（光学专业论文）振荡天平大气颗粒物在线监测方法的研究与系统设计.pdf

摘要 摘要 大气中的空气动力学氲径小于l o u m 的颗粒物( pm l f ) 能够通过i 呼吸道进入人 的肺部，对人类健康威胁最大。目前，多数国家都把p m 。的质量浓度作为城市空 气质量监测的重要参数之一。而传统的p 监测方法( 基于滤膜采样的称重分析 法) 效率低下。所以，研究对p m 质量浓度进行连续、自动、准确测最的新技术， 不仅是国家环保部门业务运行的需要，同时将为丌展相关领域的研究提供技术于 段。 论文提出了个基于“称重”原理的颗粒物质量浓度自动在线监测技术， 即振荡天平法大气颗粒物在线监测技术。其基本原理是利用物体固有振荡频率与 物体质量之j 剀的固有关系，通过测量特殊设计的锥形振荡管的振荡频率实现微克 量级的颗粒物质量浓度的直接、实时测量。已知流量的气流通过l o u m 切割头后通 过顶端同定滤膜的锥形振荡管，这个锥形振荡管在其固有频率上振荡。当颗粒物 积累在滤膜上时，振荡管的固有频率下降。所以系统可以通过检测振荡管的频率 变化量来计算滤膜 ：颗粒物的质量。 本文设计并实现了振荡天平法大气颗粒物在线监测仪。针对采样颗粒物空 气动力学粒径选择问题，设计了撞击式pm l i 切割头。为了符合国家颗粒物采样标 准，本文设汁并实现了恒温恒流基于滤膜的大气颗粒物采样系统。设计并实现了 基于d s p 微处理器的电子学控制系统和控制软件。为了满足高精度质量测量的要 求，在对谐振式传感器理论进行深入研究的基础一卜，解决了锥形振荡管成形、微 振荡传感和伺服补偿等关键技术，实现了完全适用于大气颗粒物质量测量的谐振 式质最传感器。 本文最后介绍了在北京= j l ：展的系列对比试验，对比试验中振荡天平法人气 颗粒物在线监测仪测量数据与其它方法大气颗粒物监测仪测量数据，得到了良好 的相关性和一致性，同时证明了振荡天平法大气颗粒物在线监测仪测量数据的真 实性和可靠性。 关键词：p m ，大气颗粒物，振荡天平法，锥形振荡管，切割头 摘要 r e s e a r c h i n ga n dd e s i g n i n go fo n l i n em o n i t o ro fa m b i e n t p a r t i c u l a t eu s i n gt a p e r e de l e m e n to s c i l l a t i n gm i c r o b a l a n c e l uf a n ( o p t i t s ) d i r e c t e db y ：p r o f l i uj i a n g u oa n dl uy i h u a i a b s t r a c t s t u d i e ss h o w t h a tp a r t i c l e ss m a l l e rt h a nl o u mi na e r o d y n a m i c d i a m e t e r ( p m ) c o u i de n t e rh u m a nr e s p i r a t o r ys y s t e md e c li n i n gi nt h e l u n g ，a n db r in ga d v e r s ei n f l u e n c eo nh u m a nh e a l t h m o s to ft h ec o u n t r y r e g a r dt h ep m i 【。c o n c e n t r a ti o na so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp a r a m e t e ro f a irq u a lit y a n dt r a di ti o n a lm e t h o d s0 ft h em e nit o r ( g r a v i m e t r i ca n a l y sis b a s e do nf ilt e rc 0 11e c ti o n ) m e a s u r ep m c o n c e n t r a tio n m a n u a ll ya n d i n e f f i c i e nl 1y s oi th a sg r e a tm e a n i n gt or e s e a r c hn e wt e c h n o l o g yt o t l l e h s u l ep m c o n c e n t r a ti o na n dr e a li z et h et e a lt i m em o n i t o rw h i c hc t i l m e a s u r ep m c o n c e n t r a t i o nc o n ti n u o u s l y ，a u t o m a t e d l ya n de x a c t l y 。 t h is p a p e r i n t r o d u c eaa u t o m a t e da n dt e a iti m et e c h n o l o g yt o m e a s u r ep a r t i c u l a t em a t t e rm a s s c o n c e n t r a t i o n s _ t a p e r e d e l e m e n t o s c i1l a tin gm i c r o b a l a n c e ( t e o m ) t e c h n o lo g y t h et e o m t e c h n o l o g y m e a s u r e sa m b i e n tp a r t i c u l a t ec o n c e n t r a t i o n sd i r e c t lya n di nr e a lt i m e u sin gat a p e r e de l e m e n to s cill a tin gm ic r o b a l a n c e ak n o w na ir f l o wisd r a w n t h r o u g ha1 0 u mo r2 5 u ms i z es e l e c t i v ei n l e th e a da n dm a i n t a i n e do v e ra t a p e r e dg l a s se l e m e n tw i t haf il t e rc a r t r i d g ea t t a c h e d t h i sg l a s se l e m e n t i sv i b r a t e da ti t sn a t u r a lf r e q u e n c y 。a sp a r t i c u l a t em a t t e rg a t h e r so n t h ec a r t r i d g e ，t h et u b e sn a t u r a lf r e q u e n c yd e c r e a s e s s ot h es y s t e mc a n c a l c u l a t et h em a s so fp a r t i c u l a t eo nt h ef i l t e rb ys e n s et h ec h a n g e so f f r e q u e n c y t h i sp a p e rd e s i g na n dr e a l i z er e a l t i m em o n i t o rb a s e do nt e o m f o r v 振荡天平人气颗粒物住线监测方法的研究与系统设计 s a m p l i n gp a r t i c u l a t es i z e s e l e c t i r e ，t h i sp a p e rd e s i g nap m i l ，i n l e tu s i n g t h ep r i n c i p l eo fi m p a c ts e p a r a ti n g r e a li z i n gt h ec o n s t a n tf l o wa n d s t e a d yt e m p e r a t u r e f i1t e r 。b a s e dp a r t i c u l a t es a m p li n gs y s t e ms t a n d i n gb y n a t i o n a ls t a n d a t df o rs a m p li n go fa e r o s o l s f no r d e rt og e th i g ha c c u r a c y f o rm e a s u r i n gm a s s ，d e s i g n i n gar e s o n a n ts e n s o rf i t ti n gf o rm e a s u r i n g m a s so fa m b l e n tp a r ti c u la t eb a s e do nr e s e a r c h i n go ft h et h e o r yo fr e s o n a n t s e n s o r t h e nt h ep a p e rp r e s e n t sf u n c t i o no fe l e c t r o n i c sc o n t r o ls y s t e m b a s e do nd s pa n df l o wc h a r to fs o f t w a r e r h is p a p e ri n t r o d u c e se x p e r i m e n t so fm o n i t o rb a s e do nt e o mi n b ei ji n g c o m p a r i n gt h ed a t ao ft e o ma n dt h ed a t ao fo t h e rm e t h o d ，it s h o w st h a tt h e r ei sc o m p a r a b i l i t ya n dc o r r e l a t i o nb e t w e e ns e v e r a l m e a s u r e m e n t sa n di ta l s op r o v e st h er e l i a b i l i t ya n da u t h e n t i c i t yo ft h e m e a s u r e m e n tb a s e do nt e o m k e yw o r d ：p m t o ，a m b i e n tp a r t i c l e s ，t e o m ，t a p e r e de l e m e n t ，i n l e t 承诺 本人呈交的学位论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所 取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已 经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著作 权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体， 均已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知识产权归属于培养 单位。 本人签名： 日期：囫：驾 第一章引言 第一章引言 第一节大气颗粒物概述 大气中悬浮颗粒物有固体、液体两种状态，它们以细小颗粒形式分散在大 气中，直径范围从几十纳米( n m ) 到几卣微米( um ) ，如烟、狄尘、雾、烟气、 降尘等都足代表。直径在1 0um 以上的颗粒物能依靠自身重力作用降到地而上 ( 降尘) ，直径小于1 0pm 的颗粒物在空气中能长时间的漂浮，能被人体吸入肺 部，称为可吸入颗粒物。大气中的悬浮颗粒物，特别是细小颗粒对人体的健康损 坏极人，各种呼吸道疾病都与它有关。同时，悬浮颗粒物对环境也有极大影响， 如：大雾弥漫、能见度降低、减弱太阳辐射等等。所以，监测大气巾悬浮颗粒物 的浓度十分重要。 1 1 1 基本概念 1 、大气气溶胶( a t m o s p h e r i ca e r o s 0 1 ) 和大气颗粒物( a t m o s p h e r i cp a r t i c u l a t e m a t t e r ) 大气气溶胶是指直径为0 0 0 2 一1 0 0um 的液体或崮体微粒均匀地分敖于大 气巾所形成的棚对稳定的悬浮体系，而这些悬浮于大气中的液体或固体颗粒则被 称为大气颗粒物或大气气溶胶粒子。 在实际的研究过程中，由于人们更为哭注火气气溶胶体系中各种颗粒物的 表征、来源、迁移变化规律、化学特征和对人类的健康效应等，因此，人们习惯 ：认为“大气气溶胶”和“火气颗粒物”这两个不i j 的概念是通用的。 本文所涉及的研究及监测对象准确地说应该为“大气颗粒物”。所以以后本 文将一直使用“大气颗粒物”一词。 2 、大气颗粒物的粒径 大气颗粒物的粒径或其大小是大气颗粒物的重要性质。大气颗粒物的形状 _ e 常复杂，极不规则，因此在研究中，往往运用大气颗粒物的光学、电学或空气 振荡人平人气颗卡讧物住线监测方法的研究 j 系统波汁 动力学性质，来表征大气颗粒物的有效直径，其中最常用的是颗粒物的空气动力 学当量直径。本文中所提及的“粒径”如无特别说明均指“空气动力学直径”。 在气流中与所研究的颗粒物具有相同的沉降速率的单位密度的球形粒子的 直径被定义为颗粒物的空气动力学当量直径，可用下式得出： d ，= dn k 4 , o ，po ( 1 1 ) 式中： d 。，一一儿何直径； k 一一形状系数，当粒子为球状时，k = 1 0 ； p 。一一忽略了浮力效应的粒子密度： 风一一参考密度( 风= l g c m 。) ： d 。一一粒子空气动力学当量直径。 大气颗粒物的宅气动力学直径反映了颗粒物的大小与其沉降速率的关系， 因此可以宜接反映出颗粒物的某些特征。 从颗粒物的生存剧期和传输距离来看，粒径人于l ( ) um 的颗粒物由于受重 力的作用，能够很快地沉积下来，冈此生存周期短，不能传输很远：而粒径小j - 1 0hm 的颗粒物在人气巾非常稳定，色 f l i l 在最终沉降下来以前能够传输几干米的 距离。 从对人类健康的影响来看，粒径大于1 0um 的颗粒物几乎不能通过上呼吸 道的异腔、嘴部和| 月喉等部位；粒径l opm 以下的颗粒物可以进入畀腔；粒径7pm 以卜的颗粒物叮以进入咽喉：粒径： i j m 以下的颗粒物可以到达支气管；粒径为 0 0 2um 左右的颗粒物则能够沉积在肺泡。 从上面的数据可以看出，监测大气颗粒物，尤其是生存周期长、传输距离 远、能够进入人体的小颗粒物的污染状况，具有极其重要的意义。 3 、大气颗粒物的浓度 大气颗粒物的浓度是描述大气颗粒物性质的一个重要参数，其表示方法有 数浓度、质量浓度和化学成分质量浓度等。大气颗粒物的数浓度定义为单位体积 空气中悬浮的颗粒物的数目，常用的单位是：个c m 。火气颗粒物的质量浓度是 指币位体积窄气中悬浮颗粒物的质量，常用单位足：ug m 。大气颗粒物的化 第一章引言 学成分质量浓度是指单位体积空气中：悬浮颗粒物中某种化学成分的质量，常用单 位是：ug m 。 大气颗粒物数浓度和质量浓度的变化范围很大，受季：7 了、地理、气象和污 染等情况的影响。在清洁的大气中，粒径小于0 0 5um 的颗粒物的数浓度约为 1 0 0 一- - 4 0 0 个c m ，颗粒物的质量浓度约为1 0ug m 。；而在严重污染的大气中， 粒径小于0 0 5um 的颗粒物的数浓度则可高达1 0 “c m 。，质量浓度可达2 0 0 0ug m 。 气体的体积受温度和大气压力的影响，为了计算出的大气颗粒物的浓度具 有可比性，需要将采样体积换算成标准状态下的采样体积，这甲的标准状态是指 温度为2 7 3 k 、1 0 1 3 2 5 4 k p a 的状态。体积换算公式如下： = _ 鼎志 2 ， 式中： 圪一一标准状态下的采样体积，单位：l 或m ； 一一采样体积，单位：l 或m ； 厂一采样时的温度，单位：摄氏度； p 一一采样刚的大7e 压，单位：k p a 。 山于各个国家的监测站使用的标准状态会有所不同，所以在测量数拂；对比 h 寸要注意。 1 1 2 大气颗粒物的分类 可以根掘以下的分类标准对大气颗粒物进行分类。 1 、颗粒物粒径大小 按照大气颗粒物的粒径大小可以将其分成如下几类： 总悬浮颗粒物( t o t a ls u s p e n d e dp a r t i c u l a t e s ，简称t s p ) 总悬浮颗粒物( t s p ) 是指悬浮在空气中的固态和液态颗粒物的总称，一般 是指粒径小于1 0 0hm 的颗粒物总和。 p m 。( p a r t i c u l a t em a t t t e r1 0 ) p 是指粒径在1 0um 以下的颗粒物。p m 能够沉降在叫喉以下的呼吸道部 振荡人平人气颗车亟物n ：线 监测方法的 i 丌究与系统殴i i 位。 p m 2 5 ( p a r t i c u l a t em a t t e r2 5 ) p m 是指粒径在2 5u1 1 1 以下的颗粒物。p m 能够沉降于呼吸道中，由于许 多有毒物质( 如：苯) 都附着在p m 撕上，因此p m 蛸对人类健康的危害非常大， 也越来越受到人们的重视。 本文以后也将遵从国际惯例，使用t s p 、p m ，p m 嘶等符号来表示不同粒径 的大气颗粒物。 2 、颗粒物在呼吸道的沉积部位 在卫生领域中，依掘颗粒物在人体呼吸道的沉降部位，将大气颗粒物分如 下几类： 可吸入颗粒物( i n h a l a b l ep a r t i c l e s ，简称i p ) 呵吸入颗粒物( i p ) 是指能够沉积于在州习喉以下呼吸道部位的颗粒物，国 际标准化组织( i s o ) 建议将i p 定义为粒径小于1 0um 的颗粒物，此标准已经被 广泛接受。中固的环境空气质量标准( ( ；b 3 0 9 5 1 9 9 6 ) 中定义可吸入颗粒物 是指悬浮在空气中，空气动力学直径小于1 0l am 的颗粒物，用pm 1 f i 表示。因此 p m 。和可吸入颗粒物是一个概念。 呼吸性颗粒物( r e s p i r a b l ep a r ti c u la r e s ) 呼吸性颗粒物是指能够沉降于深部呼吸道部位的颗粒物。这部分颗粒物能 够深入肺部，直至肺泡。一般认为这类颗粒物的粒径小于2 5pi l l 。 3 、颗粒物的来源 按照火气中颗粒物的米源，入气颗粒物可以分为： 天然来源颗粒物 天然来源颗粒物是指天然产生的大气颗粒物，如地球表面岩石和土壤风化 产物、自然火灾排放物、火山狄、海盐粒子、植物花粉等。这类颗粒物的粒径 般人于10um 。 人为来源颗粒物 人为来源颗粒物是指由人类各种活动产生的颗粒物，如由化石燃料的燃烧、 机动车尾气、2 e ! l k 粉尘、废弃物焚烧等产生的颗粒物。这类颗粒物粒径一般小于 1 ( ) ui l l 。 第一章引言 就全球范围而a ，自然来源颗粒物量要远大于人为来源颗粒物量，但是对 于人群密集的城市而言，情况就不同了，人为来源的颗粒物黾可能比自然来源颗 粒物量要多几个数量级。 4 、颗粒物的形成方式 按照颗粒物的形成方式，大气颗粒物可以分为： 一次颗粒物 一次颗卡旁物是指天然或人为过程直接排放形成的颗粒物。 二次颗粒物 二次颗粒物是指大气中的一次颗粒物或由天然、人为过程排放的n o 。、h ：s 、 n h + 和碳氢化合物等气体相互作用发生化学反应所产生的颗粒物。 1 1 3 大气颗粒物的化学成分 大气颗粒物的化学组成非常复杂，受其来源、形成方式、粒径、气候等因 素的影响，其主要化学组成可以分为无机元素( 无机离子和微量元素) 、元素碳、 有机碳、有机化合物等。由于不刷来源的大气颗粒物具有不同的化学组成，凶此 可以根据颗拳最物的化学组成来进行大气颗卡市物的来源识别l ：作。由r 大气颗粒物 的化学成分非常复杂，本文无法一一介绍清楚，这毕仅选择对环境及人类健康影 响大的化学成分作简单的介绍。 l 、重金属成分 大气颗粒物巾含有汞、铅、镉、砷、钒等重金属元素，这些重金属元素是 大气污染的一个主要内容。其中，铅、铜、锌、硒、砷等来自人为污染，而铝、 铁、钙等来自自然来源。研究表明，对人体危害较大的金属元素富集在p m 上， 由于p m 小可以通过咽喉，进入肺部，并沉积在肺泡中，因此这些金属元素对人 体的毒害作用非常显著。 2 、有机成分 颗粒物中除含有有毒重金属元素外，还吸附有多环芳香族化合物、正构烷 烃、烷醇等有机物。挥发物中包含芳香族化合物如苯系物、醇类、酉旨类、醛类、 酮类、卤代烃等有机化合物。 振荡天平人气颗粒物在线监测方法的 i 丌究1 0 系统没计 这其中多环芳烃化合物( p a h s ) 是对人体健康危害最大的环境致癌物质， 目前已经发现的致癌性多环芳烃及其衍生物已经超过4 0 0 多种。多环芳烃等有机 化合物主要来自煤、石油、垃圾等有机物的不完全燃烧，矿物燃料的不完全燃烧 是大气中多环芳烃的主要来源。研究表明，大约9 5 一9 8 的多环芳烃集中在粒 径小于7um 的大气颗粒物上，5 0 一7 0 富集在粒径小于lui l l 的细小颗粒物上。 这些富集多环芳烃的细小颗粒物可以进入人体的呼吸系统，甚至可以进入肺泡和 血液，对人体健康构成严重威胁。 3 、含碳颗粒物 含碳颗粒物是大气颗粒物的重要组成部分，主要可以分为有机碳( o r g a n i c c a r b o n ，简称o c ) 和元素碳( e 1e m e n t a c a r b o n ，简称e c ) 。含碳颗粒物在t s p 中占1 5 一2 0 的重量，在p m 中占2 5 一：3 5 的重量。 大气颗粒物中的有机碳，包括一次有机碳和二次有机碳。一次有机碳主要 是由排放源直接排放的，二次有机碳则是气态有机污染物通过光化学反应等途径 形成的光化学反应产物。大气颗粒物的元素碳，主要是由各种燃料不完全燃烧直 接排放产生的。 含碳颗粒物有7 艮强的环境效应，体现在以下几个方面： 增强大气温室效应 含碳大气颗粒物可以强烈地吸收太阳辐射，并将这种太阳辐射能以红外辐 射肜式释放于大气之中，从而导致大气增温。以往人们对这种作用估计偏低，但 近些年的研究表明，在对温室效应的贡献方面，含碳颗粒物应该仅次于c o ：。 抑制对流层中臭氧的形成 含碳颗粒物具有吸收太阳辐射和散射紫外线的特性，因此可以直接影n 向大 气中光的分解率进而影响光化学反应的动力。研究表明，由于含碳颗粒物的抑制 效应，可以使臭氧浓度减少2 5 。 对大气能见度的影响 含碳颗粒物对光的吸收系数远远大于其它光吸收物质，且细小颗粒物对光 的吸收比散射作用更有效，所以，通常认为pm l ( ) 和p m “对光的吸收主要是由元素 碳引起的。 6 第一章引言 1 1 4 大气颗粒物对环境和人类健康的影响 大气颗粒物对环境、气候和人类健康产生了大量的负面影响，甚至已经酿 成了全球性的环境问题，这引起了全世界的广泛重视。大气颗粒物的负面影响有 以下几个方丽： 1 、大气颗粒物对能见度的影响_ 随着大气颗粒物污染的几益严重，它所带来的最为直观的恶果就是导致城 市大气能见度降低。能见度过低会严重妨碍城市地面和空中交通，引发意外事故， 造成极大经济损失或人员伤亡。1 9 7 6 年以来，美国、澳大利亚、加拿大、韩国、 同本等旧家相继丌展了大气颗粒物对能见度影h 向的研究。研究结果表明，城_ 市能 见度降低主要是由颗粒物细粒子p m 、p j 和气体污染物引起的。 大气能见度的好坏主要受大气对太阳光的消光效应的影响，包括散射和吸 收。而消光效应的强弱通常用消光系数( 仇。，) 这个物理量来测量和表示。消光 系数( 阮。，) 的构成用- f i t 表示： b 州= + 瓦。+ + 包矽+ 包僻 ( 1 3 ) 式中：b 。一一颗粒物刘光的敝射； b 、。一一空气湿度引起的光敞射； b 。一一清洁空气产7 - 的瑞利散射； k 一一是颗粒物产生的光的吸收： 一一是n o ：气体对光的l l 及收： 研究表明式( 1 3 ) 中各个参数大致对总消光系数( 色w ) 的贡献如下： b v ，占4 9 ，占2 8 ，b 懈占2 0 ，b 。占3 ，占5 ( 根据测量地点和测 量季节的不同，以卜数据会有一些差异) 。从上面数据刁i 难看出，大气颗粒物对 光的散射和吸收对大气消光系数的贡献最大，约占7 7 左右。所以解决城市大 ，：i 能见度降低i u j 题的根本足解决城市大气颗粒物的污染问题。 7 振荡大平人气颗粒物住线监测方法的研究! j 系统设汁 2 、大气颗粒物对气候的影响1 由于大气颗粒物的化学组成复杂、具有不同的粒谱分布，因此颗粒物对太 阳光具有不同的效应，如吸收、散射、反射作用，从而对气候产生直接或间接的 影向。其直接影响是指吸收和反射太阳辐射，使地球的热平衡受到影响；其间接 效应是对云的成核作用，为云的形成和发展提供了云凝聚核，通过影响云的辐射 特征和云量问接影响太阳光的辐射。 3 、大气颗粒物对人类健康的影响口删 空气是人类生存最重要的环境因素之一，j 下常人每天要呼吸1 0 一一1 5 m 。的 洁净空气，儿章呼吸的空气量人于他们的体重，工作和运动量大的人呼吸的空气 量更大。但是，现在人们呼吸时吸入的不是洁净的空气，而是含有大量不定组分 的非洁净空气，这其中就包括大量的大气颗粒物。人气可吸入颗粒物( p m ) 冈 其粒径细小，不受鼻日9 i | 部的阻挡，可直入肺部并存留在肺部的深处，不易排出， 而成为人类健康的重大威胁。据统计，地球一卜每年p m 的生成量约为几十亿吨， 因此，人们每天呼吸时会吸入大量的p l ，一个成年人一昼夜会吸入约数万个大 气颗粒物。毫无疑问，p m 会对人类健康产生莺要影响。 p m l f l 主要经呼吸道进入人体。p m 在人体呼吸道的运动受离心力、重力、惯 性碰撞等的作用，其在人体呼吸道的沉积效率则取决于颗粒物的粒径、密度、形 状等因素。p ：l ( 】沉积在人体的呼吸道后，它们的清除与其粒径与沉积地点有关。 一般来既，粒径越小、沉积地点越远，所需的清除时m 就越长。 国内外对pm 1 的研究表明：pm 1 1 ) 对人类有直接的毒害作用，可引起人体的呼 吸系统、心脏及血液循环、免疫系统和内分泌系统的广泛损害。p 刈人体的毒 性作用取决于颗粒物的浓度、粒径、化学成分、可溶性等。 研究表明：对粗颗粒物的暴露可侵害呼吸系统，诱发哮喘病。细颗粒物可 能引发心脏病、肺病、呼吸道疾病，降低肺功能等。凶此，对于老人、儿章和已 忠心肺病者等敏感人群，风险是较大的。 第一章引言 1 1 5 我国大气颗粒物的污染现状口卜1 3 1 虽然经过多年的努力，中国大气污染状况有一些改善，但是，中国大气环 境质量( 特别是城市大气坏境质量) 并没有得到根本好转，大气污染形势依然严 峻，城市空气质量超标的情况十分严重，中国已经成为世界上大气颗粒物污染最 严重的幽家。 早期，中国一次能源的消耗中，煤炭占7 3 5 左右，以煤为主的能源结构、 落后的煤炭利用方式、不合理的工业布局以及不完善的控制和管理使得燃烧煤炭 造成的大气颗粒物污染特别严重。根据统计中国由于燃烧煤炭造成的t s p 的排放 量约占t s p 总排放量的7 0 左右。 近年来，随着经济的快速发展，能源结构、产业结构和工业布局的凋整， 以及环境综合治理力度不断加大，巾国燃烧煤炭所造成的大气颗粒物污染f 逐步 得到控制。但是，随着中国机动车保有量的不断增加( 以每年l o 力辆的速度增 长) ，加之机动车尾气排放的控制较差，机动年尾气对大气颗粒物污染的贡献越 来越大。一些大城市的火气颗粒物污染类型已由以前的煤烟型转化为煤烟和尾气 造成的混和型。 从大气颗粒物的控制方面看，全国各城市的t s p 污染都有不同程度的下降， 有的城市甚至降低了5 ( ) 以上。但是，在控制，1 1 s p 污染的同h 0 ，p l 污染状况却 在不断的恶化。目前中国t s p 中pm i ( ) 的比例不断e 升，已经由1 0 年前的3 0 一 4 0 上升至6 0 一7 0 ，严莺的地区甚至达到了9 0 。监测资料表明中国城市 的pm l i l 浓度严重超标，p 已经成为许多大城市的首要污染物。例如：北京市工 业区和居住区的超标率分别为9 7 和4 2 ，而上海市工业区、商业区、居住区 和清洁区的超标率分别为7 6 、4 0 、3 2 和1 8 。 目前，中国环境保护工作者已经丌始重视pm l l j 的污染状况和其控制问题。 1 9 8 2 年中国旨次颁布的地区环境质量标准只将p 作为参考，相应的观测和研 究非常薄弱。但是国家环境保护总局1 9 9 6 年颁布的环境空气质量标准( ( ；b 3 0 9 5 1 9 9 6 ) 中已经将p m 列为正式标准，这表明中国萨由单一t s p 控制转向t s p 和pm l l j 共同控制。 9 振荡大平人气颗粒物住线监测方法的研究与系统设计 第二节大气颗粒物浓度监测方法 大气颗粒物质量浓度是评价大气颗粒物污染程度的重要指标，所以颗粒物 质量浓度的监测工作一商受环境保护工作者的高度重视，而在目前我国，研究新 的监测方法，并在新方法的基础卜研发出高精度、高自动化度的大气颗粒物质量 浓度监测仪器具有最人的现实意义。本节将几种大气颗粒物质量浓度监测方法作 简单的介绍，最后提出本文研究的主题一振荡天平法大气颗粒物在线舱测技 术。 1 2 1 滤膜称重法n 4 。乩 称醇法是一种传统的大气颗粒物质量浓度的测量方法。它的测嚣原理是：以 规定的流量进行颗粒物采样，将空气中的颗粒物捕集丁高性能的滤膜上，称重滤 膜采样前后的质量，由其质量差求得捕集的颗粒物质量，在将其与采样空气量之 比作为大气颗粒物的质量浓度。 滤膜称重法是。种手工测量的方法，它使用的仪器主要有：颗粒物采样器、 流量计、滤膜、天平等。根据采样流量的大小f i 同，滤膜称重法可以分为：人流 量( 1 m 。m i n 以上) ，中流量( 1 0 0 l m i n 左右) 和小流量( 1 0 3 0 l m i n ) 三种。 滤膜称重法配合颗粒物切割头可以测量t s p ，p m ，p m 撕的质量浓度。 滤膜称重法按如下步骤进行测量： l 、准备滤膜 每张滤膜均用x 光片机检查，不得有针孔。将滤膜放在恒温恒湿箱中平衡 2 4 h 。在上述平衡条件下称蘑滤膜，记录滤膜重量( w 。，) 。 2 、安放滤膜及采样 将滤膜放入滤膜夹，使之不漏气，安装好采样头顶盖，设置采样时间，即 可启动采样。 3 、尘膜的平衡及称重 尘膜在恒温恒湿箱中，与干净滤膜甲衡条件相l j ，平衡2 4 h 。在上述平衡条 件下称重滤膜，并i 己录滤膜质量( w 。) 。 i o 第一章引言 4 、计算人气颗粒物质龟浓度 按下式( 1 4 ) 计算颗粒物质量浓度。 p = 旦( g m 3 ) ( 1 4 ) 式中：p 一一大气颗粒物质量浓度； g 一一采样后滤膜质量； g 0 一一采样前滤膜质量； v 一一换算成标准状态下的采样体积。 由 ：面介绍刁i 难看出，滤膜称重法测定的是颗粒物的绝对质量浓度，其优 点是原理简单，测量数据可靠，测黾不受颗粒物形状、大小、颜色等的影响，但 在测量过程中，存征操作繁琐、费时、采样仪器笨重等缺点，并且不能实时给出 测量结果。 1 2 2b 射线法 原：了核住发生b 衰变习，放出b 粒子。b 粒子实际上是一种快速带电粒子， 它的穿透能力较强，当它穿过一定厚度的吸收物质时，其强度随i l 及收层厚度增 加而逐渐减弱的现象叫做1 3 吸收。当吸收物质的厚度比p 粒子的射程小很多 时，口射线在物质中的吸收，近似为： i=i f 1p 一。，t m ( 1 5 ) 式中，i o 为没有吸收物质时的强度；是t 3 射线穿过厚度为，优的吸收物质后的 强度；称为质量吸收系数或质最衰减系数，单位为c m 2 g ；t m 称为质量厚度， 单位为g c m ：。实验表明，对于不同的吸收物质，”随原子序数的增加而缓慢 地增加。对于同一吸收物质，川与放射能量有关。 应用b 射线原理测量p m l i j 方法如下所述： 首先，探测电路记录下b 射线通过滤纸时强度，由式( 1 5 ) 得： 振荡大平人气颗粒物在线监测方法的研究与系统i 殳计 i l = i o e 一” ( 1 6 ) 第二步：恒流抽气系统通过样气采集气路抽入一定量的空气，pm l l j 颗粒被遮挡在 滤纸面上； 第j 步：探测器记录下此时1 3 射线的强度，设为i 。，出式( 1 6 ) 得： 1 2 = i o e 一h ，+ 肌 ( 1 7 ) 式中，m 为p j 的质量厚度。假设i 。，在整个测量过程中保持不变。综合( 1 6 ) 和( 1 7 ) ，得 聊= 上l n 拿 ( 1 8 ) _ um j2 人m 的单位为g c m 2 ，因为已知滤纸被探测面积和抽入的空气的体积，am 可以换 算成g m 。，即每立方米空气中p l 的含量密度。 1 2 3 光散射法 光散射式测量仪测量质量浓度的原理是建市在微粒的m i e 散射理沦基础上 的。光通过颗粒物时，对于数量级与使用光波长相等或较大的颗粒物，光散射是 光能衰减的主要形式。 光散射数字测尘仪包括光源、集光镜、传感器、放大器、分析电路及显示 器等，有光源发出的光线照射在颗粒物上产生散射，此散射光通过集光镜到达传 感器上，传感器把感受到的信号转换成电信号，经过放大和分析电路，可以计测 脉冲的发生量，即可以得到以每分钟脉冲数( c p m ) 表示的相对浓度。当颗粒物 性质一定时，可以通过称重法先求出c m p 与质量浓度的转换系数k ，根据k 值将 c p m 值直接转换为质量浓度。光散射数字测尘仪的光源有可见光、激光及红外线 等，配合切割头就可以用来测量t s p 、p m 、p m 。 光散射法可以实时在线测量大气颗粒物质量浓度，根据颗粒物性质预先设 定k 值，可以直接显示出质量浓度，并且有操作简便，体积小，稳定性好等优点。 但是，其测量结果与颗粒物粒径颜色成分有关，所以其标定过程复杂，测量精度 有限。 第章引青 1 2 4 压电晶体法 压电晶体法( 义称压电晶体频差法) ，这种方法以石英谐振器作为测量大气 颗粒物的传感器。采样气体进入测量六t 室，气室内有高压放电针、石英谐振器及 电极构成的静电采样器，气样中的颗粒物凶为高压电晕放电作用而带上负电荷， 继之在带萨电的石英谐振器电极表面放电并沉积，除尘后的气样流经参比室内的 石英谐振器后被排出。因为参比石英谐振器没有集尘作用，当没有气样进入仪器 时，两谐振器固有振荡频率相同( f 。= f ：) ，其差值f - - 0 。当有气样进入仪器时， 则测量石英谐振器因集尘而质量增加，使其振荡频率( f 。) 降低，两振荡器频率 差( f ) 经过信号处理系统转换成大7 乇颗粒物浓度。测量石英谐振器上的颗粒 物越多，振荡频率( f 。) 降低也越多，二者有线性关系，即： 厂= k a m( 1 9 ) 式中：k 一一山石英体特性和温度等因素决定的常数； 厂一一两l 皆振器的频率差； 膨一一测量石英体上的质量增量，也就是测量颗粒物质量。 再【白下式可以得到大气颗粒物的质量浓度： c ：占- = 生 ( 1 1 0 ) 0 c = 二一 ( 1 ko t 式中：( 人气颗粒物质量浓度； k 一一由石英体特性和温度等因素决定的常数； a f 一一两谐振器的频率差； 9 一一采样流量； 丁一一采样时问。 由此可见，通过测量采样后两石英谐振器频率之差( a f ) ，即可以推算出 大气颗粒物的质量浓度。通过更换颗粒物切割头，可以用来测量t s p 、p m 、p m 等不同粒径的颗粒物。为确保测量精度，需要定期清沈石英谐振器。 i f 是由于上述方法都有各自的缺点，所以研究新的大气颗粒物的测量方法， 并且使用新方法设计并制作可连续、在线、自动测最大产颗粒物的监测仪在现阶 振荡天平人气颗粒物任线监测方法的研究与系统改t f 段具有重大意义。 1 2 6 各种颗粒物监测方法比较 上述颗粒物质量浓度的各种监测方法，其中滤膜称重法是完全手工直接测 量质量；其它方法都是利用颗粒物的不同方面的物理性质与质量的直接或问接的 关系来实现质量测量的，各种方法都在某方面有一定优点，同时在另4 些方面有 些不足。 滤膜称重法是使用时| 白j 最长、测量原理最简单和赢接、测量结果最可靠的 一种方法，目前仍然被广泛应用；但该方法有全手工操作，毫无自动化可言、无 法连续测量、测量周期长等缺点使之无法满足现代化监测仪器自动化、智能化、 系统化的要求。 1 3 射线法、压电晶体法、光散射法都能够实现实时、连续、自动化监测， 但这些方法精度相对较低，且其测量原理会给测量过程和测量结果带来一些难以 避免的影响。例如：光散射法的测量结果受颗粒物粒径和颜色的影响，而1 3 射线 法中使用的放射源对人体有害等。 表1 1 人气颗粒物监测方法优缺点刈比 监测方法测量原理测量精度优点缺点 滤膜称重 重力与天平有原理简单、数据可靠操作复杂、无 法关自动化、剧期 l j = ： 光散射法光学 10l ag 可自动、在线、连续监测受颗粒物粒 径颜色成分 影响，精度一 般 1 3 射线法光学 l oug 可自动、在线、连续监测使用放射源， 精度一般 压电品体力学 5pg 可自动、在线、连续监测晶体需要清 法 洗，精度一般 第一章引言 第三节本文内容 本文的主要目的是研究振荡天平法大e 颗粒物任线监测方法，并在此基础 上设计与实现大气颗粒物在线豁测仪，分析给仪器校准与监测方法和一些试验数 掘的分析。 第二章，将详细讨沦振荡天平法大气颗粒物在线监测仪的测量原理和颗粒 物采样技术的理论和实现方法。 第三章，是本文的重点，将讨论谐振式传感器的工作原理及设汁中的问题， 详细介绍了谐振子的设计、悬挂系统的设计和反馈放大电路的设计。 第四章，从结构、电子学控制电路、软件等方面详细介绍了振荡天平大气颗 粒物在线监测仪样机的具体设计与实现。 第五章，介绍振荡天平大气颗粒物在线监测仪的校准和检测过程，介绍了常 用的最小二乘法进行一元线性回归的基本原理和实现方法。 第人章，介绍了振荡天平法人气颗粒物在线监测仪外场试验的状况；对比分 析了振荡天平法大气颗粒物在线j 【测仪样机测量数据与1 3 剁线法、流量法的数据 的差异；对比了振荡天平法大气颗粒物在线监测仪的测最数据与碳黑仪测量数 据，分析_ 测量地pm i i 与碳黑气溶胶污染的污染状况；分析了振荡大平法测黾数 据出现负值的原因：最后总结伞文：。：作。 第：章振荡天平法洲苗原理及当前颗事辽物采样 第二章振荡天平法测量原理及大气颗粒物采样 本章将介绍一种新的大气颗粒物在线临测方法一一振荡天平大气颗粒物在 线监测方法；详细分析它的工作原理；最后介绍大气颗粒物的采样系统，包括在 分析各利，滤膜材料特性的基础上，制作合适的采样滤膜，设计撞击分离式颗粒物 切割头以及稳定的流量控制系统。 第一节振荡天平法简介 振荡天平法大气颗粒物质量浓度监测法原理如图( 2 1 ) 所示，整个传感器由 空心锥形玻璃管( 简称锥形元件) 、 滤膜、锥形元件驱动放大电路和频 率计数电路构成。滤膜固定在空心 锥形振荡管的顶部，：l 作时它随振 荡管一起振荡；锥形振荡管的底部 固定在底座l ：，工作时底座和锥形 振荡管的底部不振荡。工作时，空 心锥形振荡管和l 滤膜在驱动电路的 剑：允蟮 驱动下以固有频率振动，空气通过 滤膜从振荡管中流过，空气中的粒 子积累在滤膜上，改变了振荡系统 的质量，从而使整个振荡系统的同 十f 气入n i 有频率发生变化。通过频率计数电 图2 - 1振荡天平法原理 路对振荡管振荡频率的测量，使用 公式( 2 2 ) 就可以计算出滤膜上累积的颗粒物质量的增毽。 振荡天平法大气颗柁物监测法配合切割头就可以用来测量t s p 、p m 、p m 嘶 等：4 - a 1 2 n r c ( n = 。，2 ，) ) 丸= o ，1 ，2 ，) j 称此为系统可自激的时域幅值，相位条件。 d a e 图： 3 时域信号分析 ( 3 1 2 ) ( 3 1 3 ) 图3 4 复频域分析 再从复频域进行分析，见图3 - - 4 。其中r ( s ) ，e ( s ) ，a ( s ) 、d ( s ) 分别为谐 振了、激励器、放人器和拾振器的传递函数，s 为拉氏算子。满足下式时，系统 将以频率国产生闭环自激。 r ( j c o ) e ( j c o ) a ( j c o ) d ( j 妫1 觑( + 碰( j c o ) + _ _ a ( j c o ) + _ d ( j c o ) = 2 刀万卜( 3 ( 船= o ，1 ，监，)i 称此为系统可白激的复频域幅值，相位条件。 以上考虑的是在一点处的闭环自激条件，对于谐振式传感器，应在其整个工 作频率范幽( 缈，0 9 ，) 内均满足闭环自激条件。这就给设计传感器的放大器提出 了特殊要求。 3 1 3 敏感机理 由一l 二述分析可知：对于谐振式传感器，从检测信号的角度，它的输出可以写 振荡大平人气颗粒物住线监测方法的研究与系统设计 为： x ( f ) = a f ( 缈f + 矽) ( 3 1 5 ) 厂( f ) 为归一化周期函数，满足：当( 刀+ 1 ) 丁，n t 时，i s ( o l m a x = 1 。 这咀t 为周期，a ，缈，矽分别为检测信号的幅值、