振荡天平大气颗粒物在线监测方法的研究与系统设计

摘要

大气中的空气动力学直径小于10um的颗粒物(PM10)能够通过呼吸道进入人的肺部，对人类健康威胁最大。目前，多数国家都把PM10的质量浓度作为城市空气质量监测的重要参数之一。而传统的PM10监测方法(基于滤膜采样的称重分析法)效率低下。所以，研究对PM10质量浓度进行连续、自动、准确测量的新技术，不仅是国家环保部门业务运行的需要，同时将为开展相关领域的研究提供技术于段。
　　 本文提出了一个基于“称重”原理的颗粒物质量浓度自动在线监测技术，即振荡天平法大气颗粒物在线监测技术。其基本原理是利用物体固有振荡频率与物体质量之间的固有关系，通过测量特殊设计的锥形振荡管的振荡频率实现微克量级的颗粒物质量浓度的直接、实时测量。已知流量的气流通过10um切割头后通过顶端固定滤膜的锥形振荡管，这个锥形振荡管在其固有频率上振荡。当颗粒物积累在滤膜上时，振荡管的固有频率下降。所以系统可以通过检测振荡管的频率变化量来计算滤膜上颗粒物的质量。
　　 本研究设计并实现了振荡天平法大气颗粒物在线监测仪。针对采样颗粒物空气动力学粒径选择问题，设计了撞击式PM10切割头。为了符合国家颗粒物采样标准，本文设计并实现了恒温恒流基于滤膜的大气颗粒物采样系统。设计并实现了基于DSP微处理器的电子学控制系统和控制软件。为了满足高精度质量测量的要求，在对谐振式传感器理论进行深入研究的基础上，解决了锥形振荡管成形、微振荡传感和伺服补偿等关键技术，实现了完全适用于大气颗粒物质量测量的谐振式质量传感器。介绍了在北京开展的系列对比试验，对比试验中振荡天平法大气颗粒物在线监测仪测量数据与其它方法大气颗粒物监测仪测量数据，得到了良好的相关性和一致性，同时证明了振荡天平法大气颗粒物在线监测仪测量数据的真实性和可靠性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 引言

第一节 大气颗粒物概述

第二节 大气颗粒物浓度监测方法

第三节本文内容

第二章 振荡天平法测量原理及大气颗粒物采样

第一节 振荡大平法简介

第二节 测量原理

第三节 大气颗粒物的采样

本章小节

第三章 质量传感器的研究

第一节 谐振传感器的基础理论

第二节 谐振子设计

第三节 悬挂系统

第四节 放大与反馈电路

本章小节

第四章 系统设计与实现

第一节 总体介绍

第二节 结构设计

第三节 控制系统设计

第四节 控制软件设计

本章小节

第五章 系统标定及检测

第一节 弹性系数的标定

第二节 仪器检测及校准

第三节 最小二乘法拟合

本章小节

第六章 试验及数据分析

第一节 试验介绍

第二节 振荡大平法与β射线法、流量法数据对比

第三节　PM10数据与碳黑数据对比

第四节　TSP与PM10相关性

第五节　振荡天平样机与国外同类型仪器测量数据对比

第六节　振荡天平测量值出现负值原因的讨论

本章小节

第七章总结

参考文献

附录1：作者在攻读学位期间的文章

致谢