基于电子天平称重的PM2.5在线监测系统

摘要

随着工业和社会经济的快速发展，大气环境污染问题日益受到重视，出现了以大气颗粒物为典型代表的研究热潮，其中PM2.5由于其来源广、对环境和人体健康影响深远成为关注热点。基于严重的PM2.5污染现状，制定有效的控制治理计划成为燃眉之急，而PM2.5的准确监测是科学治理的重要前提。目前主流的PM2.5监测方法-β射线法和振荡天平法-因受湿度影响较大，使得监测结果与实际污染情况有较大偏差；国内使用的传统离线称重法是校核所有其他方法的基准方法，但是这种手工重量法仅能够手工、间歇式操作，监测耗时长，无法满足长期、即时、在线的大气质量监测要求。针对现行主流监测仪器和传统方法的存在的明显缺陷，本文设计了基于电子天平称重的PM2.5在线监测系统，采用冲击式串级大气采样切割器，结合气体即时交换除湿调控温的处理，利用特别设计的采样和称量系统进行滤膜自动采样、电子天平即时称量系统，从而实现了利用传统的电子天平称重的重量法进行大气PM2.5的在线监测连续采样和自动测量。
　　本文提出了一种基于滤膜连续采样、电子天平称重的PM2.5在线监测方法和系统，使得经典的重量法得以在在线监测领域应用。本研究根据冲击采样原理，结合Stokes动力学方程和Michaud的串级采样切割器设计方法，得到采样切割器的主要参数，理论采样粒径为10.6μm和2.5μm时，喷嘴孔径、喷嘴数、喷嘴簇直径、喷嘴长度、冲击距离分别为3mm、30、21mm、5mm、3mm和1mm、49、21mm、5mm、3mm，并提出了冲击式大气串级采样切割器的整体结构方案；本文基于TPU高分子膜的高透湿性，采用气体交换即时除湿调温原理，设计、制作了一套数控气体除湿调温装置，研究了影响该装置运行效果的因素，以优化系统运行的主要参数。结果表明：随着样品气在除湿调温系统内停留时间增长，其除湿量也相应增大，停留时间为27s时除湿达到平衡；干燥气与样品气的流量比对样品气的除湿有重要影响，流量比从0.5增大到1.17时，除湿率随流量比的增大而上升，流量比为1.17时除湿率最大，达到50.97％，流量比增大到1.33以后直到2.0，随着流量比的增大除湿率反而逐渐降低；系统运行参数的优化设置,即样品气在除湿调温系统内停留时间为27s，干燥气与样品气的流量比设置为1.17时，可对含湿量在63.70g/m3以下的任意样品气进行处理使样品出气含湿量符合国家标准，该除湿系统可满足日常监测需求。本文根据标准重量法，完成了即时采样称量系统的设计，利用托盘携带滤膜夹升降完成PM2.5的采样和称量的状态切换，采用自动校准天平为核心元件完成称量。
　　本文通过设计原理可行性论证、关键子系统设计及加工、影响因子控制研究、运行参数优化，设计了一套基于电子天平称重的PM2.5在线监测系统，突破了传统重量法在PM2.5大气在线监测中的应用，为研制开发我国自主知识产权的PM2.5在线监测系统打下了坚实的基础。

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第1章 绪论

1.1 PM2.5的来源

1.2 PM2.5对环境和人体健康的影响

1.3 PM2.5监测技术的研究进展

1.4 本文的工作及创新点

第2章 可行性方案分析

2.1 监测方法分析

2.2 目前监测技术所面临的问题

2.3 可行性分析

第3章 在线监测系统总体设计

3.1 系统的总体方案设计

3.2 系统各主要子系统设计

3.3 本章小结

第4章 冲击式串级大气采样器

4.1 设计原理

4.2 设计参数的选择

4.3 冲击式大气串级采样器的结构设计

4.4 本章小结

第5章 即时除湿调温系统

5.1 除湿调温系统

5.2 运行参数影响的研究实验

5.3 结果与讨论

5.4 本章小结

第6章 采样称量系统

6.1 采样称量系统总体方案

6.2 各主要功能模块

6.3 采样称量系统的工作流程

6.4 本章小结

第7章 总结与展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果