郭 峰

PM2.5自動(dòng)換膜采樣器換膜機(jī)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郭 峰

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，天津 300222）

近年來大顆粒物污染日趨嚴(yán)重，準(zhǔn)確監(jiān)測顆粒物PM2.5迫在眉睫。目前國外監(jiān)測儀器已在國際上普遍使用，國內(nèi)真正的知識(shí)產(chǎn)權(quán)產(chǎn)品比較少，產(chǎn)品的精度以及穩(wěn)定性也有待提高。本文介紹了PM2.5自動(dòng)換膜采樣器及其自動(dòng)換膜機(jī)構(gòu)，并對(duì)研制的實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行比對(duì)實(shí)驗(yàn)，說明了PM2.5自動(dòng)換膜采樣器自動(dòng)換膜機(jī)構(gòu)在測量PM2.5質(zhì)量濃度方面的可靠性。

PM2.5 自動(dòng)換膜機(jī)構(gòu) 精度 穩(wěn)定度

環(huán)境問題是當(dāng)今國際社會(huì)的普遍問題，而大氣污染又是重中之重，空氣的質(zhì)量關(guān)乎人類的健康，其中PM2.5對(duì)于人類健康的影響最大，空氣中PM2.5的監(jiān)測是當(dāng)前中國面臨的重大問題[1]。

目前國內(nèi)主要依靠進(jìn)口設(shè)備進(jìn)行PM2.5的監(jiān)測和分析[2]。PM2.5的監(jiān)測和分析是非常重要的領(lǐng)域，也是國內(nèi)外環(huán)境監(jiān)測和分析技術(shù)的難點(diǎn)問題[3]。以美國為首的發(fā)達(dá)國家經(jīng)過多年的研究，開發(fā)出了一些包括細(xì)粒子的大氣顆粒物監(jiān)測技術(shù)設(shè)備，并集成了一些相關(guān)的分析技術(shù)，帶動(dòng)了環(huán)保產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[4]。但是，目前國際上包括細(xì)粒子的監(jiān)測設(shè)備的主要生產(chǎn)廠家只有數(shù)家，產(chǎn)品的規(guī)格和數(shù)量相對(duì)較少，同時(shí)，上述設(shè)備和技術(shù)仍然存在著性能不穩(wěn)定、使用要求苛刻、不能準(zhǔn)確有效地反映顆粒物污染特征和價(jià)格昂貴等不足[5]。中國在有關(guān)細(xì)粒子的監(jiān)測和研究方面起步較晚，相應(yīng)的研究和技術(shù)設(shè)備開發(fā)處于初始階段，特別是沒有細(xì)粒子監(jiān)測技術(shù)設(shè)備，在細(xì)粒子污染監(jiān)測和研究方面不能滿足環(huán)境保護(hù)的迫切需要。由此可見，PM2.5監(jiān)測及分析設(shè)備的國產(chǎn)化勢(shì)在必行[6]。

目前國際比較常用的PM2.5監(jiān)測方法主要有聯(lián)邦等效法和聯(lián)邦參比法，其中聯(lián)邦等效法又分為光散射光譜法，Beta射線法，Beta射線光濁度法及振蕩天平法，相對(duì)而言，聯(lián)邦參比法是比較準(zhǔn)確的能反映空氣中PM2.5濃度的一種監(jiān)測方法，PM2.5自動(dòng)換膜采樣器正是根據(jù)聯(lián)邦參比法設(shè)計(jì)的用于采集空氣中PM2.5細(xì)顆粒物的設(shè)備。PM2.5自動(dòng)換膜采樣器中的自動(dòng)換膜機(jī)構(gòu)是整個(gè)設(shè)備的難點(diǎn)和核心，自動(dòng)換膜機(jī)構(gòu)必須能自動(dòng)、快速、準(zhǔn)確的將采樣位置的濾膜夾進(jìn)行更換。

1 PM2.5自動(dòng)換膜采樣器簡介

PM2.5自動(dòng)換膜采樣器是一種能夠精準(zhǔn)的采集空氣中PM2.5顆粒物的儀器，適合無人監(jiān)管的長時(shí)間采集環(huán)境。儀器利用PM10慣性沖擊切割器及PM2.5旋風(fēng)式切割器將空氣中的PM2.5顆粒物分離出來并以恒定流量采集到石英濾膜上，完成采集后自動(dòng)將濾膜進(jìn)行更換進(jìn)入下一濾膜的采集，最后配合稱重法實(shí)驗(yàn)計(jì)算出PM2.5的濃度值。

圖1　PM2.5自動(dòng)換膜采樣器

2 機(jī)構(gòu)組成

自動(dòng)換膜動(dòng)作相對(duì)復(fù)雜，每一步都會(huì)影響到換膜結(jié)果，繼而影響最后的PM2.5濃度測量結(jié)果，所以只有各個(gè)部分都協(xié)調(diào)合理的設(shè)計(jì)制作才能保證最后換膜、采樣的精度。

自動(dòng)換膜機(jī)構(gòu)放置在PM2.5自動(dòng)換膜采樣器中心位置，由幾個(gè)氣缸及一系列零部件組成，機(jī)構(gòu)大部分封裝在一個(gè)厚度為2mm的長方體鋁箱內(nèi)，鋁箱底面裝有橡膠減震地腳，防止換膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)受到由氣泵工作而產(chǎn)生的震動(dòng)。鋁箱后側(cè)裝有接入鋁箱的氣管航空插頭和電線航空插頭。鋁箱底部裝有加載桶和存儲(chǔ)桶，用于放置待采集的濾膜膜盒和已采集完畢的濾膜膜盒，為了方便觀察濾膜加載量及采集工作進(jìn)度，加載桶和存儲(chǔ)桶應(yīng)采用具有一定透明度的材料制成，考慮到材料的可加工性，最終選定用聚碳酸酯制作加載桶和存儲(chǔ)桶。桶頂部外表面開有4個(gè)“L”型溝槽，方便加載桶和存儲(chǔ)桶快速拆裝。桶內(nèi)配有活塞，由氣泵供氣推動(dòng)活塞來帶動(dòng)濾膜膜盒上下移動(dòng)。大氣細(xì)顆粒物的實(shí)際成分較為復(fù)雜，含有硝酸鹽、硫酸鹽等腐蝕性物質(zhì)，故而活塞密封圈采用硅橡膠外包聚四氟乙烯制成，既起到動(dòng)密封的作用，又具有防腐蝕的能力。濾膜除稱重分析時(shí)以外，一般都是放在膜盒內(nèi)，為防止采樣結(jié)果受溫度干擾，膜盒由導(dǎo)熱性差的ABS材料加工而成。加載桶安裝位置的正上方設(shè)有能檢測到膜盒的電容式接近傳感器，其檢測距離為2mm，并且可微調(diào)，用以檢測加載桶內(nèi)膜盒的位置，配合加載桶的加載氣量來完成濾膜加載工作。換膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)中心設(shè)有濾膜通道，膜盒可在濾膜通道內(nèi)到達(dá)加載工位、工作工位、存儲(chǔ)工位三個(gè)位置，待膜盒加載到位后由機(jī)械手拖動(dòng)膜盒到工作工位。機(jī)械手爪體部分凹槽形狀與膜盒相似，機(jī)械手夾緊膜盒的動(dòng)作一方面是為了拖動(dòng)膜盒做準(zhǔn)備，另一方面也是給膜盒一個(gè)定位。工作工位處上下各設(shè)有一個(gè)“V”型密封圈，采集時(shí)膜盒被兩個(gè)密封圈夾在中間，來保證采集氣路的密封性。工作工位上端連接PM2.5旋風(fēng)式切割器，下端由工作氣缸帶動(dòng)完成兩個(gè)密封圈的開閉動(dòng)作。采集完畢后由機(jī)械手拖動(dòng)膜盒到存儲(chǔ)工位，由下壓氣缸將膜盒壓入存儲(chǔ)桶進(jìn)行存放，直到被取出分析。

3 工作流程

自動(dòng)換膜機(jī)構(gòu)啟動(dòng)后首先機(jī)械手移動(dòng)至加載工位，為加載膜盒做好準(zhǔn)備。在磁性開關(guān)檢測到機(jī)械手到位后，控制加載桶的二位三通電磁閥打開，加載桶活塞帶動(dòng)膜盒上升，直到接近開關(guān)檢測到膜盒已到達(dá)加載工位。隨后由機(jī)械手夾緊膜盒拖動(dòng)至工作工位，到達(dá)位置后機(jī)械手松開膜盒，工作氣缸上頂，使兩個(gè)“V”型密封圈夾緊膜盒，進(jìn)行采集工作。當(dāng)采樣完畢后，工作氣缸下壓，帶動(dòng)“V”型密封圈下移，機(jī)械手將采集完畢的膜盒拖至存儲(chǔ)工位，由下壓氣缸壓到存儲(chǔ)桶內(nèi)，等待分析。具體的流程如圖2所示。

圖2　PM2.5自動(dòng)換膜采樣器工作流程圖

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

自動(dòng)換膜機(jī)構(gòu)在設(shè)備工作時(shí)主要受到重力及震動(dòng)對(duì)其影響，運(yùn)用solidworks simulation軟件對(duì)其進(jìn)行靜應(yīng)力及振動(dòng)頻率分析可對(duì)其結(jié)構(gòu)、材料進(jìn)行優(yōu)化。

創(chuàng)建算例。進(jìn)入solidworks 建模軟件中的simulation插件，新建算例，選中靜應(yīng)力分析。

定義材料。分別定義各個(gè)零部件的材料特性，若裝配體未進(jìn)行約束則在建模環(huán)境下對(duì)其各個(gè)零部件進(jìn)行配合設(shè)定。

建立夾具。根據(jù)自動(dòng)換膜機(jī)構(gòu)實(shí)際工作狀態(tài)為其添加夾具約束，保證自動(dòng)換膜機(jī)構(gòu)的固定方式于實(shí)際工作中相同。

添加外部載荷。自動(dòng)換膜機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài)僅受重力影響，故為其添加的外部載荷為重力（9.81m/s2），溫度設(shè)定為自動(dòng)換膜機(jī)構(gòu)正常工作溫度（20℃）。

進(jìn)行網(wǎng)格化模型。根據(jù)自動(dòng)換模機(jī)構(gòu)的復(fù)雜程度，選取網(wǎng)格參數(shù)為：基于曲率的網(wǎng)格，最大單元大小5mm，最小單元大小0.2mm，圓中最小單元數(shù)為8，單元大小增長比率為1.6，雅克比點(diǎn)選定為4。

進(jìn)行分析。設(shè)定靜應(yīng)力分析屬性。

分析結(jié)果。

圖3　自動(dòng)換模機(jī)構(gòu)靜應(yīng)力分析結(jié)果

圖4　自動(dòng)換膜機(jī)構(gòu)靜應(yīng)力應(yīng)變分析結(jié)果

圖5　自動(dòng)換膜機(jī)構(gòu)靜應(yīng)力位移分析結(jié)果

從靜應(yīng)力分析中可得出，換膜機(jī)構(gòu)所受最大靜應(yīng)力約為2MPa，應(yīng)變約為0.00002747，最大靜應(yīng)力位移約為0.01mm，而自動(dòng)換膜機(jī)構(gòu)所用鋁材屈服強(qiáng)度約為80MPa左右，整體機(jī)構(gòu)的機(jī)械精度約為0.01mm，由模擬仿真可得，所設(shè)計(jì)的自動(dòng)換膜機(jī)構(gòu)材料和結(jié)構(gòu)都滿足靜應(yīng)力要求。頻率分析的設(shè)定類似靜應(yīng)力分析，設(shè)定過程參照靜應(yīng)力分析，圖6為分析結(jié)果。

表1　實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果

圖6　自動(dòng)換膜機(jī)構(gòu)頻率分析結(jié)果

頻率分析的設(shè)定類似靜應(yīng)力分析，下圖為分析結(jié)果，設(shè)定過程不再贅述。根據(jù)靜應(yīng)力分析和頻率分析結(jié)果得出，自動(dòng)換模機(jī)構(gòu)在重力和震動(dòng)環(huán)境下，已定的結(jié)構(gòu)和材料完全滿足實(shí)際的工作要求。

5 實(shí)驗(yàn)校核

實(shí)驗(yàn)研制的PM2.5自動(dòng)換膜采樣器放置于天津市環(huán)境監(jiān)測中心站（東經(jīng)117°09′04″，北緯39°05′49″）頂樓（高度約20米），實(shí)驗(yàn)設(shè)備與同在一地的Partisol 2025i-D型采樣器及β射線法PM2.5在線監(jiān)測儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比。實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果見表1。

實(shí)驗(yàn)研制的PM2.5自動(dòng)換膜采樣器同Partisol 2025i-D型采樣器的原理都為聯(lián)邦參比法，而β射線法PM2.5在線監(jiān)測儀原理則為β射線法，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，實(shí)驗(yàn)設(shè)備與β射線法PM2.5在線監(jiān)測儀得出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差率相對(duì)較大，原因是由于聯(lián)邦參比法測得的PM2.5濃度值要比β射線法相對(duì)準(zhǔn)確，而同Partisol 2025i-D型采樣器得出的數(shù)據(jù)誤差率很小，說明自動(dòng)換膜機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，滿足儀器工作需要。

6 結(jié)論

目前，我國對(duì)PM2.5的監(jiān)測、影響和評(píng)價(jià)體系標(biāo)準(zhǔn)等都取得了一定進(jìn)展，對(duì)于有關(guān)監(jiān)測PM2.5方面的設(shè)備也在進(jìn)行研發(fā)的嘗試，文章概述了PM2.5自動(dòng)換膜采樣器及其中自動(dòng)換膜機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理及有限元分析過程和結(jié)果，并將實(shí)驗(yàn)設(shè)備同國家標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)可的設(shè)備進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)比對(duì)，最終得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果在可接受誤差率內(nèi)，總的來說儀器符合國家標(biāo)準(zhǔn)，在測量PM2.5質(zhì)量濃度方面具有一定的可靠性。

[1]王瑋.TSP-PM10-PM2.5-2型中流量大氣顆粒物采集系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用[J].中國環(huán)境監(jiān)測，2003，19（1）：35-38.

[2]楊新興，馮麗華，尉鵬.大氣顆粒物PM2.5及其危害[J].前沿科學(xué)，2012，（1）：22-31.

[3]郝明途.我國PM2.5的污染狀況和污染特征[J].環(huán)境科學(xué)與管理，2006，31（2）：58-61.

[4]黃志軍.PM2.5成分與高血壓相關(guān)腦血管疾病急診的關(guān)系及對(duì)RAS基因表達(dá)的影響[D].長沙：中南大學(xué)，2012.

[5]高曉梅.我國典型地區(qū)大氣PM2.5水溶性離子的理化特征及來源解析[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2012.

[6]曲直.城市大氣環(huán)境中PM2.5源解析成分譜的建立[D].長春：吉林大學(xué)，2013.

Research on Automatic Film -Changing Mechanism Of PM2.5 Sampler

GUO Feng
（Tianjin University of Technology and Education,Tianjin 300222）

The air pollution is getting worse in the recent years. It demands a precise surveillance of PM2.5. Foreign monitoring instruments have been widely used in the world at present. Domestic products with self-intellectual property is comparatively rarely used in china. The accuracy and stability of the products also need to be improved.This paper introduces the PM2.5 automatic membrane sampler and its automatic film-changing mechanism. The comparison test is led by the monitoring center of Tianjin environmental protection agency.It proves the feasibility and reliability of the automatic filmchanging mechanism in the sampling of PM2.5 and the efficiency of the device.

PM2.5, automatic film-changing mechanism