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大气微尘直径检测技术研究

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*澳门新蒲京娱乐诚,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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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