大气颗粒物检测方法及其发展

发布时间:17-05-05 11:35分类:技术文章 标签:颗粒物浓度检测仪
新一代颗粒物浓度检测仪的原理和介绍 北京康高特科技有限公司 张鑫宇
随着人们对大气和环境污染问题的不断关注,监测可吸入颗粒物浓度的仪器也开始热卖。改进了称重法时效性不强、操作繁琐、需要多种仪器配合使用的缺点,新一代的检测仪器能够实时显示各种直径颗粒物的测量结果,甚至实现不间断在线监测。
现在大多数颗粒物浓度检测仪根据光散射原理测量并计算直径和质量浓度。该理论早在上个世纪初*已经面世,经过一个多世纪的检验,其测量的正确性和精确度毋庸置疑。随着电子科技的发展,原来需要整个房间才能装下的仪器现在已经浓缩成单手*可以操作。光散射法测量粒径相比于其它方法精度高、重复型好、粒度测量范围广、不接触样品、测量时间短,已经慢慢成为颗粒物浓度检测的*。应用该方法的颗粒物浓度检测仪有很多,例如英国Turnkey
Instrument的Dustmate;美国TSI的8530和Thermal Fisher的PDR1500等。
那么为什么光散射法能够代替使用多种仪器设备测量、操作复杂的称重法呢?通过其原理,可以略知一二。
光的散射是自然界中普遍存在的一种物理现象,如果光传播时遇到物质阻挡,那么它*会向四面八方散射出频率相同的光,如下图所示:
在仪器中激光从一端射向另一端,颗粒物从其中经过将光散射,被散射的光由安置在另一端的接收器接收,并测量其强度。
仪器内有采样泵,不断地将外界的颗粒物吸入仪器,此时颗粒物不仅朝着泵吸入的方向移动,还会因为热扰动发生布朗运动,即分子自身无规则、永不停歇的震动。因为布朗运动,接收器接收到的光强度也会随着时间不断变化。又因为大颗粒布朗运动较慢,小颗粒布朗运动较快,所以会得出下图所示的时间-光强变化曲线。
接收器在短时间内多次测量某一位置光的强度,如果测量的是小颗粒那么光强度会很快变化,如果测量的是大颗粒那么光强变化会比较缓慢。在某个点,如果时间t1和时间t2测量到的光强完全一样,那么光强相关性为1(完全相关),如果测量到的光强完全不一样,光强相关性为0(完全不相关)。绘制出光强相关性随时间变化的曲线,如下图所示。
根据上述大颗粒和小颗粒光强变化的规律可以推断,大颗粒的相关性曲线下降比较缓慢,而小颗粒的相关性曲线下降比较迅速。从而通过曲线的变化区分开颗粒物粒径的大小。
把收集到的数据送入处理器,配以相应的公式即可计算出粒径的分布规律和数量。
以上*是光散射法测量颗粒物浓度的简单介绍,下面以Dustmate为例,介绍一下实际情况中激光器的工作方式。下图所示是Dustmate的采样和测量电路,图中用四种不同颜色的方框分成了四个部分,其中红色部分*是激光发生器,用于发出单波长的激光,进行散射光测量。绿色部分是仪器的气体通路,从空气中采集到的气体沿箭头方向进入仪器,在激光器中把激光散射。紫色部分是采样泵,提供抽力,吸入空气。*后蓝色部分是光的接收器,用于接收散射光,并把光强数据传输到处理器中计算。
其它同类仪器的测量方法和原理都大同小异,区别只在于精度和测量时间。另外通过数据记录装置,这些颗粒物浓度检测仪还能记录浓度数据,并分析变化趋势。
通过以上介绍可以看出,相较于传统的称重法,使用激光散射法测量颗粒物浓度结果更精确,受其它因素干扰的情况很少,使用更方便。而且仪器配有的数据记录装置能够满足测量后处理数据和作图的需要。
今后随着电子技术的不断进步,这种类型的颗粒物浓度检测仪体积肯定更加小巧,价格更加低廉。另外光散射法也是在线监测颗粒物浓度的*,未来多点布控、实时检测、迅速反应、大数据处理将成为颗粒物浓度检测,甚至环境污染治理的主流。而激光散射法测量颗粒物浓度在其中将大有可为。

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发布时间:15-06-01 17:26分类:技术文章 标签:大气颗粒物检测
摘要:大气颗粒物是一种重要的空气污染物,详细分析了大气颗粒物浓度的检测原理、检测方法。基于膜捕集的称重法是*基本的颗粒物浓度检测方法,但是基于其他原理的颗粒物浓度检测方法在颗粒物的实时在线检测方面得到了广泛应用,对各类监测方法的优缺点作了对比,指出自动化、智能化和网络化是大气颗粒物浓度检测仪器的方向发展。
大气环境检测是所有大气环境工作的物质基础,不论是进行大气环境质量监测、大气污染防治,还是进行大气环境科学及工程的研究,都必须是在科学、准确测定大气环境参数的基础上进行,离开了准确的检测,其他的大气环境方面的所有工作都成了无稽之谈,因此,大气环境检测技术也随着大气环境科学与工程的发展而得到了迅速发展。大气中悬浮颗粒物的存在,会对环境产生严重影响,因此,大气颗粒物一直是大气环境研究中*前沿领域之一。
大气颗粒物浓度是评价大气颗粒物的重要指标之一,颗粒物浓度的检(监)测一直受到环境工作者的重视。本文综述大气颗粒物浓度检测技术的原理及检测仪器设备的市场及研究现状,并展示其发展趋势。
1、大气颗粒物浓度及测试分类
大气中的悬浮颗粒物(SPM)是大气颗粒物的统称,可分为一次污染物和二次污染物。一次污染物是直接进入大气中的颗粒物,粒径大小一般在1~20μm范围内,大部分大于2.5μm;二次污染物颗粒较小,其大小在0.01~1.0μm范围内,是大气中的气态污染物之间及气态污染物与尘粒之间相互发生化学或光化学反应产生的。根据大气颗粒物的粒径大小,将大气颗粒物分别命名。其中,对环境影响较大,引起人们普遍关注的有总悬浮颗粒物(TSP)、可吸人颗粒物(PM10)、可人肺颗粒物(PM2.5)。
大气中的悬浮颗粒物对人体健康的负面影响,及对城市大气能见度、气候、空气质量、生态环境的影响,都与总悬浮颗粒物(TSP)、PM10及PM2.5的数量及质量多少有关,为准确描述颗粒物的影响,在研究大气颗粒物的行为、影响时,制定了大气颗粒物浓度的指标,大气颗粒物浓度可分为个数浓度、质量浓度和相对质量浓度。个数浓度指以单位体积空气中含有的颗粒物个数表示的浓度值,单位为粒/cm3、粒/L,多应用于空气洁净技术领域,无尘室、超净工作间等超低浓度环境和需要气溶胶的个数浓度来解释种种现象的气象学领域。质量浓度指以单位体积空气中含有的颗粒物的质量表示的浓度,单位为mg/m3或μg/m3,用于一般的大气颗粒物研究领域。相对浓度是指与颗粒物的*浓度有一定对应关系的物理量数值,作为相对浓度使用的物理量有光散射量、放射线吸收量、静电荷量、石英振子频率变化量等。
大气颗粒物浓度的测量,主要是根据颗粒物的物理性质(包括力学、电学、光学等)与颗粒物的数量或质量之间的关系,通过相应的仪器设备进行的。根据测量的具体操作,可将大气颗粒物的测试方法分为捕集测定法和浮游测定法,捕集测定法是指*用各种手段捕集空气中的微粒,再测定其浓度的方法;能保持空气中的浮游颗粒仍为浮游状态而测定其浓度的方法为浮游测定法。
2、个数浓度的测定 个数浓度的测定方法主要有两种:
2.1、化学微孔滤膜显微镜计数法
在洁净环境含尘浓度的测定中,用滤膜显微镜计数法测量个数浓度是个数浓度测定法的*基本方法,其原理是将微粒捕集在滤膜表面,再使滤膜在显微镜下成为透明体,然后观察计数,分试样样品采集、显微镜观察和粒子计数三个过程,属捕集测定法。
2.2、光散射式粒子计数器
光散射式粒子计数器的原理是用光照射浮游粒子,粒子将引起入射光的散射,球形粒子引起的光散射强度可由Mie的光散射理论式计算,被测粒子的散射光强与含各种粒径的聚苯乙烯标准粒子的散射光强相比较,得到不同粒径粒子的个数浓度。光散射法可直接得到测量数据,但颗粒物重叠、标准粒子与被测粒子的折射率不同及粒子带有电荷会造成误差;对于浓度较高的粒子,几乎所有的计数器都是随粒径的变小而计数率变低。
3、质量浓度的测定
颗粒物的质量浓度在大气颗粒物研究中使用*多,所以其测定方法的研究得到了充分重视,基于各种原理的测定的方法也*多,经常使用的方法有滤膜称重法、光散射法、压电晶体法、电荷法、β射线吸收法及*近几年发展起来的微量振荡天平法等。这些测试方法的具体原理是:
3.1、滤膜称重法
滤膜称重法是颗粒物质量浓度测定的基本方法,以规定的流量采样,将空气中的颗粒物捕集于高性能滤膜上,称量滤膜采样前后的质量,由其质量差求得捕集的粉尘质量,其与采样空气量之比即为粉尘的质量浓度。
仪器主要由采样仪、分析天平等组成,根据所用的采样仪的流量大小不同,将采样仪分为大流量(1m3/min以上)、中流量(100L/min左右)和小流量(10~30
L/min)三种,在选用采样仪时,应考虑他们之间的可比性,一般以大流量采样仪作比较。称重法单*或配合切割器可测量TSP、PM10、PM2.5,称重法测定颗粒物质量浓度时需要的时间一般较长(3~24h)。
滤膜称重法测定的是颗粒物的*质量浓度,其优点是原理简单,测定数据可靠,测量不受颗粒物形状、大小、颜色等的影响,但在测定过程中,存在操作烦琐、费时、采样仪笨重、噪声大等缺点,不能立即给出测试结果。
3.2、光散射式测量仪
光散射式测量仪测量质量浓度的原理和光散射式粒子计数器的原理类似,是建立在微粒的Mie散射理论基础上的。光通过颗粒物质时,对于数量级与使用光波长相等或较大的颗粒,光散射是光能衰减的主要形式。
光散射数字测尘仪包括光源、集光镜、传感器、放大器、分析电路及显示器等,由光源发出的光线照射在颗粒物上产生散射,此散射光通过集光镜到达传感器上,传感器把感受到的信号转换成电信号,经过放大和分析电路,可以计测脉冲的发生量,即可得到以每分钟脉冲数(CPM)表示的相对浓度。当颗粒物性质一定时,可以通过称重法*求出CPM与mg/m3的转换系数K,根据K值将CPM值直接转换、显示为质量浓度(mg/m3)。光散射数字测尘仪的光源有可见光、激光及红外线等,配合切割器,可以用来测量PM10、PM2.5。
光散射测尘仪属浮游测定法,可以实时在线监测空气中颗粒物的浓度,根据颗粒物性质预*设K值,可以现场直接显示质量浓度(mg/m3),体积小,重量轻,操作简便,噪音低,稳定性好,可直读测定结果,可以存储以及输出电信号实现自动控制,适于公共场所卫生及生产现场粉尘等场合和大气质量监测中使用。

摘要: 近年来随着对大气质量的日益严格化,
空气环境中颗粒物的危害越来越受到大家的重视。大气颗粒物具有吸附性、吸湿性以及对光的吸收和散射性等特性,
对环境、气候和人类健康造成许多不利影响。由于他们的颗粒物的直径不同,
在空气中的停留时间就不一样了,
这样它的污染过程就会不一样了。通过测量大气微粒的类型和大小,根据上述的不同直径颗粒物的特点,可以预知对人体健康的危害程度,做好适当的防御措施。

关键词:直径检测 光散射理论 粒度

引言 :目前 ,细微颗粒物 PM2.5 已成为
国际上大气污染研究领域的热点和前沿。 自八十年代起 ,美国和一些欧洲国家对
PM2.5开展了广泛的研究,美国更是 于 1997
年制定了关于PM2.5的环境空气质量标准 。我国对大气颗粒物的研究仍主要集
中在总悬浮颗粒物 (TSP ) 和可 吸入颗粒物 (IP), 而对 PM2.5
则研究甚少。同时, 我国城市 PM2.5
的污染问题正引起越来越多的关注,有关部门正在开展或计划开展这方面的研究工作
。PM2.5的组成复杂且多变,采样与分析技术要求高且有待于完善,这给研究工作带来许多困难和不确定性。对
PM 2.5及 其有关的研究进行介绍
.希望藉此引起更多的关注并对国内开展有关研究有所裨益
。在这次的设计中采用了Mie
理论修正,即在大粒径范围内采用夫琅和费衍射理论,而在小粒径范围内采用Mie
理论,从而在保证大颗粒测量精度的条件下,提高了小颗粒的测量精度。

目的和现状

成都理工大学的施泽明 《城市环境近地表大气尘研究的意义及进展》,王平利,

春雷《城市大气中颗粒物的研究现状及健康效应》中研究了直接获取对人体健康的影响因素,
查明元素在城市生态系统中迁移转化途径和机理, 从源头上切断污染来源,
指导环境整治从
(末端控制)的环境治理向清洁生产的源清除转化,对城市建设规划、城市疾病防治具有重要的指导意义。山东大学的孟川论文《室内环境大气细颗粒物PM2.5
芳烃污染组成及其粒径分布特征
研究》,李金娟《可吸入颗粒物的健康效应机制》时宗波的《城市大气可吸入颗粒对
质粒DNA的氧化性损伤》吴水平,
蓝天,《不同高度大气颗粒物中多环芳烃的粒径分布和Larsen J C, Larsen PB.
Chemical carcinogens//Harrison R. Air pollutionand health[M].
Cambridge, UK: The Royal Society of Chemistry主要介绍了大气颗
粒物的分类及其组成,主要介绍多环芳烃的性质,来源和危害,还有室内和室外空气中多
环芳烃的分布,还有室内多环芳烃的健康风险评价。

聂玮
山东大学《我国典型地区大气颗粒物测量技术,粒径分布及长期变化趋势》主要
阐述了中国内地及香港大气微粒成分的长期变化趋势及季节变化规律,其中包括二氧化硫,二氧化氮的变化趋势,大气颗粒物重金属元素的长期变化趋势,并且提出长短期控制措施对空气质量的影响。还有一些捕集设备对能有效的缓解大气的污染,如贵州大学的邹妹妹
在《PM2.5细颗粒物捕集设备研究应用现状》张会君,卢徐胜《控制 PM2.5
的除尘概述》中提到的新型袋式除尘器,湿式电除尘器
,电凝并器,电一袋混合式除尘器,无机膜过滤器。他们都是潜在高效捕集 PM2.5
细颗粒物的除尘设备 ,但也都存在一些有待解决 的问题
。攻克现阶段细颗物捕集设备存在的问题 , 加大力度研发各种 PM
细颗粒物的捕集新技术、新设备,对改善“ 灰霾”天气
,治理大气污染越显重要和迫切。

测量原理

广东省计量科学研究院张桂军在《PM2.5颗粒物在线监测仪的测量原理及故障处理》介绍了PM2.5监测仪工作时,通过流量控制器使仪器以恒定流量抽取环境空气样品,环境空气样品以恒定流量依次进入切割器入口,PM10切割装置和PM2.5切割装置,空气动力学当量直径小于或等于2.5微米的颗粒物被收集到滤纸带上,气体通过抽泣泵由采样气口排出。由于粒径小采集不易,浙江大学的黄金星在《多孔喷嘴PM10-PM2.5串级冲击式大气采样器的研制及应用》中提到的串级冲击式采样器,串级冲击式采样器是利用冲击的原理,按冲量大小,可以分别同时采集不同粒径颗粒的一种采样器。主要由多孔喷嘴冲击板、颗粒捕集板和微颗粒截留滤膜组成。串级冲击式采样器最重要的特点就是能识别不同粒径的颗粒,为检测大气微粒的大小做准备。

武汉大学的黄继武
·《单片机在大气微尘测量中的应用》应用到(智能化微尘测量仪使用涡街传感器检测流过该传感器的大气容积,
计量从该大气中滤出的微尘, 计算出两者的比值,
即可确定单位容积的大气中的微尘含量.)合肥工业大学的黄海洋在《激光干涉测量大气悬浮颗粒物吸收系数的方法研究》中从热光理论出发,逐步研究了大气悬浮颗粒物吸收系数的热光干涉方法的基本机理,并提出了一种低成本、高精度大气悬浮颗粒物吸收系数测量方法。

Theoretical Analysis of PM 2.5 Mass Measurements by
Nephelometry采用洛伦兹 –
米氏理论,环境气溶胶特性变化的合理估计,以及当前可用浊度计和光散射photometersto的光学特性研究PM
2.5质量测量的准确度和精密度的理论极限用比浊法估计。

基于光散射理论的测量方法

White.W.R等在.Size-resolved measurernents Of light seattering by ambient
Partieles in the Southwestern USA. AtmosPheric
Environrnent根据Mie式光散射理论研究了光散射法,可以得到不同粒径颗粒物的数量浓度,利用颗粒物的光学特性如颗粒物粒径分布得到质量浓度。王清华在《光散射法颗粒大小与形状分析》中,基于夫朗和费衍射理论研究了米氏散射法测量颗粒物的粒径分布情况,申晋等在仪器仪表学报《基于动态光散射信号分形的颗粒测量技术研究.》中提出了动态光散射法,可以微小颗粒的粒度信息。但这几种光散射法由于存在光散射式粒子计数法同样的缺点,因此测量的结果一般不作为科学研究的依据。Chueinia.w等在Beta
gauge for aerosol mass
measurement一文中提出射线吸收法,可以测量颗粒物的质量浓度。压电晶体法采用石英谐振器为测量敏感元件,其工作原理是使空气以恒定流量通过切割器,进入由高压放电针和微量石英谐振器组成的静电采样器中,在高压电晕放电的作用下,气流中的颗粒物全部沉降于测量谐振器的电极表面上,因电极上增加了颗粒物的质量,其振荡频率发生变化,根据频率变化可测定可吸人颗粒物的质量浓度。重庆大学的谢利利·《粉尘浓度测量的研究》中提到散射的测量原理和方法:根据
Mie 散射理论,
介质中的微小颗粒对入射光的散射特性与散射颗粒的粒径大小及其相对折射率有关,
反映其散射特性的物理量有强度函数、 散射系数、吸收系数及消光系数等。

硬件系统设计

2012年王洪香在《基于激光散射法对纳米颗粒测量的研究》中介绍了改进的粒度仪硬件系统:

激光器发出的光经过斩波器,把连续光调制成对称方波信号,经过分光镜将入射光波,分成两束,一束被紫外增强型探测器接收,作为参考信号。另一束通过扩束器,将入射光斑扩大为
6mm
的平面波,照射样品台的试样上,试样散射的光能量信号,通过步进电机控制水平移动的光电探测器接收(实现不同角度接收散射光能量),作为输入信号。最后参考信号与输入信号同时送进锁相放大器,得到测试的电压值。

徐如瑜等人在《仪器仪表学报》中发表的《微尘浓度测量仪的研究》一文中设计的粉尘浓度系统是一种基于光电转换的测量装置。它主要包含光学部分,
后续电路及数据处理部分。 光学部分包含了光源、 光路、 光电接收器等部分。
仪器的电路设计主要包括光电转换及信号放大、 模数转换、
数据处理及显示部分,具体框图如下:

光源方面用半导体激光光源。激光光源与普通光源相比单色性好, 方向性好,
光功率密度高, 光束的发散角小, 光强集中,
有利于接收系统的接收。光接受部分采用付氏透镜聚焦, 光电探测器采用光电池。
由于输入信号为5V 级, 为了保证微弱信号不被环境和固有噪声所淹没,
测量放大电路部分要求前置级增益高、低噪声、 频带宽、
抗干扰能力强。由于光电转换后得到的是电流信号,
在模拟信号处理中用运算放大器将其转换成电压信号再经过A/
D转换后送入单片机, 然后通过LCD 显示模块显示出测量结果。

算法设计

王洪香在《基于激光散射法对纳米颗粒测量的研究》讲述了集中经典粒度反演算法,主要有:Philips-Twomey
算法(简称 PT 算法)、LMS 迭代算法、Projection 迭代算法、Chahine
迭代算法等

张忠贵教授在《微粒群的粒度测量研究中》对Rosin一Rammler分布函数和phillips一Twomey算法做了详细的阐述分析,并对基于R一R分布求解微粒粒径分布的问题做了详细的理论探讨,进行了大量的模拟计算。

总结

通过阅读这些文献,提升对大气微粒的理解和认知,了解了关于PM2.5的知识和对其进行测量的实际意义,通过对各种测量方法的比较,能更好的得到检测大气微粒的方法,并且对硬件设计方面得到了很多启发。同时在数据处理方法上,选择了较好的运算方式,通过阅读更多的文献验证了这种检测方法的可行性,并对实验结果加以分析和总结。

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