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基于β射線吸收法的PM2.5測量技術的研究
來源：電子技術應用2013年第9期
趙 鑫， 潘晉孝， 劉 賓， 陳 平
中北大學 信息與通信工程學院 電子測試技術國家重點實驗室， 山西 太原 030051
摘要： 針對空氣中粒徑小于或等于2.5 μm的可入肺顆粒物對人體的嚴重危害，設計了基于β射線吸收法實時監(jiān)測PM2.5濃度值的監(jiān)測儀器。利用粉塵粒子吸收β射線的量與粉塵粒子的質量成正比關系的原理，通過測量β射線通過干凈濾紙和含有粉塵濾紙前后強度的變化，測量出PM2.5的濃度值。通過與標準過濾稱重法的對比校準，驗證了測量儀器的準確性。
中圖分類號: TP216
文獻標識碼: A
文章編號： 0258-7998(2013)09-0074-03
Research of measuring technology for PM2.5 based on the β-Ray absorption method
Zhao Xin, Pan Jinxiao, Liu Bin, Chen Ping
College of Information and Communication Engineering, North University of China, Taiyuan 030051,China
Abstract： According to the air particle being into the lungs , which can harm the human body seriously and whose size are less than or equal to 2.5 μm, the monitoring instrument , which can be used for real-time monitoring the concentration value of PM2.5, is designed based on β-Ray absorption method . Using the principle of the direct proportional relationship with the amount of absorbed β-Ray and the quality of the dust particle, through measuring β-Ray and the change of the intensity between the clean filtering paper and the contained dust filtering paper, the concentration value of PM2.5 is measured. By contrast and calibration with the standard filter weighing method, the accuracy of the measuring instruments is verified.
Key words : PM 2.5; β-Ray absorption method; gas constant current sampling; particle counter

    隨著人們生活水平的提高，人們對環(huán)境質量的要求越來越高，據統(tǒng)計，在美國每年都會有2.2～5.2萬人因空氣顆粒物污染而死亡,在歐盟這一數字高達20萬?？諝庵蓄w粒物嚴重危害人的健康,尤其是直徑小于10 ?滋m的顆粒物(PM10)會隨空氣進入呼吸道， 而直徑小于2.5 ?滋m的顆粒物(PM2.5)更是會進入肺部和支氣管中，直接導致死亡風險的上升。美國國家航空航天局（NASA）2010年9月公布了一張全球空氣質量地圖，專門展示世界各地PM2.5的密度。其中PM2.5濃度最高的地方出現在北非、東亞和中國。中國華北、華東和華中PM2.5的密度甚至接近80 ?滋g/m3,甚至超過了撒哈拉沙漠[2]。

    目前，國外對PM2.5監(jiān)測儀器的研究技術較為成熟，而我國在PM2.5監(jiān)測儀器方面的研究剛剛起步。2011年12月21日,環(huán)保部公布到2016年將在所有地級以上城市實施PM2.5監(jiān)測。目前我國使用的PM2.5監(jiān)測儀器大多是引進國外的，其價格相當高，因此研究一種PM2.5監(jiān)測儀器實時監(jiān)測PM2.5濃度值，最終找到污染源消除污染顯得十分迫切。
1 空氣顆粒物監(jiān)測方法與原理
1.1 顆粒物監(jiān)測方法
    當前，測量PM2.5濃度的方法主要有β射線吸收法、微量天平振蕩法和光散射法。β射線吸收法因其適用范圍廣、測量準確被很多國家作為顆粒物監(jiān)測的首選方法。本文就是采用β射線吸收法研究測量PM2.5/PM10濃度。
1.2 β射線吸收法測量顆粒物濃度原理[2]
    當一強度恒定的β源發(fā)出的β射線穿過一定厚度的介質時，由于介質的吸附作用，β射線的強度會衰減，其衰減的程度與顆粒物的質量厚度成正比關系，在一定范圍內其遵循如下規(guī)律：
  
    其工作過程為：單片機控制恒流采樣系統(tǒng)將采樣的氣體先后通過兩種不同的濾紙(第一種主要吸收空氣中較大的顆粒物質，第二種主要吸收所測PM2.5/PM10濃度的顆粒物，濾紙可更換)過濾，當采樣一定時間后，單片機控制步進電機驅動濾紙傳送帶將濾紙移向14C放射源(β射線源)處，β射線經過含有顆粒物的濾紙后，由光電倍增管將光信號轉換為電脈沖信號，經過濾波放大之后由單片機進行脈沖計數，最后通過串口將計數值發(fā)送到上位機，由上位機計算出PM2.5/PM10濃度值，并顯示出來。系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

2.1 氣體恒流采樣系統(tǒng)設計
    本系統(tǒng)采用質量流量控制器(MFC)和小型真空泵實現對氣體的恒流采樣，流量范圍為50～500 mL/min。MFC由流量傳感器、放大控制器、流量調節(jié)閥和分流器通道組成[3]。工作原理為：流量傳感器采用毛細管傳熱溫差量熱法原理測量氣體的質量流量。將傳感器加熱電橋所測得的流量信號放大后與設定電壓進行比較，并通過差值電壓去控制流量調節(jié)閥，使之與設定的流量相等，分流器決定主通道的流量。
2.2 濾紙傳輸裝置設計
     濾紙傳輸裝置的主要作用是使濾紙在采樣點和射線探測點之間移動和更換濾紙。精確地控制濾紙在采樣點與射線探測點之間移動的距離至關重要。因此，采用步進電機配合光電編碼器實現對濾紙傳輸位移的精確控制。
2.3 β射線檢測系統(tǒng)設計
2.3.1 β射線源
      本系統(tǒng)采用14C作為β射線源,其放射能量為0.156 MeV，半衰期為5 730年。這種放射源放射強度適中，且對人體無害，非常適合本監(jiān)測儀器。由于其半衰期很長，因此在粉塵采樣前后的β射線測量中可認為其強度不變。為提高系統(tǒng)測量的準確性，需半年左右重新標定一下β射線對介質的吸收系數k。
2.3.2 β射線強度檢測電路設計
　　由光電倍增管輸出的電信號為電流信號，在β粒子射線探測脈沖調理電路中，電流信號的靈敏度較電壓信號差很多，且不易后續(xù)電路處理，因此需將電流信號轉換為電壓信號再進行放大、濾波和處理。β粒子脈沖調理電路系統(tǒng)組成如圖3所示。

    β粒子脈沖調理電路原理圖如圖4所示。電阻Rb一端接地，另一端與C18連接，使耦合電容C18對地構成放電回路。其中電阻Rb的作用為：輻射脈沖經過電阻Rb后能將A點的電勢迅速置零,以便于電容C18對新輻射脈沖的快速響應；同時電阻Rb與電容C18構成高通濾波器，可有效地抑制低頻噪聲。雙運算放大器AD8066的A路為反相放大器，其具有較高的共模抑制比，能有效保證信噪比，同時可將負脈沖轉變?yōu)檎}沖。其放大倍數由R4和R5決定，這里放大倍數為100。AD8066的B路為同相放大器，其增益由電阻R3、R2和滑動變阻器W2決定，其中R2=0.2 kΩ，R3=1 kΩ，W2=2 kΩ，即放大6～16倍。在反相放大器的輸出與同相放大器輸入之間增加了由電容Cub和電阻Rb1組成的一階高通濾波器，可有效抑制AD8066的固有噪聲。由同相放大器輸出的信號經過檢波電路后由電壓比較器MAX992對β粒子脈沖進行閾值甄別，并將甄別出的β粒子脈沖信號送入單片機的計數中斷中進行計數。

3 系統(tǒng)軟件設計
    系統(tǒng)軟件部分主要實現單片機控制氣體采樣的速度、濾紙傳輸方向和距離、β粒子脈沖的計數，以及數據的傳輸和顯示[4]。圖5為系統(tǒng)軟件設計流程圖。

    系統(tǒng)上位機部分的軟件采用VC++編寫，上位機部分主要完成與單片機的數據通信。將一些系統(tǒng)參數傳輸到下位機系統(tǒng)，并將下位機采集到的數據通過串口傳輸到上位機界面，并計算、顯示輸出結果。PM濃度測量系統(tǒng)上位機界面如圖6所示。

4 實驗數據
    為驗證系統(tǒng)的準確性，采用傳統(tǒng)的稱重法與本測量儀器分別對PM2.5/PM10進行測量對比，測量數據結果如表1和表2所示。

 

 

    表1和表2分別為太原市中北大學室內某天每隔1小時使用稱重法和監(jiān)測儀器測出的PM2.5和PM10的濃度值，以及兩者的絕對誤差和相對誤差。由表中可以看出,測量PM2.5誤差相對較大，最大誤差接近20%;測量PM10的誤差相對較小，基本都在5%以內。
    本文在比較各種測量粉塵濃度方法的基礎上，設計了基于β射線吸收法的PM2.5/PM10濃度測量系統(tǒng)。本系統(tǒng)集氣體采樣、濾紙傳送、射線強度檢測和結果顯示等功能于一體[5]，能連續(xù)測量空氣中的PM值，并可自定義采樣時間和采樣速率。且PM10濃度的測量完全能達到測量精度要求，PM2.5濃度測量誤差相對較大，但亦可滿足一般的測量要求。
參考文獻
[1] 尹洧.大氣顆粒物及其組成研究進展[J].現代儀器,2012(2):1-5.
[2] 劉軍,馮艷君.基于β射線吸收法的可吸入顆粒物檢測儀[J]．儀表技術與傳感器,2011(9):39-40,58.
[3] 賀永方.β射線粉塵濃度測量系統(tǒng)設計[D].天津:天津大學,2008.
[4] 練德幸,趙修良,劉麗艷,等.基于PLC的β射線吸收法粉塵濃度測量系統(tǒng)[J].南華大學學報,2011,25(4):35-40.
[5] 李佳穎.大氣顆粒物質量濃度自動監(jiān)測系統(tǒng)的研究[D].上海：上海理工大學，2007.

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