PM2.5自動換膜采樣器換膜機構系統設計

郭 峰

PM2.5自動換膜采樣器換膜機構系統設計

郭 峰

（天津職業技術師范大學，天津 300222）

近年來大顆粒物污染日趨嚴重，準確監測顆粒物PM2.5迫在眉睫。目前國外監測儀器已在國際上普遍使用，國內真正的知識產權產品比較少，產品的精度以及穩定性也有待提高。本文介紹了PM2.5自動換膜采樣器及其自動換膜機構，并對研制的實驗設備進行比對實驗，說明了PM2.5自動換膜采樣器自動換膜機構在測量PM2.5質量濃度方面的可靠性。

PM2.5 自動換膜機構 精度 穩定度

環境問題是當今國際社會的普遍問題，而大氣污染又是重中之重，空氣的質量關乎人類的健康，其中PM2.5對于人類健康的影響最大，空氣中PM2.5的監測是當前中國面臨的重大問題[1]。

目前國內主要依靠進口設備進行PM2.5的監測和分析[2]。PM2.5的監測和分析是非常重要的領域，也是國內外環境監測和分析技術的難點問題[3]。以美國為首的發達國家經過多年的研究，開發出了一些包括細粒子的大氣顆粒物監測技術設備，并集成了一些相關的分析技術，帶動了環保產業的發展[4]。但是，目前國際上包括細粒子的監測設備的主要生產廠家只有數家，產品的規格和數量相對較少，同時，上述設備和技術仍然存在著性能不穩定、使用要求苛刻、不能準確有效地反映顆粒物污染特征和價格昂貴等不足[5]。中國在有關細粒子的監測和研究方面起步較晚，相應的研究和技術設備開發處于初始階段，特別是沒有細粒子監測技術設備，在細粒子污染監測和研究方面不能滿足環境保護的迫切需要。由此可見，PM2.5監測及分析設備的國產化勢在必行[6]。

目前國際比較常用的PM2.5監測方法主要有聯邦等效法和聯邦參比法，其中聯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，相對而言，聯邦參比法是比較準確的能反映空氣中PM2.5濃度的一種監測方法，PM2.5自動換膜采樣器正是根據聯邦參比法設計的用于采集空氣中PM2.5細顆粒物的設備。PM2.5自動換膜采樣器中的自動換膜機構是整個設備的難點和核心，自動換膜機構必須能自動、快速、準確的將采樣位置的濾膜夾進行更換。

1 PM2.5自動換膜采樣器簡介

PM2.5自動換膜采樣器是一種能夠精準的采集空氣中PM2.5顆粒物的儀器，適合無人監管的長時間采集環境。儀器利用PM10慣性沖擊切割器及PM2.5旋風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，完成采集后自動將濾膜進行更換進入下一濾膜的采集，最后配合稱重法實驗計算出PM2.5的濃度值。

圖1　PM2.5自動換膜采樣器

2 機構組成

自動換膜動作相對復雜，每一步都會影響到換膜結果，繼而影響最后的PM2.5濃度測量結果，所以只有各個部分都協調合理的設計制作才能保證最后換膜、采樣的精度。

自動換膜機構放置在PM2.5自動換膜采樣器中心位置，由幾個氣缸及一系列零部件組成，機構大部分封裝在一個厚度為2mm的長方體鋁箱內，鋁箱底面裝有橡膠減震地腳，防止換膜執行機構受到由氣泵工作而產生的震動。鋁箱后側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度，加載桶和存儲桶應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桶。桶頂部外表面開有4個“L”型溝槽，方便加載桶和存儲桶快速拆裝。桶內配有活塞，由氣泵供氣推動活塞來帶動濾膜膜盒上下移動。大氣細顆粒物的實際成分較為復雜，含有硝酸鹽、硫酸鹽等腐蝕性物質，故而活塞密封圈采用硅橡膠外包聚四氟乙烯制成，既起到動密封的作用，又具有防腐蝕的能力。濾膜除稱重分析時以外，一般都是放在膜盒內，為防止采樣結果受溫度干擾，膜盒由導熱性差的ABS材料加工而成。加載桶安裝位置的正上方設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，用以檢測加載桶內膜盒的位置，配合加載桶的加載氣量來完成濾膜加載工作。換膜執行機構中心設有濾膜通道，膜盒可在濾膜通道內到達加載工位、工作工位、存儲工位三個位置，待膜盒加載到位后由機械手拖動膜盒到工作工位。機械手爪體部分凹槽形狀與膜盒相似，機械手夾緊膜盒的動作一方面是為了拖動膜盒做準備，另一方面也是給膜盒一個定位。工作工位處上下各設有一個“V”型密封圈，采集時膜盒被兩個密封圈夾在中間，來保證采集氣路的密封性。工作工位上端連接PM2.5旋風式切割器，下端由工作氣缸帶動完成兩個密封圈的開閉動作。采集完畢后由機械手拖動膜盒到存儲工位，由下壓氣缸將膜盒壓入存儲桶進行存放，直到被取出分析。

3 工作流程

自動換膜機構啟動后首先機械手移動至加載工位，為加載膜盒做好準備。在磁性開關檢測到機械手到位后，控制加載桶的二位三通電磁閥打開，加載桶活塞帶動膜盒上升，直到接近開關檢測到膜盒已到達加載工位。隨后由機械手夾緊膜盒拖動至工作工位，到達位置后機械手松開膜盒，工作氣缸上頂，使兩個“V”型密封圈夾緊膜盒，進行采集工作。當采樣完畢后，工作氣缸下壓，帶動“V”型密封圈下移，機械手將采集完畢的膜盒拖至存儲工位，由下壓氣缸壓到存儲桶內，等待分析。具體的流程如圖2所示。

圖2　PM2.5自動換膜采樣器工作流程圖

4 結構優化

自動換膜機構在設備工作時主要受到重力及震動對其影響，運用solidworks simulation軟件對其進行靜應力及振動頻率分析可對其結構、材料進行優化。

創建算例。進入solidworks 建模軟件中的simulation插件，新建算例，選中靜應力分析。

定義材料。分別定義各個零部件的材料特性，若裝配體未進行約束則在建模環境下對其各個零部件進行配合設定。

建立夾具。根據自動換膜機構實際工作狀態為其添加夾具約束，保證自動換膜機構的固定方式于實際工作中相同。

添加外部載荷。自動換膜機構的工作狀態僅受重力影響，故為其添加的外部載荷為重力（9.81m/s2），溫度設定為自動換膜機構正常工作溫度（20℃）。

進行網格化模型。根據自動換模機構的復雜程度，選取網格參數為：基于曲率的網格，最大單元大小5mm，最小單元大小0.2mm，圓中最小單元數為8，單元大小增長比率為1.6，雅克比點選定為4。

進行分析。設定靜應力分析屬性。

分析結果。

圖3　自動換模機構靜應力分析結果

圖4　自動換膜機構靜應力應變分析結果

圖5　自動換膜機構靜應力位移分析結果

從靜應力分析中可得出，換膜機構所受最大靜應力約為2MPa，應變約為0.00002747，最大靜應力位移約為0.01mm，而自動換膜機構所用鋁材屈服強度約為80MPa左右，整體機構的機械精度約為0.01mm，由模擬仿真可得，所設計的自動換膜機構材料和結構都滿足靜應力要求。頻率分析的設定類似靜應力分析，設定過程參照靜應力分析，圖6為分析結果。

表1　實驗對比結果

圖6　自動換膜機構頻率分析結果

頻率分析的設定類似靜應力分析，下圖為分析結果，設定過程不再贅述。根據靜應力分析和頻率分析結果得出，自動換模機構在重力和震動環境下，已定的結構和材料完全滿足實際的工作要求。

5 實驗校核

實驗研制的PM2.5自動換膜采樣器放置于天津市環境監測中心站（東經117°09′04″，北緯39°05′49″）頂樓（高度約20米），實驗設備與同在一地的Partisol 2025i-D型采樣器及β射線法PM2.5在線監測儀進行實驗對比。實驗對比結果見表1。

實驗研制的PM2.5自動換膜采樣器同Partisol 2025i-D型采樣器的原理都為聯邦參比法，而β射線法PM2.5在線監測儀原理則為β射線法，從實驗結果來看，實驗設備與β射線法PM2.5在線監測儀得出的實驗數據誤差率相對較大，原因是由于聯邦參比法測得的PM2.5濃度值要比β射線法相對準確，而同Partisol 2025i-D型采樣器得出的數據誤差率很小，說明自動換膜機構設計合理，滿足儀器工作需要。

6 結論

目前，我國對PM2.5的監測、影響和評價體系標準等都取得了一定進展，對于有關監測PM2.5方面的設備也在進行研發的嘗試，文章概述了PM2.5自動換膜采樣器及其中自動換膜機構的設計原理及有限元分析過程和結果，并將實驗設備同國家標準認可的設備進行了實驗比對，最終得出的實驗結果在可接受誤差率內，總的來說儀器符合國家標準，在測量PM2.5質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的開發和應用[J].中國環境監測，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，2012，（1）：22-31.

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

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

[5]高曉梅.我國典型地區大氣PM2.5水溶性離子的理化特征及來源解析[D].濟南：山東大學，2012.

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