[发明专利]一种大气颗粒物粒径和化学成分的实时在线测量系统及测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种大气颗粒物粒径和化学成分的实时在线测量系统及测量方法，特别适用于大气颗粒物的微物理和化学参数的快速非接触测量。

背景技术

随着我国经济的飞速增长和城市化进程不断加速，大气颗粒物是目前我国多数城市的首要污染物，灰霾污染呈显著上升趋势。目前，我国城市群大气污染为煤烟型与机动车尾气污染共存的特殊大气复合污染的类型，具有明显的局地污染和区域污染相结合、污染物之间相互耦合的特征，其表现为高浓度大气颗粒物使大气浑浊、能见度下降，“看不见蓝天”已成为许多城市的共同忧患，大气污染还给人体健康带来新的威胁，民众呼吸道疾病患病率显著上升。

近年来，我国大气颗粒物监测技术取得了较大的进步，特别是PM₁₀、PM_2.5质量浓度自动监测仪器生产形成了一定的规模。传统的大气颗粒物化学组分的测量方法主要有质谱、离子色谱（IC）、X射线、热光等方法，其中以质谱和离子色谱分析方法得到的颗粒物成份信息最为全面，但它们多采用离线的方式，前期处理工作较麻烦，还导致某些成分失活、测量精度降低，同时也存在仪器复杂、维护困难、价格昂贵等问题，难以大规模推广应用。市场上主要以安捷伦、岛津、赛默飞、布鲁克等厂商的仪器为主。

随着光学技术的日益发展，光散射技术已成为一种大气颗粒物的非接触快速测量技术，逐渐成为激光粒子计数器的主流测量方法之一，美国TSI、德国Grimm等公司也相继推出了商业化仪器。英国Biral公司利用粒形的方位角散射特性研发成功气溶胶粒形分析仪，可以10000s^-1的速度有效分析10μm以下的气溶胶粒子粒形信息。在专利方面，美国专利US5684585采用单一探测器分析颗粒物的散射特性与光学粒径的相互关系，形成光学粒子计数器，美国专利US5999257提出了一种利用后向散射光测量多个颗粒物的光浊度信息。目前，在大气颗粒物的在线监测方面，光散射技术还存在以下问题与不足：（1）光散射技术实现的是大气颗粒物的粒径和数浓度的测量，难以获取大气颗粒物的化学成分等信息；（2）现有的光散射粒径测量结果容易收到颗粒物折射率、粒子形状等参数的影响，从而降低了粒径测量的准确性；（3）难以同时获取单颗粒物的粒径和化学组成分信息。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提出一种基于多角度光散射原理的大气颗粒物粒径和化学成分的实时在线测量系统及测量方法，结构简单，可同时实现单颗粒物粒径和化学成分的实时非接触测量。

本发明的技术解决方案：基于多角度光散射原理的大气颗粒物粒径和化学成分的实时在线测量，其特征在于：测量系统包括激光器1、准直透镜2、光阑3、第一探测器4、第二探测器5、第三探测器6、第四探测器7、光阱8、信号处理电路9、计算机10，激光器1出射的激光经准直透镜2准直入射到采样颗粒物11上，散射光分别由与激光出射角度呈约15度、30度、140度、160度方向的第四探测器7、第三探测器6、第二探测器5、第一探测器4接收，直接透射的激光由光阱8吸收，第一探测器4、第二探测器5、第三探测器6、第四探测器7将接收到各角度上的光信号I₁、I₂、I₃、I₄分别转化为电信号并输入到信号处理电路9，由信号处理电路9将信号变化量放大并将信号峰值P₁、P₂、P₃、P₄分别输入计算机10。将P₄与标准光强-粒径关系曲线对照得出大气颗粒物粒径大小，将P₁/P₄、P₂/P₄、P₃/P₄比值与标准峰值比值-化学成分数据库比对得出大气颗粒物的化学成分信息。

所述激光器1采用半导体激光器，输出稳定光强的激光，以提高大气颗粒物的粒径测量精度。

所述准直透镜2采用非球面准直透镜，以达到最佳的激光准直效果。

所述第一探测器4、第二探测器5、第三探测器6、第四探测器7的接收角小于±4度，以确保各测量值的空间分辨率和有效性。

所述光阱8应实现出射激光的吸收效率大于0.99，以避免杂散光对各探测器信号测量结果的干扰。

所述采样颗粒物11应确保单个通过激光束，以避实现单个大气颗粒物信息的实时测量与分析。

一种大气颗粒物粒径和化学成分的实时在线测量方法，包括以下步骤：