室内可吸入颗粒物动态分散方法研究

刘红丽　赵永安

摘 要：近来来，室内空气质量成为大家广泛关注的问题，而室内可吸入颗粒物是影响室内空气质量的重要因素，对人体健康产生很大危害。因此对室内可吸入颗粒物的物理化特征进行研究，可以分析其来源，从根本上减少浓度，优化室内空气质量，对人体健康有着重要意义。文章主要研究了一种室内可吸入颗粒物样品液的制备方法。首先采用小流量空气采样器采集室内颗粒物，利用分散剂甘油和超声波振子的震动同时作用对其分散，完成样品液的制备，然后通过电泵和电磁阀使样品液循环流动，供高速摄像机成像。克服了以往静态颗粒物分散的分散不均匀、取样代表性差等问题。

关键词：可吸入颗粒物；样品液制备；超声波；分散；动态成像

引言

据调查，居民平均三分之二的时间生活在各种室内环境，比如办公室、教室、卧室等，室内的空气质量和人体健康有着密切的联系，而室内可吸入颗粒物是室内空气的首要污染物，对人体健康产生很大危害，其粒径分布影响着颗粒物的所有理化特征，因此研究颗粒物的粒径分布具有重要意义。目前对颗粒物的研究大多都是通过显微镜静态成像，然后再对图片进行分析处理，虽然操作简单，但存在的问题就是样品的分散不充分，成像样品代表性差，为了克服这些弊端，文章设计了一种新颖的颗粒物动态分散的方法，颗粒物放在分散剂（甘油+水）中，通过超声波驱动振子振动和搅拌电机的共同作用使颗粒物均匀分散。然后通过电泵和电磁阀使分散均匀的样品液循环流动，供高速摄像机成像，成功的解决了以上问题。

1 颗粒物分散系统方案设计

文章颗粒物收集是通过小流量采样器吸取室内空气，采用的采样器型号是ZR-3930B，采样流量为16.67L/min。空气中的悬浮颗粒物经过冲击式切割机分级， 使之通过已恒重的微孔滤膜，使悬浮颗粒被阻留在滤膜上，被微孔滤膜吸附。

由于可吸入室内悬浮颗粒物粒径一般在10μm或以下（PM2.5），

颗粒在各种引力作用下会出现凝聚现象，因此测量单个颗粒的粒径大小比较困难。因此为了获得单个颗粒物的信息，必须对采集到的颗粒物进行分散。颗粒凝聚是颗粒本身固有的性质，也是妨碍准确测量颗粒粒径分布的主要原因。克服颗粒凝聚的有效方法是加分散剂和实施外力分散。分散剂的作用是能显著降低颗粒物的表面粘连，减弱颗粒间的引力，从而缓解甚至消除颗粒的凝聚现象。分散剂的选择非常重要，水和酒精的分散能力虽然较强，但颗粒物在水和酒精中布朗运动较强烈，导致摄像机成像有明显的拖尾效果。相比之下，甘油作为分散剂是由于其粘滞系数大使得颗粒的布朗运动不明显，并且当颗粒分散均匀后不易发生沉淀现象，所以文章选择甘油作为样品的分散剂。而外力分散效果最好的是超声波分散，它是利用超声波振子的震荡作用使凝聚在一起的“团粒”分离的更彻底，在文章中，采用两种方法同时作用。[1]

现有的颗粒物分析都是直接把吸附有颗粒物的滤膜放在载玻片上用显微镜成像观察，如果是静态的，只能观察到颗粒物的某一个方向，取样代表性差，且无法使颗粒物单独均匀的分布，会使分析的准确度受到影响。为了克服以上问题，文章研究了一种新型的颗粒物的分散方法，先将收集到的颗粒物样品放入加有分散剂的样品搅拌桶中，利用搅拌电机搅拌和超声波振子的震荡共同作用，使颗粒物分散均匀，然后用电泵驱动样品液循环流动通过透光样品池，高速摄像机按一定频率对其成像，然后对图像进行分析和处理。总体设计图如图1所示。

其中，样品搅拌桶环节是成功实现颗粒物动态分散的关键，其结构示意图如图2所示。（不仅仅包含搅拌桶部分）

实验时，将收集到的颗粒物样品加入装有分散剂（本项目选用水和甘油）的搅拌桶中，打开搅拌电机和超声波发生器驱动器，搅拌3-5分钟，打开循环泵和电磁阀使分散后的样品液沿导管缓慢流经透光样品池，供高速摄像机成像，为了提高成像的清晰度和分辨率，特地增加了凸透镜对样品液放大。然后利用计算机对得到的图像进行分析和处理，观察样品液的分散效果，如果分散不理想，则继续搅拌，直到样品液分散达标为止[2]。

采用高速摄像机成像是因为高速摄像机具有很高的成像速度，每一个微秒即可采集一副图像，配合缓慢流动的样品液，可以使取样代表性更强，且图像清晰，无拖尾现象，具有很好的分析价值。

此动态颗粒图像分析和现有技术相比，具有以下特点：

（1）有效克服了样品团聚和粘连，简化了制样操作，提高测量精度。

（2）克服了传统静态成像的弊端，实现了三维颗粒测量。

（3）运动测试提高了采样数量，因而提高了测试结果的代表性与重复性。

2 超声波发生器硬件电路设计

超声波发生器的实质是一个功率发生器，它产生一定频率的正弦（或类似正弦）信号，通过匹配电路与换能器相连，换能器将超声波发生器提供的电能转换为机械能振动。超声波发生器的结构图如图3所示。[3]

工作过程如下：先由信号发生器来产生一个特定频率的信号，这个特定频率是由采用的超声波振子的机械谐振频率来决定。这个频率信号经过功率放大器放大功率，然后通过振子匹配电路，有助于换能器将电信号高效率的转化为机械振动。而反馈电路主要提供两个方面的反馈信号，一是提供输出功率的反馈信号，使输出功率稳定，可以使振子稳定工作，二是提供输出频率的反馈信号，保证振子一直工作在谐振频率下，让振子工作在最佳状态，也保证了电路的安全。

超声波主电路包括：整流滤波电路、直流斩波电路、半桥逆变电路、匹配电路、超声波换能器。

首先接入220V市电，经过整流滤波后得到311V直流电压，通过斩波电路，可以调整电路的功率。滤波后通过逆变电路，通过开关管的通断得到特定频率（输出频率是振子的谐振频率）的交流信号，经过振子的匹配电路和振子相连，驱动振子正常工作。其结构图如图4所示。[4]

其中，斩波电路可通过控制开关管IGBT的门级电压调整电路的输出功率，达到功率可调。而逆变电路可通过改变Q2和Q3的通断来控制其输出频率，完成调频的功能。逆变电路选用半桥逆变电路，开关管选用全控性器件IGBT，每个开关管并联一个反向二极管，起续流和保护作用。超声波发生器主电路如图5所示。Q1、Q2和Q3是IGBT，其管子的驱动选择集成芯片IR2101驱动，IR2101的输入HIN和LIN接单片机输出的PWM波，达到调频调压的作用。

3 系统测试结果分析

实验中采样器收集到的样品滤膜如图6所示。

为了高速摄像机能够拍到完美的颗粒物样品图片，必须对分散完之后的颗粒物样品所成的像进行检验，检验时，将分散之后的样品液用滴管滴到载玻片上，通过显微镜观察。如果样品颗粒物能够单独完整且均匀的分布在分散剂中，即满足分散要求，如果颗粒物粘连的现象仍然存在，则需要搅拌电机和超声波振子继续工作，直到得到的颗粒物样品彻底分散。[7]

如图7是高速摄像机在16*12.5和63*12.5两种倍率下拍到的颗粒物样品分散之后的照片（图中颗粒状圆点即为颗粒物样品），观察发现，颗粒物样品成功的克服了粘连问题，单独形态均匀的分布在分散剂中，满足分散要求。为进一步的图像处理分析颗粒物粒径以及表面积等特性提供了方便。

4 总结与展望

文章研究了一种动态分散收集到的室内颗粒物、制作颗粒物样品液的方法，使颗粒物分散均匀，取样代表性强，然后用高速摄像机成像，便于对单个颗粒物的粒径分布和理化特性进行研究，有助于改进颗粒物暴露评价模型，揭示颗粒物影响人体健康的致病机理，对人们的身体健康具有重要意义。还介绍了相关的超声波发生器主电路设计和电机驱动电路设计，使其输出频率和功率达到可调，电机的转速达到可调，便于实验。而本实验中分散结果也存在一定的瑕疵，不能保证颗粒物完全均匀的分布，导致少量照片里颗粒物过少，这也是今后实验需要克服的地方。

参考文献

[1]刘红丽，李昌禧，李莉，等.室内可吸入颗粒物粒径分布检测方法的研究[J].武汉理工大学学报：交通科学与工程版，2008，32（5）：884-886.

[2]任中金.一种动态颗粒图像分析仪[P].中国：ZL200720028726.1，2008-09-03.

[3]陈振伟.超声波发生器的研究[D].浙江：浙江大学，2007.

[4]彭强.新型大功率超声波发生器设计[D].山东：山东科技大学，2008.

[5]王兆安，刘进军.电力电子技术[M].第五版.北京：机械工业出版社，2009.

[6]孟红英，齐婉玉，段学峰.用L297，L298组成步进电机驱动电路[J].仪器仪表学报，2003：573-574.

[7]李莉.室内悬浮颗粒物浓度与粒度图像识别的算法研究[D].武汉：武汉理工大学，2008.

作者简介：赵永安（1991-），男，汉，湖北武汉人，研究生在读，单位：武汉理工大学自动化学院控制工程专业，研究方向：检测技术与智能仪表。