一種揚(yáng)塵擾動(dòng)設(shè)備的原理構(gòu)造與電氣控制系統(tǒng)*

孫晨陽(yáng)，徐利奇，谷春山

(北京市城市管理研究院，北京 100028)

0 引言

道路揚(yáng)塵指道路塵土在一定動(dòng)力條件(風(fēng)力、機(jī)動(dòng)車(chē)碾壓、人群活動(dòng)等)的作用下進(jìn)入環(huán)境空氣中形成的揚(yáng)塵。道路揚(yáng)塵是一種復(fù)雜的混合污染源，主要來(lái)源于大氣降塵、車(chē)輛遺撒、路面破損、車(chē)輪車(chē)身的帶泥、輪胎磨損、道路施工、裸露土地和未鋪裝道路泥土的轉(zhuǎn)移等。北京市PM2.5污染源解析結(jié)果表明，道路揚(yáng)塵約占其8%，是較為主要的污染源之一。

為了進(jìn)一步研究道路塵土與道路揚(yáng)塵兩者之間的關(guān)系，使用揚(yáng)塵擾動(dòng)采樣器在北京市現(xiàn)有道路塵土量值監(jiān)測(cè)的同時(shí)，開(kāi)展擾動(dòng)揚(yáng)塵監(jiān)測(cè)測(cè)量揚(yáng)塵濃度值。對(duì)道路塵土量值與擾動(dòng)揚(yáng)塵兩個(gè)數(shù)值進(jìn)行分析研究，分析結(jié)果可為研究道路塵土量值與道路揚(yáng)塵關(guān)系、解析道路塵土對(duì)道路揚(yáng)塵的貢獻(xiàn)率提供科學(xué)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

1 道路揚(yáng)塵擾動(dòng)采樣器簡(jiǎn)介

道路揚(yáng)塵擾動(dòng)采樣器是一種以預(yù)設(shè)程序的可編程控制器為電控核心，通過(guò)介質(zhì)擾動(dòng)路面塵土形成揚(yáng)塵，使用顆粒物監(jiān)測(cè)儀測(cè)量不同高度揚(yáng)塵濃度并評(píng)估塵土量與揚(yáng)塵關(guān)系的輔助實(shí)驗(yàn)裝置。

2 道路揚(yáng)塵擾動(dòng)采樣器采樣技術(shù)方案

道路揚(yáng)塵擾動(dòng)測(cè)量參考顆粒物再懸浮采樣器采樣方法作為技術(shù)方案。

為滿(mǎn)足道路塵土與揚(yáng)塵關(guān)系研究的需要，揚(yáng)塵擾動(dòng)采樣器設(shè)計(jì)有5個(gè)子系統(tǒng)，即密閉空間子系統(tǒng)1、擾動(dòng)揚(yáng)塵子系統(tǒng)2、顆粒物濃度測(cè)量子系統(tǒng)3、氣壓穩(wěn)定子系統(tǒng)4、電氣控制子系統(tǒng)5，揚(yáng)塵擾動(dòng)采樣器整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3 道路揚(yáng)塵擾動(dòng)采樣器基本構(gòu)造與工作原理

為能夠車(chē)載使用，道路揚(yáng)塵擾動(dòng)采樣器整體外形尺寸應(yīng)控制在(長(zhǎng)×寬×高)600 mm×600 mm×600 mm范圍內(nèi)，總重量應(yīng)控制在50 kg以下。

3.1 密閉空間子系統(tǒng)

密閉空間子系統(tǒng)主要由套筒1、主體桶2、底部密封圈3、取樣口4組成，如圖2所示。主要通過(guò)主體桶2底部緊貼地面的密封圈3，以及主體桶2與套筒1間隙處涂抹潤(rùn)滑脂等措施創(chuàng)造一個(gè)密閉空間，將實(shí)驗(yàn)區(qū)域與外界隔絕，防止系統(tǒng)擾動(dòng)路面塵土?xí)r出現(xiàn)揚(yáng)塵外溢或外界塵土進(jìn)入實(shí)驗(yàn)區(qū)域，造成揚(yáng)塵檢測(cè)數(shù)值失真。

1-密閉空間子系統(tǒng)；2-擾動(dòng)揚(yáng)塵子系統(tǒng)；3-顆粒物濃度測(cè)量子系統(tǒng)；4-氣壓穩(wěn)定子系統(tǒng)；5-電氣控制子系統(tǒng)

1-套筒；2-主體桶；3-底部密封圈；4-取樣口

3.2 擾動(dòng)揚(yáng)塵子系統(tǒng)

擾動(dòng)揚(yáng)塵子系統(tǒng)主要由揚(yáng)塵步進(jìn)電機(jī)1、揚(yáng)塵主軸2、擾動(dòng)刷架3、擾動(dòng)刷(毛刷)4、配重塊5等組成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。固定在套筒6上的揚(yáng)塵步進(jìn)電機(jī)1通過(guò)剛性聯(lián)軸器帶動(dòng)安裝在密封罐體內(nèi)的揚(yáng)塵主軸2、擾動(dòng)刷架3、擾動(dòng)刷4旋轉(zhuǎn)。由于揚(yáng)塵步進(jìn)電機(jī)1固定在套筒6上，套筒會(huì)隨系統(tǒng)需要上下移動(dòng)，所以揚(yáng)塵主軸2與擾動(dòng)刷架3的連接采用可伸縮的滑動(dòng)連接，揚(yáng)塵主軸2可套入擾動(dòng)刷架3連接軸孔內(nèi)。在擾動(dòng)刷架上安裝配重塊5使擾動(dòng)刷4產(chǎn)生足夠且穩(wěn)定一致的下壓力，在揚(yáng)塵步進(jìn)電機(jī)1的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)擾動(dòng)路面揚(yáng)塵。

1-揚(yáng)塵步進(jìn)電機(jī)；2-揚(yáng)塵主軸；3-擾動(dòng)刷架；4-擾動(dòng)刷；5-配重塊；6-套筒

3.3 顆粒物濃度測(cè)量子系統(tǒng)

顆粒物濃度測(cè)量子系統(tǒng)主要由TSI公司8530激光散射法顆粒物監(jiān)測(cè)儀6、電磁閥安裝底座7、ParKer電磁閥(1～5)、PU氣管、氣管接頭等組成，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1～5-電磁閥；6-顆粒物監(jiān)測(cè)儀；7-電磁閥安裝底座

在主體桶的桶身上開(kāi)設(shè)了多組取樣口，取樣口處采用管螺紋連接專(zhuān)用氣嘴，保證氣嘴與主體桶連接處的密封。電磁閥安裝底座上安裝有5個(gè)電磁閥，閥座上有一個(gè)通孔連接所有電磁閥的出氣口。測(cè)試時(shí)，通過(guò)控制不同的電磁閥開(kāi)關(guān)狀態(tài)，可以使顆粒物濃度測(cè)試設(shè)備連通大氣或連通不同的取樣口，從而實(shí)現(xiàn)本底值測(cè)量以及密封罐體內(nèi)氣體分組分別測(cè)量。

3.4 氣壓穩(wěn)定子系統(tǒng)

根據(jù)上述技術(shù)方案，設(shè)計(jì)了由套筒升降步進(jìn)電機(jī)1、升降電機(jī)支架2、繩輪支套3、升降支架4、升降連接架5、導(dǎo)向柱7和鋼絲繩輪8等組成的氣壓穩(wěn)定子系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。在顆粒物濃度測(cè)量子系統(tǒng)從密閉空間子系統(tǒng)中抽取氣體時(shí)，通過(guò)控制套筒升降步進(jìn)電機(jī)1，驅(qū)動(dòng)鋼絲繩輪8旋轉(zhuǎn)下放鋼絲繩，帶動(dòng)套筒6逐漸下降，減小密閉空間體積，從而實(shí)現(xiàn)氣壓穩(wěn)定。導(dǎo)向柱7起到套筒6軸向定位作用。

1-套筒升降步進(jìn)電機(jī)；2-升降電機(jī)支架；3-繩輪支套；4-升降支架；5-升降連接架；6-套筒；7-導(dǎo)向柱；8-鋼絲繩輪

4 道路揚(yáng)塵擾動(dòng)采樣器PLC控制系統(tǒng)介紹

4.1 PLC控制系統(tǒng)組成

電氣控制子系統(tǒng)采用以可編程控制器為主的控制電路，并編寫(xiě)了控制程序。電氣控制子系統(tǒng)由可編程控制器、中間繼電器、兩相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、霍爾傳感器、ParKer電磁閥、24 V電源、220 V兩相空開(kāi)、蜂鳴報(bào)警器等組成。

可編程控制器通過(guò)按鈕和霍爾傳感器觸發(fā)相應(yīng)預(yù)設(shè)程序，向相關(guān)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、中間繼電器發(fā)送信號(hào)，從而驅(qū)動(dòng)揚(yáng)塵步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)擾動(dòng)刷旋轉(zhuǎn)、套筒升降步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)套筒升降調(diào)節(jié)、電磁閥做出開(kāi)關(guān)動(dòng)作等。圖6為PLC電控簡(jiǎn)圖。

圖6 PLC電控簡(jiǎn)圖

4.2 操作流程

根據(jù)道路揚(yáng)塵擾動(dòng)采樣器相關(guān)動(dòng)作順序、動(dòng)作條件及操作方式，確定的采樣操作流程如下：

(1) 按動(dòng)“啟動(dòng)”按鈕，采樣器進(jìn)入檢測(cè)預(yù)備狀態(tài)。

(2) 4號(hào)、5號(hào)通大氣電磁閥打開(kāi)。

(3) 手動(dòng)操作顆粒物監(jiān)測(cè)儀，進(jìn)行采樣預(yù)熱(不少于10 s)。

(4) 按動(dòng)“運(yùn)行”按鈕，可編程控制器程序運(yùn)行，揚(yáng)塵電機(jī)帶動(dòng)擾動(dòng)刷運(yùn)行10 s。

(5) 在揚(yáng)塵電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)后，按照程序設(shè)定等待10 s。然后1號(hào)電磁閥打開(kāi)，同時(shí)4號(hào)、5號(hào)通大氣電磁閥關(guān)閉，套筒在升降電機(jī)驅(qū)動(dòng)下勻速下降。

(6) 1號(hào)電磁閥打開(kāi)4 s后關(guān)閉，同時(shí)4號(hào)、5號(hào)通大氣電磁閥打開(kāi)，套筒停止下降。

(7) 4號(hào)、5號(hào)通大氣電磁閥打開(kāi)4 s后關(guān)閉，2號(hào)電磁閥打開(kāi)，套筒在升降電機(jī)驅(qū)動(dòng)下勻速下降。

(8) 2號(hào)電磁閥打開(kāi)4 s后關(guān)閉，同時(shí)4號(hào)、5號(hào)通大氣電磁閥打開(kāi)，套筒停止下降。

(9) 4號(hào)、5號(hào)通大氣電磁閥打開(kāi)4 s后關(guān)閉，3號(hào)電磁閥打開(kāi)，套筒在升降電機(jī)驅(qū)動(dòng)下勻速下降。

(10) 3號(hào)電磁閥打開(kāi)4 s后關(guān)閉，同時(shí)通大氣電磁閥打開(kāi)。套筒受升降電機(jī)驅(qū)動(dòng)上升至上限位傳感器處自動(dòng)停止等待做下一組實(shí)驗(yàn)，蜂鳴器報(bào)警提示采樣完成。

(11) 如果結(jié)束實(shí)驗(yàn)，手動(dòng)關(guān)閉顆粒物監(jiān)測(cè)儀，結(jié)束采樣。

(12) 按動(dòng)“停止”按鈕，通大氣電磁閥關(guān)閉，蜂鳴器停止報(bào)警，程序復(fù)位。

5 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化的瀝青道路上，開(kāi)展了兩組試驗(yàn)，第1組試驗(yàn)布撒10 g標(biāo)準(zhǔn)土樣，第2組試驗(yàn)布撒20 g標(biāo)準(zhǔn)土樣，每組試驗(yàn)重復(fù)3次。

每次布撒后，用揚(yáng)塵擾動(dòng)采樣器將布撒的標(biāo)準(zhǔn)樣品完全罩在采樣器內(nèi)。使用TSI 8530激光散射法顆粒物監(jiān)測(cè)儀測(cè)試大氣本底值至少15 s，然后啟動(dòng)采樣器擾動(dòng)布撒的樣品10 s后靜置10 s，再使用TSI 8530激光散射法顆粒物監(jiān)測(cè)儀在1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)三個(gè)采樣口，依次測(cè)量密閉空間揚(yáng)塵濃度共計(jì)12 s，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1?；诒?中的數(shù)據(jù)，計(jì)算得到擾動(dòng)揚(yáng)塵設(shè)備初始測(cè)試結(jié)果，如表2所示。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)原始記錄

表2 擾動(dòng)揚(yáng)塵設(shè)備初步測(cè)試結(jié)果

由表2可以看出：布撒量分別為10 g和20 g的兩組試驗(yàn)中，第1組3次試驗(yàn)布撒標(biāo)準(zhǔn)樣的均值為10.133 g，第2組3次試驗(yàn)布撒標(biāo)準(zhǔn)樣的均值為20.000 g。經(jīng)揚(yáng)塵擾動(dòng)采樣器擾動(dòng)后，分別測(cè)量揚(yáng)塵值，兩組的揚(yáng)塵均值分別為0.467 mg/m3和0.885 mg/m3。進(jìn)一步計(jì)算兩組數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差，分別為0.073 mg/m3和0.095 mg/m3，可見(jiàn)數(shù)據(jù)一致性較好，即設(shè)備再現(xiàn)性較好，達(dá)到了考核指標(biāo)要求。

6 結(jié)論

道路揚(yáng)塵擾動(dòng)采樣器外形設(shè)計(jì)小巧、重量輕，適宜車(chē)載搬運(yùn)。其針對(duì)道路揚(yáng)塵采用的擾動(dòng)刷設(shè)計(jì)，可以直接從路面擾動(dòng)采樣，避免了顆粒物再懸浮采樣器只能使用已經(jīng)收集到的塵土樣品，而在中間環(huán)節(jié)造成部分塵土樣品丟失的可能性。同時(shí)，顆粒物濃度測(cè)量子系統(tǒng)采用激光散射法顆粒物監(jiān)測(cè)儀作為懸浮揚(yáng)塵的采集方式,對(duì)于只需要空氣懸浮顆粒物濃度的研究項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，對(duì)比典型顆粒物再懸浮采集器的濾膜法采集方式，具有采樣速度快、后期準(zhǔn)備工作少的優(yōu)點(diǎn)。因此,道路揚(yáng)塵擾動(dòng)采樣器是很適合路面塵土與揚(yáng)塵關(guān)系研究的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。