室內可吸入顆粒物動態分散方法研究

劉紅麗　趙永安

摘 要：近來來，室內空氣質量成為大家廣泛關注的問題，而室內可吸入顆粒物是影響室內空氣質量的重要因素，對人體健康產生很大危害。因此對室內可吸入顆粒物的物理化特征進行研究，可以分析其來源，從根本上減少濃度，優化室內空氣質量，對人體健康有著重要意義。文章主要研究了一種室內可吸入顆粒物樣品液的制備方法。首先采用小流量空氣采樣器采集室內顆粒物，利用分散劑甘油和超聲波振子的震動同時作用對其分散，完成樣品液的制備，然后通過電泵和電磁閥使樣品液循環流動，供高速攝像機成像。克服了以往靜態顆粒物分散的分散不均勻、取樣代表性差等問題。

關鍵詞：可吸入顆粒物；樣品液制備；超聲波；分散；動態成像

引言

據調查，居民平均三分之二的時間生活在各種室內環境，比如辦公室、教室、臥室等，室內的空氣質量和人體健康有著密切的聯系，而室內可吸入顆粒物是室內空氣的首要污染物，對人體健康產生很大危害，其粒徑分布影響著顆粒物的所有理化特征，因此研究顆粒物的粒徑分布具有重要意義。目前對顆粒物的研究大多都是通過顯微鏡靜態成像，然后再對圖片進行分析處理，雖然操作簡單，但存在的問題就是樣品的分散不充分，成像樣品代表性差，為了克服這些弊端，文章設計了一種新穎的顆粒物動態分散的方法，顆粒物放在分散劑（甘油+水）中，通過超聲波驅動振子振動和攪拌電機的共同作用使顆粒物均勻分散。然后通過電泵和電磁閥使分散均勻的樣品液循環流動，供高速攝像機成像，成功的解決了以上問題。

1 顆粒物分散系統方案設計

文章顆粒物收集是通過小流量采樣器吸取室內空氣，采用的采樣器型號是ZR-3930B，采樣流量為16.67L/min。空氣中的懸浮顆粒物經過沖擊式切割機分級， 使之通過已恒重的微孔濾膜，使懸浮顆粒被阻留在濾膜上，被微孔濾膜吸附。

由于可吸入室內懸浮顆粒物粒徑一般在10μm或以下（PM2.5），

顆粒在各種引力作用下會出現凝聚現象，因此測量單個顆粒的粒徑大小比較困難。因此為了獲得單個顆粒物的信息，必須對采集到的顆粒物進行分散。顆粒凝聚是顆粒本身固有的性質，也是妨礙準確測量顆粒粒徑分布的主要原因。克服顆粒凝聚的有效方法是加分散劑和實施外力分散。分散劑的作用是能顯著降低顆粒物的表面粘連，減弱顆粒間的引力，從而緩解甚至消除顆粒的凝聚現象。分散劑的選擇非常重要，水和酒精的分散能力雖然較強，但顆粒物在水和酒精中布朗運動較強烈，導致攝像機成像有明顯的拖尾效果。相比之下，甘油作為分散劑是由于其粘滯系數大使得顆粒的布朗運動不明顯，并且當顆粒分散均勻后不易發生沉淀現象，所以文章選擇甘油作為樣品的分散劑。而外力分散效果最好的是超聲波分散，它是利用超聲波振子的震蕩作用使凝聚在一起的“團粒”分離的更徹底，在文章中，采用兩種方法同時作用。[1]

現有的顆粒物分析都是直接把吸附有顆粒物的濾膜放在載玻片上用顯微鏡成像觀察，如果是靜態的，只能觀察到顆粒物的某一個方向，取樣代表性差，且無法使顆粒物單獨均勻的分布，會使分析的準確度受到影響。為了克服以上問題，文章研究了一種新型的顆粒物的分散方法，先將收集到的顆粒物樣品放入加有分散劑的樣品攪拌桶中，利用攪拌電機攪拌和超聲波振子的震蕩共同作用，使顆粒物分散均勻，然后用電泵驅動樣品液循環流動通過透光樣品池，高速攝像機按一定頻率對其成像，然后對圖像進行分析和處理。總體設計圖如圖1所示。

其中，樣品攪拌桶環節是成功實現顆粒物動態分散的關鍵，其結構示意圖如圖2所示。（不僅僅包含攪拌桶部分）

實驗時，將收集到的顆粒物樣品加入裝有分散劑（本項目選用水和甘油）的攪拌桶中，打開攪拌電機和超聲波發生器驅動器，攪拌3-5分鐘，打開循環泵和電磁閥使分散后的樣品液沿導管緩慢流經透光樣品池，供高速攝像機成像，為了提高成像的清晰度和分辨率，特地增加了凸透鏡對樣品液放大。然后利用計算機對得到的圖像進行分析和處理，觀察樣品液的分散效果，如果分散不理想，則繼續攪拌，直到樣品液分散達標為止[2]。

采用高速攝像機成像是因為高速攝像機具有很高的成像速度，每一個微秒即可采集一副圖像，配合緩慢流動的樣品液，可以使取樣代表性更強，且圖像清晰，無拖尾現象，具有很好的分析價值。

此動態顆粒圖像分析和現有技術相比，具有以下特點：

（1）有效克服了樣品團聚和粘連，簡化了制樣操作，提高測量精度。

（2）克服了傳統靜態成像的弊端，實現了三維顆粒測量。

（3）運動測試提高了采樣數量，因而提高了測試結果的代表性與重復性。

2 超聲波發生器硬件電路設計

超聲波發生器的實質是一個功率發生器，它產生一定頻率的正弦（或類似正弦）信號，通過匹配電路與換能器相連，換能器將超聲波發生器提供的電能轉換為機械能振動。超聲波發生器的結構圖如圖3所示。[3]

工作過程如下：先由信號發生器來產生一個特定頻率的信號，這個特定頻率是由采用的超聲波振子的機械諧振頻率來決定。這個頻率信號經過功率放大器放大功率，然后通過振子匹配電路，有助于換能器將電信號高效率的轉化為機械振動。而反饋電路主要提供兩個方面的反饋信號，一是提供輸出功率的反饋信號，使輸出功率穩定，可以使振子穩定工作，二是提供輸出頻率的反饋信號，保證振子一直工作在諧振頻率下，讓振子工作在最佳狀態，也保證了電路的安全。

超聲波主電路包括：整流濾波電路、直流斬波電路、半橋逆變電路、匹配電路、超聲波換能器。

首先接入220V市電，經過整流濾波后得到311V直流電壓，通過斬波電路，可以調整電路的功率。濾波后通過逆變電路，通過開關管的通斷得到特定頻率（輸出頻率是振子的諧振頻率）的交流信號，經過振子的匹配電路和振子相連，驅動振子正常工作。其結構圖如圖4所示。[4]

其中，斬波電路可通過控制開關管IGBT的門級電壓調整電路的輸出功率，達到功率可調。而逆變電路可通過改變Q2和Q3的通斷來控制其輸出頻率，完成調頻的功能。逆變電路選用半橋逆變電路，開關管選用全控性器件IGBT，每個開關管并聯一個反向二極管，起續流和保護作用。超聲波發生器主電路如圖5所示。Q1、Q2和Q3是IGBT，其管子的驅動選擇集成芯片IR2101驅動，IR2101的輸入HIN和LIN接單片機輸出的PWM波，達到調頻調壓的作用。

3 系統測試結果分析

實驗中采樣器收集到的樣品濾膜如圖6所示。

為了高速攝像機能夠拍到完美的顆粒物樣品圖片，必須對分散完之后的顆粒物樣品所成的像進行檢驗，檢驗時，將分散之后的樣品液用滴管滴到載玻片上，通過顯微鏡觀察。如果樣品顆粒物能夠單獨完整且均勻的分布在分散劑中，即滿足分散要求，如果顆粒物粘連的現象仍然存在，則需要攪拌電機和超聲波振子繼續工作，直到得到的顆粒物樣品徹底分散。[7]

如圖7是高速攝像機在16*12.5和63*12.5兩種倍率下拍到的顆粒物樣品分散之后的照片（圖中顆粒狀圓點即為顆粒物樣品），觀察發現，顆粒物樣品成功的克服了粘連問題，單獨形態均勻的分布在分散劑中，滿足分散要求。為進一步的圖像處理分析顆粒物粒徑以及表面積等特性提供了方便。

4 總結與展望

文章研究了一種動態分散收集到的室內顆粒物、制作顆粒物樣品液的方法，使顆粒物分散均勻，取樣代表性強，然后用高速攝像機成像，便于對單個顆粒物的粒徑分布和理化特性進行研究，有助于改進顆粒物暴露評價模型，揭示顆粒物影響人體健康的致病機理，對人們的身體健康具有重要意義。還介紹了相關的超聲波發生器主電路設計和電機驅動電路設計，使其輸出頻率和功率達到可調，電機的轉速達到可調，便于實驗。而本實驗中分散結果也存在一定的瑕疵，不能保證顆粒物完全均勻的分布，導致少量照片里顆粒物過少，這也是今后實驗需要克服的地方。

參考文獻

[1]劉紅麗，李昌禧，李莉，等.室內可吸入顆粒物粒徑分布檢測方法的研究[J].武漢理工大學學報：交通科學與工程版，2008，32（5）：884-886.

[2]任中金.一種動態顆粒圖像分析儀[P].中國：ZL200720028726.1，2008-09-03.

[3]陳振偉.超聲波發生器的研究[D].浙江：浙江大學，2007.

[4]彭強.新型大功率超聲波發生器設計[D].山東：山東科技大學，2008.

[5]王兆安，劉進軍.電力電子技術[M].第五版.北京：機械工業出版社，2009.

[6]孟紅英，齊婉玉，段學峰.用L297，L298組成步進電機驅動電路[J].儀器儀表學報，2003：573-574.

[7]李莉.室內懸浮顆粒物濃度與粒度圖像識別的算法研究[D].武漢：武漢理工大學，2008.

作者簡介：趙永安（1991-），男，漢，湖北武漢人，研究生在讀，單位：武漢理工大學自動化學院控制工程專業，研究方向：檢測技術與智能儀表。