一種揚塵擾動設備的原理構造與電氣控制系統*

孫晨陽，徐利奇，谷春山

(北京市城市管理研究院，北京 100028)

0 引言

道路揚塵指道路塵土在一定動力條件(風力、機動車碾壓、人群活動等)的作用下進入環境空氣中形成的揚塵。道路揚塵是一種復雜的混合污染源，主要來源于大氣降塵、車輛遺撒、路面破損、車輪車身的帶泥、輪胎磨損、道路施工、裸露土地和未鋪裝道路泥土的轉移等。北京市PM2.5污染源解析結果表明，道路揚塵約占其8%，是較為主要的污染源之一。

為了進一步研究道路塵土與道路揚塵兩者之間的關系，使用揚塵擾動采樣器在北京市現有道路塵土量值監測的同時，開展擾動揚塵監測測量揚塵濃度值。對道路塵土量值與擾動揚塵兩個數值進行分析研究，分析結果可為研究道路塵土量值與道路揚塵關系、解析道路塵土對道路揚塵的貢獻率提供科學準確的數據。

1 道路揚塵擾動采樣器簡介

道路揚塵擾動采樣器是一種以預設程序的可編程控制器為電控核心，通過介質擾動路面塵土形成揚塵，使用顆粒物監測儀測量不同高度揚塵濃度并評估塵土量與揚塵關系的輔助實驗裝置。

2 道路揚塵擾動采樣器采樣技術方案

道路揚塵擾動測量參考顆粒物再懸浮采樣器采樣方法作為技術方案。

為滿足道路塵土與揚塵關系研究的需要，揚塵擾動采樣器設計有5個子系統，即密閉空間子系統1、擾動揚塵子系統2、顆粒物濃度測量子系統3、氣壓穩定子系統4、電氣控制子系統5，揚塵擾動采樣器整體結構如圖1所示。

3 道路揚塵擾動采樣器基本構造與工作原理

為能夠車載使用，道路揚塵擾動采樣器整體外形尺寸應控制在(長×寬×高)600 mm×600 mm×600 mm范圍內，總重量應控制在50 kg以下。

3.1 密閉空間子系統

密閉空間子系統主要由套筒1、主體桶2、底部密封圈3、取樣口4組成，如圖2所示。主要通過主體桶2底部緊貼地面的密封圈3，以及主體桶2與套筒1間隙處涂抹潤滑脂等措施創造一個密閉空間，將實驗區域與外界隔絕，防止系統擾動路面塵土時出現揚塵外溢或外界塵土進入實驗區域，造成揚塵檢測數值失真。

1-密閉空間子系統；2-擾動揚塵子系統；3-顆粒物濃度測量子系統；4-氣壓穩定子系統；5-電氣控制子系統

1-套筒；2-主體桶；3-底部密封圈；4-取樣口

3.2 擾動揚塵子系統

擾動揚塵子系統主要由揚塵步進電機1、揚塵主軸2、擾動刷架3、擾動刷(毛刷)4、配重塊5等組成，其結構如圖3所示。固定在套筒6上的揚塵步進電機1通過剛性聯軸器帶動安裝在密封罐體內的揚塵主軸2、擾動刷架3、擾動刷4旋轉。由于揚塵步進電機1固定在套筒6上，套筒會隨系統需要上下移動，所以揚塵主軸2與擾動刷架3的連接采用可伸縮的滑動連接，揚塵主軸2可套入擾動刷架3連接軸孔內。在擾動刷架上安裝配重塊5使擾動刷4產生足夠且穩定一致的下壓力，在揚塵步進電機1的帶動下旋轉擾動路面揚塵。

1-揚塵步進電機；2-揚塵主軸；3-擾動刷架；4-擾動刷；5-配重塊；6-套筒

3.3 顆粒物濃度測量子系統

顆粒物濃度測量子系統主要由TSI公司8530激光散射法顆粒物監測儀6、電磁閥安裝底座7、ParKer電磁閥(1～5)、PU氣管、氣管接頭等組成，其結構如圖4所示。

1～5-電磁閥；6-顆粒物監測儀；7-電磁閥安裝底座

在主體桶的桶身上開設了多組取樣口，取樣口處采用管螺紋連接專用氣嘴，保證氣嘴與主體桶連接處的密封。電磁閥安裝底座上安裝有5個電磁閥，閥座上有一個通孔連接所有電磁閥的出氣口。測試時，通過控制不同的電磁閥開關狀態，可以使顆粒物濃度測試設備連通大氣或連通不同的取樣口，從而實現本底值測量以及密封罐體內氣體分組分別測量。

3.4 氣壓穩定子系統

根據上述技術方案，設計了由套筒升降步進電機1、升降電機支架2、繩輪支套3、升降支架4、升降連接架5、導向柱7和鋼絲繩輪8等組成的氣壓穩定子系統，其結構如圖5所示。在顆粒物濃度測量子系統從密閉空間子系統中抽取氣體時，通過控制套筒升降步進電機1，驅動鋼絲繩輪8旋轉下放鋼絲繩，帶動套筒6逐漸下降，減小密閉空間體積，從而實現氣壓穩定。導向柱7起到套筒6軸向定位作用。

1-套筒升降步進電機；2-升降電機支架；3-繩輪支套；4-升降支架；5-升降連接架；6-套筒；7-導向柱；8-鋼絲繩輪

4 道路揚塵擾動采樣器PLC控制系統介紹

4.1 PLC控制系統組成

電氣控制子系統采用以可編程控制器為主的控制電路，并編寫了控制程序。電氣控制子系統由可編程控制器、中間繼電器、兩相混合式步進電機驅動器、霍爾傳感器、ParKer電磁閥、24 V電源、220 V兩相空開、蜂鳴報警器等組成。

可編程控制器通過按鈕和霍爾傳感器觸發相應預設程序，向相關步進電機驅動器、中間繼電器發送信號，從而驅動揚塵步進電機帶動擾動刷旋轉、套筒升降步進電機帶動套筒升降調節、電磁閥做出開關動作等。圖6為PLC電控簡圖。

圖6 PLC電控簡圖

4.2 操作流程

根據道路揚塵擾動采樣器相關動作順序、動作條件及操作方式，確定的采樣操作流程如下：

(1) 按動“啟動”按鈕，采樣器進入檢測預備狀態。

(2) 4號、5號通大氣電磁閥打開。

(3) 手動操作顆粒物監測儀，進行采樣預熱(不少于10 s)。

(4) 按動“運行”按鈕，可編程控制器程序運行，揚塵電機帶動擾動刷運行10 s。

(5) 在揚塵電機停止轉動后，按照程序設定等待10 s。然后1號電磁閥打開，同時4號、5號通大氣電磁閥關閉，套筒在升降電機驅動下勻速下降。

(6) 1號電磁閥打開4 s后關閉，同時4號、5號通大氣電磁閥打開，套筒停止下降。

(7) 4號、5號通大氣電磁閥打開4 s后關閉，2號電磁閥打開，套筒在升降電機驅動下勻速下降。

(8) 2號電磁閥打開4 s后關閉，同時4號、5號通大氣電磁閥打開，套筒停止下降。

(9) 4號、5號通大氣電磁閥打開4 s后關閉，3號電磁閥打開，套筒在升降電機驅動下勻速下降。

(10) 3號電磁閥打開4 s后關閉，同時通大氣電磁閥打開。套筒受升降電機驅動上升至上限位傳感器處自動停止等待做下一組實驗，蜂鳴器報警提示采樣完成。

(11) 如果結束實驗，手動關閉顆粒物監測儀，結束采樣。

(12) 按動“停止”按鈕，通大氣電磁閥關閉，蜂鳴器停止報警，程序復位。

5 實驗測試

在實驗室內標準化的瀝青道路上，開展了兩組試驗，第1組試驗布撒10 g標準土樣，第2組試驗布撒20 g標準土樣，每組試驗重復3次。

每次布撒后，用揚塵擾動采樣器將布撒的標準樣品完全罩在采樣器內。使用TSI 8530激光散射法顆粒物監測儀測試大氣本底值至少15 s，然后啟動采樣器擾動布撒的樣品10 s后靜置10 s，再使用TSI 8530激光散射法顆粒物監測儀在1號、2號、3號三個采樣口，依次測量密閉空間揚塵濃度共計12 s，測試結果見表1。基于表1中的數據，計算得到擾動揚塵設備初始測試結果，如表2所示。

表1 實驗數據原始記錄

表2 擾動揚塵設備初步測試結果

由表2可以看出：布撒量分別為10 g和20 g的兩組試驗中，第1組3次試驗布撒標準樣的均值為10.133 g，第2組3次試驗布撒標準樣的均值為20.000 g。經揚塵擾動采樣器擾動后，分別測量揚塵值，兩組的揚塵均值分別為0.467 mg/m3和0.885 mg/m3。進一步計算兩組數據的標準差，分別為0.073 mg/m3和0.095 mg/m3，可見數據一致性較好，即設備再現性較好，達到了考核指標要求。

6 結論

道路揚塵擾動采樣器外形設計小巧、重量輕，適宜車載搬運。其針對道路揚塵采用的擾動刷設計，可以直接從路面擾動采樣，避免了顆粒物再懸浮采樣器只能使用已經收集到的塵土樣品，而在中間環節造成部分塵土樣品丟失的可能性。同時，顆粒物濃度測量子系統采用激光散射法顆粒物監測儀作為懸浮揚塵的采集方式,對于只需要空氣懸浮顆粒物濃度的研究項目來說，對比典型顆粒物再懸浮采集器的濾膜法采集方式，具有采樣速度快、后期準備工作少的優點。因此,道路揚塵擾動采樣器是很適合路面塵土與揚塵關系研究的實驗設備。