1 前  言

 

大氣是人類及一切生物賴以生存必不可少的物質(zhì)和基本的環(huán)境要素之一，最初的空氣污染主要是由于火山爆發(fā)，森林火災(zāi)等自然原因造成的。如今大氣污染特征發(fā)生了重要轉(zhuǎn)變，主要來自于以石油、煤炭為代表的化石燃料在工業(yè)生產(chǎn)、居民取暖和交通運(yùn)輸車輛中的大量使用，因而產(chǎn)生大量的碳氧化物、氮氧化物、硫化物、碳?xì)浠衔锏瓤諝馕廴疚颷1]。

 

如今環(huán)境保護(hù)日益受到人們的重視，而環(huán)境監(jiān)測又是環(huán)境保護(hù)的基礎(chǔ)，如何快速、準(zhǔn)確地完成環(huán)境監(jiān)測工作的采樣工作，一直是困擾環(huán)境監(jiān)測工作的難題。基于當(dāng)今環(huán)境監(jiān)測的現(xiàn)狀，手持式大氣采集器的研究與開發(fā)，則解決了大氣傳統(tǒng)采樣繁瑣、計(jì)量不準(zhǔn)等諸多問題，為環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

 

2 傳統(tǒng)氣體采集器的弊端

 

傳統(tǒng)的氣體采集器通常使用雙聯(lián)橡皮球，即將雙聯(lián)橡皮球與采集袋接口連接，通過手工擠壓雙聯(lián)橡皮球方式將氣體樣品輸入到采氣袋中[2]。完成一個氣樣品采集過程并保證氣體樣品具有代表性，則需要對采氣袋內(nèi)的氣體進(jìn)行置換，此時需要將雙聯(lián)橡皮球與采氣袋連接，重復(fù)以上過程4-6次后方可將采氣袋充滿，充滿后封閉進(jìn)樣口。多年的氣體樣品采集實(shí)踐證明，雙聯(lián)橡皮球采樣主要不足為：采樣時間長、勞動強(qiáng)度大、氣體置換不完全、采樣半徑小、平行樣精密度差和冬季采樣難等方面。

 

3 手持式氣體采集器的系統(tǒng)組成及工作原理

 

手持式氣體采集器主要由旋片式采氣泵、正反直流電機(jī)、程控電路板、鎳氫蓄電池組等四部分組成。旋片式采氣泵主要特點(diǎn)為無油潤滑、無污染、無磨損、低噪音，排除氣袋內(nèi)廢氣時形成一定的真空度；正反直流電機(jī)主要特點(diǎn)為正轉(zhuǎn)是進(jìn)氣采集氣體樣品，反轉(zhuǎn)時排氣清洗氣袋，與旋片式氣泵采氣泵共同作用，在排氣時形成一定的真空度，徹底排除氣袋內(nèi)的廢氣，以保證氣體樣品的代表性；儀器電源采用鎳氫電池組供電，儀器電源為直流12V，即可用交流脈動充電（開關(guān)電源）又可用DC/DC車載充電，方便了環(huán)境應(yīng)急及野外監(jiān)測氣體樣品的采集。

 

手持式大氣采集器電源采用鎳氫電池組供電，經(jīng)自主研發(fā)的四端比較器、蓄電池綜合電量檢測電路，在10段LED顯示器上輸出顯示蓄電池電量情況。內(nèi)部穩(wěn)壓電源用以提供儀器內(nèi)部電子元件的工作電壓[3]。

 

a：欠電壓保護(hù)：內(nèi)設(shè)電壓保護(hù)電路，在下列三種情況下關(guān)閉驅(qū)動輸出：芯片電壓VCC不足、VC不足（典型值低于9.1V）及基準(zhǔn)電壓不足（典型值低于4.5V）。

 

b：轉(zhuǎn)子位置傳感器譯碼器電路：該譯碼器電路將電機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器信號轉(zhuǎn)換成六路驅(qū)動輸出信號，三路上側(cè)驅(qū)動輸出和三路下側(cè)驅(qū)動輸出。

 

c：誤差放大器:該芯片內(nèi)設(shè)有高性能、全補(bǔ)償?shù)恼`差放大器。

 

d：鋸齒波振蕩器：內(nèi)部振蕩器振蕩頻率由外按定時元件CT和RT決定。

 

e：脈寬調(diào)制器：除非由于過電流活故障狀態(tài)使六驅(qū)動輸出閉鎖，在正常情況下，誤差放大器輸出與振蕩器輸出鋸齒波信號比較后，產(chǎn)生脈寬調(diào)制（PWM）信號，MOS管驅(qū)動電路將PWM信號整形提供給MOS管。MOS管大電流開關(guān)元件控制三個下側(cè)驅(qū)動輸出。改變輸出脈沖寬度，相當(dāng)于改變供給電機(jī)繞組的平均電壓，從而控制其轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩[4]。

 

4 手持式氣體采集器的特點(diǎn)及發(fā)展

 

手持式氣體采集器的研發(fā)在環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，其主要的特點(diǎn)有以下五個方面：

 

（1）采氣泵采用無刷容積式聚四氟乙烯制作旋片泵，無油潤滑、無污染、無磨損、低噪音，可無障礙使用5年以上；

 

（2）儀器使用直流12V電源，內(nèi)置鎳氫電池，使用壽命長，設(shè)有電量指示燈，一次充電可連續(xù)采集1升氣袋上百個，為野外或移動場所的氣樣采集提供了方便，并且可以實(shí)現(xiàn)車載電源充電；

 

（3）儀器操作簡單，正向反向無級調(diào)速。按動儀器設(shè)置的換向按鈕，即可完成氣體樣品的采集工作。只需連接1次，按動1個按鈕，幾分鐘之內(nèi)，就可以完成符合監(jiān)測技術(shù)規(guī)范要求的樣品采集工作，比手工采樣提高工作效率10倍以上；

 

（4）在儀器出氣口安裝“三通”接頭，可同時采集平行雙樣，使平行樣品測定結(jié)果精密度相對偏差小于0.5%；

 

（5）采樣人員不能進(jìn)入的危險(xiǎn)場所或相對較高位置，通過連接軟管可進(jìn)行采樣。在寒冷冬季可戴手套操作儀器，能避免采樣人員的手凍傷[5]；

基于手持式氣體采集器以上的五大特點(diǎn)，該產(chǎn)品的開發(fā)研制實(shí)現(xiàn)了氣體樣品采集由手工向?qū)Ｓ脙x器的轉(zhuǎn)變，填補(bǔ)了國內(nèi)領(lǐng)域的空白。目前，手持式氣體采集器在全國部分監(jiān)測站得到了使用，并取得了一致的認(rèn)可。

 

參考文獻(xiàn)：

 

[1]李春燕 高翠香.大氣顆粒物污染與城市生態(tài)環(huán)境整治方案，唐山學(xué)院學(xué)報(bào)，2007-3

 

[2]馮大偉.手持式自動大氣采集器專利技術(shù)[J]國家知識產(chǎn)權(quán)局出版社 實(shí)用新型專利公報(bào)2007年第23卷第52號公開收錄，公開號：200996911Y 

 

[3] 馮大偉.手持式自動大氣采集器[J]實(shí)用新型專利說明書 專利號：zl2006 2 0175976.3

 

[4]曹玉鑫 MP型氣體采樣器 《環(huán)境與健康雜志》1990-04-033

 

[5]馮大偉.先進(jìn)環(huán)境監(jiān)測采樣儀器的開發(fā)和研究[J]. 黑龍江省科技查新報(bào)告  報(bào)告編號：200815022672GN

 

收稿日期：2011-04-06

 

作者簡介：馮大偉（1970-），男，高級工程師，本科，研究方向：環(huán)境自動監(jiān)測、應(yīng)急監(jiān)測.

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