張 棚,劉路路,魏計林,李傳亮,邱選兵,孟慧艷
(太原科技大學 應用科學學院,山西 太原 030024)
空氣中可吸入顆粒物(大氣中直徑小于Φ10μm的粒子)的存在嚴重地威脅著人們的生存和發(fā)展。它在空氣中持續(xù)的時間相當長,長期吸入會引發(fā)各種呼吸道類疾?。?],而且還影響著大氣能見度。目前可吸入顆粒物已被定為空氣質量檢測的重要指標。
常用的光散射型檢測儀一般為單機工作模式,不能滿足環(huán)境監(jiān)測的多點聯(lián)網(wǎng)測試需要,并且其精度低、測試時間長。因此本文研制了一套具有多節(jié)點3G無線聯(lián)網(wǎng)的可吸入顆粒物檢測系統(tǒng),它可以快速精確地測量可吸入顆粒物的濃度,實現(xiàn)大氣中可吸入顆粒物的無人實時檢測與自動報警。
傳統(tǒng)的檢測顆粒物的方法主要有篩分法[2]、顯微鏡法、沉降法[3]和電感應法[4]等。但上述方法對于大氣中可吸入顆粒物的檢測均有許多不足之處。相對而言,消光法[5](全散射法)作為一代新穎的測量方法與其他方法相比具有適用性廣、測量范圍寬、測量精度高、重復性好、測量速度快等優(yōu)點。
消光法檢測的基本原理如下:當一束激光進入樣品池后,由于可吸入顆粒物的散射作用,會導致出射光強產生一定程度的衰減,其關系可表示為:
其中:I0為入射光強度;I為出射光強度;τ為濁度(單位體積內顆粒的總消光截面);L為樣品池長度。式(1)稱為Lambert-Beer定律。假設可吸入顆粒物是N個直徑為D的球形顆粒(特指單位體積中),則濁度τ為:
其中:K為消光系數(shù),它是入射光波長λ、折射率m以及顆粒直徑D的函數(shù);σ為顆粒迎面光面積。實際情況下自然界中的可吸入顆粒是由不同粒徑和數(shù)目組成的顆粒系。因此將式(2)代入式(1)取對數(shù)后得到:
其中:Di和Ni分別為可吸入顆粒物中所含的不同顆粒的粒徑和數(shù)目。
由式(3)可知,入射光的衰減I/I0中包含有顆粒尺寸和濃度(顆粒數(shù))的信息。用已知波長的光源測得光強比值后,式(3)有N和D兩個未知數(shù),本系統(tǒng)采用了雙波長的方法對采集到的樣本進行測量。由式(3)可知:
λ1,λ2是針對同一顆粒系的,由式(4)、式(5)可得:
式(6)中的消光比值可由測量數(shù)值得到,用作圖法就可求得K(是D的函數(shù))。由式(1)計算得到I后,再將K,I代入式(2)中就可求得N值,即所測量的氣體中可吸入顆粒物濃度值。
可吸入顆粒物檢測儀主要由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成。
硬件系統(tǒng)主要由氣路系統(tǒng)、光路系統(tǒng)以及電路系統(tǒng)3大板塊組成,硬件結構如圖1所示。
氣路系統(tǒng)通過采樣器得到定量的待測氣體后,將氣體送入旋風分離器和T型分流管內,對氣體中的粒子進行過濾,而且在氣體池入口處增加了效率高、阻力低的高效氣體濾網(wǎng),對采樣氣體中可吸入顆粒物進一步分離。
激光經準直后,經光闌去除雜散光后進入樣品池(為了排除外界白光對檢測儀信號的影響,池子與外界進行了隔離),在激光接收器前放置一面透鏡,使透鏡的焦點位于接收器的位置,這樣就可以保證只有平行散射光進入接收器,與此同時減小探測器的接收面積,只接收光軸中心的光子,這樣能夠使得測量結果更加精確。
圖1 檢測儀系統(tǒng)硬件結構圖
由單片機構建的系統(tǒng)成本低,結構簡單,工作電路可靠性高,對于計算機聯(lián)合的數(shù)據(jù)也有很好的處理能力。由于檢測儀需要極強的實時檢測處理數(shù)據(jù)的能力,而且要求檢測儀具備脫離計算機也能夠獨立完成工作的能力,因此本系統(tǒng)選用C8051F340作為主核。C8051F340是完全集成的混合信號片上系統(tǒng)型MCU,它具有CIP-51微控制器內核,與MCS-51指令集完全兼容。
C8051F340作為控制核心,通過控制氣路系統(tǒng)對氣體進行采集、過濾;通過控制A/D模塊來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉換,ADC采用了16位高速逐次逼近式的ADS8320,其采樣頻率達100kHz,完全可以完成系統(tǒng)要求;通過串口232與3G無線模塊連接,實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的遠距離傳輸。
系統(tǒng)軟件控制流程如圖2所示,檢測儀軟件采用C語言編譯,主要包括A/D模塊、顯示模塊、3G通信模塊和報警模塊。
圖2 系統(tǒng)軟件控制流程圖
為提高實驗數(shù)據(jù)的準確性,避免偶然因素對實驗數(shù)據(jù)的影響,對A/D轉換后的數(shù)據(jù)進行了軟件濾波,對連續(xù)100次采樣的數(shù)據(jù),剔除最大值和最小值,對剩余的采樣數(shù)據(jù)取平均值。
根據(jù)《公共場所可吸入顆粒物(PM10)檢驗標準方法——光散射法》:在規(guī)定范圍內,光散射法與濾紙(膜)采樣稱重法相比較,總不確定度ROU≤25%。ROU的數(shù)學表達式為:
其中:b為兩種對比方法配對測定的相對差值的算術平均值;MRSD為光散射測定的相對標準差的幾何平均值。表1為光散射法分組測量的數(shù)據(jù),表2為光散射法與稱重法的對比數(shù)據(jù),其中,分別為光散射法兩組數(shù)據(jù)以及兩種方法對比數(shù)據(jù)的平均值。
表1 兩組可吸入顆粒物檢測儀測量結果
表2 光散射法與稱重法分別測量結果
把由表1數(shù)據(jù)計算得到的MRSD和表2數(shù)據(jù)計算的b值代入公式(7),計算出可吸入顆粒物的總不確定度為:
結果表明:檢測儀的ROU為14.2%,符合國家總不確定度≤25%的規(guī)定。
將可吸入顆粒物檢測儀放在某地,以20min為間隔對周圍環(huán)境氣體進行采集測量,采樣平均數(shù)據(jù)用最小二乘法擬合后與本地氣象中心公布的氣體濃度值(每小時更新一次)進行比較分析,見圖3。
圖3 可吸入顆粒物濃度對比圖
由于各裝置之間密封性不完善、氣泵的振動和器件之間電磁干擾等因素的影響,使實驗測量數(shù)據(jù)與氣象公布數(shù)據(jù)有±10%的誤差,但是總的來說在設計要求范圍之內。
可吸入顆粒物檢測儀是將現(xiàn)代光學處理技術中的散射消光法與無線通信技術相結合的光電儀器,它利用單片機對數(shù)據(jù)進行快速處理,能夠脫機工作,具備自引導功能,組網(wǎng)快捷、擴展靈活,檢測靈敏度達0.1 μg/m3,可實現(xiàn)大氣中可吸入顆粒物的無人自動檢測與報警,在空氣質量的檢測以及預防人類呼吸道疾病方面起到了一定的作用。
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