高空大氣污染物采樣器的研發(fā)

劉連肖， 洪 波， 王秀海， 闕其名， 辛令芃， 王文杰

(中國海洋大學(xué) 海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點實驗室,環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100)

0 引 言

隨著大氣污染防治工作的推進，我國大氣環(huán)境質(zhì)量逐步改善，但是可吸入顆粒物仍然是影響多數(shù)城市空氣質(zhì)量的首要污染物。而且隨著城市化、工業(yè)化進程的加快，細(xì)顆粒物污染日益突出，嚴(yán)重影響區(qū)域大氣能見度和公眾健康[1-2]。利用Meta分析法評價我國人群大氣顆粒物暴露對各健康效應(yīng)終點的暴露-反應(yīng)關(guān)系，結(jié)果顯示，PM10濃度每增加10 μg/m3，人群急性死亡率、呼吸系統(tǒng)疾病和心血管疾病死亡率分別增加0.38%[95%可信限(CI):0.35%～0.42%]、0.65%(95% CI:0.35%～0.95%)和0.40%(95% CI:0.31%～0.49%)[3]。顯然，大氣顆粒物濃度的日益升高已經(jīng)嚴(yán)重影響了公眾健康。

大氣顆粒物等污染物存在高空向地面的沉降輸運過程，從而會對大氣化學(xué)過程和環(huán)境質(zhì)量產(chǎn)生影響[4-5]。目前,大氣環(huán)境污染監(jiān)測常用的方法有固定站點法、大氣激光雷達(dá)系統(tǒng)法(DOAS)和流動監(jiān)測站法。固定站點按照一定的原則分布設(shè)立，這是最常規(guī)也最成熟的方法,但固定站點的局限性在于布點數(shù)量有限，在有些特殊區(qū)域(如突發(fā)環(huán)境事件現(xiàn)場、交通干線區(qū)域)無法靈活增設(shè)布點，特別是其采樣高度固定，無法獲取污染物的高度濃度變化；大氣激光雷達(dá)系統(tǒng)是國外近年來發(fā)展的高端技術(shù)，可以用來測量多種大氣環(huán)境污染物及擴散，但是價格昂貴[6-7]；流動監(jiān)測站是環(huán)保執(zhí)法部門對空氣中各種污染成分進行現(xiàn)場采樣、測量的可移動的專用監(jiān)測設(shè)施，也不能進行高空采樣、監(jiān)測，特別在突發(fā)事件應(yīng)急監(jiān)測時，這是一個突出缺陷[8]。

本文借鑒輕型飛行器動力驅(qū)動模式，對常規(guī)采樣裝置進行了一系列改裝和優(yōu)化試驗，并利用系留氣球作為搭載平臺，將大氣采樣裝置與系留氣球結(jié)合，設(shè)計一種可在高空進行穩(wěn)定、高效采樣的大氣采樣器。配合多樣化搭載平臺的理念，該儀器能適應(yīng)不同地形、多種天氣狀況，完善大氣環(huán)境污染監(jiān)測的技術(shù)手段。

1 系留氣球的設(shè)計

系留氣球的設(shè)計目標(biāo)是通過氣球外形、可拆卸式尾翼、避雷設(shè)施以及固定系統(tǒng)的改進、設(shè)計增強系留氣球在空中的穩(wěn)定性和安全性，使其能更加協(xié)調(diào)地與采樣器進行搭配，保證采樣器的穩(wěn)定工作狀態(tài)。系留氣球的設(shè)計最大升空高度為100 m。

1.1 形狀及材料

參照現(xiàn)代系留氣球和輕型飛行器外形設(shè)計，為使浮空氣球受到的氣動阻力較小，采用流線型炮彈式構(gòu)型，尾部較尖(見圖1)，系留抓手分布在主氣囊的兩側(cè)，與主氣囊相連，把拉索傳遞的載荷分配到主氣囊上，浮空氣球的重心落于抓手的中心線上，當(dāng)纜繩垂直時，浮空氣球的重心位于其延長線上。

系留氣球的填充氣體為氦氣，氦氣密度小，危險系數(shù)較低，不會燃燒和爆炸。系留氣球用Tedlar外覆層、 聚酯涂覆織物以及增強材料粘合層層壓而成[9]，該材料具有質(zhì)量輕、 強度高及透氦率低等優(yōu)點，也是目前比較流行的氣球制作材料。

圖1 氣球正視圖、側(cè)視圖、俯視圖

1.2 尾 翼

尾翼設(shè)計為對稱充氣膜結(jié)構(gòu)，呈扁平狀，尾翼內(nèi)部由隔板隔開，形成多個平行排列的棒狀氣室(見圖2)，防止尾翼的充氣囊結(jié)構(gòu)在較大的內(nèi)外壓差下發(fā)生變形而不能保持理想翼型[10]。尾翼在充氣后得到狹長的直角梯形外形，其表面形成波浪起伏的形狀，利用膜內(nèi)外氣體的壓力差提供預(yù)應(yīng)力，從而控制氣球的俯仰角、偏航角、滾轉(zhuǎn)角等空中姿態(tài)，保持系留氣球的穩(wěn)定[11]。

圖2 對稱充氣膜結(jié)構(gòu)

尾翼面積對系留氣球的穩(wěn)定性有極其重要的作用。因此，尾翼面積的選擇要對系留氣球的自穩(wěn)定性、對風(fēng)特性及配平條件等進行綜合考慮，從中找出一個合適值。尾翼外露面積采用經(jīng)驗公式[12]：

S=(0.27～0.30)V2/3

式中：V為系留氣球主氣囊的體積;S為單片尾翼的外露面積。

假設(shè)所要懸掛重物和氣球重量為8 kg，綜合未考慮因素，則氣球主氣囊的體積設(shè)計為15 m3。根據(jù)該經(jīng)驗公式，最適尾翼面積約為1 m2。

尾翼設(shè)計為可拆卸式，能夠根據(jù)風(fēng)速、風(fēng)向以及天氣情況進行合適搭配，以保證系留氣球的穩(wěn)定性。該設(shè)計中主氣囊尾部有多個插孔，尾翼可以靈活裝卸。根據(jù)氣球尾部形狀和調(diào)控方式，可以選擇不同的插孔方式,氣球尾部插孔截面處直徑為1.5 m，按照每隔60°一個插孔的設(shè)計方式是合適的，這樣既能保證按照不同的需要達(dá)成多種穩(wěn)定排列形式，又能保證插孔的對稱式排布。插入式尾翼的形狀是具有上薄下寬的直角梯形構(gòu)造，可以減小風(fēng)對其影響，減小尾翼在空中的左右搖擺。為了減輕尾翼質(zhì)量對氣球浮力的影響，可用具有高強度、低密度的鎂鋰合金超輕材料制成。尾翼數(shù)量的選擇取決于實際環(huán)境的風(fēng)速，在正常風(fēng)速下可安裝3或4個尾翼，風(fēng)速較大時適當(dāng)增加尾翼數(shù)量，以增加尾翼對風(fēng)的阻滯作用，減小主氣囊所受風(fēng)力。根據(jù)不同的風(fēng)向，選擇不同的安插方式，在氣球側(cè)面迎風(fēng)的一側(cè)增加尾翼的數(shù)量;另一側(cè)相應(yīng)減少尾翼的數(shù)量，以維持球體受力平衡。風(fēng)向和風(fēng)速受到地形環(huán)境的影響，比如山地的迎風(fēng)坡和背風(fēng)坡、山谷地區(qū)的山谷風(fēng)、沿海地區(qū)的海陸風(fēng)、城市建筑物對風(fēng)的阻滯效應(yīng)等，因此，可根據(jù)不同的地形環(huán)境決定不同的安插方式。

1.3 固定系統(tǒng)

空中系留氣球固定系統(tǒng)主要包括系留纜繩、旋轉(zhuǎn)鉸鏈、系留拉桿和系留抓手等(見圖3)，本設(shè)計中系留纜繩是球體和地面設(shè)備的連接線，具有承力、傳輸電信號、光信號的功能; 旋轉(zhuǎn)鉸鏈?zhǔn)前牙|繩的集中載荷分散到系留拉索的連接鉸鏈；系留拉桿每一側(cè)8根，是把系留纜繩的載荷逐級分散到系留抓手的連接拉桿，由剛性塑料制成。系留抓手對應(yīng)于系留拉桿，每一側(cè)8個，沿著主氣囊外形流線呈弧狀分布，兩側(cè)抓手形成長軸為2 m、短軸為1 m的橢圓。抓手是拉桿和囊體連接的部件，把拉桿的載荷傳遞到囊體的不同點。系留拉桿和系留抓手都在主氣囊兩側(cè)對稱分布，以保證受力均衡[13-14]。

圖3 系留氣球固定系統(tǒng)

1.4 避雷裝置

系留氣球升空后可能會遭遇天氣突變，為防止系留氣球遭受雷擊，需設(shè)計專門的避雷裝置。避雷裝置由避雷針、接地線和接地裝置組成。避雷針安裝在氣球的最高尾翼上，接地線包裹于系留纜繩內(nèi)部，其上端與避雷針相連，下端與地下的接地裝置相連。避雷針應(yīng)選擇輕型避雷針，盡量減輕系留氣球的負(fù)荷。

2 大氣采樣器的設(shè)計

2.1 大氣采樣器的結(jié)構(gòu)

大氣采樣器主要由采樣頭、流量傳感器、直流無刷電機氣泵、電子控制電路板、無線信號傳輸器、高度儀、溫度測量儀、高能鋰電池和地面無線控制器組成(見圖4)。采樣器外殼為橢球形，有利于空中穩(wěn)定以及與氣球的結(jié)合，采樣器工作點流量為1.05 m3/min，采樣器的大小設(shè)計為0.3 m3。氣體由氣體入口吸入采樣頭進行采樣過濾，并由氣體出口排出，為適應(yīng)高空采樣環(huán)境，采樣頭貼近儀器，保持整體的穩(wěn)定性。

圖4 大氣采樣器的結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 工作程序

首先由地面無線控制器發(fā)出開始工作指令，無線信號傳輸器接收到開始工作指令后將信號傳輸給電子控制電路板，電子控制電路板控制直流無刷電機氣泵開始工作進氣，流量傳感器采集流量信號并反饋回電子控制電路板，電子控制電路板根據(jù)流量信號調(diào)控直流無刷電機的轉(zhuǎn)速，從而將進氣流量控制在設(shè)定范圍內(nèi)。無線信號傳輸器實時將流量信息以及高度、溫度信息傳輸回地面無線控制器，并顯示在地面無線控制器的LED顯示屏上，供地面人員參考。當(dāng)?shù)孛鏌o線控制器發(fā)出停止工作指令，則直流無刷電機停止轉(zhuǎn)動。將浮空大氣采樣裝置收回地面，進行濾膜的稱重，經(jīng)過計算即可得出大氣中所測大氣顆粒物含量。

大氣采樣器裝有溫度、氣壓傳感器以及高度儀，可由無線信號傳輸器無時差傳回地面。

2.3 直流無刷電機

經(jīng)過多方考察和綜合比較，確定使用天蝎星(Scorpion) HK-4535-550KV型直流無刷電機進行改裝。無刷直流電機在快速性、可控性、可靠性、體積小、質(zhì)量輕、節(jié)能、效率、耐受環(huán)境和經(jīng)濟性等方面具有明顯優(yōu)勢[15]，從而能適應(yīng)高空采樣穩(wěn)定、快速、質(zhì)量輕、體積小的要求。直流無刷電機氣泵設(shè)計正常工作功率為1 kW，進氣速率為1.05 m3/min，基本符合國家大流量TSP采樣器規(guī)范[16]。

2.4 無線信號傳輸

儀器信號傳輸采用無線信號傳輸?shù)姆绞?見圖5)，該信號傳輸方式的最大優(yōu)點在于無需收回氣球即可遠(yuǎn)程控制采樣器，使儀器使用更為便捷。

2.5 電 源

采用高能鋰電池，設(shè)計容量為40 A·h，可支持該儀器持續(xù)工作2 h。

圖5 地面接收器示意圖

2.6 技術(shù)指標(biāo)

技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 技術(shù)指標(biāo)

3 采樣器和氣球的搭配設(shè)計

采樣器和氣球的搭配依托于整個固定系統(tǒng)，將采樣器安放在氣球與旋轉(zhuǎn)鉸鏈之間，以減小氣球?qū)諝庵斜粰z測物質(zhì)的影響(見圖6)。采樣器外殼設(shè)計為球形，在保證采樣器空間的同時受力相對較小，提高穩(wěn)定性。在球體的最大水平截面上的6等分點出，均安裝輔助裝置及固定裝置，每個裝置兩端側(cè)面設(shè)有螺紋孔的耳板，夾持在所述耳板之間的兩個夾板，以螺栓和耳板固定連接，孔具有比圓柱形軸的外徑要大的內(nèi)徑，從而在構(gòu)件和軸之間產(chǎn)生一環(huán)形空間，在該空間中插入一對相互面向的具有匹配的、合作的傾斜面的構(gòu)件，上述構(gòu)件會相互移動以改變它們的整體的徑向尺寸，由此增大或減小機器構(gòu)件和軸之間的夾緊力，這使得采樣器在一般情況下會固定在預(yù)期的位置，在受到較大沖擊力時，此筒件會起到減震作用從而保護儀器[17]。在與系留纜繩相連的抓手內(nèi)側(cè)對稱設(shè)計6個抓手，分別通過拉索與一個螺紋孔相連。在每根拉索與儀器等高處選取12個點，每個點之間用軟繩相互連接，并在下方延伸出網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)將儀器兜住，保持儀器穩(wěn)定并增加儀器的抗惡劣天氣能力和安全性能。在理想條件下放飛，系留氣球的重心、采樣器的中心以及系留纜繩在一條豎直線上。

圖6 采樣器與系留氣球的固定示意圖

4 結(jié) 語

本文設(shè)計的高空大氣污染物采樣器巧妙整合系留氣球和采樣裝置，通過系留氣球搭載采樣裝置升空，實現(xiàn)了高空采樣。在此基礎(chǔ)上，又進一步實現(xiàn)了整體的便攜化，從而使高空采樣器能方便運移進行現(xiàn)場采樣監(jiān)測或應(yīng)急采樣監(jiān)測。

該設(shè)計為大氣研究與環(huán)境監(jiān)測提供了新的采樣手段，所搭載的TSP采樣裝置還可更換為針對其他污染物的采樣或測試裝置，使之能進行其他污染物的高空檢測，具有較大的應(yīng)用和參考價值。

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