基于气溶胶发生器的PM2.5颗粒物监测仪校准装置设计

Vol.39,No.3

2021

年

3

月

中国资源综合利用

China

ResourcesUtilization

Comprehensive

©应用研究

基于气溶胶发生器的PM2.5

颗粒物监测仪校准装置设计

杨怀飞

，

宋欣

，

路凤祎

（

河北华清环境科技集团股份有限公司

，

石家庄

050000

）

摘要

：。

本设备是一种基于气溶胶发生器的

PM2.5

颗粒物监测仪校准装置

该装置主要包括气溶胶混匀管

、

PM10

切割器

、、

气溶胶扩散干燥管

、

质量流量计

、

无油空气压缩机

气溶胶发生器和标准颗粒物监测仪

。

气

溶胶发生器发出携带标准粒子的气溶胶

，

与定量的洁净空气混合

，

同时

PM10

切割器分离出粒径不小于

10

jini

的粉尘气溶胶

，与定量的洁净空气在混匀室里充分混匀

，

均匀的气溶胶气体再经过标准监测仪器和被

测仪器进行比对测量

。

关键词；

：

PM2.5;

气溶胶

校准装置

中图分类号

：：

X851

03-0039-03

文献标识码

A

文章编号

：

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

全国各级生态环境部门于，

2013

年月

11

日起陆

续开展

PM2.5

的自动监测工作

，

并以自动监测的数据

常规气态污染物的自动监测有所不同

PM2.5

自动监测

不能通过标准物质的方式进行标准传递或校准汽国

作为

PM2.5

质量浓度的评价指标和环境治理成效的考

核依据

。，

如何确保自动监测仪器的准确性是

PM2.5

监

，

际上普遍采用参比方法

PM2.5

手工称重法

（

）

获得的数

据作为真值

WPM2.5

自动删数据质量

。

实际上

测工作的重中之重叫

用于

PM2.5

颗粒物质量浓度监测的仪器原理主

在计量体系的量值传递方法中

，

人们既可采用检定的方

法

，

也可采用校准

、

比对的方法

。

PM2.5

质量浓度监测

可以通过比对溯源的方式来开展

，

即通过手工量法监

fi

要分为微量振荡天平

（

TEOM

）

法

、

0

射线测量法

、

光散射测量法及重量法环境空气自动监测站大部分测姻结果对自动仪器的性能和准确性进行评价

。 。

采用

P

射线测量法

，

少部辉用振荡天平法

。

目前,

PM2.5

颗粒物

Ml

仪器校。

aiut

仍比较落后

目前颗粒物在线监测仪器普遍存在的问题

，

：

与

收稿日期

：

2021-01-06

根据、

<

国家环境监测网环境空气颗粒物

（

PM10

基金项目

：

河北省环境监测质量控制技术创新中心

（

SG20182051

）（）

;;

河北省高水平人才团队建设专项

199A3903H

石家庄市科技创新

团队项目

（

208790296A

）

„

作者简介

：

杨怀飞男

（

1985-

）

,

，

重庆人

，

高级工程师

，

从事环境监测仪器和实验室自动化仪器设备研发工作

。

通讯作者

：

路凤祎男

（

1964-

）

,

，，

河北保定人正高级工程师。

，

从事环境监测仪器和实验室自动化仪器设备研发工作

-

39

-

代应用研究

中国资源综合利用

第

3

期

PM2.5

）

自动监测手工比对核查技术规定）

（

试行

》

，

手工比对核查是

PM2.5

颗粒物质量浓度监测仪器常用

的校准方法手工监测

,

《

环境空气颗粒物

（

PM2.5

）

方法

（

重量法》

）

技术规范

（

HJ656

—

2013

）

对手工

监测方法

、。

步骤等进行了规范

手工比对核查存在以下问题工作量大

：、指空气动力学直径符合指定范围的粉尘和纯净水混合

时间长,

时效性差从而形成气溶胶颗粒罐

，、、 。

经过采样

运输，

分析等环节，

一般需要

几十个小时才能完成受环境因素影响大

；，

尤其温湿

度对采样

、 ，

分析等环节的影响很大

；

易受人的操作水

平的影响

，

重复性差"

］

。

1

校准装置的原理

粉尘发生器发出携带标准粒子的气溶胶，

与定

量的洁净空气混合

，

同时

PM10

切割器分离出粒径不

小于

10

pim

的粉尘气溶胶

，

与定量的洁净空气在混

匀室里充分混匀

，

保证各采样口之间的浓度差绝对值

不大于

6%,

再对颗粒物浓度测量仪进行标定

。

其中，

标准的质量浓度测量仪是基于

P

射线吸收原理的美

国热电公司生产的

EBAM-1020

设备

。

本研究设计了

基于气溶胶发生器的

PM2.5

颗粒物监测仪校准装置

，

其原理简图如图

1

所示

。

图

1

PM2.5

校准装置原理简图

PM2.5

校准装置核心部件包括气溶胶混匀管

、

PM10

切割器

、

气溶胶扩散干燥管质量流量计

、

（

两台

）

、

无油空气压缩机和气溶胶发生器

。

2

气溶胶发生器

气溶胶是指在气体介质中具有相对稳定的液滴

或固体颗粒物的悬浮物多分

。

其可以分为异分散型、

散型和单分散型

，

其中产生多分散型或单分散型的气

溶胶装置被称作气溶胶发生器

。

多分散型颗粒物的物

理和化学性质相同，

，

粒度不同而空气动力学性质取

决于气溶胶的颗粒度

；

单分散型气溶胶颗粒的物理和

-40-

化学性质相同粒度均匀且相同

，

，

空气动力学性质也

相同

。经气溶胶发生器产生的气溶胶颗粒分布范围保

持在

0.01|JLm

o

~

50.00

本方案所采用的设计原理是

压缩空气经进气口进入气溶胶发生器罐体内部并经

，

喷头喷出

，

在此过程中将粉尘水溶液

（

粉尘水溶液是

而成

），

碎裂

、

分散

最终

体内产生的气溶胶颗粒经顶部的出口流出

。

气溶胶发生器整体设计方案由四部分组成

即支

架

、

罐体

、为更好地获取气溶胶,

搅拌装置和气路系统

。

本方案的罐体下方采用磁体搅拌系统

，

罐体内部放置

磁体转子借助安装罐体外部的磁力搅拌电机转动带

，

动磁体转子搅动粉尘水溶液

，

获得更均匀的气溶胶颗

粒发生效果，

。本气溶

为方便后期添加粉剂和纯净水

胶发生器顶部专门设有加料口

，

必要时可打开盖子

。

本气溶胶发生器罐体采用全不锈钢制作。

，

防锈，

无磁性

3

PM10

切割器

PM10

切割器是指将空气动力学直径V

10

的颗粒物分离出来的装置

，

对于

PM10

切割器来说

，

10

是一个统计值

，

即空气动力学当量直径为

10

Rm

的颗粒物有

50%

的概率通过切割器

。

根据颗

粒物的分离原理不同

，

人们可以将切割器分为冲击式

第

3

期

杨怀飞等:基于气溶胶发生器的

PM2.5

颗粒物监测仪校准装置设计

©应用研究

扩散干燥器通常与气溶胶发生器连接

。

5

气溶胶混匀装置

气溶胶混匀装置是将气溶胶发生器产生的气溶

胶进行充分混匀

。

标准粒子在混匀管内与洁净气源提

供的空气混合，

，供被测仪

形成浓度确切的标准样品

器和标准仪器进行采样

。

混匀管底部是干燥后的气溶

胶进气口混匀管上部气溶

，

侧面为洁净气源进气口

。

胶出口连接被测仪器和标准仪器

。

其间通过对收集的

数据对比进行校准

。混匀装置装有压力传感器和温度

传感器

，

对管内数据进行实时监控

。

图

2

颗粒物分散热力图

仿真模拟是通过

ANSYS

大型通用有限元分析

(

Finite

ElementAnalysis

,

FEA

)

软件完成的，

本设

计主要运用

ANSYS

仿真软件进行气固两相流分析

，

通过设置边界条件模拟计算得到粒子运动轨迹

。

设计

中也通过

Fluent

仿真分析

，

对混匀管形状尺寸进行确

定

，

以达到理想的混匀效果

。

本设计主要仿真的是颗粒物在空气中的流动情

况

，

属于多相流问题

。

流体的运动状态一般有两种状况

层流和湍流

。

这两者可以用雷诺数来进行判别。

雷诺

数是惯性力和黏滞力的比值

。

若雷诺数小于某一值

，

则说明黏滞力对流场的作用大于惯性力

，

表明气流的

扰动比较小

，运动比较稳定

，

模拟过程中应为层流

；

反之

，则说明惯性力对流场

若雷诺系数大于某一值

，

的作用大于黏滞力

，

气流的扰动比较大

，

运动容易发

生紊乱

，

模拟过程应为湍流

。

雷诺系数的定义如式

(

1)

所示

。

Re=pvdlp.

(

1

)

式中

，

〃为流体的密度

；〃为

v

为流体的流速

；

黏性系数

，

〃为特征长度

。

本研究通过

Fluent

仿真粒子与空气的相对运动

，

形成颗粒物粒子的轨迹图

，

从而确定进气方向

，

调整

压力范围

，

最后设计完成整个均化室的机械布局

。

6

校准装置的电路设计

单片机选用了

STM32F103RCT6

处理器

。

STM32

以丰富的资源外设

，

具有高性能

、、

低成本

低功耗等

优点

，

占据了我国单片机市场的半壁江山

，

大大降低

了相关设计开发成本

。

硬件添加了

W25Q64

串行闪存,用于对数据的处理

、

存储校准技术系

。

其利用

STM32

丰富的外设控制

PM2.5

统的正常监测运行

。

板载电源选用

LM1117IMPX-3.3,

它是，

800

mA

的低压差线性稳压器

内部集成过热保护

和限流电路

，

是常见的单片机电源方案

。

7

校准装置的整体结构设计

校准装置的机柜尺寸为

600514X

mm mm

X

mm

1603

(长

XX

宽

高)

，

采用

1.5

mm

镀锌板和喷塑处理工艺

，

使得机柜具有良好的防锈蚀能力机柜两侧布设有散

。

热孔

，

内部件采用导轨安装方式

，

底部安装万向轮可

方便对机柜进行移动

。

8

结语

本校准装置已申请

1

项实用新型专利

，

专利号

为

2.3

o

该专利为我国颗粒物监测仪的校

准提供了参考方案“

，

为能实现生态环境部要求的

真

、

准、全

””

方向提供““

真准

”

和

参考的校准技术方案

。

参考文献

1

董李

宁，

，

陈益思

波

，

等•颗粒物切割器校

准装置的结构设计

[J].

检疫检验学科

，

2015

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：

73-75.

2

国家质量监督检验检疫总局

.PM2.5

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量仪校准规范：

：

JJF

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2017[S],

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中国标

准出版社

，

2017.

3

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GB/T

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—

2014[S].

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中国标准出版社

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2014.