一种用于测量PM2.5的装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种用于测量PM2.5的装置及方法，该装置包括粒子源发射单元、平行极板对、极板电压调节单元、电流测量单元以及CCD监控单元；利用该装置进行PM2.5测量时，根据密立根静态油滴实验所喷油滴直径为1.2-2.0μm时测量效果最好，可以精确测量出元电荷，利用静态法能达到较高的PM2.5测量精度；该方法考虑了气固两相流多种因素，对多场区下PM2.5颗粒的质量进行计算；采用本发明专利技术的系统能够精确测量单位体积空气里所含PM2.5颗粒的质量，同时检测出PM2.5的浓度，满足校准PM2.5监测仪的要求，解决当前对PM2.5检测体系和大气环境污染防控的动态检测设备的极大需求。

【技术实现步骤摘要】
一种用于测量PM2.5的装置及方法
本专利技术涉及环境监测
，特别是涉及一种用于测量PM2.5的装置及方法。
技术介绍
细颗粒物又称PM2.5，是指环境空气中空气动力学当量直径小于等于2.5微米的颗粒物。细颗粒物的化学成分主要包括有机碳(OC)、元素碳(EC)、硝酸盐、硫酸盐、铵盐、钠盐(Na+)等。它能较长时间悬浮于空气中，其在空气中含量浓度越高，就代表空气污染越严重。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，面积大，活性强，易附带有毒、有害物质(例如，重金属、微生物等)，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。为了更有效地监测随着工业化日益发达而出现的、在旧标准中被忽略的对人体有害的细小颗粒物。PM2.5指数已经成为一个重要的测控空气污染程度的指数。除美国和欧盟一些国家将PM2.5纳入国标并进行强制性限制外，世界上大部分国家都还未开展对PM2.5的监测，大多通行对PM10进行监测。目前三种主流的检测PM2.5方法有振荡天平法，该方法定量关系明确，缺点是测定结果被认为偏低，需要加装膜动态测量系统(FilterDynamicMeasurementSystem，)对偏低的结果进行校准；β射线法，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，对β射线强度衰减率相同。而上述两个在现实条件下，假设往往并不成立，因此测定数据一般被认为也存在偏差；光散射法，主要测量PM2.5的数量浓度，关注的是PM2.5的个数，因此主要用于气象部门的能见度监测研究。而如果将数量浓度转化为环保部门所需的质量浓度，其准确度将会大幅下降。因此，环保部门很少采用这种方法。上述三种方法操作都比较复杂，测量结果都需要使用滤膜称重法进行校准，且仪器造价昂贵。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的不足，本专利技术提供了一种用于测量PM2.5的装置及方法，依据密立根静态油滴实验测量PM2.5颗粒所包含的所有元电荷质量，以所有元电荷质量之和作为PM2.5颗粒重量，该方法检测精度和效率高，成本较低，操作简单。著名的密立根静态油滴实验所喷油滴直径为1.2-2.0μm时测量效果最好，可以精确测量出元电荷，而PM2.5指当量直径≤2.5μm的颗粒，两者尺度非常接近。由此可结合密立根油滴实验的思想对PM2.5进行测量。此方法简单易行；密立根实验可以测出10^(-19)数量级的元电荷电量，利用静态法能达到较高的PM2.5精度。一种用于测量PM2.5的装置，包括粒子源发射单元、平行极板对、极板电压调节单元、电流测量单元以及CCD监控单元；所述粒子源发射单元位于平行极板对的中间，输入端与PM2.5切割头的输出端相连，输出端将经PM2.5切割头切割后的颗粒打入平行极板对形成的电场中；所述CCD监控单元获取平行极板对间的图像。一种用于测量PM2.5的方法，采用上述的一种用于测量PM2.5的装置，具体步骤如下：步骤1：将待测空气输入PM2.5切割头，经PM2.5切割头切割后得到的PM2.5颗粒相互碰撞后带电分离开，从粒子源发射单元打入平行极板对中；步骤2：利用极板电压调节单元，在平行极板对上加载电压，使得所有带电的PM2.5颗粒按正负极性分别聚集在平行极板上；步骤3：加载在平行极板对上的电压从0开始逐渐递增，同时，从CCD监控单元观测平行极板对中的悬浮颗粒，直到无法再从CCD监控单元中观测到悬浮颗粒时，停止增加平行极板对上的电压；每次出现悬浮颗粒时，记录加载在平行极板对上的电压后，将电场撤去；利用电流测量单元测量平行极板对上的电流I，计算产生电流对应的电荷量Qi，Qi＝∫Idt；基于平行极板对之间的电场强度Ei，得到对应的颗粒质量，将所有的颗粒质量求和得到待测空气中的所有PM2.5颗粒的质量n表示质量不同的颗粒总数，完成PM2.5的测量。每次悬浮在平行极板对中间的颗粒质量均相同，质量不同的颗粒所需的电场力不同。所述的PM2.5的质量计算，对单个颗粒在电场中流动及悬浮时受力分析，气固两相流中颗粒与流体作动量交换的普通方程：式中为颗粒相重力场、电场作用力，为颗粒相除场力以外的力，表示自由流速度，表示相加权速度，F表示流体与颗粒群动量交换松弛时间的倒数；因碰撞、加速、流体剪切等受到的8种力(在一个运动过程中这8种力不会同时出现)。所述的8种力即流体力，固体力，马格努斯旋转提升力，萨夫曼剪切提升力、虚拟质量力、倍瑟特力、压力梯度力、范德华斯力等。密立根静态油滴实验中仅考虑重力与电场力对油滴的作用，能得到较精确的电子电荷量。跟的大小相差几个数量级，故我们可仅考虑在温度、湿度、压强恒定的情况下对颗粒运动的影响，结合气固两项流进行计算。结合气固两相流的一般受力情况分析了颗粒群可能会受到的力，基于油滴实验原理分析可得在颗粒质量计算过程中可忽略不计的力，采用类比油滴实验并且提出改进的方法，计算PM2.5颗粒质量。有益效果本专利技术提供了一种用于测量PM2.5的装置及方法，该装置包括粒子源发射单元、平行极板对、极板电压调节单元、电流测量单元以及CCD监控单元；利用该装置进行PM2.5测量时，根据密立根静态油滴实验所喷油滴直径为1.2-2.0μm时测量效果最好，可以精确测量出元电荷，而PM2.5指当量直径≤2.5μm的颗粒，更可以对PM2.5进行精确检测，密立根实验可以测出10^(-19)数量级的元电荷电量，利用静态法能达到较高的PM2.5测量精度；其次，该方法考虑了气固两相流多种因素，对多场区下PM2.5颗粒的质量进行计算；采用本专利技术的系统能够精确测量单位体积空气里所含PM2.5颗粒的质量，同时检测出PM2.5的浓度，满足校准PM2.5监测仪的要求，解决当前对PM2.5检测体系和大气环境污染防控的动态检测设备的极大需求，为当前治理雾霾提供监测手段。目前三种主流的检测PM2.5方法，操作都比较复杂，测量结果都需要使用滤膜称重法进行校准，且仪器造价昂贵，而本专利技术所述的方法简单易行。附图说明图1为本专利技术的装置结构示意图。具体实施方式下面将结合附图和实施例对本专利技术做进一步的说明。如图1所示，一种用于测量PM2.5的装置，包括粒子源发射单元、平行极板对、极板电压调节单元、电流测量单元以及CCD监控单元；所述粒子源发射单元位于平行极板对的中间，输入端与PM2.5切割头的输出端相连，输出端将经PM2.5切割头切割后的颗粒打入平行极板对形成的电场中；所述CCD监控单元获取平行极板对间的图像。一种用于测量PM2.5的方法，采用上述的一种用于测量PM2.5的装置，具体步骤如下：步骤1：将待测空气输入PM2.5切割头，经PM2.5切割头切割后得到的PM2.5颗粒相互碰撞后带电分离开，从粒子源发射单元打入平行极板对中；步骤2：利用极板电压调节单元，在平行极板对上加载电压，使得所有带电的PM2.5颗粒按正负极性分别聚集在平行极板上；步骤3：加载在平行极板对上的电压从0开始逐渐递增，同时，从CCD监控单元观测平行极板对中的悬浮颗粒，直到无法再从CCD监控单元中观测到悬浮颗粒时，停止增加平行极板对上的电压；每次出现悬浮颗粒时本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于测量PM2.5的装置，其特征在于，包括粒子源发射单元、平行极板对、极板电压调节单元、电流测量单元以及CCD监控单元；所述粒子源发射单元位于平行极板对的中间，输入端与PM2.5切割头的输出端相连，输出端将经PM2.5切割头切割后的颗粒打入平行极板对形成的电场中；所述CCD监控单元获取平行极板对间的图像。

【技术特征摘要】
1.一种用于测量PM2.5的方法，其特征在于，采用一种用于测量PM2.5的装置；所述装置包括粒子源发射单元、平行极板对、极板电压调节单元、电流测量单元以及CCD监控单元；所述粒子源发射单元位于平行极板对的中间，输入端与PM2.5切割头的输出端相连，输出端将经PM2.5切割头切割后的颗粒打入平行极板对形成的电场中；所述CCD监控单元获取平行极板对间的图像；利用所述装置进行PM2.5测量具体步骤如下：步骤1：将待测空气输入PM2.5切割头，经PM2.5切割头切割后得到的PM2.5颗粒相互碰撞后带电分离开，从粒子源发射单元打入平行极板对中；步骤2：利用极板电压调节单元，...

【专利技术属性】
技术研发人员：李旭军，曾以成，胡伟，龚跃球，田前，胡一飞，宋福川，候斌，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43