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1、(10)申请公布号 CN 103335924 A (43)申请公布日 2013.10.02 CN 103335924 A *CN103335924A* (21)申请号 201210528187.3 (22)申请日 2012.12.10 G01N 15/06(2006.01) (71)申请人 江苏天瑞仪器股份有限公司 地址 215300 江苏省苏州市昆山市中华园西 路 1888 号天瑞产业园 (72)发明人 张苏伟 曹振阳 栾旭东 方军 吴升海 (74)专利代理机构 北京清亦华知识产权代理事 务所 ( 普通合伙 ) 11201 代理人 宋合成 贾玉姣 (54) 发明名称 大气重金属在线分析仪 (。
2、57) 摘要 本发明提出一种大气重金属在线分析仪， 包 括 ： 机壳 ； 颗粒物分离部， 颗粒物分离部固定在机 壳上且部分贯穿机壳以分离空气中颗粒物 ； 颗粒 物采集部， 颗粒物采集部设在机壳内且与颗粒分 离部相连通， 以在恒定流量工作环境中富集颗粒 物在采样载体上 ； 采样传输部， 采样传输部设在 机壳内以传输采样载体 ； XRF 检测部， XRF 检测部 设在机壳内以检测由采样传输部传输至 XRF 检测 部的采样载体， 以及处理机， 处理机根据 XRF 检测 部的检测结果输出分析数据。 由此， 根据本发明实 施例的大气重金属在线分析仪克服了现有技术中 需要将检测和测量分为两个步骤进行的缺点。
3、， 能 够完成固定站点或野外无人值守的大气颗粒物自 动监测任务， 实现连续、 在线、 自动监测且样品无 需预处理。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 5 页 附图 6 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书5页 附图6页 (10)申请公布号 CN 103335924 A CN 103335924 A *CN103335924A* 1/2 页 2 1. 一种大气重金属在线分析仪， 其特征在于 , 包括 ： 机壳 ； 颗粒物分离部， 所述颗粒物分离部固定在所述机壳上且部分贯穿所述机壳以分离空气 中颗粒物 ； 颗粒物采集部， 所述颗粒。
4、物采集部设在所述机壳内且与所述颗粒分离部相连通， 以在 恒定流量工作环境中富集所述颗粒物在采样载体上 ； 采样传输部， 所述采样传输部设在所述机壳内以传输所述采样载体 ； XRF检测部， 所述XRF检测部设在所述机壳内以检测由所述采样传输部传输至所述XRF 检测部的采样载体， 以及 处理机， 所述处理机根据所述 XRF 检测部的检测结果输出分析数据。 2. 根据权利要求 1 所述的大气重金属在线分析仪， 其特征在于， 所述颗粒物分离部包 括自上而下依次采用垂直插式硬链接方式相连的切割器、 上连接头、 延长管、 下固定座以及 贯穿所述机壳的连接管， 并且所述切割器、 上连接头、 延长管、 下固定。
5、座以及连接管内均设 有双 O 型密封圈。 3. 根据权利要求 2 所述的大气重金属在线分析仪， 其特征在于， 所述切割器包括 TSP、 PM2.5 和 PM10 切割器。 4. 根据权利要求 2 所述的大气重金属在线分析仪， 其特征在于， 所述颗粒物分离部还 包括通过伴热带缠绕在延长管上的加热模块。 5. 根据权利要求 2 所述的大气重金属在线分析仪， 其特征在于， 所述颗粒物采集部包 括 ： 顶压电机， 所述顶压电机将所述采样载体密封顶压在所述连接管下端口处 ； 温度传感器， 所述温度传感器检测所述颗粒物采集部内的温度 ； 压力传感器， 所述压力传感器检测所述颗粒物采集部内的压力 ； 气泵，。
6、 所述气泵将所述颗粒物从所述颗粒物分离部抽吸入所述颗粒物采集部内 ； 和 控制器， 所述控制器根据所述温度传感器和所述压力传感器的检测结果控制所述气泵 以形成恒定流量工作环境。 6. 根据权利要求 5 所述的大气重金属在线分析仪， 其特征在于， 所述顶压电机通过步 进电机向上移动所述顶压电机的上端部， 且所述顶压电机的的上端部的端面上设有在顶压 过程中在所述连接管与所述顶压电机之间形成密封的 O 型密封圈。 7. 根据权利要求 1 所述的大气重金属在线分析仪， 其特征在于， 所述采样传输部包括 ： 从动转盘， 所述从动转盘上缠绕有所述采样载体 ； 主动转盘 ； 所述主动转盘通过转动驱动所述采样。
7、载体运动 ； 和 多个转轮， 所述多个转轮与所述采样载体相接触以限定所述采样载体的位置。 8. 根据权利要求 7 所述的大气重金属在线分析仪， 其特征在于， 采样传输部还包括编 码器， 所述编码器通过所述采样载体的带动而转动， 产生脉冲计数以控制所述采样载体的 运动距离。 9.根据权利要求1所述的大气重金属在线分析仪， 其特征在于， 所述XRF检测部包括顺 序组成光路的高压光管、 滤光片组件、 准直器以及探测器， 且所述探测器与所述高压管位于 采样载体一侧。 权 利 要 求 书 CN 103335924 A 2 2/2 页 3 10. 根据权利要求 9 所述的大气重金属在线分析仪， 其特征在于。
8、， 所述滤光片组件包括 多组滤光片且所述多组滤光片自动切换滤光。 11. 根据权利要求 9 所述的大气重金属在线分析仪， 其特征在于， 所述 XRF 检测部还包 括自动校准装置， 所述自动校准装置具有多种元素烧结而成的校准片以校准所述 XRF 检测 部的检测结果。 12. 根据权利要求 1-11 中任一项所述的大气重金属在线分析仪， 其特征在于， 所述采 样载体为聚四氟乙烯滤纸。 权 利 要 求 书 CN 103335924 A 3 1/5 页 4 大气重金属在线分析仪 技术领域 0001 本发明涉及环境空气自动监测设备技术领域， 特别是涉及一种能在线连续采集大 气环境中的颗粒物中重金属并精确。
9、分析颗粒物重金属浓度的大气重金属在线分析仪。 背景技术 0002 大气中的重金属污染有自然来源和人为来源两种， 由宇宙天体作用及地球上各种 地质作用而使某些重金属元素进入大气中属于自然来源， 人为来源的重金属主要为工业生 产、 汽车尾气排放及汽车轮胎磨损产生的大量含重金属的有害气体和粉尘等 , 它们主要分 布在工矿的周围和公路、 铁路的两侧。 各种元素的两种来源间比例不同。 据统计,全球由自 然来源进入大气的重金属中 , 铅仅占其向大气总释放量 3.5% 左右， 镉所占的比例也很低 , 只有总释放量的 15%， 而铬、 铜的比例比较高， 分别约为 59% 和 44%。人为活动释放到大气中 的重。
10、金属铅、 镉、 镍、 钴、 铜的数量远大于它们的自然输入量。如 ： 人为来源的镉为 3100 12040t/a， 锌为 70250 193500t/a， 铅为 288700 376000t/a， 铜为 19860 50870t/a。 在多种复杂的途径中， 以化石燃料的燃烧和金属冶炼过程中的释放较为重要。大气中的重 金属可通过呼吸道、 消化道和皮肤等各种途径被动物吸收。当这些重金属在动物体内积累 到一定程度时 , 即会直接影响动物的生长发育、 生理生化机能， 直至引起动物的死亡， 同时 重金属也可以沿食物链通过消化系统被人体吸收， 对人群的危害极大。 0003 大气重金属以悬浮颗粒物的形态存在于。
11、大气中， 颗粒物的动力学直径从 0.1um 到 100um。通常 10um 以上的悬浮颗粒物很容易去除， 而且在大气中经过几个小时可沉积下来， 传输不远。而 10um 以下， 尤其是 2.5um 以下的悬浮颗粒物不容易去除， 而且在大气中可以 漂浮好几天甚至数月， 可以传输数百里甚至上千里， 危害最大。 0004 目前， 公知的大气重金属检测的是采用将大气颗粒物重金属的采集和测量两个步 骤分开的做法， 这种方法不论是采样还是实验室化学分析的工作量大、 自动化程度低、 不适 合进行远距离检测， 且如若取日均值时需连续采样 12 小时以上， 不能反映重金属连续时间 变化情况， 不能对沙尘暴等恶劣天。
12、气的变化进行实时的反映 ； 实验室分析方法需要大量的 采集样品， 样品经化学分析后被破坏掉， 无法进行后续研究， 同时受所监测重金属 （或类金 属） 元素种类限制， 采集样品只能一个或几个元素的分析。 发明内容 0005 本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一或至少提供一种有用的商 业选择。为此， 本发明的一个目的在于提出一种用于大气环境中 TSP 或 PM10 或 PM2.5 等颗 粒物中重金属精确测量且结构简单、 使用方便、 性能稳定的颗粒物重金属自动监测仪器。 0006 根据本发明实施例的一种大气重金属在线分析仪， 包括 ： 机壳 ； 颗粒物分离部， 所 述颗粒物分离部固定在所述。
13、机壳上且部分贯穿所述机壳以分离空气中颗粒物 ； 颗粒物采集 部， 所述颗粒物采集部设在所述机壳内且与所述颗粒分离部相连通， 以在恒定流量工作环 境中富集所述颗粒物在采样载体上 ； 采样传输部， 所述采样传输部设在所述机壳内以传输 说 明 书 CN 103335924 A 4 2/5 页 5 所述采样载体 ； XRF 检测部， 所述 XRF 检测部设在所述机壳内以检测由所述采样传输部传输 至所述XRF检测部的采样载体， 以及处理机， 所述处理机根据所述XRF检测部的检测结果输 出分析数据。 0007 由此， 根据本发明实施例的大气重金属在线分析仪克服了现有技术中需要将检测 和测量分为两个步骤进行。
14、的缺点， 能够完成固定站点或野外无人值守的大气颗粒物自动监 测任务， 实现连续、 在线、 自动监测且样品无需预处理。本发明的大气重金属在线分析仪结 构简单、 运行周期长、 维护方便、 监测和分析数据快速准确， 并且符合美国EPA IO-3.3标准。 0008 另外， 根据本发明上述实施例的大气重金属在线分析仪还可以具有如下附加的技 术特征 ： 0009 根据本发明的一个实施例， 所述颗粒物分离部包括自上而下依次采用垂直插式硬 链接方式相连的切割器、 上连接头、 延长管、 下固定座以及贯穿所述机壳的连接管， 并且所 述切割器、 上连接头、 延长管、 下固定座以及连接管内均设有双 O 型密封圈。 。
15、0010 根据本发明的一个实施例， 所述切割器包括 TSP、 PM2.5 和 PM10 切割器。 0011 根据本发明的一个实施例， 所述颗粒物分离部还包括通过伴热带缠绕在延长管上 的加热模块。 0012 根据本发明的一个实施例， 所述颗粒物采集部包括 ： 顶压电机， 所述顶压电机将所 述采样载体密封顶压在所述连接管下端口处 ； 温度传感器， 所述温度传感器检测所述颗粒 物采集部内的温度 ； 压力传感器， 所述压力传感器检测所述颗粒物采集部内的压力 ； 气泵， 所述气泵将所述颗粒物从所述颗粒物分离部抽吸入所述颗粒物采集部内 ； 和控制器， 所述 控制器根据所述温度传感器和所述压力传感器的检测结。
16、果控制所述气泵以形成恒定流量 工作环境。 0013 根据本发明的一个实施例， 所述顶压电机通过步进电机向上移动所述顶压电机的 上端部， 且所述顶压电机的的上端部的端面上设有在顶压过程中在所述连接管与所述顶压 电机之间形成密封的 O 型密封圈。 0014 根据本发明的一个实施例， 所述采样传输部包括 ： 从动转盘， 所述从动转盘上缠绕 有所述采样载体 ； 主动转盘 ； 所述主动转盘通过转动驱动所述采样载体运动 ； 和多个转轮， 所述多个转轮与所述采样载体相接触以限定所述采样载体的位置。 0015 根据本发明的一个实施例， 采样传输部还包括编码器， 所述编码器通过所述采样 载体的带动而转动， 产生。
17、脉冲计数以控制所述采样载体的运动距离。 0016 根据本发明的一个实施例， 所述 XRF 检测部包括顺序组成光路的高压光管、 滤光 片组件、 准直器以及探测器， 且所述探测器与所述高压管位于采样载体一侧。 0017 根据本发明的一个实施例， 所述滤光片组件包括多组滤光片且所述多组滤光片自 动切换滤光。 0018 根据本发明的一个实施例， 所述 XRF 检测部还包括自动校准装置， 所述自动校准 装置具有多种元素烧结而成的校准片以校准所述 XRF 检测部的检测结果。 0019 根据本发明的一个实施例， 所述采样载体为聚四氟乙烯滤纸。 0020 本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出， 部分。
18、将从下面的描述中变 得明显， 或通过本发明的实践了解到。 说 明 书 CN 103335924 A 5 3/5 页 6 附图说明 0021 本发明的上述和 / 或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变 得明显和容易理解， 其中 ： 0022 图 1 是根据本发明实施例的大气重金属在线分析仪的立体结构示意图 ； 0023 图 2 是根据本发明实施例的大气重金属在线分析仪的正视图 ； 0024 图 3 是根据本发明实施例的大气重金属在线分析仪的俯视图 ； 0025 图 4 是根据本发明实施例的大气重金属在线分析仪的颗粒物分离部的结构示意 图 ； 0026 图 5 是根据本发明实施例的大。
19、气重金属在线分析仪的颗粒物采集部的结构示意 图 ； 0027 图 6 是根据本发明实施例的大气重金属在线分析仪的采样传输部的结构示意图 ； 和 0028 图 7 是根据本发明实施例的大气重金属在线分析仪的 XRF 检测部的结构示意图。 具体实施方式 0029 下面详细描述本发明的实施例， 所述实施例的示例在附图中示出， 其中自始至终 相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。 下面通过参考附 图描述的实施例是示例性的， 旨在用于解释本发明， 而不能理解为对本发明的限制。 0030 在本发明的描述中， 需要理解的是， 术语 “中心” 、“纵向” 、“横向” 、“长度” 、“。
20、宽度” 、 “厚度” 、“上” 、“下” 、“前” 、“后” 、“左” 、“右” 、“竖直” 、“水平” 、“顶” 、“底” “内” 、“外” 、“顺时 针” 、“逆时针” 等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系， 仅是为了便于 描述本发明和简化描述， 而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、 以特 定的方位构造和操作， 因此不能理解为对本发明的限制。 0031 此外， 术语 “第一” 、“第二” 仅用于描述目的， 而不能理解为指示或暗示相对重要性 或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此， 限定有 “第一” 、“第二” 的特征可以明示或 者隐含地包括一个或者更多个该。
21、特征。在本发明的描述中，“多个” 的含义是两个或两个以 上， 除非另有明确具体的限定。 0032 在本发明中， 除非另有明确的规定和限定， 术语 “安装” 、“相连” 、“连接” 、“固定” 等 术语应做广义理解， 例如， 可以是固定连接， 也可以是可拆卸连接， 或一体地连接 ； 可以是机 械连接， 也可以是电连接 ； 可以是直接相连， 也可以通过中间媒介间接相连， 可以是两个元 件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言， 可以根据具体情况理解上述术语在本发 明中的具体含义。 0033 在本发明中， 除非另有明确的规定和限定， 第一特征在第二特征之 “上” 或之 “下” 可以包括第一和第二特。
22、征直接接触， 也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它 们之间的另外的特征接触。而且， 第一特征在第二特征 “之上” 、“上方” 和 “上面” 包括第一 特征在第二特征正上方和斜上方， 或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征 在第二特征 “之下” 、“下方” 和 “下面” 包括第一特征在第二特征正上方和斜上方， 或仅仅表 示第一特征水平高度小于第二特征。 0034 下面参考图 1-7 来描述根据本发明实施例的大气重金属在线分析仪。 说 明 书 CN 103335924 A 6 4/5 页 7 0035 根据本发明实施例的大气重金属在线分析仪， 包括颗粒物分离部 10、 颗粒物采。
23、集 部 20、 采样传输部 30、 XRF 检测部 40、 机壳 50 以及处理机 （图中未示） 。 0036 具体而言， 如图 1-3 所示， 颗粒物分离部 10 固定在机壳 50 上且部分贯穿机壳 50 以吸收大气中的空气并分离空气中颗粒物。 0037 颗粒物采集部 20 设在机壳 50 内且与颗粒分离部 10 相连通， 以在恒定流量工作环 境中富集颗粒物在采样载体 60 上。 0038 采样传输部 30 设在机壳 50 内以传输采样载体 60 至 XRF 检测部 40， XRF 检测部 40 设在机壳 50 内以检测采样载体上的重金属颗粒， 并将检测结果发送至处理机。 0039 处理机可。
24、以为电脑， 根据检测结果输出重金属颗粒分析数据， 例如重金属颗粒浓 度等。 0040 由此， 根据本发明实施例的大气重金属在线分析仪克服了现有技术中需要将检测 和测量分为两个步骤进行的缺点， 能够完成固定站点或野外无人值守的大气颗粒物自动监 测任务， 实现连续、 在线、 自动监测且样品无需预处理。本发明的大气重金属在线分析仪结 构简单、 运行周期长、 维护方便、 监测和分析数据快速准确， 并且符合美国EPA IO-3.3标准。 0041 根据本发明的一个实施例， 如图 4 所示， 颗粒物分离部 10 包括自上而下依次采用 垂直插式硬链接方式相连的切割器 11、 上连接头 12、 延长管 13、。
25、 下固定座 14 以及贯穿机壳 50的连接管15。 为了保证上述部件之间连接的气密性， 切割器11、 上连接头12、 延长管13、 下固定座 14 以及连接管 15 内均设有双 O 型密封圈。 0042 大气中的空气通过颗粒物分离部 10 进入到机壳 50 内， 在空气经过切割器 11 时， 具有一定动力学直径范围内的颗粒物被从空气中分离出来。切割器 11 可以根据检测需要 包括针对不同动力学直径的切割器， 例如可以包括 TSP、 PM2.5 和 PM10 切割器。通过 TSP、 PM2.5 和 PM10 切割器可分别将具有 TSP、 PM10 和 PM2.5 动力学直径的颗粒物从空气中分离 。
26、出。 0043 分离出的颗粒物继续沿上连接头 12、 延长管 13、 下固定座 14 以及连接管 15 流动 至颗粒物采集部 20。 0044 颗粒物分离部 10 还可以包括通过伴热带缠绕在延长管 13 上的加热模块 16， 加热 模块16通过对延长管13进行加热， 对进入系统温度进行控制， 进而实现对采集气体湿度控 制的目的。 0045 由此， 根据本发明的颗粒物分离部 10， 可以将一定动力学直径范围内 （TSP、 PM10 和 PM2.5） 的颗粒物自动从空气中分离出来， 例如空气中的铅、 铁、 镉、 铬、 砷等多种重金属， 便于后续步骤中对上述重金属颗粒检测和分析。 0046 如图 5。
27、 所示， 颗粒物采集部 20 包括 ： 顶压电机 21、 温度传感器 22、 压力传感器 23、 控制器 24 和气泵 25。 0047 顶压电机21设在连接管15的下方， 并通过步进电机向上移动其上端部。 顶压电机 21的上端部的端面上设有在顶压过程中通过自身的变形在连接管15与顶压电机21之间形 成气路密封的 O 型密封圈。因此顶压电机 21 在将采样载体 60 顶压至连接管 15 的下端口 处后采样载体 60 在密封环境中采集颗粒物， 不会造成漏气从而影响检测和分析的准确性。 0048 顶压电机21、 温度传感器22、 压力传感器23、 控制器24和气泵25通过连接头和管 路依次相连通，。
28、 气泵 25 通过抽吸动作将被分离出的颗粒物从颗粒物分离部 10 内吸出并被 说 明 书 CN 103335924 A 7 5/5 页 8 富集到采集载体 60 上。 0049 温度传感器 22 用于检测颗粒物采集部 20 的管路内的温度， 而压力传感器 23 用于 检测颗粒物采集部 20 的管路内的压力。控制器 24 根据温度传感器 22 和压力传感器 23 的 检测结果控制气泵抽吸力以在管路内形成恒定流量的工作环境。 这样有利于采集颗粒物的 准确性。 0050 采样载体 60 可以为能够采集重金属颗粒物的多种滤纸， 优选采用聚四氟乙烯滤 纸。 0051 如图 6 所示， 采样传输部 30 。
29、可以采用卷纸传输装置， 且包括 ： 从动转盘 31、 主动转 盘 32、 多个转轮 33 和编码器 34。 0052 从动转盘 31 上缠绕有采样载体 60， 主动转盘通过自身的转动驱动采样载体 60 运 动， 进而带动从动转盘 31 转动。多个转轮 33 分别设置并与采样载体 60 相接触以限定采样 载体 60 的位置， 进而保证采样载体 60 能够带动从动盘 31 的转动。 0053 编码器 34 通过与采样载体 60 的摩擦力而被采样载体 60 带动， 通过编码器 34 的 转动而产生脉冲计数以便精准地控制采样载体 60 的运动距离， 从而保证了采样载体 60 能 够精准地传输至 XRF。
30、 检测部。 0054 如图 7 所示， XRF 检测部 40 包括顺序组成光路的高压光管 41、 滤光片组件 42、 准 直器 43、 探测器 44 和自动校准装置 45。探测器 44 与高压光管 41 位于采样载体 60 一侧。 0055 XRF 检测部 40 利用 XRF 技术对送至的采样载体 60 进行分析。XRF 检测部 40 在检 测前先进行自动校准， 防止由于检测部的问题导致检测结果不准。自动校准装置 45 通过多 种纯元素烧结而成特殊校准片并利用电机实现校准片自动伸缩以完成对 XRF 检测部 40 的 校准， 使测量结果准确并排除杂质元素的干扰。 0056 滤光片组件 42 包括。
31、多组滤光片且多组滤光片通过自动切换分别对 XRF 检测部 40 的光路进行滤光。高压光管 41 通过可自动切换的滤光片组件 42， 并通过准直器 43 激发采 样载体60上的颗粒物样品， 由探测器44接收信号并传输到处理机进行处理分析， 最后输出 数据。处理机可以采用与 XRF 检测部 40 通过无线或有线连接的电脑。由此， XRF 检测部 40 检测重金属颗粒物在 X 射线激发下产生的 X 荧光。样品无需预处理。 0057 本发明实施例的大气重金属在线分析仪的其他构成可以是本领域技术人员已知 的， 在此不再赘述。 0058 在本说明书的描述中， 参考术语 “一个实施例” 、“一些实施例” 、。
32、“示例” 、“具体示 例” 、 或 “一些示例” 等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、 结构、 材料或者特 点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中， 对上述术语的示意性表述不 一定指的是相同的实施例或示例。而且， 描述的具体特征、 结构、 材料或者特点可以在任何 的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。 0059 尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例， 可以理解的是， 上述实施例是示例 性的， 不能理解为对本发明的限制， 本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨 的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、 修改、 替换和变型。 说 明 书 CN 103335924 A 8 1/6 页 9 图 1 说 明 书 附 图 CN 103335924 A 9 2/6 页 10 图 2 说 明 书 附 图 CN 103335924 A 10 3/6 页 11 图 3 说 明 书 附 图 CN 103335924 A 11 4/6 页 12 图 4 说 明 书 附 图 CN 103335924 A 12 5/6 页 13 图 5 图 6 说 明 书 附 图 CN 103335924 A 13 6/6 页 14 图 7 说 明 书 附 图 CN 103335924 A 14 。