重量法大氣顆粒物濃度在線監測的采樣、稱量裝置與方法

專利名稱：重量法大氣顆粒物濃度在線監測的采樣、稱量裝置與方法
技術領域：
本發明涉及一種空氣顆粒物質量濃度在線監測的裝置與方法，特別是關于一種用重量法進行空氣顆粒物質量濃度在線監測的采樣、稱量裝置和方法。空氣顆粒物指的是分散在空氣中的固態或液態顆粒狀物質，根據其粒徑大小，又可分為空氣動力學直徑小于或等于100 Mffl的總懸浮顆粒物(TSP)和空氣動力學直徑小于或等于IOMm的可吸入顆粒物(PM10)。可吸入顆粒物又可細分為細粒PM2.5(空氣動力學直徑小于或等于2.5 Mm)和粗粒(空氣動力學直徑介于2.5Mm至IOMm )。流行病學和毒理學的研究表明:人群呼吸系統和心血管系統疾病發病率、住院人數以及人群死亡率等都與大氣中顆粒物濃度的變化相關。顆粒物，尤其是細顆粒物是其它污染物進入人體的載體，能夠被吸入肺泡直接進入血液，嚴重危害人體健康，被公認為對人體健康危害最大，且代表性最強的大氣污染物。顆粒物除對人體健康產生不良影響以外，還會對能見度、酸沉降、云和降水、大氣的輻射平衡、平流層和對流層的化學反應等造成重要影響。因此，為保障人體健康、客觀反映環境質量，需要對空氣顆粒物質量濃度進行在線、連續、精確的監測。根據最新頒布的《環境空氣PMlO和PM2.5的測定重量法》(HJ 618-2011)，進行空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，采樣前在15 30°C中任一溫度下，在(50±5)%的相對濕度下進行恒重后得其初始質量，采樣過程中精確測控采樣流量和時間——累計記錄采樣標準狀態體積，采樣后回到15 30°C的同一溫度、(50±5) %的相對濕度下恒重后稱得其截獲質量，以初始質量、截獲質量、采樣標準狀態體積計算出顆粒物濃度的監測結果。重量法的原理簡單，測定數據可靠，測量不受顆粒物形狀、大小、顏色、化學組成等的影響。因此，重量法是最直接、最可靠的方法，是驗證其它方法是否準確的標桿。但重量法采樣、稱量都需要手工操作，程序比較繁瑣、費時，不能立即給出測試結果，這就限制了該方法在空氣顆粒物質量濃度自動、在線監測領域的應用。目前市場上用于環境空氣顆粒物質量濃度在線監測的儀器主要采用振蕩天平法和b射線法。1980年代R&P公司將振蕩天平技術應用于空氣顆粒物自動監測，其測量樣品質量的微量振蕩天平傳感器主要部件是一個一端固定、另一端裝有濾膜的空心錐形玻璃管，樣品氣流通過濾膜，顆粒物被收集在濾膜上。在工作時空心錐形玻璃管在電場作用下往復振蕩，其振蕩頻率隨濾膜上收集的顆粒物的質量變化而發生改變，儀器通過準確測量頻率的變化計算出采集到的顆粒物的質量，然后根據收集這些顆粒物時采集的氣體樣品體積計算得出空氣中顆粒物的質量濃度。但是溫度也會影響錐形玻璃管的振蕩頻率，所以必須保證振蕩天平的工作溫度不受氣體樣品溫度變化的影響。因此，振蕩天平法顆粒物質量濃度監測儀都有加熱、保溫的部件與構造，以保障振蕩天平在被測樣品氣流中，其工作溫度能夠保持恒定，一般為50°C，大大超過了標準重量法稱重時的溫度(15_30°C)。這使得一部分在標準重量法測定時穩定存在的物質由于溫度的升高而揮發損失，導致測值偏低。據報道，振蕩天平法測值一般比標準重量法約低8%。為補償這部分因高溫揮發帶來的監測結果誤差，Thermo Fisher Scientific公司采用濾膜動態測量系統(FDMS)來進行補償的修正。FDMS讓采樣的濾膜周期性、間歇地使用經冷凝和顆粒物過濾的潔凈空氣進行吹掃，將在潔凈空氣吹掃期間顆粒物的減少量來補償原測定結果。FDMS系統補償的理想前提是:那些在標準重量法測定時“不該”揮發的物質，在高溫(50°C)下在12分鐘內(一個采樣和吹掃周期)隨時間勻速揮發釋放，只有這種情況下吹掃期間減少的質量才能夠補償因過高溫度而揮發失去的顆粒物質量。而在實際環境條件下這樣的前提很難滿足，尤其是氣化溫度在30-50°C之間的物質，當加熱到50°C時很快就揮發殆盡了，對這些組分FDMS系統顯然是無法補償的，這顯然將影響監測結果的準確性。β射線法是將顆粒物收集在濾紙上，利用粉塵粒子吸收β射線的量與粉塵粒子的質量成正比關系的原理來監測。原子核在發生b衰變時放出b粒子，其穿透力較強，當它穿過一定厚度的吸收物質時，b射線強度隨吸收層厚度增加而逐級減弱的現象叫做b吸收。當吸收物質的厚度比b粒子的射程小很多時，b射線在物質中的吸收近似為:I = Icie-'式中:1。為沒有吸收物質時的b射線強度；1為b射線穿過厚度為I的吸收物質后的強度士為質量吸收系數或質量衰減系數，單位為cm2/g ；1為顆粒物層的質量厚度，單位為g/cm2。可見，b射線法是一種通過測量顆粒物層厚度來間接表征顆粒物質量濃度的方法，儀器校準采用標準膜片，并假定標準膜片的材質與所采顆粒物的成分相同。而環境中顆粒物的組成千差萬別，對于不同的物質，μ隨原子序數的增加而緩慢地增加。因此，b射線法測定的結果不光取決于空氣顆粒物的質量濃度，還受顆粒物化學組成的影響。b射線法測定儀的濾紙帶需要連續傳動，采樣氣體的濕度過大可能會導致濾紙受潮、紙帶韌性降低，在紙帶傳動過程中則易被拉斷，使得儀器故障無法正常運行。為了防止濾紙受潮，常采用加熱的方法以降低空氣相對濕度，過高的加熱溫度同樣會帶來揮發性組分的損失。由于這些因素帶來的誤差，影響了 b射線法與標準重量法測值的可比性，據報道，b射線法測定結果與經典重量法數據的相關性僅在77%到90%之間，遠低于振蕩天平法與標準重量法測試數據間的相關性(94%到99%)。b射線法測定結果比標準重量法平均高約7%。

發明內容
針對以上所述現有技術中存在的問題，本發明提供了一種重量法大氣顆粒物質量濃度在線監測的采樣、稱量裝置與方法，解決了傳統重量法不能連續、自動采樣，以及不能自動、實時分析的缺陷，可獲得實時、準確的顆粒物質量濃度數據，從而可將經典的重量法應用于大氣顆粒物質量濃度的在線監測。本發明所采用的技術方案:一種重量法大氣顆粒物濃度在線監測的采樣、稱量裝置，包括空氣樣品輸送系統、顆粒物捕集系統、濾膜夾升降系統、質量稱量系統、智能控制系統。所述空氣樣品輸送系統由抽氣泵和氣體管路組成，氣體管路一端接到樣品氣體的除濕調溫器的出口，另一端經三通管2接到進氣管，該進氣管穿過密封罩的頂部進入罩內；密封罩由隔板分成上、下兩部分，上部為氣體通道，密封罩的上部在左側壁上開孔并安裝了出氣管道，該出氣管道依次接到三通管I和抽氣泵；三通管2的另一接口通過管路、彎頭和三通管I接到抽氣泵。所述的顆粒物捕集系統由對接口和濾膜夾組成，圓盤形對接口安裝、固定在穿過密封罩頂部的進氣管的出口端，為了保證對接口的穩定，在對接口的背面安裝了 3個加強筋板，3個加強筋板呈120°夾角均勻分布，并固定在空氣管道上、卡到密封罩的頂板上；對接口與濾膜夾的對接面安裝、固定有橡膠密封圈和分離彈簧；圓形濾膜放置在圓盤狀濾膜夾底座里，底座下面遍布通氣網孔，用密封圈和壓環將濾膜固定在濾膜夾的底座上。質量稱量系統由帶有自動內校正功能的電子天平和濾膜夾的支架組成，支架呈敞口、中空、有底的圓桶形結構，圓桶的底部大小剛好能夠堵住密封罩隔板中間的圓孔，為了保證在濾膜收集顆粒物時氣流進入不了密封罩下部的天平室，圓桶底板的下緣安裝了橡膠密封圈，圓桶的頂部為內設凹槽的圓環，濾膜夾剛好能夠卡入桶頂的凹槽；電子天平放置在密封罩底板上，其四個腳墊有減震墊。上述濾膜夾升降系統由三個直線步進電機和一個圓環形的托盤組成，托盤通過消隙螺母安裝、固定在直線步進電機的螺桿上，可由直線步進電機帶動在螺桿上進行上、下移動，3個步進電機呈正三角形安裝在密封罩的頂部。上述智能控制系統由單片機控制器、鍵盤和顯示器、步進電機驅動模塊、2個壓力傳感器、3個電磁閥、氣體質量流量控制器、光電開關組成，這些組件通過信號線與單片機控制器相連，單片機控制器還通過信號線與電子天平相連，單片機控制器通過步進電機驅動模塊控制托盤的上下移動；電磁閥I安裝在三通管I與三通管2之間，電磁閥2安裝在三通管2與密封罩進氣管上的壓力傳感器I之間，電磁閥3安裝在三通管I與密封罩出氣管之間；質量流量控制器安裝在三通管I和抽氣泵之間；光電開關固定在密封罩的隔板上，其安裝高度為托盤移動的下限位置；壓力傳感器I安裝在進氣管位于密封罩外的管段上；壓力傳感器2安裝在密封罩的上部，固定在密封罩的側壁上；系統運行的參數選擇(如采樣周期、采樣流量、壓力差閾值等)通過鍵盤輸入單片機控制器，系統的運行狀態在顯示器上顯示。密封罩的下部放置天平，為保障天平室的干燥在密封罩的下部放有硅膠干燥劑，密封罩的正面設置透明玻璃門，以方便觀察系統運行狀況和更換濾膜及硅膠干燥劑。基于上述大氣顆粒物的采樣、稱量裝置，本發明同時提供了 一種重量法大氣顆粒物質量濃度在線監測的采樣與稱量的方法，包括以下步驟:
(I)更換濾膜，關緊密封罩的門；
(2)開啟電子天平，稱量初始時濾膜的質量IV稱重完畢則質量數據通過信號線輸出至單片機控制器中，單片機控制器自動關閉天平，并驅動直線步進電機轉動使托盤托起支架上升適當距離(如20mm)至最上端，使濾膜夾與對接口緊密接觸，并靠密封圈使對接處密封，同時支架的底部將密封罩隔板中間的圓孔密封、堵住；
(3)由抽氣泵提供吸入氣體的動力，并通過空氣質量流量控制器來限定、控制被測樣品氣流的流量；
(4)從采樣切割器和樣品氣體的溫濕度調節系統獲得相對濕度〈55%、溫度為15 — 30°C的指定流量的被測空氣樣品；
(5)關閉旁路的電磁閥1，開啟電磁閥2、電磁閥3，使氣體通過對接口、經過濾膜，被濾膜截獲顆粒物后的氣體經密封罩的上部空間被抽氣泵抽出、外排；
(6)濾膜截獲空氣顆粒物，經過規定的時間(如10分鐘)后，單片機控制器關閉電磁閥
2、電磁閥3，開啟電磁閥1，使樣品氣體直接被抽氣泵抽走、外排，同時單片機控制器驅動直線步進電機反向轉動使托盤攜支架下降適當距離(如20mm)至初始位置,濾膜夾被對接口上的分離彈簧推開后隨支架下降，支架放置、停留在電子天平的托盤上，單片機控制器開啟電子天平稱重，稱重完畢則質量數據ml通過信號線輸出至單片機控制器中，然后單片機控制器自動關閉電子天平，并驅動直線步進電機轉動使托盤攜支架上升適當距離(如20mm)至最上端，使濾膜夾與對接口緊密接觸，從而進入下一輪采樣，如此往復；
(7)單片機控制器根據測得前、后相鄰兩次濾膜的質量，以及濾膜采樣期間被測空氣流量，計算得出該段時間內被測空氣的顆粒物濃度，計算公式為:C = dM X V—1 = dM X Q—1X t—1，式中:C—顆粒物濃度，dM—相鄰兩次濾膜稱量的質量之差，V—相鄰兩次稱量的濾膜累積采樣體積，Q——被測氣體樣品的流量，t——濾膜采樣時間；將計算得到的空氣顆粒物濃度數據儲存在單片機控制器中；
(8)單片機控制器監控密封罩內與進氣管內的壓力數據，壓力差低于某一閾值表明濾膜可能破損，單片機控制器提示系統需更換合格的濾膜，壓力差大于某一閾值則表明顆粒物采樣量接近滿負荷，單片機控制器提示系統需更換新的濾膜；單片機控制器也可根據設定的采集顆粒物的質量閾值提示系統需更換新的濾膜；通過安裝在密封罩內的壓力傳感器監控密封罩內的氣壓，以掌握密封罩的氣密性，如密封罩內的氣壓與大氣壓的壓力差低于設定的閾值，則表明密封罩漏氣，系統提示需檢查密封罩的氣密性，如密封門是否關緊、密封圈是否需要更換等。本發明所述的重量法大氣顆粒物質量濃度在線監測的采樣、稱量裝置與方法，具有以下優點:
實現了采樣、稱量、數據處理和存儲的自動化，使經典、傳統的重量法能夠應用于空氣顆粒物質量濃度的在線、連續監測；
使用本發明所述裝置進行空氣顆粒物濃度的在線監測時日常耗材僅為市場上常見的濾膜，運行成本低；
采用內置兩組校正砝碼，具自動內校正功能的電子天平，確保準確的稱量結果，從而保證了監測數據的準確、可靠；
在線監測過程中，單片機控制器會根據顆粒物采樣時濾膜前后的壓力差，或捕獲的顆粒物質量，來提示系統需更換新的濾膜，可確保在線監測的連續性；
系統活動部件少，濾膜夾及其支架僅需上、下移動，采用直線步進電機驅動和光電開關定位，并使用帶細分功能的步進電機驅動模塊，可極大地降低電機工作過程的振動和待機功耗，并保證了系統的長期、穩定、安全、可靠地運行。


圖1為重量法大氣顆粒物質量濃度在線監測的采樣、稱量裝置的結構示意 圖2為天平稱量時密封罩內采樣、稱量裝置的示意 圖3為濾膜采樣時密封罩內采樣、稱量裝置的示意 圖4為密封罩的結構示意 圖5為托盤的結構示意 圖6為濾膜夾的支架結構示意 圖7為濾膜夾的結構示意 圖8為濾膜夾對接裝置的結構示意圖。圖中:1、電磁閥I ;2、電磁閥2 ;3、出氣管I ;4、抽氣泵；5、氣體質量流量控制器；6、三通管I ;7、電磁閥3 ;8、密封罩；9、硅膠干燥劑；10、減震墊I ;11、減震墊2 ;12、電子天平；13、鍵盤和顯示器；14、單片機控制器；15、步進電機驅動模塊；16、三通管2 ;17、進氣管I ;18、直線步進電機I ;19、直線步進電機2 ;20、直線步進電機3 ;21、對接口 ；22、進氣管2 ;23、壓力傳感器I ;24、分離彈簧；25、出氣管2 ;26、密封圈I ;27、隔板；28、密封圈2 ;29、支架；30、光電開關；31、壓力傳感器2 ;32、托盤；33、濾膜夾；34、安裝孔I ;35、安裝孔2 ;36、鉸鏈；37、密封門；38、密封圈3 ;39、門把鎖；40、鎖扣；41、消隙螺母；42、通氣孔；43、濾膜；44、壓環；45、密封圈4 ;46、底座；47、安裝孔3 ;48、加強筋板。
具體實施例方式為了更好地說明本發明，便于理解本發明的技術方案，本發明的典型但非限制性的實施例如下:
根據重量法測定環境空氣PMlO和PM2.5的要求，進入本發明裝置的樣品氣體要求其溫度為15-30°C、相對濕度〈55%，因此，進氣管17 (如圖1)需接到除濕調溫器的出氣口，以將取自采樣切割頭的樣品氣體除濕、調溫到相對濕度〈55%、溫度為15-30°C。如圖1、圖2和圖4所示，進氣管I (17)經三通管2 (16)后分成兩個并聯的分支管路:一個分支管路經電磁閥I (I)和90°彎頭，再接到三通管I (6);另一個分支管路經電磁閥2 (2)接到進氣管2 (22)，進氣管2 (22)經密封罩8頂板中間的安裝孔I (34)進入密封罩8內，進氣管2 (22)的出口端安裝了濾膜夾33的對接口 21，安裝在密封罩8上部左側壁的出氣管2 (25)經電磁閥3 (7)接到三通管I (6)。上述兩個并聯的分支管路在三通管I (6)處匯合后經氣體質量流量控制器5后接到抽氣泵4。如圖4所示，長方體密封罩8的頂板為正方形，中間開有安裝孔I (34)供進氣管2
(22)的接入，頂板上以安裝孔I (34)為中心對稱地安裝了 3個直線步進電機，即直線步進電機I (18)、直線步進電機2 (19)、直線步進電機3 (20)。隔板27將密封罩分為上、下兩部分，隔板27的中心開有圓孔以便濾膜夾33的支架29能在其內上、下移動。密封罩8的左側板在隔板27上面開孔并安裝、連接了出氣管2(25)。密封罩的正面安裝有能夠活動開啟的密封門37，密封門37的左邊由兩個鉸鏈36將其固定在密封罩正面的外壁上，密封門37的右邊中間安裝有門把鎖39，門把鎖39與安裝在密封罩正面外壁上的鎖扣40能夠緊密咬合，從而將密封門關閉、鎖緊。為了保證密封罩的氣密性，密封門37朝向密封罩內的一側安裝有橡膠密封圈3 (38)。為了便于觀察密封罩內設備的運行情況，密封門中部的材料為透明的玻璃。為了減少震動對本發明裝置的影響，在密封罩的底板下安裝了 4個減震墊I
(10)。為了保證密封罩的氣密性和減少管道振動對裝置的影響，進氣管2 (22)和出氣管2
(25)與密封罩的結合處都安裝有橡膠減震密封圈。如圖2、圖3所示，本發明裝置采用內置兩組校正砝碼，可自動校正的電子天平，電子天平12放置在密封罩的下部，為控制震動可能給電子天平帶來的影響，在密封罩的底板上放置4個減震墊2 (11)，電子天平12放在減震墊2 (11)上。為保證天平室的干燥，在密封罩的底板上放置燒杯盛放硅膠干燥劑9。如圖2、圖3所示，帶動支架29進行上、下移動的托盤32安裝在3個直線步進電機(18,19,20)的螺桿上。控制托盤32移動位置的光電開關30安裝、固定在密封罩8的隔板27上，其安裝高度為托盤32移動的下限位置。
如圖5所示，上述托盤32為圓環形，其上安裝的3個消隙螺母41呈正三角形分布，托盤32由消隙螺母41安裝在上述3個直線步進電機(18、19、20)的螺桿上。如圖1-圖3所示，濾膜夾33放置在支架29上。如圖6所示，濾膜夾的支架29為敞口、空心、有底的圓桶形結構:其敞口的上端面有圓環形凹槽，以供安放濾膜夾33 ;其桶底的外徑與密封罩8的隔板27中間圓孔的直徑相等，以使濾膜43在空氣流入密封罩上部以采集顆粒物時該桶底能夠堵住隔板27中間的圓孔(如圖3所示)，以避免氣流對天平的擾動，為了保證堵得嚴實，桶底下緣還安裝了密封圈2 (28);支架29的側壁上均勻地分布著8個通氣孔42，這是透過濾膜43的氣流進入密封罩8的通道。如圖2所示，電子天平12稱量濾膜夾33時托盤32下降到最低位置，在該位置托盤32與支架29脫離接觸，以免影響電子天平稱量濾膜的準確性。如圖7所示，濾膜夾33由底座46、0形密封圈4 (45)、壓環44組成。底座46是有兩層凹槽的圓盤:上面的凹槽直徑較大，以供安放、卡住壓環44 ;下面的凹槽直徑較小，以供安放、卡住O型密封圈4 (45);盤底中部為直徑與壓環44和密封圈4 (45)的內徑相等的圓形網柵結構，網面略微下凸，網面的柵欄呈上銳、下鈍型，尖細的銳面朝向盤內的濾膜，以使濾膜43采樣時氣流能夠自由通過。濾膜43的光面朝上安放在底座46里面，再上壓O型密封圈4 (45),最后用壓環44卡緊、固定。如圖3所示，濾膜43在采集顆粒物時，3個直線步進電機(18、19、20)驅動托盤32攜支架29和濾膜夾33向上移動，直到與對接口 21緊密對接。對接口 21安裝、固定在進氣管2 (22)的出口端。如圖2、圖3和圖8所示，對接口 21為中間凹陷的圓盤形:凹陷部分的直徑與上述濾膜夾33的壓環44的內徑相等；為了保證與濾膜夾33對接處的氣密性，在對接口 21的對接端面上開有凹槽以安裝、固定O型密封圈I (26);為避免濾膜采樣停止后濾膜夾33與對接口 21粘連過緊而不能隨支架29下移，在對接口 21的對接端面上呈正三角形、均勻分布、安裝了 3個分離彈簧24，當托盤32在3個直線步進電機(18、19、20)的驅動下向下移動時分離彈簧24就將濾膜夾33彈開，使濾膜夾33能夠隨支架29和托盤32下移。如圖2、圖3和圖8所示，為了保證濾膜夾33與對接口 21能夠緊密對接，對接口21必須安裝得非常穩固，為此，在對接口的背面(朝向密封罩頂板的一面)安裝了 3個加強筋板48，加強筋板48為梯形，3個筋板相互間呈120°角分布，被安裝、固定在對接口 21的背面、進氣管2 (22)和密封罩8的頂板之間，梯形的直角邊固定在進氣管2 (22)上、較長的底邊固定在對接口 21的背面、較短的底邊卡到密封罩8的頂板。如圖2-圖4、圖8所示，在密封罩8的上部右側板上開有安裝孔2 (35)以安裝壓力傳感器2 (31)，在進口管2 (22)位于密封罩8外的管段上開有安裝孔3 (47)以安裝壓力傳感器I (23)，壓力傳感器I (23)和壓力傳感器2 (31)通過信號線與單片機控制器14相連，通過單片機控制器14監控傳感器I (23)和傳感器2 (31)的壓力差來掌握濾膜
(43)的工作狀況。壓力差低于設定的閾值表明濾膜破損，則系統提示需要更換合格的濾膜；壓力差高于設定的閾值表明濾膜收集的顆粒物量接近滿負荷，則系統提示需要更換新的濾膜。同時，通過傳感器2 (31)監測密封罩8內的氣壓還能夠掌握密封罩的氣密性，如密封罩8內的氣壓與大氣壓的壓力差低于設定的閾值，這表明密封罩8漏氣，系統提示檢查密封罩8的氣密性，如密封門37是否關緊、密封圈4 (45)等是否需要更換。如圖1-圖3所示，智能控制系統包括單片機控制器14、鍵盤和顯示器13、步進電機驅動模塊15、壓力傳感器I (23)、壓力傳感器2 (31)、電磁閥I (I)、電磁閥2 (2)、電磁閥3 (7)、氣體質量流量控制器5、光電開關30等器件組成，這些器件通過導線與單片機控制器14相連，單片機控制器14還通過信號線與電子天平12相連，系統運行的參數選擇(如采樣周期、采樣流量等)通過鍵盤輸入單片機控制器14，系統的運行狀態在顯示器上顯示。如圖1-圖3所示，為實施上述重量法在線監測空氣顆粒物的質量濃度，本發明將來自空氣顆粒物采樣切割頭的樣品氣體經除濕調溫器處理，控制樣品氣體的相對濕度〈55%、溫度為15 — 30°C再經空氣管道接入本發明裝置的進氣管I (17)。然后根據采樣流量、顆粒物的粒徑范圍和電子天平的可讀性(讀數的最小值)，選擇適當的周期，分別進行濾膜截獲被測樣品顆粒物過程和濾膜稱重過程，具體如下:
在濾膜截獲被測氣體樣品顆粒物的過程:單片機控制器14通過步進電機驅動模塊15驅動3個直線型步進電機轉動托盤32，托盤32攜支架29上升適當的距離(如20mm)至最上端，使濾膜夾33與對接口 21緊密接觸，并靠密封圈使對接處密封，同時支架29的底部將密封罩8的隔板27中間的圓孔密封、堵住；然后，在單片機控制器14的控制下，電磁閥1(1)關閉，電磁閥2 (2)和電磁閥3 (7)同時開通，使被測樣品氣體經三通管2 (16)流入進氣管2 (22)，經對接口 21輸入濾膜夾33，氣流中顆粒物樣品被濾膜43截獲，經濾膜43過濾的氣體從支架29側面的通氣孔42流進密封罩8的上部，繼而從出氣管2 (25)經三通管I
(6)被抽氣泵4抽走，再經出氣管I (3)外排。在電子天平稱量濾膜的過程:在單片機控制器14的控制下，電磁閥2 (2)和電磁閥3 (7)同時關閉，電磁閥I (I) 開通，使被測樣品氣經三通管2 (16)后直接經三通管I
(6)被抽氣泵4抽走，再從出氣管I (3)外排。然后，單片機控制器14通過步進電機驅動模塊15驅動3個直線型步進電機反向轉動托盤32，對接口 21上的分離彈簧24將濾膜夾33推開，使其與對接口 21脫離接觸并落到支架29上，托盤32攜支架29下降適當的距離(如20mm)，在光電開關30的控制下托盤32停留在最下端，此時托盤32與支架29脫離接觸，支架29攜濾膜夾33落在電子天平12的稱量盤上。此時單片機控制器14控制開啟電子天平12的電源，電子天平12開始稱重，待稱量數據穩定后質量數據經信號線輸出至單片機控制器14中儲存。稱量完畢，單片機控制器14控制關閉電子天平12的電源，系統開始下一個周期的循環。由此即可根據電子天平前、后相鄰兩次測得的質量，以及濾膜采樣期間被測空氣流量，計算得出該段時間內被測空氣的顆粒物濃度，計算公式為:c = dM X V—1 = dM X τ1X t—1，式中:C—顆粒物濃度，dM—相鄰兩次濾膜稱量的質量之差，V—相鄰兩次稱量的濾膜累積采樣體積，Q——被測氣體樣品的流量，t——濾膜采樣時間；將計算得到的空氣顆粒物濃度數據儲存在單片機中。申請人:申明，本發明通過上述實施例來說明本發明的詳細結構特征及裝置的運行和控制模式，但本發明并不局限于上述詳細結構特征及運行和控制模式，即不意味著本發明必須依賴上述詳細結構特征及運行和控制模式才能實施。所屬技術領域的技術人員應該明了，對本發明的任何改進，對本發明所選用部件的等效替換以及輔助部件的增加、具體方式的選擇等，均落在本發明的保護范圍和公開范圍之內。
權利要求
1.一種重量法大氣顆粒物濃度在線監測的采樣、稱量裝置，包括空氣樣品輸送系統、顆粒物捕集系統、濾膜夾升降系統、質量稱量系統、智能控制系統，其特征在于，由抽氣泵和氣體管路組成:氣體管路一端接到樣品氣體的除濕調溫器的出口，另一端經三通管接到進氣管，該進氣管穿過密封罩的頂部進入罩內；密封罩由隔板分成上、下兩部分，上部為氣體通道，密封罩的上部在左側壁上開孔并安裝了出氣管道，該出氣管道依次接到三通管和抽氣泵；三通管的另一接口通過管路、彎頭和三通管接到抽氣泵，顆粒物捕集系統由濾膜夾和對接口組成。
2.根據權利要求1所述的重量法大氣顆粒物濃度在線監測的采樣、稱量裝置，其特征在于，密封罩呈長方體，其頂板為正方形，中間開有安裝孔供進氣管的接入；頂板上以安裝孔為中心對稱地安裝了 3個直線步進電機；由隔板將密封罩分為上、下兩部分，隔板的中心開有圓孔以便濾膜夾的支架能在其內上下移動；上部的左側板上開孔并安裝、連接了出氣管；密封罩的正面安裝有能夠活動開啟的密封門，密封門的左邊由兩個鉸鏈將其固定在密封罩正面的外壁上，密封門的右邊中間安裝有門把鎖，門把鎖與安裝在密封罩正面外壁上的鎖扣能夠緊密咬合，從而將密封門關閉、鎖緊；為了保證密封罩的氣密性，密封門朝向密封罩內的一側安裝有橡膠密封圈；為了便于觀察密封罩內設備的運行情況，密封門中部的材料為透明的玻璃；為了減少震動對本發明裝置的影響，在密封罩的底板下面安裝了 4個減震墊；為了保證密封罩的氣密性和減少管道振動對裝置的影響，進氣管和出氣管與密封罩的結合處都安裝有橡膠減震密封圈。
3.根據權利要求1所述的重量法大氣顆粒物濃度在線監測的采樣、稱量裝置，其特征在于，質量稱量系統由帶有自動內校正功能的電子天平和濾膜夾的支架組成，電子天平放置在上述密封罩的下部，為控制震動可能給電子天平帶來的影響，在密封罩的底板上放置4個減震墊，電子天平放在減震墊上；為保證天平室的干燥，在密封罩的底板上放置燒杯盛放娃膠干燥劑。
4.根據權利要求3所述的重量法大氣顆粒物濃度在線監測的采樣、稱量裝置，其特征在于，濾膜夾的支架為敞口、中空、有底的圓桶形結構:其敞口的上端面有圓環形凹槽，以供安放濾膜夾；其桶底的外徑與密封罩隔板中間圓孔的直徑相等，以使在濾膜采集顆粒物時該桶底能夠堵住隔板中間的圓孔，以避免氣流對電子天平的擾動，為了保證堵得嚴實，桶底下緣還安裝了密封圈；支架的側壁上均勻地分布著8個通氣孔，這是透過濾膜的氣流進入密封罩的通道。
5.根據權利要求1所述的重量法大氣顆粒物濃度在線監測的采樣、稱量裝置，其特征在于，濾膜夾由底座、O形密封圈、壓環組成，底座是有兩層凹槽的圓盤:上面的凹槽直徑較大，以供安放、卡住壓環；下面的凹槽直徑較小，以供安放、卡住O型密封圈；盤底中部為直徑與壓環和密封圈的內徑相等的圓形網柵結構，網面略微下凸，網面的柵欄呈上銳、下鈍型，尖細的銳面朝向盤內的濾膜，以使濾膜采樣時氣流能夠自由通過，濾膜的光面朝上安放在底座里面，再上壓O型密封圈，最后用壓環卡緊、固定。
6.根據權利要求1所述的重量法大氣顆粒物濃度在線監測的采樣、稱量裝置，其特征在于，對接口為中間凹陷的圓盤形:凹陷部分的直徑與上述濾膜夾的壓環的內徑相等 ’為了保證與濾膜夾對接處的氣密性，在對接口的對接端面上開有凹槽以安裝、固定O型密封圈；為避免濾膜采樣停止后濾膜夾與對接口粘連過緊而不能隨支架下移，在對接口的對接端面上呈正三角形、均勻分布、安裝了 3個分離彈簧，當托盤在3個直線步進電機的驅動下向下移動時分離彈簧就將濾膜夾彈開，使濾膜夾能夠隨支架和托盤下移。
7.根據權利要求1所述的重量法大氣顆粒物濃度在線監測的采樣、稱量裝置，其特征還在于，對接口安裝、固定在穿過密封罩頂部的進氣管的出口端，為了保證對接口的穩固，在其背面(朝密封罩頂板的一面)安裝了 3個梯形加強筋板，3個筋板相互間呈120°角分布，被安裝、固定在對接口的背面、進氣管和密封罩的頂板之間，梯形的直角邊固定在進氣管上、較長的底邊固定在對接口的背面、較短的底邊卡到密封罩的頂板。
8.根據權利要求1所述的重量法大氣顆粒物濃度在線監測的采樣、稱量裝置，其特征在于，濾膜夾升降系統由三個直線步進電機和一個托盤組成:托盤呈圓環形，其上呈正三角形安裝了 3個消隙螺母；托盤由消隙螺母安裝在上述3個直線步進電機的螺桿上；直線步進電機的轉動可驅使托盤攜上述濾膜夾的支架在螺桿上進行上、下移動；托盤下降到最低位置時，在該位置托盤與上述支架脫離接觸，以免影響電子天平稱量濾膜的準確性；托盤上升到最高位置時，在該位置使得濾膜夾與對接口剛好緊密對接。
9.根據權利要求1所述的智能控制系統，其特征在于，由單片機控制器、鍵盤和顯示器、步進電機驅動模塊、2個壓力傳感器、3個電磁閥、氣體質量流量控制器、光電開關等組成:這些組件通過信號線與單片機控制器相連，單片機控制器還通過信號線與電子天平相連；單片機控制器通過步進電機驅動模塊控制托盤的上、下移動；電磁閥I安裝在三通管I與三通管2之間，電磁閥2安裝在三通管2與密封罩進氣管上的壓力傳感器I之間，電磁閥3安裝在三通管I與密封罩出口管之間；質量流量控制器安裝在三通管I和抽氣泵之間；光電開關固定在密封罩的隔板上，其安裝高度為托盤移動的下限位置；壓力傳感器I安裝在進氣管位于密封罩外的管段上；壓力傳感器2安裝在密封罩的上部，固定在密封罩的側壁上；系統運行的參數選擇(如采樣周期、采樣流量、壓力差閾值等)通過鍵盤輸入單片機控制器，系統的運行狀態在顯示器上顯示。
10.一種重量法大氣顆粒物質量濃度在線監測的采樣與稱量的方法，其特征在于，包括以下步驟: (O更換濾膜，關緊密封罩的門； (2)開啟電子天平，稱量初始時濾膜的質量IV稱重完畢則質量數據通過信號線輸出至單片機控制器中，單片機控制器自動關閉天平，并驅動直線步進電機轉動使托盤托起支架上升適當距離(如20mm)至最上端，使濾膜夾與對接口緊密接觸，并靠密封圈使對接處密封，同時支架的底部將密封罩隔板中間的圓孔密封、堵住； (3)由抽氣泵提供吸入氣體的動力，并通過空氣質量流量控制器來限定、控制被測樣品氣體的流量； (4)從采樣切割器和樣品氣體的溫濕度調節系統獲得相對濕度〈55%、溫度為15—30°C的指定流量的被測空氣樣品； (5)關閉旁路的電磁閥1，開啟電磁閥2、電磁閥3，使氣體通過對接口、經過濾膜，被濾膜截獲顆粒物后的氣體經密封罩的上部空間被抽氣泵抽出、外排； (6)濾膜截獲空氣 顆粒物，經過規定的時間(如10分鐘)后，單片機控制器關閉電磁閥2、電磁閥3，開啟電磁閥1，使樣品氣體直接被抽氣泵抽走、外排，同時單片機控制器驅動直線步進電機反向轉動使托盤攜支架下降適當距離(如20mm)至初始位置,濾膜夾被對接口上的分離彈簧推開后隨支架下降，支架放置、停留在電子天平的托盤上，單片機控制器開啟電子天平稱重，稱重完畢則質量數據ml通過信號線輸出至單片機控制器中，然后單片機控制器自動關閉電子天平，并驅動直線步進電機轉動使托盤攜支架上升適當距離(如20mm)至最上端，使濾膜夾與對接口緊密接觸，從而進入下一輪采樣，如此往復； (7)單片機控制器根據測得前、后相鄰兩次濾膜的質量，以及濾膜采樣期間被測空氣流量，計算得出該段時間內被測空氣的顆粒物濃度，計算公式為:C = dM X V—1 = dM X Q-1X t—1，式中:C—顆粒物濃度，dM—相鄰兩次濾膜稱量的質量之差，V—相鄰兩次稱量的濾膜累積采樣體積，Q——被測氣體樣品的流量，t——濾膜采樣時間；將計算得到的空氣顆粒物濃度數據儲存在單片機控制器中； (8)單片機控制器監控顆粒物采樣時密封罩內與進氣管內的壓力數據，壓力差低于某一閾值表明濾膜可能破損，單片機控制器提不系統需更換合格的濾膜，壓力差大于某一閾值則表明顆粒物采樣量接近滿負荷，單片機控制器提示系統需更換新的濾膜；單片機控制器也可根據設定的采集顆粒物的質量閾值提示系統需更換新的濾膜；通過安裝在密封罩內的壓力傳感器監測密封罩內的氣壓，以掌握密封罩的氣密性，如密封罩內的氣壓與大氣壓的壓力差低于設定的閾值，則表明密封罩漏氣，系統提示需檢查密封罩的氣密性，如密封門是否關緊、密封圈是否需要更 換。
全文摘要
本發明公開了一種重量法大氣顆粒物濃度在線監測的采樣、稱量裝置與方法。中心有圓孔的隔板將密封罩分成上、下兩部分，下部放置電子天平，上部安裝進、出氣管，該進氣管管口安裝了對接口。濾膜夾放在圓桶形支架上，電機驅動托盤可攜支架穿過隔板的圓孔上、下移動，上升至頂端可使濾膜夾與對接口緊密對接，此時支架的底部將隔板圓孔封閉，氣流經濾膜截獲顆粒物后從支架側壁的通風孔進入密封罩的上部，繼而從出氣管抽走。托盤下降將支架放在天平上可進行濾膜稱量，此時氣流不經過密封罩而從旁路外排。在單片機控制下，采樣、稱量可自動、連續進行。本發明實現了采樣、稱量、數據處理的自動化，使經典的重量法能應用于空氣顆粒物質量濃度的在線監測。
文檔編號G01N1/22GK103196775SQ20131011853
公開日2013年7月10日 申請日期2013年4月8日 優先權日2013年4月8日
發明者吳代赦, 朱衷榜, 黃雙蕾, 姚秀紅 申請人:江西怡杉環保有限公司