一种颗粒物连续监测装置及方法
【专利摘要】本发明涉及一种细粒子监测仪，属于环境监测领域，具体涉及一种微量振荡天平法与光散射法融合的颗粒物连续监测装置。本发明基于微量振荡天平法，通过增加光散射法来测量颗粒物浓度，其中以微量振荡天平法所测的浓度作为标准浓度实时校正光散射浓度，而光散射法所测浓度作为微量振荡天平法数据的实时补充，并且作为微量振荡天平法测量数据是否异常的判断依据。本发明不仅实现了挥发性颗粒物浓度的测量，而且解决了采样数据不能连续的问题；特别是解决了环境干扰对浓度测量数据的影响，保证了仪器浓度测量的准确性，提高了仪器稳定运行的可靠性。
【专利说明】一种颗粒物连续监测装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种细粒子监测仪，属于环境监测领域，具体涉及一种微量振荡天平法与光散射法融合的颗粒物连续监测装置。
【背景技术】
[0002]目前基于微量振荡天平法的大气颗粒物自动监测仪在全国的应用非常普遍，产品主要是美国ThermoScientific公司的1405F型仪器。该仪器基于微量振荡天平法，增加了FDMS装置。该装置使用分时交替测量基础浓度与参考浓度，再将两者相减得到最终浓度。使用该装置能较好地减小挥发性物质和半挥发性物质对测量浓度的影响，但在使用过程中由于分时交替测量基础浓度与参考浓度产生了测量不连续和稳定时间过长的新问题。
[0003]由于微量振荡天平法是通过振动的频率信号来检测质量的，而监测站点里有抽气泵的振动、工作人员的活动以及地面不稳固等因素，产生的不规则振动应力直接干扰仪器，经常出现异常的浓度数值。
【发明内容】
[0004]本发明主要是解决现有技术中所存在的分时交替测量基础浓度与参考浓度所产生的测量不能连续的问题和仪器运行过程存在的不规则振动应力对仪器造成干扰而导致异常浓度数据的问题，提供了一种颗粒物连续监测装置及方法，该装置和方法不仅实现了挥发性浓度的测量功能，而且还解决了挥发性浓度测量过程中数据不能连续的问题，降低了环境干扰对浓度测量数据的影响，提高了仪器测量数据的准确性和可靠性，扩展了仪器运行的环境适应性。
[0005]本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的:
[0006]一种颗粒物连续监测装置，包括:采样入口、颗粒物切割器、干燥器、光散射模块、三通阀、微量振荡天平法质量检测模块、流量控制模块，其中:所述采样入口、颗粒物切割器、干燥器依次串联；所述三通阀的第一端口与光散射模块相通，第二端口与微量振荡天平法质量检测模块的进气端相连，第三端口通过恒温过滤器与第二端口相连；
[0007]所述干燥器分内外两层，内层设有采样气流通道，外层设有干燥气流通道，所述采样气流通道与所述颗粒物切割器的气流通道相通，所述干燥气流通道的进气端通过气流流量控制单元中的干燥气流控制单元与所述天平法质量检测模块的出气端相通，所述干燥气流通道的出气端与抽气泵相连；所光散射模块位于干燥器与三通阀之间的通道上。
[0008]优化的，上述的一种颗粒物连续监测装置，还包括分流适配器，所述分流适配器的进气端与所述颗粒物切割器的出气端相连，所述分流适配器主出气端与所述干燥器的进气端相连，所述分流适配器的旁路出气端通过辅气路一级过滤器以及气流流量控制单元中的辅气路流量控制单元与所述抽气泵相连。
[0009]优化的，上述的一种颗粒物连续监测装置，所述采样入口的气体流量为I?
16.67L/min,所述分流适配器的主出气端的气体流量为0.5?5L/min。
[0010]优化的，上述的一种颗粒物连续监测装置，所述光散射模块为密封腔体，其测量气流通道入口为直通孔或锥孔，直径为2?15_，通过的气体流量为0.5?5L/min。
[0011]优化的，上述的一种颗粒物连续监测装置，所述光散射模块包括发光部件、接收部件、透镜与电路调理部分，所述发光部件为650nm的LED灯或激光管。
[0012]优化的，上述的一种颗粒物连续监测装置，所述微量振荡天平法质量检测模块包括:位于恒温腔体中的锥形玻璃振荡管，用于采集被测颗粒物的采样滤膜采及驱动线圈与霍尔传感器，其中，所述恒温腔体的恒温点位于10?50°C之间，其恒温稳定度不低于
0.05°C,流量稳定度不低于0.01L/min。
[0013]优化的，上述的一种颗粒物连续监测装置，所述干燥器的干燥气流通道的反吹气流的真空度在20kPa以上，并且通过所述干燥器采样气流通道的测量气流的露点在_2°C以下，并且在干燥器进气口设有恒湿加热器，使进入干燥器的气流相对湿度低于50%。
[0014]优化的，上述的一种颗粒物连续监测装置，所述恒温过滤器使用半导体方式进行制冷或加热，并利用PID算法进行恒温控制，其制冷恒温温度为2?10°C，加热温度为30?70。。。
[0015]一种利用上述的颗粒物连续监测装置进行颗粒物连续监测的方法，包括:
[0016]测量状态检测步骤，检测系统是否处于有效测量状态，在所述有效测量状态下，经过干燥器后的测量气流的露点处于稳定状态，同时流量控制单元测量测量得到的流量均处于稳定状态，微量振荡天平法质量检测模块的恒温处于稳定状态，频率信号处于稳定状态；
[0017]关系函数拟合步骤，在有效测量状态下，根据多组微量振荡天平法质量检测模块测量得到的颗粒物浓度以及同时间光散射模块测量得到的颗粒物浓度拟合得到振荡天平法颗粒物有效浓度与光散色法颗粒物浓度之间的有效浓度关系函数；
[0018]非稳定态测量步骤，在流量控制单元与干燥器稳定工作的状态下，若微量振荡天平法质量检测模块的温度或质量检测信号未稳定时，根据光散射模块测量得到的颗粒物浓度以及所述有效浓度关系函数计算微量振荡天平法质量检测模块测量的有效浓度。
[0019]优化的，上述的一种颗粒物连续监测的方法，所述关系函数拟合步骤进一步包括:
[0020]基础浓度测量子步骤，打开三通阀的第一端口和第二端口，关闭第三端口，使三通阀工作于A状态，此时，光散射模块测量得到的颗粒物浓度为光散射基础浓度CLb_，微量振荡天平法质量检测模块测量得到的颗粒物浓度为振荡天平基础浓度Cbase ；
[0021 ] 参考浓度测量子步骤，打开三通阀的第一端口和第三端口，关闭第二端口，使三通阀工作于B状态此时，此时，光散射模块测量得到的颗粒物浓度为光散射参考浓度CLMf，微量振荡天平法质量检测模块测量得到的颗粒物浓度为振荡天平参考浓度Cref ；
[0022]校正数据获取子步骤，基于公式Ca = Cbase-Cref计算振荡天平在A状态时的有效浓度Ca，其中:Cb_为振荡天平测量基础浓度，Cref为振荡天平参考浓度，根据光散射基础浓度CLbase、振荡天平有效浓度Ca构建多个有效校正数据对{CLb_，CA}；
[0023]关系函数拟合子步骤，重复基础浓度测量子步骤、参考浓度测量子步骤、校正数据获取子步骤，得到多个有效校正数据对(CLbase, CJ，并根据有效校正数据对拟合得到反映振荡天平在A状态时的有效浓度Ca与光散射基础浓度CLbase关系的有效浓度关系函数Ca =F(CLbase)；
[0024]优化的，上述的一种颗粒物连续监测的方法，还包括:
[0025]有效参考浓度计算子步骤，通过所述有效浓度关系函数计算微量振荡天平法质量检测模块(12)在三通阀B状态时的有效浓度Cb = F(CLref)。
[0026]优化的，上述一种颗粒物连续监测的方法，所述非稳定态测量步骤中基于公Sca=F(CLbase)计算微量振荡天平法质量检测模块(12)在A状态时的有效浓度，其中CLbaseS光散射模块(7)测量得到的颗粒物浓度。
[0027]因此，本发明具有如下优点:1.实现连续测量，不仅实现了挥发性浓度的测量功能，还解决了挥发性浓度测量过程中数据不能连续的问题；2.数据更加可靠，解决了环境干扰对浓度测量数据的影响，提高了仪器测量数据的准确性和可靠性；3.应用范围更广，扩展了仪器运行的环境适应性。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]附图1是本发明的结构图。
【具体实施方式】
[0029]下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。图中，采样入口 I，颗粒物切割器2，分流适配器3，测量气流4，辅气流5，干燥器6，光散射模块7，三通阀8，恒温过滤器9，反吹气流10，反吹气流11，微量振荡天平法质量检测模块12，辅气路一级过滤器13，气流流量控制模块14，抽气泵15，干燥气流控制单元16，辅气路流量控制单元17。
[0030]实施例:
[0031]如图1所示，一种颗粒物连续监测装置，包括:采样入口 1，颗粒物切割器2，分流适配器3，干燥器6，光散射模块7，三通阀8，恒温过滤器9，微量振荡天平法质量检测模块12，辅气路一级过滤器13，气流流量控制模块14，抽气泵15，干燥气流控制单元16，辅气路流量控制单元17。
[0032]采样入口 I与颗粒物切割器2连接。分流适配器3的进气端与颗粒物切割器2的出气端相连，分流适配器3主出气端与干燥器6的进气端相连，分流适配器3的旁路出气端通过辅气路一级过滤器13以及气流流量控制单元14中的辅气路流量控制单元17与活塞式或旋片式抽气泵15相连。
[0033]其中，采样入口 I的气体流量设计为I?16.67L/min，分流适配器3的主出气端的气体流量设计为0.5?5L/min ;流量控制单元14使用质量流量传感器分别检测测量气流4与辅气流5，分别使用比例阀控制流量，其中辅气流5也可以使用涡轮式或板孔式气体流量传感器进行流量检测。
[0034]三通阀8为减速电机驱动的电动球阀或者推阀，也可以使用气动球阀或者推阀。其第一端口与干燥器6相通，第二端口与微量振荡天平法质量检测模块12的进气端相连，第三端口通过恒温过滤器9与第二端口相连。其中，恒温过滤器9使用半导体方式进行制冷或加热，并利用PID算法进行恒温控制，其制冷恒温温度为2?10°C，加热温度为30?70。。。
[0035]干燥器6使用Naf1n膜片隔离内外两层，为板式或管式设计。内层设有采样气流通道，外层设有干燥气流通道，并且两路气流方向相反或垂直；采样气流通道与颗粒物切割器2的气流通道相通，干燥气流通道的进气端通过气流流量控制单元14中的干燥气流控制单元16与天平法质量检测模块12的出气端相通，干燥气流通道的出气端与抽气泵15相连。
[0036]采用上述结构后，测量气流4通过微量振荡天平法质量检测单元12与流量控制单元14后作为反吹进气流10进入干燥器6，从干燥器6出来后作为反吹出气路11，最后汇入抽气泵15。其中:通过干燥器6的干燥气流通道的反吹气流10和11的真空度在20kPa以上，并且通过干燥器6采样气流通道的测量气流4的露点在_2°C以下。
[0037]微量振荡天平法质量检测模块12包括:位于恒温腔体中的锥形玻璃振荡管，用于采集被测颗粒物的采样滤膜采，其中，恒温腔体的恒温点位于10?50°C之间，其恒温稳定度不低于0.050C，流量稳定度不低于0.01L/min。
[0038]散射模块7位于干燥器6与三通阀8之间的流通道上。该光散射模块7为密封腔体并且包括:发光部件、接收部件、透镜与电路调理部分，其中发光部件为650nm的LED灯或激光管，其测量气流通道入口为直通孔或锥孔，直径为2?15_，通过的气体流量为0.5?5L/min。
[0039]在本实施例中，进行颗粒物连续监测的方法如下:
[0040]首先判断检测系统是否处于有效测量状态，在有效测量状态下，经过干燥器6后的测量气流4的露点处于稳定状态，同时控制控制单元14测量得到的测量气流4与辅气流5的流量处于稳定状态。
[0041]在有效测量状态下，若微量振荡天平法质量检测模块12处于稳定工状态，则根据多组微量振荡天平法质量检测模块12测量得到的颗粒物浓度以及同时间光散射模块7测量得到的颗粒物浓度拟合得到振荡天平法颗粒物有效浓度与光散色法颗粒物浓度之间的有效浓度关系函数，具体包括:
[0042]基础浓度测量子步骤，打开三通阀8的第一端口和第二端口，关闭第三端口，使三通阀8工作于A状态，此时，光散射模块7测量得到的颗粒物浓度为光散色基础浓度CLb_，微量振荡天平法质量检测模块12测量得到的颗粒物浓度为振荡天平基础浓度Cbase ；
[0043]参考浓度测量子步骤，打开三通阀8的第一端口和第三端口，关闭第二端口，使三通阀8工作于B状态此时，此时，光散射模块7测量得到的颗粒物浓度为光散色参考浓度CLref，微量振荡天平法质量检测模块12测量得到的颗粒物浓度为振荡天平参考浓度CMf ；
[0044]校正数据获取子步骤，基于公式Ca = Cbase-Cref计算振荡天平在A状态时的有效浓度Ca，其中:Cb_为振荡天平测量基础浓度，Cref为振荡天平参考浓度，根据光散色基础浓度CLbase、振荡天平有效浓度Ca构建多个有效校正数据对{CLb_，CA}；
[0045]关系函数拟合子步骤，重复基础浓度测量子步骤、参考浓度测量子步骤、校正数据获取子步骤，得到多个有效校正数据对(CLbase, CJ，并根据有效校正数据对拟合得到反映振荡天平在A状态时的有效浓度Ca与光散色基础浓度CLbase关系的有效浓度关系函数Ca =F(CLbase)；
[0046]有效参考浓度计算子步骤，通过有效浓度关系函数计算微量振荡天平法质量检测模块12在三通阀B状态时的有效浓度Cb = F(CLref)。
[0047]通过上述步骤实现了采样浓度数据的连续性:在三通阀工作于A状态时，可以根据函数F得到B状态时的有效浓度；同样的，当三通阀工作于B状态时，可以根据函数F得到A状态时的有效浓度。
[0048]在有效测量状态下，若微量振荡天平法质量检测模块12的温度或质量检测信号未稳定时，微量振荡天平法质量检测单元12所测浓度Ca无效，可用上次所得函数关系通过光散射模块7浓度CLbase求得Ca = F (CLbase)。因为流量与露点的稳定速度很快，恒温与质量检测信号稳定速度很慢，通过该方法补充了微量振荡天平法质量检测单元12的浓度数据，该方法也可以在仪器受外部振动、温度应力干扰时微量振荡天平法质量检测单元12出现故障或异常时使用，也可以将Ca = F(CLbase)作为微量振荡天平法质量检测单元12所测量Ca异常判断的依据。
[0049]利用本实施例进行颗粒物浓度监测时，以微量振荡天平法所测的浓度作为标准浓度，实时校正光散射浓度；同时可以利用光散射法所测浓度作为微量振荡天平法在仪器预热、测量间歇以及故障时的数据补充，并且作为微量振荡天平法测量数据是否异常的判断依据。
[0050]本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属【技术领域】的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
[0051 ] 尽管本文较多地使用了采样入口 I，颗粒物切割器2，分流适配器3，测量气流4，辅气流5，干燥器6，光散射模块7，三通阀8，恒温过滤器9，反吹气流10、11，微量振荡天平法质量检测模块12，辅气路一级过滤器13，气流流量控制模块14，抽气泵15，干燥气流控制单元16，辅气路流量控制单元17等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。
【权利要求】
1.一种颗粒物连续监测装置，其特征在于，包括:采样入口(I)、颗粒物切割器(2)、干燥器￠)、光散射模块(7)、三通阀(8)、微量振荡天平法质量检测模块(12)、流量控制模块(14)，其中: 所述采样入口(I)、颗粒物切割器(2)、干燥器(6)依次串联； 所述三通阀(8)的第一端口与光散射模块(7)相通，第二端口与微量振荡天平法质量检测模块(12)的进气端相连，第三端口通过恒温过滤器(9)与第二端口相连； 所述干燥器(6)分内外两层，内层设有采样气流通道，外层设有干燥气流通道，所述采样气流通道与所述颗粒物切割器(2)的气流通道相通，所述干燥气流通道的进气端通过气流流量控制单元(14)中的干燥气流控制单元(16)与所述天平法质量检测模块(12)的出气端相通，所述干燥气流通道的出气端与抽气泵(15)相连； 所光散射模块(7)位于干燥器(6)与三通阀(8)之间的通道上。
2.根据权利要求1所述的一种颗粒物连续监测装置，其特征在于，还包括分流适配器(3)，所述分流适配器(3)的进气端与所述颗粒物切割器(2)的出气端相连，所述分流适配器(3)主出气端与所述干燥器￠)的进气端相连，所述分流适配器(3)的旁路出气端通过辅气路一级过滤器(13)以及气流流量控制单元(14)中的辅气路流量控制单元(17)与所述抽气泵(15)相连。
3.根据权利要求2所述的一种颗粒物连续监测装置，其特征在于，所述采样入口(I)的气体流量为I?16.67L/min，所述分流适配器(3)的主出气端的气体流量为0.5?5L/min0
4.根据权利要求1所述的一种颗粒物连续监测装置，其特征在于，所述光散射模块(J)为密封腔体，其测量气流通道入口为直通孔或锥孔，直径为2?15mm，通过的气体流量为0.5 ?5L/min。
5.根据权利要求1所述的一种颗粒物连续监测装置，其特征在于，所述光散射模块(J)包括发光部件、接收部件、透镜与电路调理部分，所述发光部件为650nm的LED灯或激光管。
6.根据权利要求1所述的一种颗粒物连续监测装置，其特征在于，所述微量振荡天平法质量检测模块(12)包括:位于恒温腔体中的锥形玻璃振荡管，用于采集被测颗粒物的采样滤膜以及驱动线圈与霍尔传感器，其中，所述恒温腔体的恒温点位于10?50°C之间，其恒温稳定度不低于0.05°C,流量稳定度不低于0.01L/min。
7.根据权利要求1所述的一种颗粒物连续监测装置，其特征在于，通过所述干燥器(6)的干燥气流通道的反吹气流(10，11)的真空度在20kPa以上，通过所述干燥器(6)采样气流通道的测量气流(4)的露点在_2°C以下，并且在干燥器(6)进气口设有恒湿加热器，使进入干燥器的气流相对湿度低于50%。
8.根据权利要求1所述的一种颗粒物连续监测装置，其特征在于，所述恒温过滤器(9)使用半导体方式进行制冷或加热，并利用PID算法进行恒温控制，其制冷恒温温度为2?10°C，加热温度为30?70°C。
9.一种利用权利要求1-8所述的任一颗粒物连续监测装置进行颗粒物连续监测的方法，其特征在于，包括: 测量状态检测步骤，检测系统是否处于有效测量状态，在所述有效测量状态下，经过干燥器(6)后的测量气流(4)的露点处于稳定状态，同时流量控制单元测量(14)测量得到的流量均处于稳定状态，微量振荡天平法质量检测模块(12)的恒温处于稳定状态，频率信号处于稳定状态； 关系函数拟合步骤，在有效测量状态下，根据多组微量振荡天平法质量检测模块(12)测量得到的颗粒物浓度以及同时间光散射模块(7)测量得到的颗粒物浓度拟合得到振荡天平法颗粒物有效浓度与光散色法颗粒物浓度之间的有效浓度关系函数； 非稳定态测量步骤，在流量控制单元(14)与干燥器(6)稳定工作的状态下，若微量振荡天平法质量检测模块(12)的温度或质量检测信号未稳定时，根据光散射模块(7)测量得到的颗粒物浓度以及所述有效浓度关系函数计算微量振荡天平法质量检测模块(12)测量的有效浓度。
10.根据权利要求9所述的一种颗粒物连续监测的方法，其特征在于，所述关系函数拟合步骤进一步包括: 基础浓度测量子步骤，打开三通阀(8)的第一端口和第二端口，关闭第三端口，使三通阀(8)工作于A状态，此时，光散射模块(7)测量得到的颗粒物浓度为光散射基础浓度CLbase，微量振荡天平法质量检测模块(12)测量得到的颗粒物浓度为振荡天平基础浓度Cbase ? 参考浓度测量子步骤，打开三通阀(8)的第一端口和第三端口，关闭第二端口，使三通阀(8)工作于B状态此时，此时，光散射模块(7)测量得到的颗粒物浓度为光散射参考浓度CLMf，微量振荡天平法质量检测模块(12)测量得到的颗粒物浓度为振荡天平参考浓度Cref ? 校正数据获取子步骤，基于公式Ca = Cb_-CMf计算振荡天平在A状态时的有效浓度CA，其中:Cb_为振荡天平测量基础浓度，CMf为振荡天平参考浓度，根据光散射基础浓度CLb_、振荡天平有效浓度Ca构建多个有效校正数据对{CLbase，CA}； 关系函数拟合子步骤，重复基础浓度测量子步骤、参考浓度测量子步骤、校正数据获取子步骤，得到多个有效校正数据对{CLbase，CJ，并根据有效校正数据对拟合得到反映振荡天平在A状态时的有效浓度Ca与光散射基础浓度CLbase关系的有效浓度关系函数Ca =F (CLbase)。
11.根据权利要求10所述的一种颗粒物连续监测的方法，其特征在于，还包括: 有效参考浓度计算子步骤，通过所述有效浓度关系函数计算微量振荡天平法质量检测模块(12)在三通阀B状态时的有效浓度Cb = F(CLref)。
12.根据权利要求10所述的一种颗粒物连续监测的方法，其特征在于，所述非稳定态测量步骤中基于公式Ca = F(CLbase)计算微量振荡天平法质量检测模块(12)在A状态时的有效浓度，其中CLbase为光散射模块(7)测量得到的颗粒物浓度。
【文档编号】G01N5/00GK104132863SQ201410403117
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2014年8月15日 优先权日:2014年8月15日
【发明者】李虹杰, 范新峰, 李金平, 李恺骅 申请人:武汉市天虹仪表有限责任公司