空气细颗粒物检测产品设计..doc

空气细颗粒物检测产品设计 一、背景 细颗粒物又称细粒、细颗粒、PM2.5。细颗粒物指环境空气中空气动力学当量直径小于等于 2.5?微米的颗粒物。它能较长时间悬浮于空气中，其在空气中含量浓度越高，就代表空气污染越严重。虽然PM2.5只是地球大气成分中含量很少的组分，但它对空气质量和能见度等有重要的影响。与较粗的大气颗粒物相比，PM2.5粒径小，面积大，活性强，易附带有毒、有害物质（例如，重金属、微生物等），且在大气中的停留时间长、输送距离远，因而对人体健康和大气环境质量的影响更大。 据悉，2012年联合国环境规划署公布的《全球环境展望5》指出，每年有70万人死于因臭氧导致的呼吸系统疾病，有近200万的过早死亡病例与颗粒物污染有关。《美国国家科学院院刊》（PNAS）也发表了研究报告，报告中称，人类的平均寿命因为空气污染很可能已经缩短了5年半。 北京，西安等大城市多天雾霾已经严重影响居民们的正常生活，2012年05月24日环保部公布了《空气质量新标准第一阶段监测实施方案》，要求全国74个城市在10月底前完成PM2.5“国控点”监测的试运行。 二问题定义 测量精度 测量范围 0.001-100mg/m3 四、技术调研 1. 主要测量方法如下： 重量法 本方法主要是将PM2.5直接截留到一层很薄的滤膜之上，然后再用天坪进行称重量，此种方法就是重量法。本方法中需要提到的一点就是，滤膜并不能把所有的PM2.5都收集起来，一些直径非常小的颗粒物还是容易漏过，但是能把大部分的颗粒物收集起来。其原则是只要对于颗粒物直径大于0.3微米的颗粒物能截取99%都是允许的。没有截取的损失掉的那部分颗粒物对整体结果的影响并不是十分明显，因为那部分颗粒物对于整个PM2.5的浓度共享量是非常小的。?利用重量法测量PM2.5浓度一般普遍的采用比较大流量的采样器材，其原理主要是利用泵抽取一定量的气体进入空气切割器当中。其操作的原理就是将直径小于30微米的颗粒物进行不断的分割和切割，这样PM2.5颗粒物就可以随着气流经过切割器的出口被阻留到了已经称重的器皿上。根据对颗粒物采样前后的质量之差以及采样颗粒物气体的体积，可以计算出PM2.5的浓度。具体的计算公式为： 其中C代表的含义是PM2.5的质量浓度，其表示的单位是，W2表示的含义是采样之后滤膜的质量，其单位是mg；W1表示的含义是采样之前滤膜的质量，其单位是mg；F代表的含义是换算成标准状况下的采样的流量，其单位是L/min；t代表的是采样时间，其单位是min. β射线吸收法 本方法的原理主要是将PM2.5收集到滤纸上面，然后用一束beta射线进行照射，当射线穿过滤纸或者颗粒物的时候，由于beta射线会被散射而发生衰减，其衰减的程度会根据PM2.5的重量而成正比。因此可以根据射线的衰减情况来测算出PM2.5的重量。Beta射线吸收的原理就是，当原子核在发生着beta衰变时，会放出beta粒子，beta粒子实际上是一种移动速度非常快的带电荷的粒子，它的穿透能力超级强，当它穿过一定厚度的物质被吸收时，其强度会随着吸收层厚度的增加而逐渐减弱，这种现象叫做β吸收。若吸收物质的厚度比beta粒子的射程小得非常多的时，beta射线会被物质所吸收掉。其表达的公式为 该式之中，I0表达的含义就是滤纸没有进行吸附吸收物质的时候，beta粒子的数量；I表示的含义就是当beta射线穿过物质厚度为tm的滤纸时候，beta粒子的数量；表示的含义就是质量吸收系数或者称为质量衰减系数，其单位为；Beta射线吸收原理测量PM2.5在国际上目前比较流行的方法就是Beta射线自动检测仪。该仪器可以利用抽气泵对大气进行恒流采样来进行。 微量振荡天坪法 其主要实现的方法和步骤就是利用一头粗一头细的空心玻璃管，将粗头的部位固定住，将细头装滤芯。空气从粗头的部分进入，从细头的部分流出，因此PM2.5就被截留在滤芯上面。它们在电场的作用之下，细头部位以一定的频率进行振荡，振荡的频率与细头重量的平方根之间成反比。因此，根据振荡频率的变化，就可以计算出收集到的PM2.5的重量，根据这样可以计算空气中PM2.5的浓度。 2. 设计框图 我们采用的测量方法是重量法。对此我们所要获得的数据有空气中PM2.5的质量M和收取的空气体积V。设计的主要模块有电源模块，控制模块，时钟模块，采样模块，称重模块，告警和显示模块。每部分间的连接框图如图1。 图1 设计框图 电源模块：电源模块给控制模块，采样模块，称重模块等其他模块供电，由于每部分需要的电压不统一，所以电源模块能多电压输出。 控制模块：控制模块负责控制采样模块定时工作，获取通过采样模块空气的体积V和称重模块称得的PM2.5的质量M，并进行运算，把结果转化为污染等级，输出到显示器上，并判断是