本發(fā)明涉及環(huán)境監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種基于細(xì)顆粒物的環(huán)境采樣監(jiān)測系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

污染危害人類身體健康，無論是空氣、水還是固體污染物，都已經(jīng)得到了人類的高度重視。，多年來的研究表明，顆粒物是空氣污染物中的主體。一些有害元素如Pb、Cr、Mn、As、Cd、Ni及有機(jī)化合物PAH等主要吸附在小于2.5μm的細(xì)顆粒物上。顆粒物粒徑越小，在空氣中的穩(wěn)定程度越高，沉降速度越慢，被吸入呼吸道的幾率就越大，因而增加了其有害效應(yīng)。顆粒物對(duì)人體健康的危害與顆粒物的粒徑大小和化學(xué)組成以及在呼吸道中的沉積部位有密切關(guān)系。

顆粒物的理化特性決定了它對(duì)人體健康有十分顯著的影響，因此隨著人類對(duì)自身生活質(zhì)量的逐步重視，對(duì)生活環(huán)境的要求也相應(yīng)不斷提高。2012年，國家環(huán)境監(jiān)測中心將可吸入顆粒物(PM2.5)的監(jiān)測數(shù)據(jù)取代PM10成為環(huán)境空氣質(zhì)量重要監(jiān)測指標(biāo)，細(xì)顆粒物(PM2.5)也成為人們關(guān)心的重點(diǎn)，進(jìn)入了人們生活的茶余飯后。但是細(xì)顆粒物(PM2.5)由于采樣設(shè)備不能滿足需要，科研機(jī)構(gòu)難以開展比較深層次的研究，許多污染物的形成機(jī)理無法完全搞清楚，對(duì)于人類健康的影響還缺乏充分的理論及實(shí)踐依據(jù)。

目前，環(huán)境監(jiān)測儀器基本集中在中低檔的設(shè)備，無法適應(yīng)環(huán)境監(jiān)測工作快速發(fā)展的需要。雖然也有部分產(chǎn)品在儀器智能化、自動(dòng)稱重等方面取得突破，但其主要是應(yīng)用在實(shí)時(shí)監(jiān)測過程中，以小流量為主，其采集的樣品數(shù)量對(duì)于開展細(xì)顆粒物理化分析明顯不足。另外，雖然有許多單位開展了PM2.5環(huán)境監(jiān)測的網(wǎng)絡(luò)布點(diǎn)，但僅局限于顆粒物的監(jiān)測，針對(duì)即時(shí)風(fēng)力、風(fēng)向、溫濕度、大氣壓等同步數(shù)據(jù)的監(jiān)測并沒有建立，這對(duì)于顆粒物污染排放的追溯帶來了困難。而且對(duì)于細(xì)顆粒物的較大流 量采樣、監(jiān)測技術(shù)以及針對(duì)綜合環(huán)境因素同步數(shù)據(jù)采集裝置還未見報(bào)道。

另外，自動(dòng)稱重是進(jìn)行空氣質(zhì)量定量分析的關(guān)鍵，目前較常采用的是振蕩天平法，又稱TEOM法(Tapered Element Oscillating Microbalance)，是在圓錐的頂端設(shè)置稱量元件，下部固定，并在頂端裝有濾膜卡盒。使稱量元件發(fā)生振動(dòng)，濾膜卡盒以同樣的振動(dòng)頻率也發(fā)生振動(dòng)，當(dāng)保持一定流量的空氣試樣導(dǎo)入稱量元件部位，空氣中的顆粒物被卡盒上的濾膜捕集。捕集的顆粒物成為稱量元件的負(fù)荷從而振動(dòng)頻率的衰減與顆粒物的捕集量存在一定的關(guān)系，通過測定振動(dòng)頻率來計(jì)算出顆粒物的質(zhì)量濃度。但是目前的稱重方法都是應(yīng)用在小流量的采樣監(jiān)測設(shè)備中，在中流量以上的采樣設(shè)備中至今未見在線稱重技術(shù)的應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種基于細(xì)顆粒物的環(huán)境采樣監(jiān)測系統(tǒng)，所述的環(huán)境采樣監(jiān)測系統(tǒng)同時(shí)考慮了監(jiān)測點(diǎn)的環(huán)境溫濕度、大氣壓力以及風(fēng)速風(fēng)向的監(jiān)測，對(duì)細(xì)顆粒物的形成、流動(dòng)狀況進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)顆粒物污染排放的追溯，更加有利于空氣質(zhì)量分析，用以解決現(xiàn)有的對(duì)細(xì)顆粒物的監(jiān)測沒有綜合考慮環(huán)境因素，不易對(duì)細(xì)顆粒物污染排放的追溯的問題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的方案是：一種基于細(xì)顆粒物的環(huán)境采樣監(jiān)測系統(tǒng)，所述的環(huán)境采樣監(jiān)測系統(tǒng)包括設(shè)置于監(jiān)測點(diǎn)的環(huán)境檢測裝置、細(xì)顆粒物采樣裝置和主控單元；

所述的細(xì)顆粒物采樣裝置包括細(xì)顆粒物切割器、自動(dòng)稱重裝置、采樣風(fēng)機(jī)和靜壓艙壓力檢測單元，所述靜壓艙壓力檢測單元用于實(shí)時(shí)檢測靜壓艙的靜壓力，所述靜壓艙壓力檢測單元與主控單元連接，主控單元根據(jù)所述的靜壓力確定細(xì)顆粒物的實(shí)際采樣流量；所述采樣風(fēng)機(jī)連接在主控單元的控制輸出端，所述的主控單元根據(jù)實(shí)際采樣流量控制采樣風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的采樣流量；細(xì)顆粒物切割器對(duì)采樣的細(xì)顆粒物分級(jí)后輸出給自動(dòng)稱重裝置稱重，所述自動(dòng)稱重裝置的信號(hào)輸出端連接主控單元，用于將稱重檢測到的細(xì)顆粒物濃度發(fā)送給主控單元；

所述的環(huán)境監(jiān)測模塊包括溫濕度檢測單元、大氣壓力檢測單元和風(fēng)速風(fēng)向檢測 單元，所述溫濕度檢測單元、大氣壓力檢測單元和風(fēng)速風(fēng)向檢測單元的信號(hào)輸出端連接主控單元的數(shù)據(jù)輸入端口，所述的大氣壓力檢測單元位于細(xì)顆粒物采樣稱重模塊的進(jìn)風(fēng)口處，所述的主控單元根據(jù)周圍環(huán)境參數(shù)，對(duì)細(xì)顆粒物的形成、流動(dòng)狀況進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)細(xì)顆粒物污染排放的追溯。

根據(jù)本發(fā)明所述的基于細(xì)顆粒物的環(huán)境采樣監(jiān)測系統(tǒng)，包括上位機(jī)，所述的主控單元通過無線網(wǎng)絡(luò)與上位機(jī)連接，通過上位機(jī)對(duì)檢測到的細(xì)顆粒物濃度和周圍環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測，且所述的上位機(jī)通過無線網(wǎng)絡(luò)連接多個(gè)環(huán)境監(jiān)測點(diǎn)的主控單元，構(gòu)成測控網(wǎng)絡(luò)。

根據(jù)本發(fā)明所述的基于細(xì)顆粒物的環(huán)境采樣監(jiān)測系統(tǒng)，所述的無線網(wǎng)絡(luò)為基于GSM網(wǎng)的無線網(wǎng)絡(luò)。

根據(jù)本發(fā)明所述的基于細(xì)顆粒物的環(huán)境采樣監(jiān)測系統(tǒng)，所述的細(xì)顆粒物切割器是以空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑中值為2.5μm的氣溶膠顆粒為目標(biāo)的分離裝置，包括采集擋板和濾紙，大于2.5μm的顆粒被截留在切割器的采集擋板上，小于等于2.5μm的顆粒被濾紙捕獲。

根據(jù)本發(fā)明所述的基于細(xì)顆粒物的環(huán)境采樣監(jiān)測系統(tǒng)，所述的溫濕度檢測單元為溫濕度傳感器，所述的大氣壓力檢測單元為氣壓傳感器。

根據(jù)本發(fā)明所述的基于細(xì)顆粒物的環(huán)境采樣監(jiān)測系統(tǒng)，所述的靜壓倉壓力檢測單元為壓力傳感器，所述的自動(dòng)稱重裝置采用電子天平。

本發(fā)明的目的還在于提供一種基于細(xì)顆粒物的環(huán)境采樣監(jiān)測方法，所述的環(huán)境采樣監(jiān)測方法同時(shí)考慮了監(jiān)測點(diǎn)的環(huán)境溫濕度、大氣壓力以及風(fēng)速風(fēng)向的監(jiān)測，對(duì)細(xì)顆粒物的形成、流動(dòng)狀況進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)顆粒物污染排放的追溯，更加有利于空氣質(zhì)量分析，用以解決現(xiàn)有的對(duì)細(xì)顆粒物的監(jiān)測沒有綜合考慮環(huán)境因素，不易對(duì)細(xì)顆粒物污染排放的追溯的問題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的方案是：一種基于細(xì)顆粒物的環(huán)境采樣監(jiān)測方法，具體包括如下步驟：

(1)所述的環(huán)境檢測裝置實(shí)時(shí)檢測監(jiān)測點(diǎn)周圍環(huán)境參數(shù)，包括空氣溫濕度、大氣壓力以及細(xì)顆粒物采樣裝置進(jìn)氣口處的風(fēng)速風(fēng)向，并發(fā)送給主控單元；

(2)主控制單元控制采樣風(fēng)機(jī)工作，空氣通過進(jìn)氣口進(jìn)入細(xì)顆粒物采樣裝置，靜壓艙壓力傳感器實(shí)時(shí)檢測靜壓艙的靜壓力，并發(fā)送給主控單元，主控制單元根據(jù)所述的靜壓力值確定實(shí)際細(xì)顆粒物的采樣流量，并調(diào)整采樣風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，以實(shí)現(xiàn)100L/min的穩(wěn)定采樣流量；

(3)空氣進(jìn)入到細(xì)顆粒物采樣裝置后，通過顆粒物切割器進(jìn)行顆粒分級(jí)，使大于2.5μm的顆粒被截留，小于等于2.5μm的顆粒進(jìn)入自動(dòng)稱重裝置；

(4)自動(dòng)稱重裝置對(duì)小于等于2.5μm的顆粒進(jìn)行在線稱重，取得細(xì)顆粒物的濃度值，并發(fā)送給主控單元，通過主控單元對(duì)細(xì)顆粒物濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并通過對(duì)監(jiān)測點(diǎn)周圍環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，分析細(xì)顆粒物的形成、流動(dòng)狀況，實(shí)現(xiàn)細(xì)顆粒物污染排放的追溯，為空氣質(zhì)量分析提供預(yù)警條件。

根據(jù)本發(fā)明所述的采樣監(jiān)測方法，將各分散的監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)均通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，通過上位機(jī)對(duì)各監(jiān)測點(diǎn)的實(shí)時(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)和細(xì)顆粒物污染數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和遠(yuǎn)程監(jiān)測。

根據(jù)本發(fā)明所述的采樣監(jiān)測方法，所述的主控單元輸出PWM信號(hào)控制采樣風(fēng)機(jī)，通過調(diào)整PWM信號(hào)的占空比，來調(diào)整采樣風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

本發(fā)明達(dá)到的有益效果：本發(fā)明的環(huán)境采樣監(jiān)測系統(tǒng)綜合考慮了監(jiān)測點(diǎn)的環(huán)境溫濕度、大氣壓力以及風(fēng)速風(fēng)向的采樣和監(jiān)測，通過綜合環(huán)境參數(shù)的采樣，對(duì)細(xì)顆粒物的形成、流動(dòng)狀況進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)顆粒物污染排放的追溯，更加有利于空氣質(zhì)量分析，而且對(duì)細(xì)顆粒物的采樣適用于較大流量的采樣，采樣分析結(jié)果更加準(zhǔn)確，效率更高。

另外，本發(fā)明采用在線稱重技術(shù)，能實(shí)時(shí)反映細(xì)顆粒物的濃度情況，能很好地反映出城市顆粒物污染在空間和時(shí)間上的變化現(xiàn)狀和規(guī)律，有助于對(duì)城市環(huán)境空氣中顆粒物的擴(kuò)散趨勢及影響做出連續(xù)的判斷，從而提高城市環(huán)境管理水平。

附圖說明

圖1是本發(fā)明監(jiān)測系統(tǒng)的原理圖；

圖2是本發(fā)明監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中，1為風(fēng)速風(fēng)向檢測單元，2為進(jìn)風(fēng)口，3為細(xì)顆粒物切割器，4為自動(dòng)稱重裝置，5為采樣風(fēng)機(jī)，6為靜壓艙，7為機(jī)箱箱體，8為靜壓艙壓力檢測單元，9為監(jiān)控計(jì)算機(jī)，10大氣壓力檢測單元，11為溫濕度檢測單元。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

如圖1所示，本發(fā)明所述的環(huán)境采樣監(jiān)測系統(tǒng)包括用于遠(yuǎn)程監(jiān)測的上位機(jī)，設(shè)置于多個(gè)分散監(jiān)測點(diǎn)的環(huán)境檢測裝置、細(xì)顆粒物采樣裝置和主控單元。所述的環(huán)境檢測裝置包括溫濕度檢測單元、大氣壓力檢測單元和風(fēng)速風(fēng)向檢測單元，所述溫濕度檢測單元、大氣壓力檢測單元和風(fēng)速風(fēng)向檢測單元的信號(hào)輸出端連接主控單元的數(shù)據(jù)輸入端口，將檢測的監(jiān)測點(diǎn)的環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)送給主控單元。所述的溫濕度檢測單元為溫濕度傳感器，所述的大氣壓力檢測單元為氣壓傳感器。

所述的細(xì)顆粒物采樣裝置包括細(xì)顆粒物切割器、自動(dòng)稱重裝置、采樣風(fēng)機(jī)、靜壓艙和靜壓艙壓力檢測單元，所述靜壓艙壓力檢測單元用于實(shí)時(shí)檢測靜壓艙的靜壓力，所述的靜壓艙壓力檢測單元和自動(dòng)稱重裝置連接主控單元的輸入端，將檢測到的細(xì)顆粒物濃度和靜壓艙的靜壓力發(fā)送給主控單元。

所述主控單元與上位機(jī)通過基于GSM網(wǎng)的無線網(wǎng)絡(luò)連接，將檢測數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，由上位機(jī)對(duì)多個(gè)分散監(jiān)測點(diǎn)的環(huán)境同時(shí)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，對(duì)細(xì)顆粒物的形成、流動(dòng)狀況進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)細(xì)顆粒物污染排放的追溯。

基于GSM網(wǎng)的無線網(wǎng)絡(luò)把分散在各地的監(jiān)測設(shè)備納入上位機(jī)的統(tǒng)一管理下，能及時(shí)掌握各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，尤其是不固定監(jiān)測點(diǎn)的實(shí)時(shí)情況。GSM通訊模塊利用已經(jīng)成熟的GSM短信息系統(tǒng)，以短信息的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的。

如圖2所示，所述的大氣壓力檢測單元位于細(xì)顆粒物采樣稱重模塊的進(jìn)風(fēng)口處，所述自動(dòng)稱重裝置位于細(xì)顆粒物切割器下方，空氣通過進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入到細(xì)顆粒物采樣裝置后，通過顆粒物切割器進(jìn)行顆粒分級(jí)，所述的細(xì)顆粒物切割器是以空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑中值為2.5μm的氣溶膠顆粒為目標(biāo)的分離裝置，包括采集擋板和濾紙，大 于2.5μm的顆粒被截留在切割器的采集擋板上，小于等于2.5μm的顆粒被濾紙捕獲，濾紙固定在專用支架上，由自動(dòng)稱重裝置進(jìn)行實(shí)時(shí)在線稱重，取得細(xì)顆粒物的濃度值。本實(shí)施例的靜壓倉壓力檢測單元采用壓力傳感器，所述的自動(dòng)稱重裝置采用電子天平。

在采樣過程中，要求保證空氣流量恒定，但由于多種因素的影響，切割器內(nèi)的阻力會(huì)發(fā)生變化，從而使氣流的流速相應(yīng)變化，所以必須及時(shí)調(diào)整吸氣動(dòng)力，改變抽氣泵的轉(zhuǎn)速，使氣流基本保持恒定，目前小流量采樣中，一般都是在采樣器的出氣口處加裝限流管，只要吸氣動(dòng)力足夠強(qiáng)勁，氣體流量就可以得到保證。

本發(fā)明要實(shí)現(xiàn)較大流量的采樣，是通過主控單元控制采樣風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來控制采樣流量的穩(wěn)定性，所述主控單元的輸出端連接采樣風(fēng)機(jī)，根據(jù)靜壓艙的靜壓力確定采樣流量，控制采樣風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)100L/min的穩(wěn)定采樣流量。

本實(shí)施例中，主控單元輸出PWM信號(hào)控制采樣風(fēng)機(jī)的工作，采樣風(fēng)機(jī)抽取空氣時(shí)，在靜壓艙形成對(duì)管壁的靜壓力，根據(jù)靜壓力大小與空氣流速的關(guān)系，主控單元得到靜壓力值后，確定實(shí)際采樣流量，并通過改變PWM信號(hào)占空比的方式調(diào)整采樣風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的采樣流量。本發(fā)明由于單位時(shí)間里采樣量較大，能夠在比較短的時(shí)間內(nèi)采集到適合研究實(shí)驗(yàn)的樣品數(shù)量，對(duì)于提高環(huán)境狀況分析的準(zhǔn)確性大有裨益。

本實(shí)施例所述的靜壓倉壓力檢測單元為壓力傳感器，所述的自動(dòng)稱重裝置采用電子天平。出于對(duì)監(jiān)測點(diǎn)海拔高度的考慮，主控制單元采用大氣壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)用于采樣流量的補(bǔ)償運(yùn)算。主控制單元通過風(fēng)速風(fēng)向的監(jiān)測數(shù)據(jù)可以判斷細(xì)顆粒物的來源，也可以對(duì)下風(fēng)區(qū)提出預(yù)警。

切割器是整個(gè)監(jiān)測設(shè)備的核心部件，本發(fā)明的細(xì)顆粒物切割器可以是單級(jí)粒徑采樣，也可以是多級(jí)粒徑采樣，如果將不同粒徑的切割器由大至小、由上至下順序組合，就形成了多級(jí)粒徑的采樣，分別采樣不同粒徑范圍的顆粒物，可以用于測定顆粒物的粒度分布。

本發(fā)明的環(huán)境采樣監(jiān)測系統(tǒng)綜合考慮了監(jiān)測點(diǎn)的環(huán)境溫濕度、大氣壓力以及風(fēng)速風(fēng)向的采樣和監(jiān)測，通過綜合環(huán)境參數(shù)的采樣，對(duì)細(xì)顆粒物的形成、流動(dòng)狀況進(jìn) 行分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)顆粒物污染排放的追溯，更加有利于空氣質(zhì)量分析，而且對(duì)細(xì)顆粒物的采樣適用于較大流量的采樣，采樣分析結(jié)果更加準(zhǔn)確，效率更高。另外，本發(fā)明采用在線稱重技術(shù)，能實(shí)時(shí)反映細(xì)顆粒物的濃度情況，能很好地反映出城市顆粒物污染在空間和時(shí)間上的變化現(xiàn)狀和規(guī)律，有助于對(duì)城市環(huán)境空氣中顆粒物的擴(kuò)散趨勢及影響做出連續(xù)的判斷，從而提高城市環(huán)境管理水平。