嵌入式自然空氣負(fù)離子與PM2.5作用特性實驗裝置

趙 號， 郭繼峰， 張龍鎮(zhèn)， 楊春梅

(東北林業(yè)大學(xué) 信息與計算機工程學(xué)院， 黑龍江 哈爾濱 150040)

PM2.5(環(huán)境中空氣動力學(xué)當(dāng)量直徑≤2.5 mm的顆粒物)粒徑非常小，并且吸附大量有毒有害物質(zhì)，危害人類健康和大氣環(huán)境。眾多學(xué)者從物理、化學(xué)、生態(tài)學(xué)等方面研究負(fù)氧離子對PM2.5及以下微塵的捕捉、凝聚和沉淀作用，獲得了許多有益成果[1-5]。負(fù)氧離子存在時間極短，最長不過幾十秒就被吸收合并，傳統(tǒng)研究過程中一般采用物理或者化學(xué)方法獲得負(fù)氧離子進(jìn)行實驗觀察[6-9]。該方法產(chǎn)生的負(fù)氧離子含有多種副產(chǎn)品，對人體不利甚至有害，而且不能保證負(fù)氧離子作用效果的獨立性。理想的負(fù)氧離子來源是自然的森林、海洋或者湖泊等。因此，開發(fā)一種能夠利用自然生態(tài)環(huán)境中的空氣負(fù)氧離子進(jìn)行實驗觀察的儀器裝置十分必要。

1 功能與結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 實驗裝置功能原理圖

為方便觀察容器內(nèi)反應(yīng)物作用過程和設(shè)備的工作狀態(tài)，設(shè)計透明密閉容器作為PM2.5實驗樣品和空氣負(fù)氧離子的作用容器。容器壁上嵌入式安裝傳感器、通風(fēng)口等功能部件，其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。從裝置的透光、便攜和安裝強度3個方面考慮，選用鋁合金作為容器框架，聚甲基丙烯酸甲酯(通常稱有機玻璃，其透光率達(dá)到92%，密度為1.18 g/cm3，而且抗拉伸和抗沖擊的能力比普通玻璃高7～18倍)作為容器壁板。

圖1 實驗裝置結(jié)構(gòu)原理圖

裝置設(shè)計4個高度可調(diào)的地腳螺栓作為支撐，適合野外安裝，配套減震橡膠。安裝內(nèi)嵌式負(fù)離子濃度傳感器和PM2.5濃度檢測傳感器各兩套，用于容器內(nèi)不同位置的濃度數(shù)據(jù)檢測，傳感器數(shù)量可根據(jù)需要在留洞位置增減。設(shè)計自然生態(tài)負(fù)離子進(jìn)氣總成，包括進(jìn)氣管口、進(jìn)氣風(fēng)扇、濾網(wǎng)以及配套密封膠圈。進(jìn)氣管口配置彈簧逆止閥。進(jìn)氣風(fēng)扇由計算機控制啟停，以向容器內(nèi)補充空氣負(fù)離子。泄壓閥用于平衡容器內(nèi)氣壓，保證空氣負(fù)離子順暢流入容器，其控制采用電磁閥。設(shè)計PM2.5進(jìn)樣總成用于將PM2.5樣品送入容器，其正剖面結(jié)構(gòu)如圖2所示。配置PM2.5樣品盒安裝在實驗裝置上，樣品盒開進(jìn)料口和PM2.5導(dǎo)流口，盒內(nèi)配置攪拌電機，在樣品裝入、密封后將樣品吹勻。樣品盒通過導(dǎo)流管與配置有負(fù)壓生成電機的負(fù)壓腔連接，用于需要時產(chǎn)生負(fù)壓將PM2.5從樣品盒吸入負(fù)壓腔，然后吹入密閉容器進(jìn)行混合實驗。配置撐緊螺絲以及環(huán)形膠塞安裝負(fù)壓腔及導(dǎo)流管。連接負(fù)壓腔和密閉容器的導(dǎo)流管設(shè)計發(fā)散形狀出口用于PM2.5的均勻吹入。所有裝置的控制由配置觸摸屏的嵌入式計算機系統(tǒng)及電氣驅(qū)動系統(tǒng)實現(xiàn)。

圖2 PM2.5進(jìn)樣總成正剖面結(jié)構(gòu)圖

1.2 總體布局方案

根據(jù)實驗裝置的功能結(jié)構(gòu)原理圖，從實際使用要求出發(fā)，結(jié)合三維結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計思想，確定自然負(fù)氧離子與PM2.5作用特性實驗裝置的總體布局方案。自然負(fù)氧離子與PM2.5作用特性實驗裝置主要由實驗裝置主體結(jié)構(gòu)、進(jìn)氣總成裝置、PM2.5進(jìn)樣總成裝置、泄壓閥總成裝置和配套傳感器組成。

1.3 實驗裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

自然負(fù)氧離子與PM2.5作用特性實驗裝置的總體布局確定之后，便需要對其進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)設(shè)計，負(fù)氧離子與PM2.5作用特性實驗裝置的三視圖如圖3所示。實驗裝置正常工作時，實驗人員通過計算機控制進(jìn)氣風(fēng)扇和負(fù)壓生成電機的啟動和停止，進(jìn)而向?qū)嶒炄萜鲀?nèi)補充空氣負(fù)氧離子和PM2.5樣品進(jìn)行混合實驗。同時由實驗人員通過計算機控制電磁閥的吸合和斷開，從而間接控制泄壓閥的閉合和排氣，保證整個實驗過程中容器內(nèi)氣壓的平衡。整個實驗過程中，實驗人員可以透過有機玻璃直接觀察到實驗容器內(nèi)的反應(yīng)現(xiàn)象，通過計算機觀察到利用傳感器監(jiān)測到的空氣負(fù)氧離子濃度和PM2.5濃度的均值實時數(shù)值變化曲線。

圖3 實驗裝置三視圖

2 傳感器設(shè)計

2.1 負(fù)離子檢測

負(fù)離子濃度檢測一般由離子收集器和電流檢測兩個部分組成。其原理是讓空氣在吸氣風(fēng)扇的作用下均勻通過極化板施加固定電壓的離子收集器，空氣負(fù)離子在收集器通道內(nèi)受電場力的作用，向收集板偏轉(zhuǎn)，離子撞擊到收集板后產(chǎn)生放電，從而形成電流，再通過電流檢測電路檢測該電流，經(jīng)過相關(guān)公式計算與標(biāo)定得到相應(yīng)空氣負(fù)離子濃度。目前負(fù)離子收集器主要有平行板式與雙圓筒軸式兩種[10-11]?？紤]到體積、收集效率以及安裝便利性等因素，選擇雙圓筒軸式收集器如圖4所示。

圖4 雙圓筒軸式收集器結(jié)構(gòu)圖

離子濃度與離子收集器參數(shù)、電流的關(guān)系式為:

(1)

式中：I為離子收集器輸出的電流,A；M為離子收集器的體積流量,cm3/s；q為離子帶電量,C；N為空氣離子濃度,個/cm3。

雙重圓筒軸式收集器的內(nèi)電極板輸出電流信號為fA級到nA級，屬于極其微弱的信號，普通的電流表不能直接測量。因此，設(shè)計中采用TI公司的20位弱電流DDC112模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，該芯片基于電流積分的直接電流數(shù)字化，適用于負(fù)離子收集器輸出的fA級電流的連續(xù)測量。

2.2 PM2.5檢測

PM2.5來源廣泛，成分復(fù)雜，易游動，沉降周期長，對其準(zhǔn)確檢測比較困難。檢測方法有基于顆粒物力學(xué)性質(zhì)的檢測方法(如濾膜稱重法等)，基于顆粒物光學(xué)性質(zhì)的檢測方法(如光散射法等)，基于顆粒物其他性質(zhì)的檢測方法(如β射線吸收法等)[12-13]。考慮本裝置應(yīng)用場景對體積及便攜性的要求，采用基于對射型光強檢測法的夏普GP2Y1010AU0F光學(xué)灰塵傳感器，其原理如圖5所示。激光源發(fā)出激光，經(jīng)過透鏡1和透鏡2后照射在光敏感區(qū)，通過光敏感區(qū)的光經(jīng)過透鏡3后由雪崩光電二極管接收。當(dāng)有PM2.5通過光敏感區(qū)時，PM2.5就會遮蔽光線而導(dǎo)致進(jìn)入雪崩光電二極管的光量減少，雪崩光電二極管產(chǎn)生與顆粒物的大小成比例的電脈沖信號，進(jìn)而可以獲得PM2.5的濃度。

圖5 PM2.5光強檢測法原理圖

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)裝置功能需求分析設(shè)計控制系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖6所示。其中：PM2.5傳感器、負(fù)離子傳感器屬于模擬量輸入信號,需求6路；PM2.5進(jìn)樣負(fù)壓控制、PM2.5樣料攪拌控制、負(fù)壓進(jìn)風(fēng)控制、泄壓閥門控制屬于輸出信號，需求4路；其他包括觸摸屏、通訊接口、數(shù)據(jù)存儲卡接口等功能組件。嵌入式控制器選用ARM公司的STM32F103，其內(nèi)核為 CortexTM-M3，屬于該系列中高性能低成本32位微控制器，集高性能、低功耗、低成本等優(yōu)勢，工作頻率達(dá)到72 MHz，配置豐富的內(nèi)外設(shè)足夠滿足本裝置控制需求。該控制器具有出色的抗干擾、抗震動，以及高速可靠數(shù)據(jù)采集、控制和聯(lián)接能力，非常適用于實驗裝置設(shè)計應(yīng)用領(lǐng)域。控制器配置數(shù)據(jù)存儲卡接口，USB通訊接口可將數(shù)據(jù)本地保存或傳輸至上位機。人機交互采用帶觸摸控制的LCD顯示屏實現(xiàn)。

圖6 裝置控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D

3.2 軟件設(shè)計

控制系統(tǒng)上位機軟件采用C#語言開發(fā)，數(shù)據(jù)庫采用MySQL5.0?？諝庳?fù)離子濃度和PM2.5濃度均值檢測實驗臺的上位機軟件控制系統(tǒng)的登錄界面如圖7所示。

圖7 軟件登錄界面

在登錄界面點擊進(jìn)入系統(tǒng)后，進(jìn)入控制系統(tǒng)總界面，如圖8所示。本實驗臺設(shè)計了負(fù)氧離子檢測I、負(fù)氧離子檢測II、PM2.5檢測I、PM2.5檢測II 4種檢測功能，控制界面設(shè)計了對應(yīng)的4種檢測模式選擇模塊。點擊其中任一種檢測模式都會相應(yīng)地進(jìn)入其檢測功能窗口。

圖8 控制系統(tǒng)總界面

點擊主頁面的負(fù)氧離子檢測I模塊，如圖9所示。通過點擊“顯示數(shù)據(jù)”按鈕可以顯示通過空氣負(fù)離子傳感器傳輸過來的數(shù)據(jù)并且在右側(cè)的圖表中繪畫出折線圖，可以明顯看出當(dāng)天各個時間段空氣負(fù)離子濃度的變化情況。點擊“刷新數(shù)據(jù)”將當(dāng)天的數(shù)據(jù)置空，點擊“保存數(shù)據(jù)”按鈕可以把當(dāng)天的數(shù)據(jù)保存到Excel表格中。

圖9 空氣負(fù)離子濃度檢測界面

點擊主頁面的PM2.5檢測I模塊，如圖10所示。通過點擊“顯示數(shù)據(jù)”按鈕可以顯示通過PM2.5傳感器傳輸過來的數(shù)據(jù)并且在右側(cè)的圖表中繪畫出折線圖，可以明顯看出當(dāng)天各個時間段的PM2.5濃度均值的變化情況。點擊“刷新數(shù)據(jù)”將當(dāng)天的數(shù)據(jù)置空，點擊“保存數(shù)據(jù)”按鈕可以把當(dāng)天的數(shù)據(jù)保存到Excel表格中。

圖10 PM2.5濃度均值檢測界面

4 實驗應(yīng)用與對比

采用日本同軸二重圓筒式COM-3200PRO-II型負(fù)離子監(jiān)測儀和英國產(chǎn)DUSTMATE粉塵儀(分辨率:10 μg/m3，檢測范圍:0～60 000 μg/m3)對本裝置的檢測準(zhǔn)確度進(jìn)行檢驗與標(biāo)定。實驗1：選取8月份某天東北林業(yè)大學(xué)城市示范林業(yè)基地(實驗林場)櫟松林作為空氣負(fù)離子濃度的環(huán)境，本文裝置測試結(jié)果與COM-3200PRO-II負(fù)離子監(jiān)測儀測定結(jié)果對比如圖11所示。實驗2:在裝置容器內(nèi)吹入PM2.5占比約為5%的細(xì)顆粒物試驗樣品1 g，檢驗裝置采樣頻率設(shè)置為1 Hz，CW-HAT200PM2.5監(jiān)測儀采樣時間間隔為2 min，保持1 800 s的整個過程濃度變化對比曲線如圖12所示。實驗3:分別在裝置容器內(nèi)吹入PM2.5試驗樣品5 g，保持600 s，容器內(nèi)先后引入濃度1 180個/cm3和720個/cm3的負(fù)氧離子空氣,觀察PM2.5濃度變化[14-16]，對比曲線如圖13所示。

由圖11可知，本文研制的實驗裝置能夠較為準(zhǔn)確地測定出空氣負(fù)離子濃度，與日本同軸二重圓筒式COM-3200PRO-II型負(fù)離子監(jiān)測儀的測定結(jié)果偏差較小，符合研制設(shè)計的預(yù)期要求。由圖12可知，本文研制的實驗裝置能夠較為準(zhǔn)確地測定出實驗容器內(nèi)PM2.5均值濃度，滿足研制設(shè)計的預(yù)期要求。由圖13可知，負(fù)氧離子能夠積極地與PM2.5微塵進(jìn)行反應(yīng)，有效地對PM2.5微塵進(jìn)行捕捉、凝聚和沉淀；空氣中的負(fù)氧離子濃度較高時，能更加有效地降低空氣中的PM2.5微塵的濃度，極大地改善空氣的質(zhì)量。

圖11 本文裝置與檢測儀測量空氣負(fù)離子濃度結(jié)果對比圖

圖12 本文裝置與檢測儀測量PM2.5濃度均值結(jié)果對比圖

圖13 不同負(fù)離子濃度作用下PM2.5濃度均值變化結(jié)果圖

5 結(jié) 語

針對傳統(tǒng)方法獲得負(fù)氧離子不能保證作用效果獨立性的問題，研制了一種可進(jìn)行包括森林、海濱等自然發(fā)生以及實驗室人工發(fā)生方式產(chǎn)生的負(fù)離子與PM2.5樣品發(fā)生反應(yīng)并且能觀看檢測結(jié)果的實驗裝置，為負(fù)離子作用PM2.5機理研究提供一種較為理想的實驗環(huán)境和手段。