PM2.5自动换膜采样器换膜机构系统设计

郭 峰

PM2.5自动换膜采样器换膜机构系统设计

郭 峰

（天津职业技术师范大学，天津 300222）

近年来大颗粒物污染日趋严重，准确监测颗粒物PM2.5迫在眉睫。目前国外监测仪器已在国际上普遍使用，国内真正的知识产权产品比较少，产品的精度以及稳定性也有待提高。本文介绍了PM2.5自动换膜采样器及其自动换膜机构，并对研制的实验设备进行比对实验，说明了PM2.5自动换膜采样器自动换膜机构在测量PM2.5质量浓度方面的可靠性。

PM2.5 自动换膜机构 精度 稳定度

环境问题是当今国际社会的普遍问题，而大气污染又是重中之重，空气的质量关乎人类的健康，其中PM2.5对于人类健康的影响最大，空气中PM2.5的监测是当前中国面临的重大问题[1]。

目前国内主要依靠进口设备进行PM2.5的监测和分析[2]。PM2.5的监测和分析是非常重要的领域，也是国内外环境监测和分析技术的难点问题[3]。以美国为首的发达国家经过多年的研究，开发出了一些包括细粒子的大气颗粒物监测技术设备，并集成了一些相关的分析技术，带动了环保产业的发展[4]。但是，目前国际上包括细粒子的监测设备的主要生产厂家只有数家，产品的规格和数量相对较少，同时，上述设备和技术仍然存在着性能不稳定、使用要求苛刻、不能准确有效地反映颗粒物污染特征和价格昂贵等不足[5]。中国在有关细粒子的监测和研究方面起步较晚，相应的研究和技术设备开发处于初始阶段，特别是没有细粒子监测技术设备，在细粒子污染监测和研究方面不能满足环境保护的迫切需要。由此可见，PM2.5监测及分析设备的国产化势在必行[6]。

目前国际比较常用的PM2.5监测方法主要有联邦等效法和联邦参比法，其中联邦等效法又分为光散射光谱法，Beta射线法，Beta射线光浊度法及振荡天平法，相对而言，联邦参比法是比较准确的能反映空气中PM2.5浓度的一种监测方法，PM2.5自动换膜采样器正是根据联邦参比法设计的用于采集空气中PM2.5细颗粒物的设备。PM2.5自动换膜采样器中的自动换膜机构是整个设备的难点和核心，自动换膜机构必须能自动、快速、准确的将采样位置的滤膜夹进行更换。

1 PM2.5自动换膜采样器简介

PM2.5自动换膜采样器是一种能够精准的采集空气中PM2.5颗粒物的仪器，适合无人监管的长时间采集环境。仪器利用PM10惯性冲击切割器及PM2.5旋风式切割器将空气中的PM2.5颗粒物分离出来并以恒定流量采集到石英滤膜上，完成采集后自动将滤膜进行更换进入下一滤膜的采集，最后配合称重法实验计算出PM2.5的浓度值。

图1　PM2.5自动换膜采样器

2 机构组成

自动换膜动作相对复杂，每一步都会影响到换膜结果，继而影响最后的PM2.5浓度测量结果，所以只有各个部分都协调合理的设计制作才能保证最后换膜、采样的精度。

自动换膜机构放置在PM2.5自动换膜采样器中心位置，由几个气缸及一系列零部件组成，机构大部分封装在一个厚度为2mm的长方体铝箱内，铝箱底面装有橡胶减震地脚，防止换膜执行机构受到由气泵工作而产生的震动。铝箱后侧装有接入铝箱的气管航空插头和电线航空插头。铝箱底部装有加载桶和存储桶，用于放置待采集的滤膜膜盒和已采集完毕的滤膜膜盒，为了方便观察滤膜加载量及采集工作进度，加载桶和存储桶应采用具有一定透明度的材料制成，考虑到材料的可加工性，最终选定用聚碳酸酯制作加载桶和存储桶。桶顶部外表面开有4个“L”型沟槽，方便加载桶和存储桶快速拆装。桶内配有活塞，由气泵供气推动活塞来带动滤膜膜盒上下移动。大气细颗粒物的实际成分较为复杂，含有硝酸盐、硫酸盐等腐蚀性物质，故而活塞密封圈采用硅橡胶外包聚四氟乙烯制成，既起到动密封的作用，又具有防腐蚀的能力。滤膜除称重分析时以外，一般都是放在膜盒内，为防止采样结果受温度干扰，膜盒由导热性差的ABS材料加工而成。加载桶安装位置的正上方设有能检测到膜盒的电容式接近传感器，其检测距离为2mm，并且可微调，用以检测加载桶内膜盒的位置，配合加载桶的加载气量来完成滤膜加载工作。换膜执行机构中心设有滤膜通道，膜盒可在滤膜通道内到达加载工位、工作工位、存储工位三个位置，待膜盒加载到位后由机械手拖动膜盒到工作工位。机械手爪体部分凹槽形状与膜盒相似，机械手夹紧膜盒的动作一方面是为了拖动膜盒做准备，另一方面也是给膜盒一个定位。工作工位处上下各设有一个“V”型密封圈，采集时膜盒被两个密封圈夹在中间，来保证采集气路的密封性。工作工位上端连接PM2.5旋风式切割器，下端由工作气缸带动完成两个密封圈的开闭动作。采集完毕后由机械手拖动膜盒到存储工位，由下压气缸将膜盒压入存储桶进行存放，直到被取出分析。

3 工作流程

自动换膜机构启动后首先机械手移动至加载工位，为加载膜盒做好准备。在磁性开关检测到机械手到位后，控制加载桶的二位三通电磁阀打开，加载桶活塞带动膜盒上升，直到接近开关检测到膜盒已到达加载工位。随后由机械手夹紧膜盒拖动至工作工位，到达位置后机械手松开膜盒，工作气缸上顶，使两个“V”型密封圈夹紧膜盒，进行采集工作。当采样完毕后，工作气缸下压，带动“V”型密封圈下移，机械手将采集完毕的膜盒拖至存储工位，由下压气缸压到存储桶内，等待分析。具体的流程如图2所示。

图2　PM2.5自动换膜采样器工作流程图

4 结构优化

自动换膜机构在设备工作时主要受到重力及震动对其影响，运用solidworks simulation软件对其进行静应力及振动频率分析可对其结构、材料进行优化。

创建算例。进入solidworks 建模软件中的simulation插件，新建算例，选中静应力分析。

定义材料。分别定义各个零部件的材料特性，若装配体未进行约束则在建模环境下对其各个零部件进行配合设定。

建立夹具。根据自动换膜机构实际工作状态为其添加夹具约束，保证自动换膜机构的固定方式于实际工作中相同。

添加外部载荷。自动换膜机构的工作状态仅受重力影响，故为其添加的外部载荷为重力（9.81m/s2），温度设定为自动换膜机构正常工作温度（20℃）。

进行网格化模型。根据自动换模机构的复杂程度，选取网格参数为：基于曲率的网格，最大单元大小5mm，最小单元大小0.2mm，圆中最小单元数为8，单元大小增长比率为1.6，雅克比点选定为4。

进行分析。设定静应力分析属性。

分析结果。

图3　自动换模机构静应力分析结果

图4　自动换膜机构静应力应变分析结果

图5　自动换膜机构静应力位移分析结果

从静应力分析中可得出，换膜机构所受最大静应力约为2MPa，应变约为0.00002747，最大静应力位移约为0.01mm，而自动换膜机构所用铝材屈服强度约为80MPa左右，整体机构的机械精度约为0.01mm，由模拟仿真可得，所设计的自动换膜机构材料和结构都满足静应力要求。频率分析的设定类似静应力分析，设定过程参照静应力分析，图6为分析结果。

表1　实验对比结果

图6　自动换膜机构频率分析结果

频率分析的设定类似静应力分析，下图为分析结果，设定过程不再赘述。根据静应力分析和频率分析结果得出，自动换模机构在重力和震动环境下，已定的结构和材料完全满足实际的工作要求。

5 实验校核

实验研制的PM2.5自动换膜采样器放置于天津市环境监测中心站（东经117°09′04″，北纬39°05′49″）顶楼（高度约20米），实验设备与同在一地的Partisol 2025i-D型采样器及β射线法PM2.5在线监测仪进行实验对比。实验对比结果见表1。

实验研制的PM2.5自动换膜采样器同Partisol 2025i-D型采样器的原理都为联邦参比法，而β射线法PM2.5在线监测仪原理则为β射线法，从实验结果来看，实验设备与β射线法PM2.5在线监测仪得出的实验数据误差率相对较大，原因是由于联邦参比法测得的PM2.5浓度值要比β射线法相对准确，而同Partisol 2025i-D型采样器得出的数据误差率很小，说明自动换膜机构设计合理，满足仪器工作需要。

6 结论

目前，我国对PM2.5的监测、影响和评价体系标准等都取得了一定进展，对于有关监测PM2.5方面的设备也在进行研发的尝试，文章概述了PM2.5自动换膜采样器及其中自动换膜机构的设计原理及有限元分析过程和结果，并将实验设备同国家标准认可的设备进行了实验比对，最终得出的实验结果在可接受误差率内，总的来说仪器符合国家标准，在测量PM2.5质量浓度方面具有一定的可靠性。

[1]王玮.TSP-PM10-PM2.5-2型中流量大气颗粒物采集系统的开发和应用[J].中国环境监测，2003，19（1）：35-38.

[2]杨新兴，冯丽华，尉鹏.大气颗粒物PM2.5及其危害[J].前沿科学，2012，（1）：22-31.

[3]郝明途.我国PM2.5的污染状况和污染特征[J].环境科学与管理，2006，31（2）：58-61.

[4]黄志军.PM2.5成分与高血压相关脑血管疾病急诊的关系及对RAS基因表达的影响[D].长沙：中南大学，2012.

[5]高晓梅.我国典型地区大气PM2.5水溶性离子的理化特征及来源解析[D].济南：山东大学，2012.

[6]曲直.城市大气环境中PM2.5源解析成分谱的建立[D].长春：吉林大学，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