室內(nèi)可吸入顆粒物濃度越限報警及設(shè)計

苗慧鴻　曹　浩　崔玉琦　張　雨　鄭　潔（重慶大學　重慶　400044）

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室內(nèi)可吸入顆粒物濃度越限報警及設(shè)計

苗慧鴻曹浩崔玉琦張雨鄭潔
（重慶大學重慶400044）

【摘要】根據(jù)普通民用建筑室內(nèi)可吸入顆粒物的來源、分布、粒徑特點等，提出了一種濃度越限報警方法。該方法通過濾膜形變原理對普通室內(nèi)空氣PM2.5含量進行監(jiān)測、越限報警，以避免對人員健康造成持續(xù)性危害。系統(tǒng)設(shè)計主要包括報警系統(tǒng)組成及軟、硬件設(shè)計，可以根據(jù)含量是否超標報警，為室內(nèi)空氣環(huán)境質(zhì)量提供保障。報警系統(tǒng)設(shè)計經(jīng)濟、使用方便。

【關(guān)鍵詞】室內(nèi)環(huán)境；可吸入顆粒物；濃度；越限報警

0　引言

可吸入顆粒物指大氣中空氣動力學直徑小于或等于10μm的顆粒物。其中直徑小于2.5μm的顆粒物能直接侵入人體的肺泡，還可通過支氣管和肺泡進入血液，使其攜帶的有害氣體、病菌、重金屬等溶解在血液中，因而對人體的危害最大。普通人每天在室內(nèi)的時間比例高達80%，且室內(nèi)空氣可吸入顆粒物濃度隨內(nèi)擾、外擾等的變化波動較大，因此應(yīng)對室內(nèi)空氣進行可吸入顆粒物濃度即時監(jiān)測。本文以越限報警為主要目標，通過一種方便、經(jīng)濟的原理對室內(nèi)可吸入顆粒物濃度監(jiān)測方案進行設(shè)計，避免在不覺察的情況下因長期暴露在不達標的空氣環(huán)境中而對室內(nèi)人員造成潛在的健康威脅。目前認可的可吸入顆粒物濃度的測量方法主要有濾膜稱重法、光散射法、β射線法、微量振蕩天平法等，各方法的優(yōu)缺點及原理步驟比較如表1所示。

目前實際中采用較多的方法是光散射法和濾膜稱重法。其中，以光散射為基本原理設(shè)計的PM2.5傳感器測量速度快、重復(fù)性好、自動化程度高，但需將測定結(jié)果由粒子數(shù)濃度轉(zhuǎn)換為質(zhì)量濃度，由于轉(zhuǎn)換系數(shù)K受環(huán)境因素影響巨大，為不確定值，因此難以廣泛應(yīng)用。而以濾膜稱重法為核心原理的裝置采用完整的分析天平進行精確測量，成本極高，難以推廣民用。

表1　現(xiàn)有可吸入顆粒物濃度測量方法比較Table 1 Comparison of the existing measuring methods of inhalable particles concentration

1　普通室內(nèi)空氣可吸入顆粒物的特點

（1）由于顆粒物質(zhì)量較小，為累積一定的薄膜形變量，采樣應(yīng)具備一定的體積；

（2）室內(nèi)空間分布可能不均勻，須通過測定分析，恰當考慮采樣點位置；

（3）不同環(huán)境條件下，室內(nèi)可吸入顆粒物濃度水平差異大，且不同場合要求的濃度限值不同；

（4）針對普通室內(nèi)空氣可吸入顆粒物濃度的監(jiān)測往往不需要測定非常精確的數(shù)值，多局限于定性判斷。

2　室內(nèi)可吸入顆粒物濃度的越限報警設(shè)計

2.1報警系統(tǒng)組成

圖1　濃度越限報警總體設(shè)計Fig.1 Overall design of the alarming method based on the limit concentrations of inhalable particles

濃度越限報警的設(shè)計思路是以形變最大高度h間接反映顆粒物濃度c的大小。通過收集處理裝置使顆粒物在薄膜上附著積累，當室內(nèi)顆粒物濃度大小達到預(yù)設(shè)警戒值時，收集到的顆粒物通過重力壓迫薄膜產(chǎn)生足量的形變而與金屬板控制電路連通發(fā)出報警信號，及時提醒人們采取空氣凈化處理或者啟動自動控制凈化裝置。所述報警系統(tǒng)主要由設(shè)限、測定、判斷、執(zhí)行四個部分組成。總體設(shè)計方案見圖1。A、B、C、D依次為設(shè)限、測定、判斷、執(zhí)行四個部分。

2.2硬件設(shè)計

圖2　濃度越限報警裝置硬件設(shè)計Fig.2 Hardware design of the alarming device based on the limit concentrations of inhalable particles

硬件設(shè)計主要包括收集處理模塊、沉降模塊、執(zhí)行報警模塊。收集處理模塊包括收集容置體、三個可以自動開閉的扇葉、錐形擋塵濾膜、進氣通道（含有附壁干燥裝置）；沉降模塊包括沉降容置體、一個可以自動開閉的扇葉、錐形過濾濾膜、收集濾膜、導(dǎo)電金屬片、分置的兩塊金屬板；執(zhí)行報警模塊包括報警器、與金屬板預(yù)先連接的報警電路（電路中含有恒定的直流供電電源，未在圖中顯示）。此外還具有分置的調(diào)節(jié)金屬板高度的高度調(diào)節(jié)機構(gòu)，使其可以靈活地調(diào)整金屬板高度使其滿足不同的被檢測空氣情況以及不同報警程度的要求（未在圖中顯示）。硬件布置如圖2。

（1）開關(guān)扇葉：氣密性好、內(nèi)表面光滑、可以控制其自動開閉。

（2）濾膜：第一濾膜采用孔徑較大的普通濾塵濾膜，以過濾空氣中粒徑較大的灰塵；第二濾膜采用孔徑為2.5μm的實驗濾膜，以過濾粒徑超過2.5μm的顆粒物；第三濾膜采用孔徑微小、彈性較好的玻璃纖維制成，用于收集PM2.5和發(fā)生形變。

（3）金屬板：選用金屬銅板，兩側(cè)用導(dǎo)線進行電連接，金屬板上設(shè)置有過氣孔。兩片金屬板間隔位置位于輕質(zhì)導(dǎo)電薄片下方且間隔尺寸小于導(dǎo)電薄片的寬度。

（4）輕質(zhì)導(dǎo)電薄片：材質(zhì)為導(dǎo)電泡棉，重量輕且具有良好的表面導(dǎo)電性。

（5）殼體：選用內(nèi)壁光滑處理，接縫處密封處理的塑料制成。

2.3工作過程

該越限報警裝置主要應(yīng)用于普通建筑室內(nèi)。首先，根據(jù)國家《室內(nèi)空氣質(zhì)量標準》GB/T18883-2002附錄A中規(guī)定，該裝置的布點應(yīng)滿足以下要求：

（1）采樣點的數(shù)量：采樣點的數(shù)量根據(jù)監(jiān)測室內(nèi)面積大小和現(xiàn)場情況而確定，以期能正確反映室內(nèi)空氣污染物的水平。原則上小于50m2的房間應(yīng)設(shè)1－3個點；50－100m2設(shè)3～5個點；100m2以上至少設(shè)5個點。在對角線上或梅花式均勻分布。

（2）采樣點應(yīng)避開通風口，離墻壁距離應(yīng)大于0.5rn。

（3）采樣點的高度：原則上與人的呼吸帶高度相一致。相對高度0.5m－1.5m之間。

根據(jù)室內(nèi)具體情況正確布點后，啟動越限報警裝置，經(jīng)過以下具體工作過程：

1）打開第一開關(guān)扇葉和第二開關(guān)扇葉，關(guān)閉第三開關(guān)扇葉，通過進氣裝置采樣一定體積的待檢測空氣通過進氣通道進入到進氣腔室，而進氣腔室內(nèi)原有氣體經(jīng)由第二開關(guān)扇葉排出，進氣時通過第一濾膜過濾掉空氣灰塵；當原有氣體已經(jīng)全部排除后，關(guān)閉第二開關(guān)扇葉繼續(xù)采樣至進氣腔室內(nèi)壓力達到一定值P0（高于大氣壓力Pa），此時上下兩腔室形成微壓差。關(guān)閉第一開關(guān)扇葉，過程對應(yīng)于圖3（a），圖中黃色三角形表示報警器已連通但未報警；

2）靜置一段時間（t0）讓進氣腔室內(nèi)的采樣氣體充分混合均勻后，打開進氣腔室下部的第三開關(guān)扇葉和第四開關(guān)扇葉，使得采樣氣體在橫向處相等的微壓差作用下豎直向下流動，在此過程中第二濾膜攔截了PM2.5以上的大粒徑顆粒物，并使得PM2.5在第三濾膜上沉積，使第三濾膜中部逐漸發(fā)生向下的形變并帶動輕質(zhì)導(dǎo)電片向下移動，過程對應(yīng)于圖3（b）；

3）再過一段時間（t1）后，容置體內(nèi)壓力降低至Pa，容置體內(nèi)部與外部空氣不再對流時，關(guān)閉第四開關(guān)扇葉，采集的顆粒物在裝置內(nèi)部充分沉降；在此過程中，當采樣空氣PM2.5濃度超過預(yù)設(shè)值，第三濾膜產(chǎn)生足夠大的形變將使報警線路自動接通報警；如未超過預(yù)設(shè)值，則不報警，表明被檢測的空氣質(zhì)量良好，過程對應(yīng)于圖3（c），圖中三角形變紅表示超過預(yù)設(shè)值時報警器發(fā)出報警信號。

圖3　（a）第一階段　圖3（b）第二階段　圖3（c）第三階段Fig.3(a) Stage 1　Fig.3(b) Stage 2　Fig.3(c) Stage 3

作為優(yōu)化，如實際應(yīng)用中微壓差作用不足以使較細顆粒沉降，可在裝置下部設(shè)置風機形成負壓，使顆粒物在氣流作用下充分沉降。

2.4軟件設(shè)計

軟件設(shè)計主要包括四個開關(guān)扇葉的自動控制、設(shè)限高度h0的電動調(diào)整、報警濃度c0、時間t0和t1的設(shè)定。其具體實現(xiàn)可通過可編程序控制器（PLC系統(tǒng)）完成相應(yīng)邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算數(shù)運算等操作指令。編程語言可為常用的BASIC、C語言等。其基本工作原理示意如下。

圖4　可編程序控制器（PLC系統(tǒng)）基本原理Fig.4 The fundamentals of the programmable controller (PLC)

3　結(jié)語

該方法針對普通室內(nèi)可吸入顆粒物濃度進行監(jiān)測，旨在定性判斷其是否超標，而避免了精密測量帶來的高成本、難以普遍性使用的缺點。通過對超標的現(xiàn)象進行及時的警示，避免了人員長時間暴露在空氣質(zhì)量不合格的環(huán)境中而危害人體健康。此外，由于可以方便地調(diào)節(jié)設(shè)限高度h0，該設(shè)計方案能夠滿足不同場合的需要；報警后既可以通過人員進行主動調(diào)節(jié)，又可以通過聯(lián)動新風引入控制電路或者空氣凈化器進行被動調(diào)節(jié)，方便且選擇性強；開始沉降到報警之間的時間這一參數(shù)可以間接反映不達標空氣的污染程度。因此，該設(shè)計不僅可以越限報警，還可以推廣應(yīng)用到其他領(lǐng)域。

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New Alarming Method for Poor IndoorAir Quality Based on the Limit Concentrations of Inhalable Particles

Miao Huihong Cao Hao Cui Yuqi Zhang Yu Zheng Jie
( Chongqing University, Chongqing, 400044 )

【Abstract】The purpose of this essay is to put forward a new method to alarm the concentration of PM2.5 exceeding the limit, which is based on the source, distribution and characteristics of particle sizes inside the civil buildings. This method, which is on the basis of membrane deformation, is to monitor the indoor concentration of PM2.5 and give an alarm when it exceeds the limit. In this case, there will be fewer persistent threats to the health of human beings. Design of the system includes the composition of the alarming system, the software design and the hardware design. It provides a high-qualified indoor air environment by giving alarms. What’s more, it’s both economical and convenient.

【Keywords】indoor environment; inhalable particles; concentration; alarming of exceeding the limit

中圖分類號X502

文獻標識碼A

文章編號：1671-6612（2016）01-053-04

基金項目：國家級大學生創(chuàng)新訓練項目（編號：201410611071）

作者簡介：苗慧鴻（1993.12-），女，在讀本科生，E-mail：1304376441@qq.com

通訊作者：鄭潔（1960.05-），女，本科，教授，E-mail：jz187@cqu.edu.cn

收稿日期：2015-02-11