一种PM2.5颗粒物监测仪用大气多参数变送器及其使用方法

摘要

本发明公开了一种PM2.5颗粒物监测仪用大气多参数智能变送器。其包括采样器管路（16）上端与采样器（1）相连，采样器管路（16）穿过加热器(2)，下端与传感器模块（15）相接，加热电源控制单元（6）一端与加热器（2）相接，另一端接入多参数变送器主机（10）；温湿度传感器（5）在采样器管路（16）上；室外传感器（4）位于采样器（1）边上；传感器传输线端子（9）一端分别与温湿度传感器（5）、室外传感器（4）和RS232对外输出通信接口（8）相连，另一端与多参数变送器主机（10）相连。本发明提高PM2.5的采样分析精度和可靠性，具有实时监测和调控PM2.5采样器内外温度、湿度和压力，带有伴热防冷凝技术，智能控制样气在适宜湿度，保证PM2.5测量的准确性。

说明书

技术领域

本发明涉及大气颗粒物监测设备，尤其是一种PM2.5颗粒物监测仪用大气多 参数变送器。

背景技术

基于Beta射线法的大气PM2.5颗粒物质量浓度检测仪整套系统，一般由 PM10采样头、PM2.5切割器、采样头、大气多参数智能变送器和仪器主机组成。 Beta射线法的基本原理是利用沉积在滤膜上的颗粒物对C14释放的Beta射线的 衰减量来检测大气颗粒物质量浓度。测量时，需要抽气泵以一定的流量抽取被测 空气，用PM2.5切光器分离出空气中粒径小于2.5微米的颗粒，并沉积在滤纸上， 再进行计算测量输出PM2.5颗粒物质量浓度值。

对PM2.5进行监测时，易受到环境的各种因素的影响，比如温度、湿度、气 压、流速等的影响，从而使得测出的数据与实际相差很大，从而影响了其真实性。 按最新国家有关标态干基标准要求，监测PM2.5污染浓度水平时，公布或显示 的是标准状态下干样气中的PM2.5浓度值，这也迫使监测PM2.5采样器室外环 境温度、相对湿度、大气压力、采样器内部温度、湿度成为必测参数。不同地域 的湿度情况一般不会相同，这对PM2.5测量值的影响也不会相同，统一标态干 基要求，可以科学合理的判定PM2.5污染实际情况。

在PM2.5采样器直接采集空气作为待测样气时，如果空气湿度较高和环境 温度较低时，则存在待测样气冷凝的可能，最终影响PM2.5测量的准确性；并 且当大气中湿度增加时，细粒子PM2.5会因吸湿性发生化学及物理性质变化， 进而影响其质量浓度大小。如果样品中的湿度没有适当的控制，那么该方法的测 量值就不准确。

传统的解决方法只是使流量、温度恒定，对湿度、压力进行测量并补偿。其 如下缺陷也是明显的：

1)当测试腔的温湿度与空气中温湿度相差较大时，测试数据会与实际不符 合；

2)相对湿度较大时，当测试腔的温度与空气温度相差较大时，可能会出现 冷凝，影响了PM2.5的正常测量；

3)由于测量出的湿度为相对湿度，直接补偿得出的数值和精度并不具稳定 性。

从市场上可见的PM2.5采样器来看，均不具备同时测定采样器内外温湿度、 采用智能的伴热技术，既防止样气冷凝又能控制样气湿度在适当范围的能力，因 此市场中需要开发一款集采样器内外环境、温湿度、压力测量于一体的大气参数 变送器，为准确计算PM2.5标态干基含量提供依据。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

针对测试腔的温湿度与空气中温湿度相差较大，影响了PM2.5的正常测量以 及补偿得出的数值和精度并不具稳定性等问题，本发明提供一种PM2.5颗粒物监 测仪用大气多参数变送器，可为准确计算PM2.5标态干基含量提供依据，并配套 于PM2.5超细颗粒物监测仪的采样器上。

2技术方案

一种PM2.5颗粒物监测仪用大气多参数智能变送器，包括采样器、加热器、 纸带传动模块、室外传感器、温湿度传感器、加热电源控制单元、传感器接线端 子、RS232对外输出通信接口、传感器传输线端子、多参数变送器主机、24VDC 电源、电源端子、传感信号模块端子、加热信号端子、传感器模块、采样器管路， 如图1所示，采样器管路上端与采样器相连，下端分别穿过加热器和纸带传动模 块，最终与传感器模块相接，而传感器模块直接接入多参数变送器主机上传感信 号模块端子；加热电源控制单元一端与加热器相接，控制加热器的加热温度，另 一端直接接入多参数变送器主机上加热信号端子；温湿度传感器安装在采样器管 路上，用于测量其中输送的样气温度和样气湿度；室外传感器位于设备的最顶端 采样器边上，用于测量大气中的温度和湿度；传感器传输线端子一端分别与温湿 度传感器、室外传感器和RS232对外输出通信接口相连接，另一端与多参数变送 器主机上传感器接线端子相连；24VDC电源直接与多参数变送器主机上电源端子 相连；其中所述多参数变送器主机，除了包含有上述接线端子外，还包括CPU 处理器、IIC传感器、D/A转换器、参考电压和供电电源等，如图2所示，所述 CPU处理器通过IIC总线接口采集IIC传感器的温湿度值。

另外，一种PM2.5颗粒物监测仪用大气多参数智能变送器的系统，还包括数 据采集显示单元，包括前端数据采集电路、信号放大转化电路、软件处理分析系 统。所述前端数据采集电路，即采集温湿度传感器传送过来的模拟或数字信号； 信号放大转化电路，对采集来的信号进行硬件化的放大滤波，统一转化成数字信 号；软件处理分析系统，是对转化后的数字信号进行数字滤波，并结合外部空气 环境和内部采样分析腔室的温湿度、压力，将样气采集流量折算为标态干基体积， 将不同地域的PM2.5监测转化成同一基点，为科学合理的判定PM2.5污染实际 情况提供条件。

工作时，从采样器出来的样气经由采样器管路、并通过内嵌的精密过滤器、 进入传感器模块，该传感器用于测量工况流量Q和管内样气工况下大气压力P₁； 管路上安装有加热器和温湿度传感器，温湿度传感器用于测量该时段的样气温度 和样气湿度。传感器的出口与调节阀相连接，调节阀的出口与外置泵连接。通过 仪器内部与该部件配合的程序和测量这些信号后，经CPU处理器运算后，即可 得到当前的工况流量和标况流量。通过程序判断和指令，可使调节阀进行自动调 节，使仪器的工况流量稳定在最佳流量值的工作点上。

3.有益效果

1)PM2.5温湿度对偶自适应测控技术：采用基于对偶曲线的自适应比对优 化技术，引入双路对偶温湿度传感器，可实时同步测量外部空气环境和内部采样 分析腔室的温湿度，完成空气超细微粒子烟气湿度、温度的测量和补偿，连续在 线测量空气背景的温湿度，并以4-20mA的标准信号输出。

2)智能动态加热采样技术：实时自动跟踪测量烟气湿度和温度变化，当空 气含水量的露点温度和实际温度满足设定的条件时，自动切换空气水分绝对湿度 测量功能，启动动态加热，保证样气采集过程不出现冷凝，加热过程防止过热造 成的挥发性和半挥发性物质挥发，由此克服冷凝和蒸发带来的测量误差，保证空 气超细颗粒物测量结果的准确性。

3)智能恒湿恒流采样技术：采用基于恒湿和恒流的采样技术，实时换算为 最新国家标准有关规定的标态干基流量和体积，并保持测量的长期稳定性和测量 精度。

本发明单独采用或综合采用上述3种技术研发的PM2.5超细颗粒物大气多参 数智能变送器，克服了采样过程背景空气湿度对于PM2.5测量结果的影响，有效 减少采样过程低温冷凝和高温蒸发的矛盾，提高PM2.5的采样分析精度和可靠性， 可应用于PM10颗粒物监测仪设备中，也可以广泛应用于我国空气质量在线监测 领域。

本发明中的大气参数智能变送器，具有实时监测和调控PM2.5采样器内外温度、湿度和压力，并带有伴热防冷凝技术，可智能控制样气在适宜湿度，保证PM25测量结果的准确性与稳定性，符合HJ/T76-2007《固定污染源排放烟气连续监测系统技术要求及检测方法》的要求。并具有如下具体优点：

1)良好的精度和测量稳定性，可靠性高；维护量小和成本低；

2)互换性强，无需重新校准，便于在现场进行简单更换；

3)可同步测定采样器内外温湿度、压力等参数，为PM2.5折算成标态干基 提供依据；

4)可智能诊断样气温度、露点，当样气温度与露点低于某一值时，自动启 动伴热防冷凝技术，防止样气冷凝；

5)具有系统动态补偿功能，很好地解决了环境条件温、湿度对测量的影响， 并避免对挥发性物质的影响；

6)电路部分和压力传感器集成在铝盒内，整个系统体积小，携带、安装方 便；

本发明可受益的主要对象有：烟气监测系统集成商、各地环境监测站、全国 各电力科学院、石化、水泥、冶金等。本发明适合于各火电厂排放污染物烟气和 城市空气质量分析，也可应用于医药、微电子及楼宇自控、食品仓储、暖通空调、 状态监控等各种需要测量环境温湿度的场合。

附图说明

图1为大气多参数智能变送器结构示意图；

图中标注为：1-采样器、2-加热器、3-纸带传动模块、4-室外传感器、5-温湿度 传感器、6-加热电源控制单元、7-传感器接线端子、8-RS232对外输出通信接口、 9-传感器传输线端子、10-多参数变送器主机、11-24VDC电源、12-电源端子、 13-信号模块端子、14-加热信号端子、15-传感器模块、16-采样器管路；

图2为大气多参数智能变送器主机工作原理示意图；

实施例1：

图1为本发明实施例PM2.5颗粒物监测仪用大气多参数智能变送器，如图1 所示，包括采样器1、加热器2、纸带传动模块3、室外传感器4、温湿度传感器 5、加热电源控制单元6、传感器接线端子7、RS232对外输出通信接口8、传感 器传输线端子9、多参数变送器主机10、24VDC电源11、电源端子12、传感信 号模块端子13、加热信号端子14、传感器模块15、采样器管路16等，如图1 上述各部件的连接关系和位置关系以及信号传输关系如下：采样器管路16上端 与采样器1相连，下端分别穿过加热器2和纸带传动模块3，最终与传感器模块 15相接，而传感器模块15直接接入多参数变送器主机10上传感信号模块端子 13；加热电源控制单元6一端与加热器2相接，控制加热器2的加热温度，另一 端直接接入多参数变送器主机10上加热信号端子14；温湿度传感器5安装在采 样器管路16上，用于测量其中输送的样气温度和样气湿度；室外传感器4位于 设备的最顶端采样器1边上，用于测量大气中的温度和湿度；传感器传输线端子 9一端分别与温湿度传感器5、室外传感器4和RS232对外输出通信接口8相连 接，另一端与多参数变送器主机10上传感器接线端子7相连；24VDC电源11直 接与多参数变送器主机10上电源端子12相连。其中，多参数变送器主机10， 见图2所示，包括CPU处理器、IIC传感器、D/A转换器、参考电压和供电电源， 其中，IIC传感器主要负责温湿度测量，要求耐压密封，耐压0.1MPA。

CPU处理器通过IIC总线接口，与IIC传感器相连接，主要采集传感器的温湿度 值，并同时与D/A转换器相接，将传感器的温湿度值传输给D/A转换器进行模数 转换；上述部件均与电源相接，接受供电。

整个系统工作时，从采样器1出来的样气经由采样器管路16、并通过内嵌 的精密过滤器、进入传感器模块15，该精密过滤器主要用于过滤大于PM2.5颗 粒物的物体，而传感器模块15主要用于测量工况流量Q和管内样气工况下大气 压力P1；管路16上安装有加热器2、温湿度传感器5，所述温湿度传感器5用 于测量该时段的样气温度和样气湿度。传感器模块15的出口与调节阀相连接， 调节阀的出口与外置泵连接。通过仪器内部与该部件配合的程序和测量这些信号 后，经CPU微机处理运算后，即可得到当前的工况流量和标况流量。通过程序 判断和指令，可使调节阀进行自动调节，使仪器的工况流量稳定在最佳流量值的 工作点上。在PM2.5采样器直接采集空气作为待测样气时，如果空气湿度较高 和环境温度较低时，则存在待测样气冷凝的可能，最终影响PM2.5测量的准确 性；并且，当大气中湿度增加时，细粒子PM2.5会因吸湿性发生化学及物理性 质变化，进而影响其质量浓度大小。如果样品中的湿度没有适当的控制，那么该 方法的测量值就不准确。因此适当控制样气中的湿度也是保证PM2.5测量准确 性的一个重要质控措施。

本发明采取了如下措施，解决了上述存在的问题：

通过图1所示室外传感器4、温湿度传感器5，实时同步测量外部空气环境 温湿度T1/RH1和内部采样分析腔室的温湿度T2/RH2；通过室外传感器4、温湿 度传感器5的同步测量，修正测试数据、使测量数据与实际相符合。由室外传感 器4、温湿度传感器5、加热器2及其加热电源控制单元6和温湿度控制软件组 成动态加热系统。加热器2位于滤膜之前的气路上，可对被分析气体(样气)进 行动态加热；当空气湿度较高时(＞35%)，加热器2会对采样器管路16加热， 以降低到达滤纸的气流的相对湿度，防止水分在滤纸上冷凝。当加热器加热温度 过高(通常超过40℃-50℃)，与环境温度的差值ΔT超过一定范围(一般10℃ -20℃)时，会引起纸带上沉积的PM2.5中半挥发性组分的损失，但是与湿度对 测量的影响相比，这种损失可以忽略。一般可根据需要设定气路温度与环境温度 的温差限值ΔT。当样气露点低于环境露点时，为防止样气冷凝，自动启动智能 加热装置。本发明采用动态加热技术，对加热装置进行控制，一方面降低样气湿 度，同时又防止过度加热造成样气中挥发性污染物的分解。同时将温湿度传感器 5插入PM2.5采样器1探杆内部，温湿度传感器5探头与探杆表面持平，主要目 的是避免对样气采样的影响，防止形成局部湍流；也保证了样气与温湿度传感器 5充分接触，实时动态监测样气温湿度，及时对样气的湿度进行控制，防止控制 滞后引起样气冷凝。在恒流量的情况下，将测量的相对湿度、温度归一化处理得 出绝对湿度，实时换算为标态干基流量和体积，可以保持测量的长期稳定性和测 量精度。

本发明大气多参数智能变送器工作步骤如下：

步骤1：通过室外传感器4，测量室外环境温度T₁、湿度RH₁、大气压力P， 参与标况体积计算；

步骤2：通过温湿度传感器5，测量PM2.5采样器内部的温度T₂、湿度RH₂， 同时换算为露点T_d；

步骤3：当T₂-T_d<15℃时，为了防止样气冷凝，通过加热电源控制单元6， 自动启动基于伴热防冷凝技术的装置；

步骤4：为了保证PM2.5测量的准确性，对样气湿度进行适当控制，样气湿 度控制在35％±5％；本发明是通过加热电源控制单元6，应用继电器/三极管控制 加热温度T₃；

步骤5：通过传感器模块15，来测量工况流量Q和管内样气工况下大气压 力P₁，转换为标况流量Qn。

流量测量的准确性，影响着最终的PM2.5浓度值的准确性。根据《环境空气 质量标准》(GB3095—2012)中规定，PM2.5浓度值是指标况下的浓度，而采样 器1的工作点流量是指工况条件下的流量。本发明是通过传感器模块15，来测 量工况流量Q和管内样气工况下大气压力P₁。因此需要进行工况流量和标况流 量的转换，可按如下公式计算：

$\mathrm{Qn}=Q\times \frac{P_1\times T_n}{P_n\times T_1}$

式中，Qn----------是标况的流量；

Q----------是工况的流量；

Pn-------是标况下大气压力，101.325kPa；

Tn-------是标况下温度，273k；

P₁--------是工况下大气压力；

T₁是工况下温度。

步骤6、通过RS232对外输出通信接口8，输出各参数：T₁、T₂、RH₁、RH₂、P、 绝对湿度；

其中，输入电源电压为5V，输出为电压输出，输出信号如下：

露点信号(-40-80)：0-5V；

相对湿度(0-100％RH)：0-5V。

上述实施例通过嵌入温湿度传感器5，确保系统具有良好的精度和测量稳定 性，可靠性高；并解决了PM2.5监测的最大挑战：水的问题和挥发性颗粒物的捕 捉问题，为PM2.5折算成标态干基提供依据；通过增加系统动态补偿功能：即当 空气湿度较高时(＞35％)，智能加热器会对采样器管路16加热，以降低到达滤 纸的气流的相对湿度，防止水分在滤纸上冷凝；解决环境条件温、湿度和压力等 参数对测量的影响，并避免对挥发性物质的影响；并智能诊断样气温度、露点， 当样气温度与露点低于某一值时，自动启动伴热防冷凝技术，防止样气冷凝。通 过在PM2.5监测设备可以内嵌无线状态感知模块，实现实时远程监控，提高PM2.5 数据安全可靠性和有效性。将空气采样预处理系统与温、湿度和压力等参数的状 态监测等模块可以有机整合在一个保温性良好、具有电子屏蔽功能的小盒子内， 减少样气采样与预处理对于数据监测有效性的影响，实现微型化、一体化的结构 创新。