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          大氣顆粒物監測儀

            詳細說明

          一、 背景介紹

          隨著環境污染日益嚴重和人們環保意識的不斷提高,對環境的實時監測監控已成為國內外非常關注的一個課題。環境監測監控作為生態環境保護工作的重要手段,對生態文明建設起著重要支撐作用。當前,黨中央、國務院就加強生態環境保護、打好污染防治攻堅戰做出了全面部署。在推進打好打贏污染防治攻堅戰進程中,迫切需要全面提升環境監測監控水平,提高監測監控的廣度和深度,說清生態環境質量狀況,說清其變化趨勢,說清其潛在風險,發揮監測監控污染防治的作用,實現污染防治能力 系統化、科學化和精準化。

          環境監測主要含空氣和廢氣、水和廢水、土壤和固體廢物、生物、生態、噪聲等各要素監測能力。在空氣環境污染中,氣溶膠顆粒污染又占有極其重要的地位,其中PM2.5, PM10 等指標受到了國際名聲的關注。而氣溶膠顆粒污染的來源廣泛,成分復雜,含有許多有害的無機物和有機物,其對人類生存環境的嚴重危害已日益加劇。因此,必須大力推進空氣自動監測網絡布局,提高監測能力,提升精準治污、科學管控水平。正是基于這一背景,我們開展了大氣顆粒物監測儀的產品研發工作。

          二、 監測方法介紹

          經過近些年的研究, 國內外開發生產出了多種多樣的氣溶膠顆粒濃度測量儀器,它們在測量原理、測量方法和濃度表示方法上存在著很大的差異。然而總的來說可以概括為兩大類:一種取樣法,即用泵吸將顆粒物先采集到濾膜上,再利用不同方法測量濾膜上的顆粒物質量,包括:稱重法,β 射線吸收法,微量震蕩天平法,壓電晶體法等;另一種為非取樣法,即無需采集大氣顆粒物,主要有光散射法等。

          1.稱重法:以恒定的流量采樣空氣,將空氣中漂浮的顆粒物采集到濾膜上,然后測量濾膜采樣前后的質量差,之后由于是恒定流量可知道采樣空氣量,讓濾膜采樣前后的質量差與采樣空氣量求比值,即為顆粒物的質量濃度。濾膜稱重法測量的數據可靠,原理簡單,與顆粒物的分散度組成、化學成分、塵粒形狀以及電氣、光學等性能的變化等因素無關。但這種方法測量的過程較長且繁雜,而且儀器的精細度要求比較高,對工作環境要求很高(一般置于恒溫,恒濕的室內),也不能滿足濃度測量連續性的基本要求。由于,該方法提出較早,被

          EPA(美國環??偸穑┱J可,因此目前濾膜稱重法作為釆用其他方法

          進行測量的標定刻度。

          2.β 射線法:用恒定的β 射線作為發射源,當β 射線通過粉塵顆粒物時將會被部分吸收,β 射線發生衰減,粉塵顆粒物的質量濃度越高,β 射線的衰減量也就越大。在用此方法測量時,通過氣旋切割頭切割,將待測顆粒物用濾膜收集,用β 射線照射濾膜,通過采集β射線的衰減量就可以計算出被測空氣中粉塵顆粒物的濃度。該方法中顆粒物的質量濃度與β 射線的強度衰減量正相關,與顆粒物的化學、物理性質無關。然而,一定程度上粉塵顆粒在濾膜上的分散可能不均勻會導致測得的結果存在一定的誤差,比如出現負值的情況。這種β射線法也是需要采集到濾膜上預沉降,測量周期因此也會延長。

          3.微量振蕩天平法:微量振蕩天平法是近年研制發展起來的顆粒物濃度測量方法,滿足美國EPA 標準,在中國市場占有率較大,測量原理基于錐形元件振蕩微量天平,錐形體有自己的自然振蕩頻率。采樣空氣以一恒定的流量通過切割器去除測定顆粒直徑以外的顆粒,通過采樣濾膜采集待測顆粒物。測量出濾膜采集前后錐體兩個振蕩頻率,計算出在這一段時間里收集在濾膜上顆粒物的質量,再除以采樣氣體的總體積,得到這段時間空氣中顆粒物的平均濃度??招腻F形玻璃振蕩管的一端固定在系統框架上,而另一端尖端不固定,使其可以自由振蕩。在自由端上固定一個小濾膜,使它可以隨自由端一起振蕩。采樣氣流通過濾膜后,從空心錐形管中流出,而氣流中的粒子累積到濾膜上,從而使整個振蕩體的質量發生變化。開始時振蕩管與其頂部的濾膜以其固有頻率振蕩,可以測量得到起始頻率f0,當被測粒子累積到濾膜上時,整個振蕩體的質量發生變化,從而使其固有頻率發生變化,可以測量得到結束頻率f1。運用振蕩天平法并選擇合適的重力傳感器,利用物體的固有震蕩頻率與其質量之間的關系可以測量出采樣的質量變化。

          4.壓電晶體法:壓電法其工作原理是待測空氣以恒定流量通過氣旋切割頭切割,進入靜電采樣器,氣流中的顆粒物在靜電采樣器中高壓放電針的作用下全部沉降于石英諧振器表面,石英諧振器質量改變其振蕩頻率發生變化。壓電法和β 射線法一樣都有一個取樣的過程,當被測粉塵通過濾膜帶的時候,會被過濾帶吸附上,濾帶的質量增加石英晶體振動頻率減小,這樣通過測量頻率減小量確定被采樣粉塵顆粒的質量增加量,然后將質量變化量與被采樣空氣的體積相除,得到粉塵顆粒的濃度。

          5.光散射法:光散射法也是被EPA 認可的檢測方法,其主要理論依據的基礎是微粒的Mie 散射理論。檢測的機理是通過光束檢測判斷顆粒物的尺寸,如若尺寸數量級等于或者大于光的波長時,就會發生光能衰減,表現形式主要是光的散射。光散射式顆粒物監測儀包括光源、 準直鏡、 聚焦透鏡、光陷阱、反光鏡、光電探測器、信號放大器、分析電路及顯示器等部分。當顆粒物被光線照射到并發生散射時,光電探測器就會利用凹面反光鏡聚焦透鏡捕獲到散射光,然后完成光、電信號的轉化工作,電信號通過放大、濾波等電路進行脈沖發生量的計算,脈沖越大表示相對濃度越大,一次脈沖表示接收到一個散射光。

          表1 針對上述幾種方法在測量原理、樣本采集方式及是否需要樣本采集、靈敏度、實時性能等方面進行了對比,由表1 可以看出光散射法因其無須對顆粒物進行采樣收集,因此具有實時在線測量的優點,這是其他方法不可比擬的。同時相較其他檢測方法,基于光散射法的儀器其體積可做的更小,質量也更輕。尤為突出的是由于光散射法不存在任何耗材,因此運營和維護成本將大幅降低,完全可適應目前對大氣顆粒物監測所需的較高密度布點和實時監控要求。


          檢測方法測量原理樣本采集靈敏度mg.m-3運營成本優點缺點實時性
          稱重法力學是/人工采集與天平精度有關原理簡單操作復雜、采集周期長、儀器笨重、噪聲大
          &beta; 射線吸收法光學是/自動采集0.001精度較高儀器笨重、噪聲
          振蕩天平法力學是/自動采集0.0001精度高受溫濕度影響大
          壓電晶體法力學是/自動采集0.005
          晶體需清洗
          光散射法光學0.001很低體積小,重量輕,穩定性好

          表1 各種方法的性能比較

          基于光散射法本公司研發的一款具有自主知識產權的大氣顆粒物實時在線監測儀,產品填補了國內該領域的空白。該儀器的主要功能為同時自動實時監測大氣中懸浮顆粒物PM1,PM2.5,PM10 的濃度,該儀器具有體積小、重量輕、安裝方便,工作可靠,精度高等特點。

          三、 產品介紹


          如圖1 所示,該儀器主要有5 個部分組成,分別是:1. 進氣口及TSP,2. 氣旋切割部件,3. 防水主機箱及主機,4. 天線,5. 電源。工作流程為環境大氣通過1. 進氣口及TSP進入儀器的2. 氣旋切割部件,通過選擇不同的氣旋切割部件,實現對顆粒物的切割分離,通過氣路進入主機,從而實現對PM1,PM2.5,PM10 的濃度的監測。另一方面,該儀器還可將監測數據通過移動通信網絡對外發送及通過組網實現區域實時遠程監測和監控。由于該儀器具有體積小、重量輕、安裝方便等特點,且儀器運行過程中對環境的要求比較低,適應性強,因此在對大氣顆粒物進行監測時布點非常方便。儀器運行過程中噪音低,其本身對環境和人員的影響較小。

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          具體技術參數如下:



            監測對象  對檢測顆粒物粒徑的靈敏度&nbsp;um  測量量程mg/m3  測量精度  測量靈敏度ug/m3  空氣流量LPM
            PM1  0.1-1  0-100  &plusmn;5%的讀數值  1  <=2.1
            PM2.5  0.1-2.5  0-100  &plusmn;5%的讀數值  1  <=2.1
            PM10  0.1-10  0-100  &plusmn;5%的讀數值  1  <=2.1

          測量方法:前向激光散射法;

          激光類型:可見紅光,波長670 納米;

          采樣方式:直流無刷隔膜泵吸氣式,隔膜泵20,000 小時,雙回路過濾0.2um 及5um 濾芯;

          校零:自動校零,或程序控制校零;

          輸出模式:模擬輸出4-20mA,及0-5VDC 或0-10VDC 選一;數字輸出RS232/RS485;

          Network 功能:使用RS485 通信方式,用戶以問訊方式采集多臺顆粒物監測儀所組的監測網;

          數據通信格式:ASCII 碼,MODBUS RTU;

          數據輸出頻度:最快1 次/1 分鐘 或程序設定;

          報警輸出:常開,常閉繼電器觸點最大30VDC@1A;

          工作環境要求:相對濕度RH 范圍0-90%, 氣壓600-1040mbar, 溫度-10- 50 攝氏度;

          電壓及功率消耗:12-40VDC 350mA-1100mA@15VDC;

          安裝方式:箱體背板垂直面安裝;

          箱體尺寸及重量:23cm(寬) * 35cm(高) * 22cm(深) ,6.5 Kg;

          四、 使用注意事項

          安裝點必須安全。采樣口必須遠離粉塵產生源, 離地面或支撐面2-15 米,戶外通風環境良好,通風面大于270 度。采樣口必須至少加裝TSP 后儀表才能進行采樣。組網監測時,每臺設備采樣口的距離必須大于2 米。采樣口的TSP 和顆粒物氣旋切割部件建議每月清潔一次。濾芯(用于保護)每一年更換一次。每兩年進行全面維護,包括校驗,光學系統的清潔。

          配套的附件:電源電纜一根,數據傳輸電纜一根;安裝背板及配

          套螺母螺栓一套;TSP 一個;顆粒物氣旋切割部件;Inlet 采樣進氣管一套。

          五、 實際使用數據對比

          為了對本產品的性能進行驗證,我們進行了實地安裝測試并與現有實際運行的設備(基于β 射線法的國外進口設備)進行了對比測試。

          測試環境:某監測站;國外進口設備位于方艙內(室內),進氣口位于室外;我們的設備完全處于方艙外(室外);兩設備的進氣環境相同。

          圖3 所示為兩臺儀器設備測量的PM2.5 和PM10 濃度值隨時間的變化趨勢圖。橫坐標為時間軸,縱坐標為濃度值(單位:ug/m3),其中紅實線為基于β 射線法的國外進口設備的測量值,而藍色虛線為我們的產品的測量值。兩者的相關性為90% 。由此可以說明我們的產品具有精度高、可靠性強、實時監控的特點,性能優異。

          本儀器在南京相關部門使用一年多,效果非常好,未出現任何問題(附應用證明一份)。

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          圖3 測試數據對比,a, PM10測試數據, b, PM2.5測試數據


          六、 結論

          與目前廣泛采用的監測設備相比本產品具有十分明顯的優勢:

          1.體積小、重量輕、安裝方便,布點監測方便;

          2.真正意義上實現對大氣顆粒物實時在線的監測監控;

          3.環境適應性強,無需維護,運營成本低;

          4.監測精度較高、工作穩定可靠,達到國際先進水平,非常適合大氣環境監測監控網絡建設。


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