一种振荡天平测量PM2.5的放射性补偿装置的制作方法

本发明属于环境检测技术领域，具体涉及一种振荡天平测量pm2.5的放射性补偿装置。

背景技术：

振荡天平法，又称微量石英振荡天平法，是一种常用的测量pm2.5颗粒物含量的方法。该方法是在测量单元内使用一个石英空心锥形管，在空心锥形管振荡端上安放可更换的滤膜，振荡频率取决于石英锥形管特性和它的质量。当采样气流通过滤膜，其中的颗粒物沉积在滤膜上，滤膜质量变化导致振荡频率变化，通过测量振荡频率的变化计算出沉积在滤膜上颗粒物的质量，再根据采样流量、采样现场环境温度和气压计算出该时段的颗粒物标态质量浓度。

这种技术的优点是定量关系明确，缺点是石英椎管需要在一个高于室温的恒温条件(通常为30度)下振荡，不可避免的会引入样品加热后半挥发性物质的损失，导致测定结果偏低。也正因为如此，该技术需要加装膜动态测量系统(fdms)对偏低的结果进行补偿。fdms系统的工作原理是：采用气流通过fdms的进样管干燥后进入振荡天平，大气样品中的颗粒物沉积在振荡天平的滤膜上，并测定一段时间后滤膜上的颗粒物重量，计算出颗粒物的质量浓度；之后打开fdms的切换阀，采用气流进入fdms的冷凝器，大气中的颗粒物和有机物等组分被冷凝并被过滤膜截留，通过冷凝器之后的纯净气流再进入振荡天平测量，由于此时采用气流不含颗粒物，因此滤膜重量不会增加，反而因滤膜上的半挥发性颗粒物的持续挥发，而造成滤膜重量减轻，减轻的重量即是半挥发性颗粒物损失的质量；由于两次测量过程的时间相同，将第一次测得的颗粒物质量浓度加上第二次测得的半挥发性颗粒物的损失量，即得到校正后的颗粒物浓度。第二次的测量就是补偿过程。

从以上分析可知，振荡天平法需要与fdms系统连用才能得到正确的数值，否则测量结果会偏低。但fdms系统需要用到过滤膜，过滤膜属于耗材，需要后期维护，传统的fdms系统直接用环境空气经冷却后经过滤膜。fdms对环境的要求较高，适合在干燥和干净的环境下运行。在实际使用中，过高的颗粒物导致fdms过滤膜的微孔很快被堵塞，从而使其使用寿命很短，2-3个月可能就要更换一次。材料成本大约在1000美元，而且需要专业技术人员操作至少半天时间。因此fdms不适合南方潮湿地区或污染过于严重的城市。由于fdms技术不成熟，造成成本增高和操作复杂，而且仪器经常故障报警，难以得到连续的合格监测数据。

另外更关键的一点，fdms系统第一次测量和第二次补偿的时间相等，而补偿过程是不进行大气采样的，整个fdms系统只能保证50％的采样时间，不符合中国环境监测标准中至少75％采样时间的规定。

所以，本领域迫切需要开发一种新的方法对振荡天平测量pm2.5的方法进行补偿，提高测量精度。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种振荡天平测量pm2.5的放射性补偿装置。本发明包干燥器、冷阱滤膜、放射性检测装置三个模块。其中干燥器安装在样气采集单元和振荡天平测量单元之间，用于去除采样气流之中的水汽。冷阱滤膜安装在振荡天平测量单元和流量控制单元之间，用于将通过振荡天平测量单元之后的采样气流温度降低，进而将其中的半挥发性颗粒物凝结沉积在滤膜上。放射性检测装置利用放射性射线的衰减原理，用于测量冷阱滤膜上沉积的半挥发性颗粒物的质量。所计算出来的质量可以用来累加在振荡天平法测量pm2.5的结果上，为其提供补偿，实现更精确的测量。

本发明的有益效果是通过放射性补偿方法，提高了振荡天平法测量pm2.5颗粒物浓度的精确性。和传统的fdms相比，运行鲁棒性更强，成本更低，而且可以做到连续不间断的采集，满足了中国环境监测标准对采样时间不少于75％的规定。

附图说明

附图1是放射性补偿装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图说一下具体的实施方式：

一般的振荡天平法测量pm2.5颗粒物浓度的装置包括样气采集单元、振荡天平测量单元和流量控制单元三个部分。样气采集单元利用采样切割头之类的器件将直径小于2.5um的颗粒物采样气流从环境空气中分离出来。流量控制单元保证采样气流以一个恒定的流速在气路中流动。振荡天平测量单元内包含一个石英空心锥形管，在石英空心锥形管振荡端上安放可更换的滤膜，振荡频率取决于石英空心锥形管特性和它的质量。当采样气流通过滤膜，其中的颗粒物沉积在滤膜上，滤膜质量变化导致振荡频率变化，通过测量振荡频率的变化计算出沉积在滤膜上颗粒物的质量，再根据采样流量、采样现场环境温度和气压计算出该时段的颗粒物标态质量浓度。

本发明提供的放射性补偿装置，包括干燥器、冷阱滤膜、放射性检测装置三个部分。

其中干燥器用于去除采样气流中的水汽，安装在样气采集单元和振荡天平测量单元之间，避免空气湿度对测量结果的影响。本实施例中干燥器采用nafion干燥器，利用磺酸基对水超强的亲和特性，既可以去除采样气流中水汽的影响，又不影响颗粒物的含量。

冷阱滤膜包含控温装置和作为基底的石英滤膜，控温装置首先将采样气流的温度降低至4摄氏度以下，将半挥发性物质凝结，然后利用石英滤膜将其采集。

放射性检测装置的原理和β射线法测量pm2.5颗粒物浓度的原理是一致的，采用c¹⁴放射源发射β射线，射线穿过冷阱滤膜时，会被其中的颗粒物吸收而衰减。利用盖革计数器测量射线强度的变化，就可以计算冷阱滤膜上沉积的半挥发性物质的质量。所计算出来的质量累加在振荡天平法测量pm2.5的结果上，为其提供补偿，实现更精确的测量。

传统的β射线法直接测量pm2.5颗粒物浓度的精度比振荡天平法的精度要低很多。本发明仅利用放射性检测装置测量冷阱滤膜在低温下采集的半挥发性物质的质量，可以进一步补偿振荡天平法的测量精度，满足采样时间的要求，同时给出颗粒物浓度的实时测量数据。

技术特征：

技术总结
本发明公开了属于环境检测技术领域的一种振荡天平测量PM2.5的放射性补偿装置，包括干燥器、冷阱滤膜、放射性检测装置三个模块。通过将通过振荡天平之后的采样气流冷却后用石英滤膜截留，利用放射性检测装置测量其中的半挥发性物质的方法，提高了振荡天平法测量PM2.5颗粒物浓度的精确性。和传统的膜动态测量系统(FDMS)相比，运行鲁棒性更强，成本更低，而且可以做到连续不间断的采集，满足了中国环境监测标准对采样时间不少于75％的规定。

技术研发人员：梅剑春;叶青;田建国
受保护的技术使用者：南开大学
技术研发日：2018.05.14
技术公布日：2018.11.06