CN106092834B - 大气细颗粒物在线源解析系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种大气细颗粒物在线源解析系统，该系统包括中心处理模块、工业控制模块和采样分析模块，其中采样分析模块用于根据工业控制模块的控制动作对目标地区的特征污染源进行采样分析得到第一数据，对该地区的气态污染物和细颗粒物进行实时采样分析得到第二数据，以及发送第一和第二数据到工业控制模块；工业控制模块与中心处理模块相连，用于接收并发送第一和第二数据到中心处理模块，接收并执行中心处理模块的控制指令；中心处理模块用于生成和发送控制指令，接收和存储第一和第二数据，将第一和第二数据进行比照从而实现大气细颗粒物在线源解析。本发明还公开了一种应用上述系统的大气细颗粒物在线源解析方法。

Description

大气细颗粒物在线源解析系统及方法

技术领域

本发明涉及环境监测领域。更具体地，涉及一种大气细颗粒物在线源解析系统及方法。

背景技术

在干洁的大气中，恒量气体的组成是微不足道的。但是在一定范围的大气中，出现了原来没有的微量物质，其数量和持续时间，都有可能对人、动物、植物及物品、材料产生不利影响和危害。当大气中污染物质的浓度达到有害程度，以至破坏生态系统和人类正常生存和发展的条件，对人或物造成危害时就构成了大气污染。造成大气污染的原因，既有自然因素又有人为因素，尤其是如工业废气排放、生物质燃烧和机动车尾气等特征污染源和细颗粒物造成的污染成为当今各国关注的重点和监测的对象。

近年来随着我国城市化进程的加快，大量的污染物排放成为城市大气颗粒物污染的直接诱因。大城市高楼林立，地表粗糙度增加，城市冠层抬升，热岛效应显著，局地环流增强，扩散能力减弱，大气边界层结构日趋复杂，跨界输送、相互污染越来越严重，大、中和小城市并驾齐驱发展，缺乏城市群区域整体规划，使城市之间的缓冲带越变越窄，大气污染物容量急剧下降，造就了城市时常淹没于雾霾之中的视觉冲击。近年来各级政府一直致力于节能减排工作，但我国目前仍是耗能大国，能源消耗仍然是有增无减，是全球大气污染物排放最严重的国家之一。特别随着中国城市群区域不断发展，人为排放和光化学过程产生的细粒子作为凝结核，相对少量的水汽就有可能使颗粒物发生碰并和吸湿增长，导致大气能见度急剧下降。以北京为例，由于特殊的地形和气候条件，在秋冬季节形成区域性霾天的机率较大。城市区域大气近地层出现逆温时，一次排放的颗粒物和气态污染物通过均相/非均相化学反应生成的二次细颗粒物累积在近地面层难以及时扩散，从而易形成霾污染；当湿度较大时，颗粒物吸湿增长转化产生城市雾，雾滴吸收大量有毒、有害化学物质，更容易造成城市大气严重污染事件，而当大气中水分蒸散，雾又转化为霾，这种反复交互过程可形成区域长时间重污染。

此外，细颗粒物对污染物有明显的富集作用，尤其是细颗粒物中的有机碳、水溶性离子、有害元素等化学成分对人体健康及生态环境造成极大威胁。因此，细颗粒物的污染控制至关重要，要想对细颗粒物污染进行合理有效的控制，就必须弄清楚其来源，也就是对其进行源解析。来源不同的细颗粒物，其化学组成具有显著的差异，因此对细颗粒物中化学成分监测成为其源解析的重要技术手段。目前对细颗粒物的源解析方法和技术是基于膜采样-实验室分析技术，即使用采样器采样后送入实验室分析的传统离线分析方法，不能够对细颗粒物化学成分进行在线监测，无法满足人们日益增长的对细颗粒物化学成分含量及变化趋势实时感知的需求，也无法对源解析研究进行有力的支撑。另外，现有方法中针对某种特性是基于部分化学物种完成的源解析，具有其局限性。

针对国内大气细颗粒物污染状况和减排控制的迫切需求，为大气细颗粒物污染控制达标工作提供基础技术和本地化的源谱成为一种当前大气污染物监测工作的目标之一，因此，需要提供一种大气细颗粒物在线来源解析系统及方法。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种大气细颗粒物在线源解析系统。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种大气细颗粒物在线源解析系统，该系统包括中心处理模块、工业控制模块和采样分析模块。

采样分析模块用于根据所述工业控制模块的控制动作对目标地区的特征污染源进行采样分析得到第一数据，对该地区的气态污染物和细颗粒物进行实时采样分析得到第二数据，以及发送第一和第二数据到所述工业控制模块；

工业控制模块与中心处理模块相连，用于接收并发送第一和第二数据到中心处理模块，并接收并执行中心处理模块的控制指令；

中心处理模块用于生成和发送控制指令，接收和存储第一和第二数据，将第一和第二数据进行比照从而实现大气细颗粒物在线源解析。

优选地，工业控制模块包括通讯单元和控制单元。

通讯单元与中心处理模块相连，用于接收中心处理模块发送的控制指令，接收采样分析模块发送的第一和第二数据并将第一和第二数据发送给中心处理模块。

控制单元与通讯单元和采样分析模块相连，用于接收通讯单元发送的控制指令并对采样分析模块执行控制指令。

采样分析模块用于根据工业控制模块的控制动作完成采样分析过程，发送数据信息到工业控制模块。

采样分析模块包括采样稀释单元、第一采样分析单元和第二采样分析单元。

采样稀释单元用于对特征污染源进行采样和稀释，所述特征污染源包括生物质燃烧、机动车和工业排放。

优选地，采样稀释单元包括采样部和稀释部。

采样部包括第一进样口、第二进样口和第三进样口，第一进样口采集的生物质燃烧排放气体和细颗粒物经第一电磁控制启动阀和第一干燥管进入采集室，第二进样口采集的机动车排放气体和细颗粒物经第二电磁控制启动阀和第二干燥管进入采集室，第三进样口采集的工业排放气体和细颗粒物经第三电磁控制启动阀和第三干燥管进入采集室；

稀释部包括混合室和惰性气体源，其中采集室内的气体和细颗粒物在机械泵的作用下通过第一压力传感器和第一质流量控制器进入所述混合室，惰性气体源提供的惰性气体通过第四电磁控制启动阀、第二压力传感器和第二质流量控制器进入混合室，稀释部用于对采集室内的气体和细颗粒物与惰性气体源提供的惰性气体进行混合，产生特定混合比的气体和细颗粒物与惰性气体的混合气；

优选地，稀释部还包括设置在混合室上的恒压装置；

优选地，采样稀释单元设置在可调温控箱内部。

第一采样分析单元与采样稀释单元相连，用于对气态污染物进行采样和分析。

优选地，第一采样分析单元包括气态污染物采样部、气路分配部、颗粒物过滤部和气态污染物分析部。

气态污染物采样部为气体采样器；

气路分配部包括第一、第二、第三、第四和第五三通电磁阀，各三通电磁阀统一设置为第一端与气体采样器相连，第二端与混合室相连；

颗粒物过滤部包括第一、第二、第三、第四和第五颗粒过滤器，其输入端分别与对应三通电磁阀的第三端相连；

气态污染物分析部包括与第一颗粒过滤器输出端相连的氮氧化物分析仪、与第二颗粒过滤器输出端相连的氨分析仪、与第三颗粒过滤器输出端相连的二氧化硫分析仪、与第四颗粒过滤器输出端相连的二氧化碳分析仪和与第五颗粒过滤器输出端相连的一氧化碳分析仪。

第二采样分析单元与采样稀释单元相连，用于对细颗粒物进行采样和分析。

优选地，第二采样分析单元包括细颗粒物采样部、气路分配部、切割部和细颗粒物分析部。

细颗粒物采样部为细颗粒物采样管；

气路分配部包括第一等流速分流器、第二等流速分流器、气溶胶发生器，第六、第七、第八、第九和第十三通电磁阀，第一等流速分流器输入端与所述细颗粒物采样管相连，第一等流速分流器输出端与第六、第七、第八和第九三通电磁阀第一端分别相连，第十三通电磁阀的三端分别与混合室、气体溶胶发生器和第二等流速分流器输入端相连，第二等流速分流器输出端与第六、第七、第八和第九三通电磁阀第二端分别相连；

切割部包括第一、第二、第三和第四切割器，其输入端分别与第六、第七、第八和第九三通电磁阀的第三端相连；

细颗粒物分析部包括与第一切割器输出端相连的水溶性盐分析仪、与第二切割器输出端相连的元素碳和有机碳分析仪、与第三切割器输出端相连的金属元素分析仪、与第四切割器输出端相连的细颗粒物质量浓度分析仪和采样泵，其中采样泵与各分析仪相连，用于调整采样时间。

优选地，控制指令包括采样、气路开关或切换、气态污染物和细颗粒物及其化学组分分析指令；第一和第二数据包括环境气象参数、气态污染物浓度、细颗粒物质量浓度和细颗粒物化学组分数据信息。

优选地，气态污染物包括二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳、二氧化碳和氨，细颗粒物中组分包括氯离子、氟离子、硝酸根离子、硫酸根离子、亚硝酸根离子、钾离子、钠离子，钙离子，镁离子、铵离子、元素碳、有机碳、K元素、Ca元素、Ti元素、V元素、Cr元素、Mn元素、Fe元素、Co元素、Ni元素、Cu元素、Zn元素、Ga元素、Ge元素、As元素、Se元素、Br元素、Rb元素、Sr元素、Y元素、Mo元素、Ag元素、Cd元素、In元素、Sn元素、Sb元素、Ba元素、Pt元素、Au元素、Hg元素、Tl元素、Pb元素和Bi元素。

本发明的另一个目的在于提供一种大气细颗粒物在线来源解析方法。

一种使用上述在线源解析系统的大气细颗粒物在线源解析方法，该在线源解析方法包括以下步骤：

Step1：中心处理模块发出第一调试指令，工业控制模块接收该指令并控制整个系统进入调试状态，工业控制模块控制阀电磁阀打开，惰性气体冲洗整个管路；

Step2：中心处理模块发出第二调试指令，工业控制模块接收该指令并控制第一和第二采样分析单元进入调试状态，测定整个大气细颗粒物在线源解析系统背景浓度；

Step3：中心处理模块发出特征污染源采样稀释指令，工业控制模块接收指令并对特征污染源进行采样和稀释；第一和第二采样分析单元进入工作状态，测定研究地区特征污染源中多种污染物浓度，得到第一数据，并将第一数据通过工业控制模块传输至中心处理模块，中心处理模块根据第一数据得到特征污染源的成分谱，建立本地特征成分谱库，为源解析工作提供验证依据；

Step4：调整惰性气体和单一或者混合污染源样品的比例和进气总流量，保证惰性气体和污染源样品的总流量大于系统观测需求流量；

Step5：中心处理模块同时设置和监控每一路气体的进样量；

Step6：以一定时间分辨率或不同温度下采集分析并测定污染源排放的大气污染物浓度；

Step7：中心处理模块发出大气细颗粒物源解析指令；第一和第二采样分析单元进入源解析工作状态，测定研究地区大气中细颗粒物质量浓度、化学组分和气态污染物浓度，得到第二数据，将第一和第二数据进行比照并进行判断和分析，提供源解析结果；

Step8：中心控制计算机同时设置和监控每一路气体的进样量；

Step9：以设定时间分辨率采集分析并测定大气污染物浓度；

Step10：重复步骤Step7、Step8和Step9，获取采样分析时段大气污染物的变化特征和通过正交矩阵因子分析方法对数据进行统计分析，给出大气颗粒物的源解析结果。

优选地，时间分辨率为小时或天。

本发明的有益效果如下：

1.本发明所采用的中心处理模块生成并发送工控指令，对采样、气路开关或切换、质流量控制器的精确控制、气态污染物采集和分析、细颗粒物样品采集与细颗粒物化学组分分析进行统一控制，接收并存储工业控制模块组发来的含有环境气象参数、气态污染物、细颗粒物质量和细颗粒物化学组分浓度数据，结合气态污染物、气溶胶浓度和气溶胶化学组分组成一体化在线检测设备，实现细颗粒物的在线源解析，能够满足大气污染物和污染源监测与细颗粒物源解析的需要

2.本发明中气路逻辑分配器的使用实现了细颗粒物样品在不同检测仪器间的切换，同时兼顾系统的标定。气路逻辑分配器通过三通电磁阀不同状态的组合，分别完成细颗粒物样品和气态污染物浓度分析和系统标定的转换，完成多种成分同时分析，获取更多的数据量，等流速分配器为精确测量和数据质量提供了可靠保证。

3.本发明提出了一套特征污染源排放因子观测系统，适用于获取不同污染源的成分谱，能够自动连续原位观测不同污染源(机动车，工业排放或生物质燃烧等)气体污染物和细颗粒物排放的技术设备系统。该系统将在线源解析技术与2射线吸收技术、快速捕集后进行的离子色谱分析技术、逐步升温后进行的非色散红外技术和X荧光衍射分析技术结合起来，能同时进行二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳、二氧化碳、氨、氯离子、氟离子、硝酸根离子、硫酸根离子、亚硝酸根离子、钾离子、钠离子，钙离子，镁离子和铵离子、元素碳、有机碳、K元素、Ca元素、Ti元素、V元素、Cr元素、Mn元素、Fe元素、Co元素、Ni元素、Cu元素、Zn元素、Ga元素、Ge元素、As元素、Se元素、Br元素、Rb元素、Sr元素、Y元素、Mo元素、Ag元素、Cd元素、In元素、Sn元素、Sb元素、Ba元素、Pt元素、Au元素、Hg元素、Tl元素、Pb元素和Bi元素的观测。这是一套可鉴别特征污染源成分谱并能服务于细颗粒物源解析研究工作的连续观测的自动系统，数据有效率达90％以上。

4.本发明的系统精度高、准确可靠，减少观测人员的劳动强度和工作量。本发明能够原位获取不同特征污染物源的细颗粒物化学组分和气态污染物长期同步观测有效数据，是研究复合型大气污染等突出环境问题，实施多种大气污染物综合控制和深化颗粒物污染控制的基础，也是获取验证模型的实测数据和参数，以及实施国家节能减排措施非常必要的检测技术手段。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出大气细颗粒物在线源解析系统结构示意图。

图2示出大气细颗粒物在线源解析系统指令数据流。

图3示出大气细颗粒物在线源解析系统控制关系示意图。

图4示出大气细颗粒物在线源解析系统气路结构示意图。

图5a示出大气细颗粒物在线源解析系统第一采样分析单元结构示意图。

图5b示出大气细颗粒物在线源解析系统第二采样分析单元结构示意图。

图5c示出大气细颗粒物在线源解析系统采样稀释单元结构示意图。

图6示出大气细颗粒物在线源解析系统开启状态工作示图。

图7a示出大气细颗粒物在线源解析系统清洗管路示意图。

图7b示出大气细颗粒物在线源解析系统测试细颗粒物采集分析系统状态工作示意图。

图7c示出为本发明气态污染物和细颗粒物采样分析部源解析工作示意图。

图8示出等流速分配器示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

图1示出大气细颗粒物在线源解析系统结构示意图，该系统由中心处理模块1、工业控制模块2和采样分析模块3组成，其中：

选用工业控制计算机作为中心处理模块1，与工业控制模块2通过RS232接口连接，通过中心处理模块1中的工控组态软件编写程序，生成并发送工控指令，工业控制模块2通过该工控指令对系统进行控制。具体表现为：工业控制模块2对采样分析模块3的气路开关切换、采样、分析和稀释等工控指令进行电压转换，生成并输出控制采样分析模块多路开关信号、气路逻辑分配信号和控制采集分析的多路开关电压信号。

上述电压信号用于：1.控制采样分析模块按照工控指令进行自动开启与关闭；2.用于控制采样分析模块按照工控指令对特征污染源排放因子观测管线输送的气态污染物和细颗粒物化学组分样品进行采样；3.用于对气态污染物(包括二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳、二氧化碳和氨)和细颗粒物中组分(包括氯离子、氟离子、硝酸根离子、硫酸根离子、亚硝酸根离子、钾离子、钠离子，钙离子，镁离子、铵离子、元素碳、有机碳、K元素、Ca元素、Ti元素、V元素、Cr元素、Mn元素、Fe元素、Co元素、Ni元素、Cu元素、Zn元素、Ga元素、Ge元素、As元素、Se元素、Br元素、Rb元素、Sr元素、Y元素、Mo元素、Ag元素、Cd元素、In元素、Sn元素、Sb元素、Ba元素、Pt元素、Au元素、Hg元素、Tl元素、Pb元素和Bi元素)进行分析。

中心处理模块1接收并存储工业控制模块2发送的数据信息，并根据数据信息进行数据统计分析，其中，数据信息为包括环境气象参数、气态污染物浓度和细颗粒物浓度及化学组分数据的模拟信号。

图2示出大气细颗粒物在线源解析系统指令数据流。图中实线代表工控指令，虚线代表数据信息。指令流为：中心处理模块1生成的工控指令通过工业控制模块2中的通讯单元21传输到控制单元22，控制单元22对采样分析模块3中的各单元进行控制；数据流为：采样分析模块3中各单元获取的数据信息通过工业控制模块2中的通讯单元21传输至中心处理模块1，中心处理模块1根据该数据信息进行数据统计分析，得到大气细颗粒物在线源解析结果。

图3示出大气细颗粒物在线源解析系统控制关系示意图。工业控制模块2中控制单元22分为第一控制单元2201、第二控制单元2202和第三控制单元2203，其中，第一控制单元2201通过第一气路逻辑分配器Q1控制采样分析模块3中的第一采样分析单元31；第二控制单元2202通过第二气路逻辑分配器Q2控制采样分析模块3中的第二采样分析单元32，第三控制单元2203控制采样分析模块3中的采样稀释单元33。

通讯单元21与中心处理模块1通过接口连接，通过通讯总线与第一控制单元2201、第二控制单元2202和第三控制单元2203并行连接；通讯单元21接收中心处理模块1的工控指令，将工控指令传输给第一控制单元2201、第二控制单元2202和第三控制单元2203；通讯单元21接收第一控制单元2201、第二控制单元2202和第三控制单元2203发送的模拟信号并传输给中心处理模块1。

第一控制单元2201与第一气路逻辑分配器Q1连接，接收工控指令并转化为开关量信号，根据气体分析的工控指令，生成并输出对第一气路逻辑分配器Q1进行控制的控制信号，进而控制第一采样分析单元31，实现气体样品按照设定程序进入各检测仪器。另外，第一控制单元2201还接收第一采样分析单元31生成的具有大气污染物浓度的电压信号，并将该电压信号转换为模拟信号通过通讯单元21发送给中心处理模块1。

第二控制单元2202与第二气路逻辑分配器Q2连接，根据细颗粒物分析的工控指令，生成并输出对第二气路逻辑分配器Q2进行控制的控制信号，进而控制第二采样分析单元32，实现细颗粒物样品按照设定程序进入细颗粒物分析仪、水溶性离子分析仪、元素碳有机碳分析仪和金属元素分析仪。另外，第二控制单元2202还接收第二采样分析单元32生成的具有细颗粒物浓度和化学组分的电压信号，并将该电压信号转换为模拟信号通过通讯单元21发送给中心处理模块1。

第三控制单元2203接收特征污染源采样稀释的工控指令，生成并输出实现特征污染源采样稀释的顺序关闭和顺序打开的控制信号，用于控制采样稀释单元33的打开或关闭。另外，第三控制单元2203还接收采样稀释单元33输出的具有环境气象参数的电流信号并生成数字模拟信号，通过通讯单元21将该数字模拟信号发送给中心处理模块1。

图4示出大气细颗粒物在线源解析系统气路结构示意图。采样分析模块3包括采样稀释单元33、第一采样分析单元31和第二采样分析单元32。

如图5c所示，采样稀释单元33用于对特征污染源进行采样和稀释，本实施例中特征污染源为生物质燃烧、机动车和工业排放。

采样稀释单元33包括采样部和稀释部。

采样部包括第一进样口、第二进样口和第三进样口，第一进样口采集的生物质燃烧排放气体和细颗粒物经第一电磁控制启动阀AS和第一干燥管进入采集室C，第二进样口采集的机动车排放气体和细颗粒物经第二电磁控制启动阀BS和第二干燥管进入采集室C，第三进样口采集的工业排放气体和细颗粒物经第三电磁控制启动阀CS和第三干燥管进入采集室C。

稀释部包括混合室M和惰性气体源，其中采集室C内的气体和细颗粒物在机械泵的作用下通过第一压力传感器和第一质流量控制器进入混合室M，惰性气体源提供的惰性气体通过第四电磁控制启动阀、第二压力传感器和第二质流量控制器进入混合室M，稀释部用于对采集室C内的气体和细颗粒物与惰性气体源提供的惰性气体进行混合，产生特定混合比的气体和细颗粒物与惰性气体的混合气。

稀释部还包括设置在混合室M上的恒压装置。

采样稀释单元33设置在可调温控箱内部。

通过机械泵导入污染源排放的大气污染物与惰性气体在混合室M混匀，流量为每分钟60升(该比例按实际需要改变)。大气污染物的输出端口分别与五个四通电磁阀相连，当污染源排放的污染物稀释完成，与开启细颗粒物采集与分析单元和大气污染物单元通道，进入采集分析状态。

混合室M由20cm×20cm×20cm石英玻璃加工而成，包括多个进气口和一个出气口，出气孔有个恒流放空装置，保证整个系统压力平衡，本实施例和附图以三种污染源为例，因此混合室M进气口也设置为三个，三个进气孔与干燥管相连，确保样品去除水蒸汽，另外整个稀释系统的加热装置能够与采样口温度相同，应注意的是，本发明并不限于三种污染源。

为了保证稀释的污染源从出气口按照流量设定稳定流出，质流量控制器的进气口和和出气口存在的压力差保持在0.05-0.10MP之间。因此既要保证混合室M内部存在压力，即进气量总流速略大于出气口流速，同时还要保证不会因为压力大过大而影响污染源样品与惰性气体完全混合；因此在气体混合罐上安装了一个压力表和恒压装置。恒压装置为一段密闭的管状容器，内有活塞可随压力增大而向上移动，当气体混合罐中压力累积一定压力，恒压阀的活塞会被往上推，弹簧则会给活塞一个反向作用力。当压力将活塞推到一定位置(罐内压力约为0.2MPa)时，经过管壁一个细小的排气孔，过多的压力将会从排气孔释放，活塞被弹簧重新被推回排气孔以下的位置，使整个腔体恢复封闭状态。该过程反复进行，保证了混合气罐内部保持正压，并且压力在较小的范围内波动，有效保证所有的质量流量计的正常运行。同时为避免因温度引起的惰性气体和污染源排放混合污染物的压力变化，气体混合罐可以安置在可调温控箱内。可调温控箱由密集缠绕在混合室M上的加热电阻材料、保温材料、罩壳和温度控制显示表组成。加热电阻材料的温度可以通过温度控制显示表设置、保温材料和罩壳使温度保持在设置范围内。如此可以使混合气体先达到一个预设温度再进入采样分析单元，保证混合温度与污染源排放温度相同。

流量控制部分包括混合室M与两个质量流量计相连，两个压力传感器的电压模拟输出量与工程控制模块相连，工程控制模块和计算机相连。本实施例中使用模拟量输出单元为研华Advantech，型号为ADAM-4021，模拟量输入单元为研华Advantech，型号为ADAM-4017。

通讯单元为485模块，工业控制模块具体还包括开关量单元、模拟量单元、双路开关电源和交流发光管指示灯。控制终端包括固态继电器、直流开关电源、交流发光管指示灯、电源插座和三刀开关。

如图5a所示，第一采样分析单元31与采样稀释单元33相连，用于对气态污染物进行采样和分析。第一采样分析单元31包括气态污染物采样部、气路分配部、颗粒物过滤部和气态污染物分析部。

气态污染物采样部为气体采样器。

气路分配部包括第一三通电磁阀1、第二三通电磁阀2、第三三通电磁阀3、第四三通电磁阀4和第五三通电磁阀5(第一气路逻辑分配器Q1)，各三通电磁阀统一设置为一端与气体采样器相连，另一端与混合室相连。

颗粒物过滤部包括第一、第二、第三、第四和第五颗粒过滤器，其输入端分别与对应三通电磁阀的第三端相连。

气态污染物分析部包括与第一颗粒过滤器输出端相连的氮氧化物分析仪、与第二颗粒过滤器输出端相连的氨分析仪、与第三颗粒过滤器输出端相连的二氧化硫分析仪、与第四颗粒过滤器输出端相连的二氧化碳分析仪和与第五颗粒过滤器输出端相连的一氧化碳分析仪。

如图5b所示，第二采样分析单元32与采样稀释单元33相连，用于对细颗粒物进行采样和分析。第二采样分析单元32包括细颗粒物采样部、气路分配部、切割部和细颗粒物分析部。

细颗粒物采样部为细颗粒物采样管。

气路分配部包括第一等流速分流器、第二等流速分流器、气溶胶发生器，第六三通电磁阀6、第七三通电磁阀7、第八三通电磁阀8、第九三通电磁阀9和第十三通电磁阀10(第二气路逻辑分配器Q2)，第一等流速分流器输入端与所述细颗粒物采样管相连，第一等流速分流器输出端与第六三通电磁阀6、第七三通电磁阀7、第八三通电磁阀8和第九三通电磁阀9一端分别相连，第十三通电磁阀10的三端分别与混合室M、气体溶胶发生器和第二等流速分流器输入端相连，第二等流速分流器输出端与第六三通电磁阀6、第七三通电磁阀7、第八三通电磁阀8和第九三通电磁阀9的另一端分别相连。

切割部包括第一、第二、第三和第四切割器，其输入端分别与第六三通电磁阀6、第七三通电磁阀7、第八三通电磁阀8和第九三通电磁阀9的第三端相连。

细颗粒物分析部包括与第一切割器输出端相连的水溶性盐分析仪、与第二切割器输出端相连的元素碳和有机碳分析仪、与第三切割器输出端相连的金属元素分析仪、与第四切割器输出端相连的细颗粒物质量浓度分析仪和采样泵，其中采样泵与各分析仪相连，用于调整采样时间。

图6示出大气细颗粒物在线源解析系统开启状态工作示图。

第一采样分析单元31工作状态由第一气路逻辑分配器Q1决定，第一气路逻辑分配器Q1的五个电磁阀由程序控制实现开关状态，完成八种逻辑状态：①自动惰性气体冲洗气路，各观测设备测定系统背景浓度；②利用标定系统发生已知浓度的标准气体进入二氧化硫分析仪、氮氧化物分析仪、一氧化碳分析仪、二氧化碳分析仪和氨分析仪进行标定；③在线源解析开启状态，各设备进入采样和分析状态；④根据观测需要关闭二氧化硫分析仪，而开启氮氧化物分析仪、一氧化碳分析仪、二氧化碳分析仪和氨分析仪；⑤根据观测需要关闭一氧化碳分析仪，而开启其他观测设备；⑥根据观测需要关闭在线氮氧化物分析仪，而开启其他观测设备；⑦根据观测需要关闭在线二氧化碳分析仪，而开启其他观测设备；⑧根据观测需要关闭氨分析仪，而开启其他观测设备。

第二采样分析单元32在线源解析工作状态由第二气路逻辑分配器Q2决定，第二气路逻辑分配器Q2的五个电磁阀由程序控制实现开关状态，细颗粒物采样分析部完成七种逻辑状态：①自动惰性气体冲洗气路，各观测设备测定系统背景浓度；②利用气溶胶发生器产生已知浓度的细颗粒物样品进入细颗粒物分析仪、水溶性离子分析仪、元素碳有机碳分析仪和金属元素分析仪，检查各设备运行状态；③细颗粒物在线源解析开启状态，各设备进入采样和分析状态；④根据观测需要关闭水溶性盐观测系统，而开启其他观测设备；⑤根据观测需要关闭元素碳有机碳分析仪观测系统，而开启其他观测设备；⑥根据观测需要关闭在线重金属观测系统,而开启其他观测设备；⑦根据观测需要关闭细颗粒物质量浓度系统，而开启其他观测设备。

如图7a、7b和7c所示，在线源解析过程包括以下步骤：

Step1：中心处理模块发出第一调试指令，工业控制模块接收该指令并控制整个系统进入调试状态，第四电磁控制启动阀电磁阀打开，惰性气体冲洗整个管路；

Step2：中心处理模块发出第二调试指令，工业控制模块接收该指令并控制第一和第二采样分析单元进入调试状态，测定整个大气细颗粒物在线源解析系统背景浓度；

Step3：中心处理模块发出特征污染源采样稀释指令，工业控制模块接收该指令并对特征污染源进行采样和稀释；第一和第二采样分析单元进入工作状态，测定研究地区特征污染源中多种污染物浓度，并将检测数据通过工业控制模块中的通讯单元传输至中心处理模块，中心处理模块记录特征污染源的成分谱，建立本地特征成分谱库，为源解析工作提供验证依据；

Step4：调整惰性气体和单一或者混合污染源样品的比例和进气总流量，保证惰性气体和污染源样品的总流量大于系统观测需求流量；

Step5：中心处理模块同时设置和监控每一路气体的进样量；

Step6：以一定时间分辨率或不同温度下采集分析并测定污染源排放的大气污染物浓度；

Step7：中心处理模块发出细颗粒物源解析指令；第一和第二采样分析单元进入源解析工作状态，测定研究地区大气中颗粒物质量浓度、化学组分和气态污染物浓度，并对测定数据进行判断和分析并提供源解析结果；

Step8：中心控制计算机同时设置和监控每一路气体的进样量；

Step9：以设定时间分辨率采集分析并测定大气污染物浓度；

Step10：重复步骤Step7、Step8和Step9，获取采样分析时段大气污染物的变化特征和通过正交矩阵因子分析方法对数据进行统计分析，给出大气颗粒物的源解析结果。

实际操作过程时，先开启特征污染源采样稀释单元对目标地区特征污染源进行调研，作为该地区细颗粒物源解析的基础，计算机发布特征源谱采样分析指令；特征污染源采样稀释单元的惰性气源开关开启，冲洗整个管路5分钟，此时测定气态污染物和细颗粒物质量浓度和化学组分作为该系统的初始浓度。如果需要测定不同污染源气态污染物和细颗粒物化学成分谱，按设计调整好惰性气体(本实例可以选择高纯N₂或者He)和特征污染源的比率，使惰性气体和特征污染源总流量大于各出气口的总流量，通过计算机界面设置各路气体的流量值(一般是60升/分钟)，各质流量控制器统一标定确保，实际流量与实验设计一致。

实际操作过程中，每小时对气态污染物和细颗粒物进行测定并做出工作曲线作为源解析基础。

在细颗粒物源解析过程中，先开启气态污染物和细颗粒物采集分析部对目标地区进行细颗粒物来源解析工作，计算机发布特征源谱分析指令，气态污染物和细颗粒物采集分析部开启，惰性气体冲洗整个管路5分钟，而后程序开启气溶胶发生，发生已知浓度气溶胶样品，各监测设备采集已知浓度的样品并分析，反馈仪器工作状态；如果观测结果与已知浓度气溶胶样品一致，则工作状态正常；进入源解析状态，每小时计算机收集细颗粒物数据并进行判断，如果细颗粒物质量浓度的加和大于细颗粒物质量浓度，则数据收集与分析部判断收集数据无效；不计入统计分析；当数组大于50组，进行正矩阵因子分析，并给不同污染源的比例分配图；当数组小于50组，进行主因子分析，判断细颗粒物来源

图8示出等流速分配器示意图，采样泵开启保证水溶性盐分析仪(采样流量5升/分钟)、元素碳和有机碳分析仪(采样流量8升/分钟)、金属元素分析仪(采样流量16.7升/分钟)和细颗粒物质量浓度分析仪(采样流量16.7升/分钟)以等流速的层流状态采样，等流速分流器是根据截面积、流量、温度和气压计算得来。

本发明具有如下优点：适用观测对象广，可应用于不同污染源，不同地区(城市、乡镇或农村)；连续、高频、精度高，能同时获取多种气体和细颗粒物的有效数据；资料连续可靠，免除了人工采集的辛劳。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (9)

1.一种大气细颗粒物在线源解析系统，其特征在于，所述在线源解析系统包括中心处理模块、工业控制模块和采样分析模块，其中

采样分析模块用于根据所述工业控制模块的控制动作对目标地区的特征污染源进行采样分析得到第一数据，对该地区的气态污染物和细颗粒物进行实时采样分析得到第二数据，以及发送所述第一数据和所述第二数据到所述工业控制模块，

其中所述采样分析模块包括采样稀释单元、第一采样分析单元和第二采样分析单元，所述采样稀释单元用于对特征污染源进行采样和稀释，所述特征污染源包括生物质燃烧、机动车和工业排放；第一采样分析单元与所述采样稀释单元相连，用于对气态污染物进行采样和分析；第二采样分析单元与所述采样稀释单元相连，用于对细颗粒物进行采样和分析；

工业控制模块与所述中心处理模块相连，用于接收并发送所述第一和第二数据到所述中心处理模块，接收并执行所述中心处理模块的控制指令；

中心处理模块用于生成和发送控制指令，接收和存储所述第一和第二数据，将所述第一和第二数据进行比照从而实现大气细颗粒物在线源解析。

2.根据权利要求1所述的在线源解析系统，其特征在于，所述工业控制模块包括通讯单元和控制单元，其中

通讯单元与所述中心处理模块相连，用于接收所述中心处理模块发送的控制指令，接收所述采样分析模块发送的所述第一和第二数据并将所述第一和第二数据发送给所述中心处理模块；

控制单元与所述通讯单元和所述采样分析模块相连，用于接收所述通讯单元发送的控制指令并对所述采样分析模块执行所述控制指令。

3.根据权利要求1所述的在线源解析系统，其特征在于，所述采样稀释单元包括采样部和稀释部，其中

采样部包括第一进样口、第二进样口和第三进样口，所述第一进样口采集的生物质燃烧排放气体和细颗粒物经第一电磁控制启动阀和第一干燥管进入采集室，所述第二进样口采集的机动车排放气体和细颗粒物经第二电磁控制启动阀和第二干燥管进入采集室，所述第三进样口采集的工业排放气体和细颗粒物经第三电磁控制启动阀和第三干燥管进入采集室；

稀释部包括混合室和惰性气体源，其中所述采集室内的气体和细颗粒物在机械泵的作用下通过第一压力传感器和第一质流量控制器进入所述混合室，所述惰性气体源提供的惰性气体通过第四电磁控制启动阀、第二压力传感器和第二质流量控制器进入所述混合室，稀释部用于对采集室内的气体和细颗粒物与惰性气体源提供的惰性气体进行混合，产生特定混合比的气体和细颗粒物与惰性气体的混合气；

所述稀释部还包括设置在混合室上的恒压装置；

所述采样稀释单元设置在可调温控箱内部。

4.根据权利要求3所述的在线源解析系统，其特征在于，所述第一采样分析单元包括气态污染物采样部、气路分配部、颗粒物过滤部和气态污染物分析部，其中

气态污染物采样部为气体采样器；

气路分配部包括第一、第二、第三、第四和第五三通电磁阀，各三通电磁阀统一设置为第一端与所述气体采样器相连，第二端与所述混合室相连；

颗粒物过滤部包括第一、第二、第三、第四和第五颗粒过滤器，其输入端分别与对应三通电磁阀的第三端相连；

气态污染物分析部包括与第一颗粒过滤器输出端相连的氮氧化物分析仪、与第二颗粒过滤器输出端相连的氨分析仪、与第三颗粒过滤器输出端相连的二氧化硫分析仪、与第四颗粒过滤器输出端相连的二氧化碳分析仪和与第五颗粒过滤器输出端相连的一氧化碳分析仪。

5.根据权利要求3所述的在线源解析系统，其特征在于，第二采样分析单元包括细颗粒物采样部、气路分配部、切割部和细颗粒物分析部，其中

细颗粒物采样部为细颗粒物采样管；

气路分配部包括第一等流速分流器、第二等流速分流器、气溶胶发生器，第六、第七、第八、第九和第十三通电磁阀，所述第一等流速分流器输入端与所述细颗粒物采样管相连，所述第一等流速分流器输出端与所述第六、第七、第八和第九三通电磁阀的第一端分别相连，所述第十三通电磁阀的三端分别与所述混合室、气体溶胶发生器和第二等流速分流器输入端相连，所述第二等流速分流器输出端与所述第六、第七、第八和第九三通电磁阀的第二端分别相连；

切割部包括第一、第二、第三和第四切割器，其输入端分别与第六、第七、第八和第九三通电磁阀的第三端相连；

细颗粒物分析部包括与第一切割器输出端相连的水溶性盐分析仪、与第二切割器输出端相连的元素碳和有机碳分析仪、与第三切割器输出端相连的金属元素分析仪、与第四切割器输出端相连的细颗粒物质量浓度分析仪和采样泵，其中采样泵与各分析仪相连。

6.根据权利要求1所述的在线源解析系统，其特征在于，所述控制指令包括采样、气路开关或切换、气态污染物和细颗粒物及其化学组分分析指令；所述第一和第二数据包括环境气象参数、气态污染物浓度、细颗粒物质量浓度和细颗粒物化学组分数据信息。

7.根据权利要求1所述的在线源解析系统，其特征在于，所述气态污染物包括二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳、二氧化碳和氨，所述细颗粒物中组分包括氯离子、氟离子、硝酸根离子、硫酸根离子、亚硝酸根离子、钾离子、钠离子，钙离子，镁离子、铵离子、元素碳、有机碳、K元素、Ca元素、Ti元素、V元素、Cr元素、Mn元素、Fe元素、Co元素、Ni元素、Cu元素、Zn元素、Ga元素、Ge元素、As元素、Se元素、Br元素、Rb元素、Sr元素、Y元素、Mo元素、Ag元素、Cd元素、In元素、Sn元素、Sb元素、Ba元素、Pt元素、Au元素、Hg元素、Tl元素、Pb元素和Bi元素。

8.一种使用权利要求1-7中任一项所述的在线源解析系统的大气细颗粒物在线源解析方法，其特征在于，所述在线源解析方法包括以下步骤：

Step1：中心处理模块发出第一调试指令，工业控制模块接收所述指令并控制整个系统进入调试状态，工业控制模块控制电磁阀打开，惰性气体冲洗整个管路；

Step2：中心处理模块发出第二调试指令，工业控制模块接收所述指令并控制第一和第二采样分析单元进入调试状态，测定整个大气细颗粒物在线源解析系统背景浓度；

Step3：中心处理模块发出特征污染源采样稀释指令，工业控制模块接收所述指令并对特征污染源进行采样和稀释；第一和第二采样分析单元进入工作状态，测定研究地区特征污染源中多种污染物浓度，得到第一数据，并将所述第一数据通过工业控制模块传输至中心处理模块，中心处理模块根据所述第一数据得到特征污染源的成分谱，建立本地特征成分谱库，为源解析工作提供验证依据；

Step4：调整惰性气体和单一或者混合污染源样品的比例和进气总流量，保证惰性气体和污染源样品的总流量大于系统观测需求流量；

Step5：中心处理模块同时设置和监控每一路气体的进样量；

Step6：以一定时间分辨率或不同温度下采集分析并测定污染源排放的大气污染物浓度；

Step7：中心处理模块发出大气细颗粒物源解析指令；第一和第二采样分析单元进入源解析工作状态，测定研究地区大气中细颗粒物质量浓度、化学组分和气态污染物浓度，得到第二数据，将所述第一和第二数据进行比照并进行判断和分析，提供源解析结果；

Step8：中心控制计算机同时设置和监控每一路气体的进样量；

Step9：以设定时间分辨率采集分析并测定大气污染物浓度；

Step10：重复步骤Step7、Step8和Step9，获取采样分析时段大气污染物的变化特征和通过正交矩阵因子分析方法对数据进行统计分析，给出大气颗粒物的源解析结果。

9.根据权利要求8所述的在线源解析方法，其特征在于，所述时间分辨率为小时或天。