一种便携式PM2.5的监测设备及监测方法

摘要

本发明涉及一种便携式PM2.5的监测设备及监测方法，所述设备包括：空气采集模块，用于采集待检测空气进入监测设备；粉尘颗粒检测模块，用于对所述空气采集模块采集的待检测空气进行检测，以获取待检测空气中不同尺寸的粉尘颗粒数据。本发明提供的便携式PM2.5的监测设备及监测方法，其设备结构简单、价格低廉，并能与室内空调、空气过滤器等设施相结合，使它成为室内空调监控的数据来源或作为空气过滤器的反馈系统提供信息，从而有效地对室内空气质量进行监测。

说明书

技术领域

本发明涉及环境大气采集与监测领域，具体涉及一种便携式PM2.5的监 测设备及监测方法。

背景技术

PM2.5是指大气中直径小于或等于2.5微米的颗粒物，也称为可入肺颗 粒物，虽然PM2.5只是地球大气成分中含量很少的组分，但它对空气质量和 能见度等有重要的影响。与较粗的大气颗粒物相比，PM2.5粒径小，富含大 量的有毒、有害物质且在大气中的停留时间长、输送距离远，因而对人体健 康和大气环境质量的影响更大。PM2.5产生的主要来源，是日常发电、工业 生产、汽车尾气排放等过程中经过燃烧而排放的残留物，大多含有重金属等 有毒物质。一般而言，粒径2.5微米至10微米的粗颗粒物主要来自道路扬 尘等；2.5微米以下的细颗粒物(PM2.5)则主要来自化石燃料的燃烧(如机 动车尾气、燃煤)、挥发性有机物等。气象专家和医学专家认为，由细颗粒 物造成的灰霾天气对人体健康的危害甚至要比沙尘暴更大。粒径10微米以 上的颗粒物，会被挡在人的鼻子外面；粒径在2.5微米至10微米之间的颗 粒物，能够进入上呼吸道，但部分可通过痰液等排出体外，另外也会被鼻腔 内部的绒毛阻挡，对人体健康危害相对较小；人体的生理结构决定了对PM2.5 没有任何过滤、阻拦能力，而PM2.5对人类健康的危害却随着医学技术的进 步，逐步暴露出其恐怖的一面。例如，在PM2.5水平远远低于中国的欧洲， PM2.5导致人们的平均寿命减少8.6个月；而PM2.5还可成为病毒和细菌的 载体，为呼吸道传染病的传播推波助澜。

目前国际上主要发达国家以及亚洲的日本、泰国、印度等均将PM2.5列 入空气质量标准，中国也开始意识到该问题，并着手将PM2.5列入环境空气 质量指标。最近几个月，位于北京朝阳区的美国大使馆公布的北京PM2.5对 应的AQI数据已经几次打破人类建立表格以来的极限值500，达到“极其糟 糕”的540和557，而同期中国政府采用PM-10设备监测的数据却显示“轻 度-重污染”。

现有的对PM2.5进行监测的方法一般采用石英晶体震荡天平法、β (beta)射线法和光散射法，以及手工标准秤重方法，但这4种技术都有其 局限性：

第一种石英晶体振荡天平法，是在质量传感器内使用一个石英空心锥形 管，在空心锥形管振荡端上安放可更换的滤膜，振荡频率取决于石英锥形管 特性和它的质量。当采样气流通过滤膜，其中的颗粒物沉积在滤膜上，滤膜 质量变化导致振荡频率变化，通过测量振荡频率的变化计算出沉积在滤膜上 颗粒物的质量，再根据采样流量、采样现场环境温度和气压计算出该时段的 颗粒物标态质量浓度。这种技术的优点是定量关系明确，缺点是目前的技术 无法解决样品加热后挥发性和半挥发性物质的损失，导致测定结果被认为偏 低，从而出现失真；

第二种β射线法，其基本原理是利用堆积在石英滤膜上的颗粒物对碳 -14释放的β射线衰减量的变化检测大气颗粒物质量的变化。环境空气由采 样泵经切割器吸入采样管，经过滤膜后排出，而颗粒物沉淀在条状石英滤膜 上，当β射线通过沉积着颗粒物的滤膜时，β射线强度发生衰减，通过对 衰减量的测定计算出颗粒物的浓度。这一方法是基于两个假设，其一是仪器 的石英采样滤膜条带均一，其二是采集下来的PM2.5粒子物理特性均一(即 颗粒大小一致，颗粒成分一致，颗粒在过滤膜上的分布均匀等)，对β射线强 度衰减率相同。而上述两点在现实条件下往往并不成立，因此测定数据一般 被认为也存在偏差，且这种检测方法在潮湿高温区域故障率也很高；

第三种光散射法，在国内有很大误解，国内一些专家认为光散射法是主 要测量PM2.5的数量浓度，关注的是M2.5的个数，因此主要用于气象部门 的能见度监测研究。其实这是不对的，光散射法监测的信号强度是和颗粒数 量的多少、颗粒横截面积的多少、颗粒物在监测区域(SCATTER VOLUME)的 分布、发光管的波长、接收管的波长、以及颗粒相对于发光管和接收管的角 度有关。在大多情况下，颗粒物的重量和颗粒物的横截面积是有很高的关联 度的。并且光学散射法是能监测有机挥发物(VOC VOLATILE ORGANIC  COMPOUNDS)的，而其余三种方案都不能有效监测VOC；

第四种手工标准秤重法，在我国前述几种方法中，无论振荡天平法还是 β射线法在实践中都各有优劣，其使用必须与标准称重法(又称滤膜称重法) 进行校准。所谓标准称重法只需要一个PM2.5切割头、一台泵和膜架及其滤 膜，采集24小时样品后，取下滤膜称重即可，必要时可以平行采集3个样 品，经恒温恒湿后再称重。虽然这种方法经济成本低，容易实施，但也存在 一定的缺陷，当气流长时间不断通过采样滤膜时，滤膜上采集到的物质随着 气流和温度的变化也会造成挥发性和半挥发性物质的损失，同时一些极细小 的颗粒还是能穿过滤膜造成结果偏低；相反，气态物质也可能被滤膜吸附， 造成结果偏高。

总之，上述4种方法都有其局限性，荷兰在2007年对使用前三种技术 的九种产品进行测试实验，所有检测器在一些项目上都没有达标，其中还有 一种震荡型传感器在16个检测项目中，有高达14项未能达标；且上述4种 检测设备及检测方法都较复杂，因此导致检测成本较高。

而室外空气又可以通过各种方式进入室内，导致室内的空气除了受到室 内因素影响外，也受到大气环境的影响，而且影响趋势越发严重。因此对于 室内空气质量的监测也至关重要，如何发明一种结构简单、价格低廉、并能 有效监测室内空气质量的装置和方法成为本领域技术人员考虑的首要问题， 并且也具有非常重要的意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种便携式PM2.5的监测设备及监测 方法，以实现采用价格低廉、结构简单的设备对室内空气质量进行监测的目 的。

本发明为了解决上述技术问题，公开了一种便携式PM2.5的监测设备， 包括：

空气采集模块，用于采集待检测空气进入监测设备；

粉尘颗粒检测模块，用于对所述空气采集模块采集的待检测空气进行检 测，以获取待检测空气中不同尺寸的粉尘颗粒数据。

进一步，所述空气采集模块为可调节空气流速的空气流通管。

进一步，所述粉尘颗粒检测模块获取待检测空气中不同尺寸的粉尘颗粒 是通过所述空气流通管改变空气的流动速度实现的。

进一步，所述粉尘颗粒检测模块为QCM。

进一步，所述设备还包括设置于所述空气采集模块与所述QCM之间的颗 粒物采集模块。

进一步，所述颗粒物采集模块为PM2.5切割器或过滤纸。

进一步，所述粉尘颗粒检测模块为光学传感器。

进一步，所述光学传感器具有多个不同波长的光电发射和接收管。

本发明还公开了一种PM2.5的监测方法，所述方法包括如下步骤：

步骤A，通过空气采集模块采集待检测空气进入监测设备；

步骤B，通过粉尘颗粒检测模块对所述空气采集模块采集的待检测空气 进行检测，以获取待检测空气中不同尺寸的粉尘颗粒数据。

进一步，所述步骤A具体为：所述空气采集模块通过调节空气流速使得 待检测空气按照不同速度进入监测设备。

进一步，所述步骤B具体为：所述粉尘颗粒检测模块通过所述空气采集 模块调节待检测空气的空气流速而获取待检测空气中不同尺寸的粉尘颗粒 数据。

采用上述本发明技术方案的有益效果是：本发明提供的一种便携式 PM2.5的监测设备及监测方法，其设备结构简单、价格低廉，并能与室内空 调、空气过滤器等设施相结合，使它成为室内空调监控的数据来源或为空气 过滤器的反馈系统提供信息，从而有效地对室内空气质量进行监测。

附图说明

图1为本发明实施例中监测方法的流程图；

图2为本发明实施例中监测设备实施方式一的结构示意图；

图3为本发明监测设备实施方式一中空气流量和QCM表面收集的粉尘颗 粒质量的2维座标图；

图4为本发明实施例中监测设备实施方式二的结构示意图；

图5为本发明实施例中监测设备实施方式三的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本 发明，并非用于限定本发明的范围。

本发明一实施例公开了一种便携式PM2.5的监测方法，如图1所示：所 述方法包括如下步骤：

步骤101，通过空气采集模块采集待检测空气进入监测设备；

其具体为，所述空气采集模块通过调节空气流速使得待检测空气按照不 同速度进入监测设备。

步骤102，通过粉尘颗粒检测模块对所述空气采集模块采集的待检测空 气进行检测，以获取待检测空气中不同尺寸的粉尘颗粒数据。

其具体为：所述粉尘颗粒检测模块通过所述空气采集模块调节待检测空 气的空气流速而获取待检测空气中不同尺寸的粉尘颗粒数据。

本发明另一实施例公开了一种便携式PM2.5的监测设备，图2为本发明 实施例中实施方式一的设备结构示意图，如图2所示：所述设备包括空气采 集模块，用于采集待检测空气进入监测设备；粉尘颗粒检测模块，用于对所 述空气采集模块采集的待检测空气进行检测，以获取待检测空气中不同尺寸 的粉尘颗粒数据。在该实施方式中，所述空气采集模块为可调节空气流速的 空气流通管201；作为低成本的一种选择，所述粉尘颗粒检测模块采用一个 QCM 202传感器实现，所述QCM 202获取待检测空气中不同尺寸的粉尘颗粒 是通过所述空气流通管201改变空气的流动速度实现的，也就是说，QCM 202 表面所收集的粉尘颗粒的大小是通过改变空气的流动速度而实现的。

以下结合上述方法及设备结构描述本发明的原理，在测量过程中，通过 调节空气流通的速度实现不同尺寸的粉尘颗粒的在QCM表面的收集。例如， 当空气流动速度相对较快的时候，只有少量大颗粒、较重的粉尘颗粒会停留 在QCM表面；当空气流动速度相对较低的时候，几乎所有尺寸的粉尘颗粒都 会停留在QCM表面；当使用一系列不同的空气流动速度进行监测的时候，就 能得到一系列空气流量和QCM表面收集的粉尘颗粒质量的2维座标图(如图 3)。通过数学计算，就可以得到PM2.5粉尘颗粒的浓度(质量/体积)，其计 算方法如下：

当逐渐增加空气流动速度的时候，假设第一个空气流动速度为V1，第二 个空气流动速度为V2，第三个空气流动速度为V3，第四个空气流动速度为 V4，......，则第x个空气流动速度为Vx；

再假设在空气流动速度为V1时，QCM表面上收集的粉尘颗粒质量为M1；

而当空气流动速度改变为V2时，QCM表面上收集的粉尘颗粒质量总量为 M2’，所以M2＝M2’-M1，表示在空气流动速度为V2时，QCM表面上收集的粉 尘颗粒质量为M2；

当空气流动速度为V3时，QCM表面上收集的粉尘颗粒质量总量为M3’， 所以M3＝M3’-M2’；表示在空气流动速度为V3时，QCM表面上收集的粉尘 颗粒质量为M3；

依此类推，当空气流动速度为Vx时，QCM表面上收集的粉尘颗粒质量总 量为Mx’；Mx＝Mx’-Mx-1’；表示在空气流动速度为Vx时，QCM表面上收 集的粉尘颗粒质量为Mx；

因此，在实验室仪器校准的情况下，通过V-M的2维座标图就能找到 PM2.5的数值对应的点，如图3中：(V1，M1)、(V2，M2)、......(Vx，Mx)；

当然，在具体操作上，可以使每一个空气流通速度值例如V1，相对稳定 地运行一个阶段，如此得到的PM2.5的数值也相对较准确。

图4为本发明实施例中监测设备实施方式二的结构示意图，如图4所示： 在该实施方式中，所述便携式PM2.5的监测设备在包含了实施方式一所述的 各模块的基础上，进一步包括颗粒物采集模块401，所述颗粒物采集模块401 设置于所述空气流通管201与QCM 202之间，以达到收集空气中不同尺寸 的粉尘颗粒物至QCM 202上进行检测的目的。在该实施方式中，颗粒物采 集模块401可以采用PM2.5切割器或过滤纸实现。通过该实施方式实现的监 测设备，其工作原理与上述实施方式一描述的相类似，此处就不再赘述。

图5为本发明实施例中监测设备实施方式三的结构示意图，如图5所示： 在该实施方式中，所述便携式PM2.5的监测设备的具体结构与实施方式一基 本相同，其不同之处仅在于所述粉尘颗粒检测模块采用光学传感器501取代 QCM 202实现。因光学传感器是由多个不同波长的光电管 (LED/PHOTO-DETECTOR)组成，而这些光电管分别工作在不同的波长，如λ₁、 λ₂、λ₃，、λ₄，根据瑞利散射和MIE-DEBYE散射原理，当粉尘颗粒尺寸最接近某 一个波长时，工作在该波长的光电管所接收到的信号强度最大。通过光学传 感器501上的这些工作在不同波长的光电管对其下方的粉尘颗粒进行光电感 应的检测。

例如，首先可以将多个光电管的波长如λ₁、λ₂、λ₃，、λ₄的范围分别设置在 1.8～2.5微米、1.3～1.5微米、0.88～0.94微米和0.3～04微米；

然后，当逐渐改变空气流动速度的时候，假设第一个空气流动速度为V1， 第二个空气流动速度为V2，第三个空气流动速度为V3，第四个空气流动速 度为V4，......，则第x个空气流动速度为Vx；

再假设当空气流动速度为V1时，四个光电管上收集的光散射信号强度 分别为S11，S12，S13，S14。就是说在空气流动速度V1时，得到2维的信 号强度S和波长λ的曲线，在这个曲线上，可以得到4个点(λ₁，S₁₁)、(λ₂，S₁₂)、 (λ₃，S₁₃)、(λ₄，S₁₄)的座标值；

而空气流动速度为V2时，四个光电管上收集的光散射信号强度分别为 S21，S22，S23，S24。就是说在这个空气流动速度为V2时，也相应地得到2 维的信号强度S和波长λ的曲线，在这个曲线上，也可以得到4个点(λ₁，S₂₁)， (λ₂，S₂₂)，(λ₃，S₂₃)，(λ₄，S₂₄)的座标值；

依此类推，当空气流动速度为Vx时，四个光电管上收集的光散射信号强 度分别为Sx1，Sx2，Sx3，Sx4。就是说在这个空气流动速度为Vx时，得到 2维的信号强度S和波长λ的曲线，在这个曲线上，得到4个点(λ₁，S_x1)，(λ₂，S_x2)， (λ₃，S_x3)，(λ₄，S_x4)的座标值。

通过上述的2维座标值，并已知空气流动速度V，因此就能在3维图上 找到V-S-λ所对应的点。因此，即使没有PM2.5切割器，我们也能在实验室 仪器校准的情况下，从V-S-λ得到PM2.5的数值。

在具体操作上，每一个空气流通速度值例如V1，要相对稳定地运行一个 阶段，如此得到的PM2.5的数值也相对较准确。

当然，在具体应用时，可以根据实际情况采用温度、湿度和压强传感器 对设备进行补偿，在采用上述传感器对设备进行补偿和校准时可以利用实验 室的实验结果进行，比如选用干净的无粉尘的流动空气进行校准。

本发明采用上述任一种方式实现的便携式PM2.5的监测设备，即可以单 独使用对空气质量进行监测，也可以结合室内空调或是空气过滤器等设施， 使它成为室内空调监控的数据来源或为空气过滤器的反馈系统提供信息。当 和其他设施结合使用时，设备进气孔的空气流量调节可以使用多种方法，比 如利用贝努力方程改变空气流通管的进气道的横截面积实现，或是加大空气 流通管的进气道与粉尘颗粒检测模块之间的间距等方法实现。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明 的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发 明的保护范围之内。