基于氣溶膠發生器的PM2.5顆粒物監測儀校準裝置設計

Vol.39,No.3

2021

年

3

月

中國資源綜合利用

China

ResourcesUtilization

Comprehensive

?應用研究

基于氣溶膠發生器的PM2.5

顆粒物監測儀校準裝置設計

楊懷飛

，

宋欣

，

路鳳祎

（

河北華清環境科技集團股份有限公司

，

石家莊

050000

）

摘要

：。

本設備是一種基于氣溶膠發生器的

PM2.5

顆粒物監測儀校準裝置

該裝置主要包括氣溶膠混勻管

、

PM10

切割器

、、

氣溶膠擴散干燥管

、

質量流量計

、

無油空氣壓縮機

氣溶膠發生器和標準顆粒物監測儀

。

氣

溶膠發生器發出攜帶標準粒子的氣溶膠

，

與定量的潔凈空氣混合

，

同時

PM10

切割器分離出粒徑不小于

10

jini

的粉塵氣溶膠

，與定量的潔凈空氣在混勻室里充分混勻

，

均勻的氣溶膠氣體再經過標準監測儀器和被

測儀器進行比對測量

。

關鍵詞；

：

PM2.5;

氣溶膠

校準裝置

中圖分類號

：：

X851

03-0039-03

文獻標識碼

A

文章編號

：

1008-9500（

2021）

DOI:

10.3969/.l

008-9500.2021.03.011

Design

on

Calibration

Device

of

PM2.5

Particulate

Matter

Monitor

Bad

on

Aerosol

Generator

YANG

Huaifei,

SONG

Xin,LU

Fengyi

(Hebei

050000,

Huaqing

EnvironmentalLtd.,

TechnologyChina)

Group

Co.,

Shijiazhuang

Abstract:

This

equipmentdevice

isonan

aparticulateThe

PM2.5 calibrationgenerator.

matter

aerosol

monitor

bad

device

mainlycutter,diffusion

includesdryingmass

aerosolaerosol

mixingPM10

tube,

tube,oil-free

flow

meter,

air

compressor,

aerosolThe

generator

andstandardparticleaerosolaerosol

monitor.an

generator

emits

carryingstandard

particles,which with the

isPMcutterwith

amountclean dust

mixedacertain

ofair;time,aerosols

at

same

the parates

10

alessinthe

than

particleofofroom;

sizenot

10 the

jjl

uniform

m, amountclean

and

mixes

them

withair

a

certainmixing

aerosol measured

the

gasmonitoringinstrument.

is

then

comparedandand

by

standard

instrument

the

measured

Keywords

：

PM2.5;calibration

aerosol;

device

全國各級生態環境部門于，

2013

年月

11

日起陸

續開展

PM2.5

的自動監測工作

，

并以自動監測的數據

常規氣態污染物的自動監測有所不同

PM2.5

自動監測

不能通過標準物質的方式進行標準傳遞或校準汽國

作為

PM2.5

質量濃度的評價指標和環境治理成效的考

核依據

。，

如何確保自動監測儀器的準確性是

PM2.5

監

，

際上普遍采用參比方法

PM2.5

手工稱重法

（

）

獲得的數

據作為真值

WPM2.5

自動刪數據質量

。

實際上

測工作的重中之重叫

用于

PM2.5

顆粒物質量濃度監測的儀器原理主

在計量體系的量值傳遞方法中

，

人們既可采用檢定的方

法

，

也可采用校準

、

比對的方法

。

PM2.5

質量濃度監測

可以通過比對溯源的方式來開展

，

即通過手工量法監

fi

要分為微量振蕩天平

（

TEOM

）

法

、

0

射線測量法

、

光散射測量法及重量法環境空氣自動監測站大部分測姻結果對自動儀器的性能和準確性進行評價

。 。

采用

P

射線測量法

，

少部輝用振蕩天平法

。

目前,

PM2.5

顆粒物

Ml

儀器校。

aiut

仍比較落后

目前顆粒物在線監測儀器普遍存在的問題

，

：

與

收稿日期

：

2021-01-06

根據、

<

國家環境監測網環境空氣顆粒物

（

PM10

基金項目

：

河北省環境監測質量控制技術創新中心

（

SG20182051

）（）

;;

河北省高水平人才團隊建設專項

199A3903H

石家莊市科技創新

團隊項目

（

208790296A

）

?

作者簡介

：

楊懷飛男

（

1985-

）

,

，

重慶人

，

高級工程師

，

從事環境監測儀器和實驗室自動化儀器設備研發工作

。

通訊作者

：

路鳳祎男

（

1964-

）

,

，，

河北保定人正高級工程師。

，

從事環境監測儀器和實驗室自動化儀器設備研發工作

-

39

-

代應用研究

中國資源綜合利用

第

3

期

PM2.5

）

自動監測手工比對核查技術規定）

（

試行

》

，

手工比對核查是

PM2.5

顆粒物質量濃度監測儀器常用

的校準方法手工監測

,

《

環境空氣顆粒物

（

PM2.5

）

方法

（

重量法》

）

技術規范

（

HJ656

—

2013

）

對手工

監測方法

、。

步驟等進行了規范

手工比對核查存在以下問題工作量大

：、指空氣動力學直徑符合指定范圍的粉塵和純凈水混合

時間長,

時效性差從而形成氣溶膠顆粒罐

，、、 。

經過采樣

運輸，

分析等環節，

一般需要

幾十個小時才能完成受環境因素影響大

；，

尤其溫濕

度對采樣

、 ，

分析等環節的影響很大

；

易受人的操作水

平的影響

，

重復性差"

］

。

1

校準裝置的原理

粉塵發生器發出攜帶標準粒子的氣溶膠，

與定

量的潔凈空氣混合

，

同時

PM10

切割器分離出粒徑不

小于

10

pim

的粉塵氣溶膠

，

與定量的潔凈空氣在混

勻室里充分混勻

，

保證各采樣口之間的濃度差絕對值

不大于

6%,

再對顆粒物濃度測量儀進行標定

。

其中，

標準的質量濃度測量儀是基于

P

射線吸收原理的美

國熱電公司生產的

EBAM-1020

設備

。

本研究設計了

基于氣溶膠發生器的

PM2.5

顆粒物監測儀校準裝置

，

其原理簡圖如圖

1

所示

。

圖

1

PM2.5

校準裝置原理簡圖

PM2.5

校準裝置核心部件包括氣溶膠混勻管

、

PM10

切割器

、

氣溶膠擴散干燥管質量流量計

、

（

兩臺

）

、

無油空氣壓縮機和氣溶膠發生器

。

2

氣溶膠發生器

氣溶膠是指在氣體介質中具有相對穩定的液滴

或固體顆粒物的懸浮物多分

。

其可以分為異分散型、

散型和單分散型

，

其中產生多分散型或單分散型的氣

溶膠裝置被稱作氣溶膠發生器

。

多分散型顆粒物的物

理和化學性質相同，

，

粒度不同而空氣動力學性質取

決于氣溶膠的顆粒度

；

單分散型氣溶膠顆粒的物理和

-40-

化學性質相同粒度均勻且相同

，

，

空氣動力學性質也

相同

。經氣溶膠發生器產生的氣溶膠顆粒分布范圍保

持在

0.01|JLm

o

~

50.00

本方案所采用的設計原理是

壓縮空氣經進氣口進入氣溶膠發生器罐體內部并經

，

噴頭噴出

，

在此過程中將粉塵水溶液

（

粉塵水溶液是

而成

），

碎裂

、

分散

最終

體內產生的氣溶膠顆粒經頂部的出口流出

。

氣溶膠發生器整體設計方案由四部分組成

即支

架

、

罐體

、為更好地獲取氣溶膠,

攪拌裝置和氣路系統

。

本方案的罐體下方采用磁體攪拌系統

，

罐體內部放置

磁體轉子借助安裝罐體外部的磁力攪拌電機轉動帶

，

動磁體轉子攪動粉塵水溶液

，

獲得更均勻的氣溶膠顆

粒發生效果，

。本氣溶

為方便后期添加粉劑和純凈水

膠發生器頂部專門設有加料口

，

必要時可打開蓋子

。

本氣溶膠發生器罐體采用全不銹鋼制作。

，

防銹，

無磁性

3

PM10

切割器

PM10

切割器是指將空氣動力學直徑V

10

的顆粒物分離出來的裝置

，

對于

PM10

切割器來說

，

10

是一個統計值

，

即空氣動力學當量直徑為

10

Rm

的顆粒物有

50%

的概率通過切割器

。

根據顆

粒物的分離原理不同

，

人們可以將切割器分為沖擊式

第

3

期

楊懷飛等:基于氣溶膠發生器的

PM2.5

顆粒物監測儀校準裝置設計

?應用研究

擴散干燥器通常與氣溶膠發生器連接

。

5

氣溶膠混勻裝置

氣溶膠混勻裝置是將氣溶膠發生器產生的氣溶

膠進行充分混勻

。

標準粒子在混勻管內與潔凈氣源提

供的空氣混合，

，供被測儀

形成濃度確切的標準樣品

器和標準儀器進行采樣

。

混勻管底部是干燥后的氣溶

膠進氣口混勻管上部氣溶

，

側面為潔凈氣源進氣口

。

膠出口連接被測儀器和標準儀器

。

其間通過對收集的

數據對比進行校準

。混勻裝置裝有壓力傳感器和溫度

傳感器

，

對管內數據進行實時監控

。

圖

2

顆粒物分散熱力圖

仿真模擬是通過

ANSYS

大型通用有限元分析

(

Finite

ElementAnalysis

,

FEA

)

軟件完成的，

本設

計主要運用

ANSYS

仿真軟件進行氣固兩相流分析

，

通過設置邊界條件模擬計算得到粒子運動軌跡

。

設計

中也通過

Fluent

仿真分析

，

對混勻管形狀尺寸進行確

定

，

以達到理想的混勻效果

。

本設計主要仿真的是顆粒物在空氣中的流動情

況

，

屬于多相流問題

。

流體的運動狀態一般有兩種狀況

層流和湍流

。

這兩者可以用雷諾數來進行判別。

雷諾

數是慣性力和黏滯力的比值

。

若雷諾數小于某一值

，

則說明黏滯力對流場的作用大于慣性力

，

表明氣流的

擾動比較小

，運動比較穩定

，

模擬過程中應為層流

；

反之

，則說明慣性力對流場

若雷諾系數大于某一值

，

的作用大于黏滯力

，

氣流的擾動比較大

，

運動容易發

生紊亂

，

模擬過程應為湍流

。

雷諾系數的定義如式

(

1)

所示

。

Re=pvdlp.

(

1

)

式中

，

〃為流體的密度

；〃為

v

為流體的流速

；

黏性系數

，

〃為特征長度

。

本研究通過

Fluent

仿真粒子與空氣的相對運動

，

形成顆粒物粒子的軌跡圖

，

從而確定進氣方向

，

調整

壓力范圍

，

最后設計完成整個均化室的機械布局

。

6

校準裝置的電路設計

單片機選用了

STM32F103RCT6

處理器

。

STM32

以豐富的資源外設

，

具有高性能

、、

低成本

低功耗等

優點

，

占據了我國單片機市場的半壁江山

，

大大降低

了相關設計開發成本

。

硬件添加了

W25Q64

串行閃存,用于對數據的處理

、

存儲校準技術系

。

其利用

STM32

豐富的外設控制

PM2.5

統的正常監測運行

。

板載電源選用

LM1117IMPX-3.3,

它是，

800

mA

的低壓差線性穩壓器

內部集成過熱保護

和限流電路

，

是常見的單片機電源方案

。

7

校準裝置的整體結構設計

校準裝置的機柜尺寸為

600514X

mm mm

X

mm

1603

(長

XX

寬

高)

，

采用

1.5

mm

鍍鋅板和噴塑處理工藝

，

使得機柜具有良好的防銹蝕能力機柜兩側布設有散

。

熱孔

，

內部件采用導軌安裝方式

，

底部安裝萬向輪可

方便對機柜進行移動

。

8

結語

本校準裝置已申請

1

項實用新型專利

，

專利號

為

2.3

o

該專利為我國顆粒物監測儀的校

準提供了參考方案“

，

為能實現生態環境部要求的

真

、

準、全

””

方向提供““

真準

”

和

參考的校準技術方案

。

參考文獻

1

董李

寧，

，

陳益思

波

，

等?顆粒物切割器校

準裝置的結構設計

[J].

檢疫檢驗學科

，

2015

(5)

：

73-75.

2

國家質量監督檢驗檢疫總局

.PM2.5

質量濃度測

量儀校準規范：

：

JJF

1659—

2017[S],

北京

中國標

準出版社

，

2017.

3

國家質量監督檢驗檢疫總局中國國家標準化管

，

理委員會?大氣氣溶膠觀測術語

：

GB/T

31159

—

2014[S].

北京

：

中國標準出版社

，

2014.