器、一個壓力傳感器和一個溼度傳感器，雙通道的採樣檢測模組的第一塵樣採樣檢測通道、第二塵樣採集通道的兩個樣氣通道出口通過管路與高效過濾器連接，該管路上安裝有壓力傳感器、溫度傳感器和溼度傳感器，高效過濾器出口與質量流量傳感器連接後，氣體進入比例調節閥，兩路比例調節閥經過三通閥與採樣泵相連接。

本發明的有益效果為：

本發明中的顆粒物分離取樣模塊：空氣中的顆粒物經過tsp切割器之後，分別經過內置的pm10和pm2.5兩路切割器後，分別進入右側第一路顆粒物採集檢測部的第一塵樣採樣檢測通道、左側第二路顆粒物採集部的第二塵樣採集通道；完成顆粒物的準確分離工作。

樣氣溼度控制模塊：由於空氣中環境溼度過大會導致顆粒物的濃度值的計算產生誤差；所以在右側第一塵樣採樣檢測通道和左側第二塵樣採集通道的外側，分別安裝加熱模塊，通過分別控制這兩個加熱模塊，動態調節這兩個氣路的溼度控制在正常的範圍內。

雙通道的採樣檢測模組真正實現了只需要一個β射線檢測器和一個β放射源，通過循環驅動左側前進收紙電機驅動輪、右側後退收紙電機驅動輪運行一個周期，實現分別檢測pm2.5和pm10濃度，既可完成雙通道連續在線採樣過程，結構簡單可靠，降低了儀器成本和後期維護成本。

兩路恆流調節模組的兩個流量控制單元可以保證顆粒物分離取樣模塊兩路的流量都穩定在1.67l/min。

本發明的這種雙通道顆粒物自動監測裝置可以完成野外無人值守的大氣顆粒物自動監測任務，可實現pm10和pm2.5顆粒物濃度的同時測量，實現連續、在線、實時、自動監測，具有結構簡單、運行周期長、維護方便、監測數據快速準確、可以與中心控制站進行實時傳輸和控制的顯著優點，有較高的經濟效益和社會效益。

附圖說明

圖1為本發明的整體結構示意圖；

圖2為本發明中雙通道的採樣檢測模組結構示意圖；

圖3為本發明中雙通道的採樣檢測模組結構細節示意圖；

其中，1、顆粒物分離取樣模塊；2、樣氣溼度控制模塊；3、雙通道的採樣檢測模組；4、兩路恆流調節模組；5、第一塵樣採樣檢測通道；6、第二塵樣採集通道；7、左側前進收紙電機驅動輪；8、定位光電對射傳感器；9、β射線探測器；10、兩路噴嘴升降控制機構；11、β射線源；12、撞針定位打孔機構；13、濾紙帶；14、右側後退收紙電機驅動輪；15、張緊機構。

具體實施方式

下面結合附圖進一步說明本發明。

實施例1

如圖1所示，一種自動測定雙通道顆粒物質量濃度的裝置，包括顆粒物分離取樣模塊1、樣氣溼度控制模塊2、雙通道的採樣檢測模組3、兩路恆流調節模組4，顆粒物分離取樣模塊1與樣氣溼度控制模塊2相連接，樣氣溼度控制模塊2的出氣口連接雙通道的採樣檢測模組3；雙通道的採樣檢測模組3的兩路出氣口分別與兩路恆流調節模組4連接，兩路恆流調節模組4的出氣口通過三通閥與採樣泵相連接。本發明裝置可同時測定大氣環境中pm10和pm2.5顆粒物的質量濃度，具有結構簡單、維護成本低、運行周期長、數據快速準確，真正實現在線自動連續監測。

雙通道的採樣檢測模組3包括第一路顆粒物採集檢測部、第二路顆粒物採集部和濾紙帶13左右移動控制部，其中，第一路顆粒物採集檢測部包括第一塵樣採樣檢測通道5、一個β射線探測器9和一個β射線源11；第二路顆粒物採集部只包括第二塵樣採集通道6；濾紙帶13左右移動控制部包括左側前進收紙電機驅動輪7、右側後退收紙電機驅動輪14、定位光電對射傳感器8、濾紙帶13和撞針定位打孔機構12，濾紙帶13套設在由左右兩個電機分別驅動的左側前進收紙電機驅動輪7、右側後退收紙電機驅動輪14上，定位光電對射傳感器8相對設置在濾紙帶13的上下兩側，撞針定位打孔機構12設置在濾紙帶13上方的兩路噴嘴升降控制機構10上。

進一步的，所述第一路顆粒物採集檢測部的第一塵樣採樣檢測通道5的下端安裝β射線源11，β射線源11和β射線探測器9相對設置安裝在濾紙帶13的上、下兩側。

進一步的，所述第一塵樣採樣檢測通道5和第二塵樣採集通道6呈平行排布且固定安裝在兩路噴嘴升降控制機構10上。

進一步的，所述濾紙帶13上設置有張緊機構15，張緊機構15設置為沿著濾紙帶13上下兩側設置的漲緊輪。

進一步的，所述撞針定位打孔機構12包括打孔針，打孔針通過螺紋固定在兩路噴嘴升降控制機構10上。

進一步的，所述兩路噴嘴升降控制機構10採用偏心凸輪和定位傳感器控制第一塵樣採樣檢測通道5、第二塵樣採集通道6的噴嘴的上下位移位置。

進一步的，所述定位光電對射傳感器8和撞針定位打孔機構12沿著右側後退收紙電機驅動輪14的驅動方向依次設置在第一塵樣採樣檢測通道5的兩側。

進一步的，所述顆粒物分離取樣模塊1由pm10切割器、除水瓶、虛擬撞擊式切割器、採樣管組成，pm10切割器與除水瓶相連接，pm10切割器的下端與虛擬撞擊式切割器連接，並用o型圈密封，虛擬撞擊式切割器分別與兩個採樣管相連，採樣管下端連接管道適配器，管道適配器與雙通道的採樣檢測模組3的第一塵樣採樣檢測通道5、第二塵樣採集通道6相連接。

進一步的，所述樣氣溼度控制模塊2由採樣管加熱塊、保溫套、樣氣溼度調控器組成，採樣管加熱塊及其保溫套覆蓋安裝在顆粒物分離取樣模塊1下部的採樣管外圍，樣氣溼度調控器的線路與儀器主機相連接。

進一步的，所述兩路恆流調節模組4由兩個流量控制單元和1個採樣泵組成，每個流量控制單元包括一個流量傳感器、一個高效過濾器、一個比例調節閥、一個溫度傳感器、一個壓力傳感器和一個溼度傳感器，雙通道的採樣檢測模組3的第一塵樣採樣檢測通道5、第二塵樣採集通道6的兩個樣氣通道出口通過管路與高效過濾器連接，該管路上安裝有壓力傳感器、溫度傳感器和溼度傳感器，高效過濾器出口與質量流量傳感器連接後，氣體進入比例調節閥，兩路比例調節閥經過三通閥與採樣泵相連接。

雙通道的採樣檢測模組3的具體運行過程是：

a:右側第一路顆粒物採集檢測部的第一塵樣採樣檢測通道5、左側第二路顆粒物採集部的第二塵樣採集通道6的兩個噴嘴通過兩路噴嘴升降控制機構10驅動同時上升到最頂部，然後左側前進收紙電機驅動輪7在電機的驅動作用下，驅動濾紙帶13往左移動一個工位，保證此時第一塵樣採樣檢測通道5噴嘴處是空白未採樣的濾紙帶13。

b:第一塵樣採樣檢測通道5、左側第二路顆粒物採集部的第二塵樣採集通道6的兩個噴嘴通過兩路噴嘴升降控制機構10驅動同時下降到最底部，保證右側第一路顆粒物採集檢測部和左側第二路顆粒物採集部的採樣氣路密封，於此同時兩路噴嘴升降控制機構10驅動撞針定位打孔機構12會在濾紙帶13打一個定位孔，此時第一路顆粒物採集檢測部會對第一濾紙採集區進行4分鐘的本底空白樣的β計數，得出計數值i0。

c:第一塵樣採樣檢測通道5、左側第二路顆粒物採集部的第二塵樣採集通道6的兩個噴嘴通過兩路噴嘴升降控制機構10驅動同時上升到最頂部，然後濾紙帶13往左再次移動一個工位，保證此時兩個採集部位都是空白未採樣的濾紙帶13。

d:第一塵樣採樣檢測通道5、左側第二路顆粒物採集部的第二塵樣採集通道6的兩個噴嘴通過兩路噴嘴升降控制機構10驅動同時下降到最底部，啟動採樣，在採樣過程中對第一路顆粒物採集檢測部處的塵斑進行β射線計數，等待採樣結束後，根據計數值此時可以計算出此處塵斑的質量，根據此塵斑的採樣體積既可計算出此塵斑的顆粒物的質量濃度；

e:第一塵樣採樣檢測通道5、左側第二路顆粒物採集部的第二塵樣採集通道6的兩個噴嘴通過兩路噴嘴升降控制機構10驅動同時上升到最頂部，然後濾紙帶13往右移動一個工位，此時在第一路顆粒物採集檢測部處的待檢測的塵斑是採樣過程中在第二路顆粒物採集部處的塵斑，此時對其進行進行4分鐘的最終β計數，得出計數值ix。根據此處塵斑的初重值i0和終重值ix計算此處塵斑的質量，根據此塵斑的採樣體積既可計算出此塵斑的顆粒物的質量濃度；

f:到此一個周期的採樣過程結束，在完整的周期採樣過程中，同時測定了大氣環境中pm10和pm2.5顆粒物的質量濃度，然後在下一個周期繼續重複上述採樣過程，真正實現在線自動連續檢測。

以上所述並非是對本發明的限制，應當指出：對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明實質範圍的前提下，還可以做出若干變化、改型、添加或替換，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。