嵌入式自然空气负离子与PM2.5作用特性实验装置

赵 号， 郭继峰， 张龙镇， 杨春梅

(东北林业大学 信息与计算机工程学院， 黑龙江 哈尔滨 150040)

PM2.5(环境中空气动力学当量直径≤2.5 mm的颗粒物)粒径非常小，并且吸附大量有毒有害物质，危害人类健康和大气环境。众多学者从物理、化学、生态学等方面研究负氧离子对PM2.5及以下微尘的捕捉、凝聚和沉淀作用，获得了许多有益成果[1-5]。负氧离子存在时间极短，最长不过几十秒就被吸收合并，传统研究过程中一般采用物理或者化学方法获得负氧离子进行实验观察[6-9]。该方法产生的负氧离子含有多种副产品，对人体不利甚至有害，而且不能保证负氧离子作用效果的独立性。理想的负氧离子来源是自然的森林、海洋或者湖泊等。因此，开发一种能够利用自然生态环境中的空气负氧离子进行实验观察的仪器装置十分必要。

1 功能与结构设计

1.1 实验装置功能原理图

为方便观察容器内反应物作用过程和设备的工作状态，设计透明密闭容器作为PM2.5实验样品和空气负氧离子的作用容器。容器壁上嵌入式安装传感器、通风口等功能部件，其结构原理如图1所示。从装置的透光、便携和安装强度3个方面考虑，选用铝合金作为容器框架，聚甲基丙烯酸甲酯(通常称有机玻璃，其透光率达到92%，密度为1.18 g/cm3，而且抗拉伸和抗冲击的能力比普通玻璃高7～18倍)作为容器壁板。

图1 实验装置结构原理图

装置设计4个高度可调的地脚螺栓作为支撑，适合野外安装，配套减震橡胶。安装内嵌式负离子浓度传感器和PM2.5浓度检测传感器各两套，用于容器内不同位置的浓度数据检测，传感器数量可根据需要在留洞位置增减。设计自然生态负离子进气总成，包括进气管口、进气风扇、滤网以及配套密封胶圈。进气管口配置弹簧逆止阀。进气风扇由计算机控制启停，以向容器内补充空气负离子。泄压阀用于平衡容器内气压，保证空气负离子顺畅流入容器，其控制采用电磁阀。设计PM2.5进样总成用于将PM2.5样品送入容器，其正剖面结构如图2所示。配置PM2.5样品盒安装在实验装置上，样品盒开进料口和PM2.5导流口，盒内配置搅拌电机，在样品装入、密封后将样品吹匀。样品盒通过导流管与配置有负压生成电机的负压腔连接，用于需要时产生负压将PM2.5从样品盒吸入负压腔，然后吹入密闭容器进行混合实验。配置撑紧螺丝以及环形胶塞安装负压腔及导流管。连接负压腔和密闭容器的导流管设计发散形状出口用于PM2.5的均匀吹入。所有装置的控制由配置触摸屏的嵌入式计算机系统及电气驱动系统实现。

图2 PM2.5进样总成正剖面结构图

1.2 总体布局方案

根据实验装置的功能结构原理图，从实际使用要求出发，结合三维结构优化设计思想，确定自然负氧离子与PM2.5作用特性实验装置的总体布局方案。自然负氧离子与PM2.5作用特性实验装置主要由实验装置主体结构、进气总成装置、PM2.5进样总成装置、泄压阀总成装置和配套传感器组成。

1.3 实验装置结构设计

自然负氧离子与PM2.5作用特性实验装置的总体布局确定之后，便需要对其进行三维结构设计，负氧离子与PM2.5作用特性实验装置的三视图如图3所示。实验装置正常工作时，实验人员通过计算机控制进气风扇和负压生成电机的启动和停止，进而向实验容器内补充空气负氧离子和PM2.5样品进行混合实验。同时由实验人员通过计算机控制电磁阀的吸合和断开，从而间接控制泄压阀的闭合和排气，保证整个实验过程中容器内气压的平衡。整个实验过程中，实验人员可以透过有机玻璃直接观察到实验容器内的反应现象，通过计算机观察到利用传感器监测到的空气负氧离子浓度和PM2.5浓度的均值实时数值变化曲线。

图3 实验装置三视图

2 传感器设计

2.1 负离子检测

负离子浓度检测一般由离子收集器和电流检测两个部分组成。其原理是让空气在吸气风扇的作用下均匀通过极化板施加固定电压的离子收集器，空气负离子在收集器通道内受电场力的作用，向收集板偏转，离子撞击到收集板后产生放电，从而形成电流，再通过电流检测电路检测该电流，经过相关公式计算与标定得到相应空气负离子浓度。目前负离子收集器主要有平行板式与双圆筒轴式两种[10-11]。考虑到体积、收集效率以及安装便利性等因素，选择双圆筒轴式收集器如图4所示。

图4 双圆筒轴式收集器结构图

离子浓度与离子收集器参数、电流的关系式为:

(1)

式中：I为离子收集器输出的电流,A；M为离子收集器的体积流量,cm3/s；q为离子带电量,C；N为空气离子浓度,个/cm3。

双重圆筒轴式收集器的内电极板输出电流信号为fA级到nA级，属于极其微弱的信号，普通的电流表不能直接测量。因此，设计中采用TI公司的20位弱电流DDC112模数转换芯片，该芯片基于电流积分的直接电流数字化，适用于负离子收集器输出的fA级电流的连续测量。

2.2 PM2.5检测

PM2.5来源广泛，成分复杂，易游动，沉降周期长，对其准确检测比较困难。检测方法有基于颗粒物力学性质的检测方法(如滤膜称重法等)，基于颗粒物光学性质的检测方法(如光散射法等)，基于颗粒物其他性质的检测方法(如β射线吸收法等)[12-13]。考虑本装置应用场景对体积及便携性的要求，采用基于对射型光强检测法的夏普GP2Y1010AU0F光学灰尘传感器，其原理如图5所示。激光源发出激光，经过透镜1和透镜2后照射在光敏感区，通过光敏感区的光经过透镜3后由雪崩光电二极管接收。当有PM2.5通过光敏感区时，PM2.5就会遮蔽光线而导致进入雪崩光电二极管的光量减少，雪崩光电二极管产生与颗粒物的大小成比例的电脉冲信号，进而可以获得PM2.5的浓度。

图5 PM2.5光强检测法原理图

3 控制系统设计

3.1 结构设计

根据装置功能需求分析设计控制系统拓扑结构如图6所示。其中：PM2.5传感器、负离子传感器属于模拟量输入信号,需求6路；PM2.5进样负压控制、PM2.5样料搅拌控制、负压进风控制、泄压阀门控制属于输出信号，需求4路；其他包括触摸屏、通讯接口、数据存储卡接口等功能组件。嵌入式控制器选用ARM公司的STM32F103，其内核为 CortexTM-M3，属于该系列中高性能低成本32位微控制器，集高性能、低功耗、低成本等优势，工作频率达到72 MHz，配置丰富的内外设足够满足本装置控制需求。该控制器具有出色的抗干扰、抗震动，以及高速可靠数据采集、控制和联接能力，非常适用于实验装置设计应用领域。控制器配置数据存储卡接口，USB通讯接口可将数据本地保存或传输至上位机。人机交互采用带触摸控制的LCD显示屏实现。

图6 装置控制系统结构拓扑图

3.2 软件设计

控制系统上位机软件采用C#语言开发，数据库采用MySQL5.0。空气负离子浓度和PM2.5浓度均值检测实验台的上位机软件控制系统的登录界面如图7所示。

图7 软件登录界面

在登录界面点击进入系统后，进入控制系统总界面，如图8所示。本实验台设计了负氧离子检测I、负氧离子检测II、PM2.5检测I、PM2.5检测II 4种检测功能，控制界面设计了对应的4种检测模式选择模块。点击其中任一种检测模式都会相应地进入其检测功能窗口。

图8 控制系统总界面

点击主页面的负氧离子检测I模块，如图9所示。通过点击“显示数据”按钮可以显示通过空气负离子传感器传输过来的数据并且在右侧的图表中绘画出折线图，可以明显看出当天各个时间段空气负离子浓度的变化情况。点击“刷新数据”将当天的数据置空，点击“保存数据”按钮可以把当天的数据保存到Excel表格中。

图9 空气负离子浓度检测界面

点击主页面的PM2.5检测I模块，如图10所示。通过点击“显示数据”按钮可以显示通过PM2.5传感器传输过来的数据并且在右侧的图表中绘画出折线图，可以明显看出当天各个时间段的PM2.5浓度均值的变化情况。点击“刷新数据”将当天的数据置空，点击“保存数据”按钮可以把当天的数据保存到Excel表格中。

图10 PM2.5浓度均值检测界面

4 实验应用与对比

采用日本同轴二重圆筒式COM-3200PRO-II型负离子监测仪和英国产DUSTMATE粉尘仪(分辨率:10 μg/m3，检测范围:0～60 000 μg/m3)对本装置的检测准确度进行检验与标定。实验1：选取8月份某天东北林业大学城市示范林业基地(实验林场)栎松林作为空气负离子浓度的环境，本文装置测试结果与COM-3200PRO-II负离子监测仪测定结果对比如图11所示。实验2:在装置容器内吹入PM2.5占比约为5%的细颗粒物试验样品1 g，检验装置采样频率设置为1 Hz，CW-HAT200PM2.5监测仪采样时间间隔为2 min，保持1 800 s的整个过程浓度变化对比曲线如图12所示。实验3:分别在装置容器内吹入PM2.5试验样品5 g，保持600 s，容器内先后引入浓度1 180个/cm3和720个/cm3的负氧离子空气,观察PM2.5浓度变化[14-16]，对比曲线如图13所示。

由图11可知，本文研制的实验装置能够较为准确地测定出空气负离子浓度，与日本同轴二重圆筒式COM-3200PRO-II型负离子监测仪的测定结果偏差较小，符合研制设计的预期要求。由图12可知，本文研制的实验装置能够较为准确地测定出实验容器内PM2.5均值浓度，满足研制设计的预期要求。由图13可知，负氧离子能够积极地与PM2.5微尘进行反应，有效地对PM2.5微尘进行捕捉、凝聚和沉淀；空气中的负氧离子浓度较高时，能更加有效地降低空气中的PM2.5微尘的浓度，极大地改善空气的质量。

图11 本文装置与检测仪测量空气负离子浓度结果对比图

图12 本文装置与检测仪测量PM2.5浓度均值结果对比图

图13 不同负离子浓度作用下PM2.5浓度均值变化结果图

5 结 语

针对传统方法获得负氧离子不能保证作用效果独立性的问题，研制了一种可进行包括森林、海滨等自然发生以及实验室人工发生方式产生的负离子与PM2.5样品发生反应并且能观看检测结果的实验装置，为负离子作用PM2.5机理研究提供一种较为理想的实验环境和手段。