一种扬尘扰动设备的原理构造与电气控制系统*

孙晨阳，徐利奇，谷春山

(北京市城市管理研究院，北京 100028)

0 引言

道路扬尘指道路尘土在一定动力条件(风力、机动车碾压、人群活动等)的作用下进入环境空气中形成的扬尘。道路扬尘是一种复杂的混合污染源，主要来源于大气降尘、车辆遗撒、路面破损、车轮车身的带泥、轮胎磨损、道路施工、裸露土地和未铺装道路泥土的转移等。北京市PM2.5污染源解析结果表明，道路扬尘约占其8%，是较为主要的污染源之一。

为了进一步研究道路尘土与道路扬尘两者之间的关系，使用扬尘扰动采样器在北京市现有道路尘土量值监测的同时，开展扰动扬尘监测测量扬尘浓度值。对道路尘土量值与扰动扬尘两个数值进行分析研究，分析结果可为研究道路尘土量值与道路扬尘关系、解析道路尘土对道路扬尘的贡献率提供科学准确的数据。

1 道路扬尘扰动采样器简介

道路扬尘扰动采样器是一种以预设程序的可编程控制器为电控核心，通过介质扰动路面尘土形成扬尘，使用颗粒物监测仪测量不同高度扬尘浓度并评估尘土量与扬尘关系的辅助实验装置。

2 道路扬尘扰动采样器采样技术方案

道路扬尘扰动测量参考颗粒物再悬浮采样器采样方法作为技术方案。

为满足道路尘土与扬尘关系研究的需要，扬尘扰动采样器设计有5个子系统，即密闭空间子系统1、扰动扬尘子系统2、颗粒物浓度测量子系统3、气压稳定子系统4、电气控制子系统5，扬尘扰动采样器整体结构如图1所示。

3 道路扬尘扰动采样器基本构造与工作原理

为能够车载使用，道路扬尘扰动采样器整体外形尺寸应控制在(长×宽×高)600 mm×600 mm×600 mm范围内，总重量应控制在50 kg以下。

3.1 密闭空间子系统

密闭空间子系统主要由套筒1、主体桶2、底部密封圈3、取样口4组成，如图2所示。主要通过主体桶2底部紧贴地面的密封圈3，以及主体桶2与套筒1间隙处涂抹润滑脂等措施创造一个密闭空间，将实验区域与外界隔绝，防止系统扰动路面尘土时出现扬尘外溢或外界尘土进入实验区域，造成扬尘检测数值失真。

1-密闭空间子系统；2-扰动扬尘子系统；3-颗粒物浓度测量子系统；4-气压稳定子系统；5-电气控制子系统

1-套筒；2-主体桶；3-底部密封圈；4-取样口

3.2 扰动扬尘子系统

扰动扬尘子系统主要由扬尘步进电机1、扬尘主轴2、扰动刷架3、扰动刷(毛刷)4、配重块5等组成，其结构如图3所示。固定在套筒6上的扬尘步进电机1通过刚性联轴器带动安装在密封罐体内的扬尘主轴2、扰动刷架3、扰动刷4旋转。由于扬尘步进电机1固定在套筒6上，套筒会随系统需要上下移动，所以扬尘主轴2与扰动刷架3的连接采用可伸缩的滑动连接，扬尘主轴2可套入扰动刷架3连接轴孔内。在扰动刷架上安装配重块5使扰动刷4产生足够且稳定一致的下压力，在扬尘步进电机1的带动下旋转扰动路面扬尘。

1-扬尘步进电机；2-扬尘主轴；3-扰动刷架；4-扰动刷；5-配重块；6-套筒

3.3 颗粒物浓度测量子系统

颗粒物浓度测量子系统主要由TSI公司8530激光散射法颗粒物监测仪6、电磁阀安装底座7、ParKer电磁阀(1～5)、PU气管、气管接头等组成，其结构如图4所示。

1～5-电磁阀；6-颗粒物监测仪；7-电磁阀安装底座

在主体桶的桶身上开设了多组取样口，取样口处采用管螺纹连接专用气嘴，保证气嘴与主体桶连接处的密封。电磁阀安装底座上安装有5个电磁阀，阀座上有一个通孔连接所有电磁阀的出气口。测试时，通过控制不同的电磁阀开关状态，可以使颗粒物浓度测试设备连通大气或连通不同的取样口，从而实现本底值测量以及密封罐体内气体分组分别测量。

3.4 气压稳定子系统

根据上述技术方案，设计了由套筒升降步进电机1、升降电机支架2、绳轮支套3、升降支架4、升降连接架5、导向柱7和钢丝绳轮8等组成的气压稳定子系统，其结构如图5所示。在颗粒物浓度测量子系统从密闭空间子系统中抽取气体时，通过控制套筒升降步进电机1，驱动钢丝绳轮8旋转下放钢丝绳，带动套筒6逐渐下降，减小密闭空间体积，从而实现气压稳定。导向柱7起到套筒6轴向定位作用。

1-套筒升降步进电机；2-升降电机支架；3-绳轮支套；4-升降支架；5-升降连接架；6-套筒；7-导向柱；8-钢丝绳轮

4 道路扬尘扰动采样器PLC控制系统介绍

4.1 PLC控制系统组成

电气控制子系统采用以可编程控制器为主的控制电路，并编写了控制程序。电气控制子系统由可编程控制器、中间继电器、两相混合式步进电机驱动器、霍尔传感器、ParKer电磁阀、24 V电源、220 V两相空开、蜂鸣报警器等组成。

可编程控制器通过按钮和霍尔传感器触发相应预设程序，向相关步进电机驱动器、中间继电器发送信号，从而驱动扬尘步进电机带动扰动刷旋转、套筒升降步进电机带动套筒升降调节、电磁阀做出开关动作等。图6为PLC电控简图。

图6 PLC电控简图

4.2 操作流程

根据道路扬尘扰动采样器相关动作顺序、动作条件及操作方式，确定的采样操作流程如下：

(1) 按动“启动”按钮，采样器进入检测预备状态。

(2) 4号、5号通大气电磁阀打开。

(3) 手动操作颗粒物监测仪，进行采样预热(不少于10 s)。

(4) 按动“运行”按钮，可编程控制器程序运行，扬尘电机带动扰动刷运行10 s。

(5) 在扬尘电机停止转动后，按照程序设定等待10 s。然后1号电磁阀打开，同时4号、5号通大气电磁阀关闭，套筒在升降电机驱动下匀速下降。

(6) 1号电磁阀打开4 s后关闭，同时4号、5号通大气电磁阀打开，套筒停止下降。

(7) 4号、5号通大气电磁阀打开4 s后关闭，2号电磁阀打开，套筒在升降电机驱动下匀速下降。

(8) 2号电磁阀打开4 s后关闭，同时4号、5号通大气电磁阀打开，套筒停止下降。

(9) 4号、5号通大气电磁阀打开4 s后关闭，3号电磁阀打开，套筒在升降电机驱动下匀速下降。

(10) 3号电磁阀打开4 s后关闭，同时通大气电磁阀打开。套筒受升降电机驱动上升至上限位传感器处自动停止等待做下一组实验，蜂鸣器报警提示采样完成。

(11) 如果结束实验，手动关闭颗粒物监测仪，结束采样。

(12) 按动“停止”按钮，通大气电磁阀关闭，蜂鸣器停止报警，程序复位。

5 实验测试

在实验室内标准化的沥青道路上，开展了两组试验，第1组试验布撒10 g标准土样，第2组试验布撒20 g标准土样，每组试验重复3次。

每次布撒后，用扬尘扰动采样器将布撒的标准样品完全罩在采样器内。使用TSI 8530激光散射法颗粒物监测仪测试大气本底值至少15 s，然后启动采样器扰动布撒的样品10 s后静置10 s，再使用TSI 8530激光散射法颗粒物监测仪在1号、2号、3号三个采样口，依次测量密闭空间扬尘浓度共计12 s，测试结果见表1。基于表1中的数据，计算得到扰动扬尘设备初始测试结果，如表2所示。

表1 实验数据原始记录

表2 扰动扬尘设备初步测试结果

由表2可以看出：布撒量分别为10 g和20 g的两组试验中，第1组3次试验布撒标准样的均值为10.133 g，第2组3次试验布撒标准样的均值为20.000 g。经扬尘扰动采样器扰动后，分别测量扬尘值，两组的扬尘均值分别为0.467 mg/m3和0.885 mg/m3。进一步计算两组数据的标准差，分别为0.073 mg/m3和0.095 mg/m3，可见数据一致性较好，即设备再现性较好，达到了考核指标要求。

6 结论

道路扬尘扰动采样器外形设计小巧、重量轻，适宜车载搬运。其针对道路扬尘采用的扰动刷设计，可以直接从路面扰动采样，避免了颗粒物再悬浮采样器只能使用已经收集到的尘土样品，而在中间环节造成部分尘土样品丢失的可能性。同时，颗粒物浓度测量子系统采用激光散射法颗粒物监测仪作为悬浮扬尘的采集方式,对于只需要空气悬浮颗粒物浓度的研究项目来说，对比典型颗粒物再悬浮采集器的滤膜法采集方式，具有采样速度快、后期准备工作少的优点。因此,道路扬尘扰动采样器是很适合路面尘土与扬尘关系研究的实验设备。