基于β射线吸收法的PM2.5测量技术的研究

摘  要: 针对空气中粒径小于或等于2.5 滋m的可入肺颗粒物对人体的严重危害，设计了基于β射线吸收法实时监测PM2.5浓度值的监测仪器。利用粉尘粒子吸收β射线的量与粉尘粒子的质量成正比关系的原理，通过测量β射线通过干净滤纸和含有粉尘滤纸前后强度的变化，测量出PM2.5的浓度值。通过与标准过滤称重法的对比校准，验证了测量仪器的准确性。
关键词: PM2.5; β射线吸收法; 气体恒流采样; 粒子计数器

    随着人们生活水平的提高，人们对环境质量的要求越来越高，据统计，在美国每年都会有2.2～5.2万人因空气颗粒物污染而死亡,在欧盟这一数字高达20万。空气中颗粒物严重危害人的健康,尤其是直径小于10 滋m的颗粒物(PM10)会随空气进入呼吸道， 而直径小于2.5 滋m的颗粒物(PM2.5)更是会进入肺部和支气管中，直接导致死亡风险的上升。美国国家航空航天局（NASA）2010年9月公布了一张全球空气质量地图，专门展示世界各地PM2.5的密度。其中PM2.5浓度最高的地方出现在北非、东亚和中国。中国华北、华东和华中PM2.5的密度甚至接近80 滋g/m3,甚至超过了撒哈拉沙漠[2]。
    目前，国外对PM2.5监测仪器的研究技术较为成熟，而我国在PM2.5监测仪器方面的研究刚刚起步。2011年12月21日,环保部公布到2016年将在所有地级以上城市实施PM2.5监测。目前我国使用的PM2.5监测仪器大多是引进国外的，其价格相当高，因此研究一种PM2.5监测仪器实时监测PM2.5浓度值，最终找到污染源消除污染显得十分迫切。
1 空气颗粒物监测方法与原理
1.1 颗粒物监测方法
    当前，测量PM2.5浓度的方法主要有β射线吸收法、微量天平振荡法和光散射法。β射线吸收法因其适用范围广、测量准确被很多国家作为颗粒物监测的首选方法。本文就是采用β射线吸收法研究测量PM2.5/PM10浓度。
1.2 β射线吸收法测量颗粒物浓度原理[2]
    当一强度恒定的β源发出的β射线穿过一定厚度的介质时，由于介质的吸附作用，β射线的强度会衰减，其衰减的程度与颗粒物的质量厚度成正比关系，在一定范围内其遵循如下规律：
  
    其工作过程为：单片机控制恒流采样系统将采样的气体先后通过两种不同的滤纸(第一种主要吸收空气中较大的颗粒物质，第二种主要吸收所测PM2.5/PM10浓度的颗粒物，滤纸可更换)过滤，当采样一定时间后，单片机控制步进电机驱动滤纸传送带将滤纸移向14C放射源(β射线源)处，β射线经过含有颗粒物的滤纸后，由光电倍增管将光信号转换为电脉冲信号，经过滤波放大之后由单片机进行脉冲计数，最后通过串口将计数值发送到上位机，由上位机计算出PM2.5/PM10浓度值，并显示出来。系统原理框图如图2所示。

2.1 气体恒流采样系统设计
    本系统采用质量流量控制器(MFC)和小型真空泵实现对气体的恒流采样，流量范围为50～500 mL/min。MFC由流量传感器、放大控制器、流量调节阀和分流器通道组成[3]。工作原理为：流量传感器采用毛细管传热温差量热法原理测量气体的质量流量。将传感器加热电桥所测得的流量信号放大后与设定电压进行比较，并通过差值电压去控制流量调节阀，使之与设定的流量相等，分流器决定主通道的流量。
2.2 滤纸传输装置设计
     滤纸传输装置的主要作用是使滤纸在采样点和射线探测点之间移动和更换滤纸。精确地控制滤纸在采样点与射线探测点之间移动的距离至关重要。因此，采用步进电机配合光电编码器实现对滤纸传输位移的精确控制。
2.3 β射线检测系统设计
2.3.1 β射线源
      本系统采用14C作为β射线源,其放射能量为0.156 MeV，半衰期为5 730年。这种放射源放射强度适中，且对人体无害，非常适合本监测仪器。由于其半衰期很长，因此在粉尘采样前后的β射线测量中可认为其强度不变。为提高系统测量的准确性，需半年左右重新标定一下β射线对介质的吸收系数k。
2.3.2 β射线强度检测电路设计
　　由光电倍增管输出的电信号为电流信号，在β粒子射线探测脉冲调理电路中，电流信号的灵敏度较电压信号差很多，且不易后续电路处理，因此需将电流信号转换为电压信号再进行放大、滤波和处理。β粒子脉冲调理电路系统组成如图3所示。

    β粒子脉冲调理电路原理图如图4所示。电阻Rb一端接地，另一端与C18连接，使耦合电容C18对地构成放电回路。其中电阻Rb的作用为：辐射脉冲经过电阻Rb后能将A点的电势迅速置零,以便于电容C18对新辐射脉冲的快速响应；同时电阻Rb与电容C18构成高通滤波器，可有效地抑制低频噪声。双运算放大器AD8066的A路为反相放大器，其具有较高的共模抑制比，能有效保证信噪比，同时可将负脉冲转变为正脉冲。其放大倍数由R4和R5决定，这里放大倍数为100。AD8066的B路为同相放大器，其增益由电阻R3、R2和滑动变阻器W2决定，其中R2=0.2 kΩ，R3=1 kΩ，W2=2 kΩ，即放大6～16倍。在反相放大器的输出与同相放大器输入之间增加了由电容Cub和电阻Rb1组成的一阶高通滤波器，可有效抑制AD8066的固有噪声。由同相放大器输出的信号经过检波电路后由电压比较器MAX992对β粒子脉冲进行阈值甄别，并将甄别出的β粒子脉冲信号送入单片机的计数中断中进行计数。

3 系统软件设计
    系统软件部分主要实现单片机控制气体采样的速度、滤纸传输方向和距离、β粒子脉冲的计数，以及数据的传输和显示[4]。图5为系统软件设计流程图。

    系统上位机部分的软件采用VC++编写，上位机部分主要完成与单片机的数据通信。将一些系统参数传输到下位机系统，并将下位机采集到的数据通过串口传输到上位机界面，并计算、显示输出结果。PM浓度测量系统上位机界面如图6所示。

4 实验数据
    为验证系统的准确性，采用传统的称重法与本测量仪器分别对PM2.5/PM10进行测量对比，测量数据结果如表1和表2所示。

    表1和表2分别为太原市中北大学室内某天每隔1小时使用称重法和监测仪器测出的PM2.5和PM10的浓度值，以及两者的绝对误差和相对误差。由表中可以看出,测量PM2.5误差相对较大，最大误差接近20%;测量PM10的误差相对较小，基本都在5%以内。
    本文在比较各种测量粉尘浓度方法的基础上，设计了基于β射线吸收法的PM2.5/PM10浓度测量系统。本系统集气体采样、滤纸传送、射线强度检测和结果显示等功能于一体[5]，能连续测量空气中的PM值，并可自定义采样时间和采样速率。且PM10浓度的测量完全能达到测量精度要求，PM2.5浓度测量误差相对较大，但亦可满足一般的测量要求。
参考文献
[1] 尹洧.大气颗粒物及其组成研究进展[J].现代仪器,2012(2):1-5.
[2] 刘军,冯艳君.基于β射线吸收法的可吸入颗粒物检测仪[J]．仪表技术与传感器,2011(9):39-40,58.
[3] 贺永方.β射线粉尘浓度测量系统设计[D].天津:天津大学,2008.
[4] 练德幸,赵修良,刘丽艳,等.基于PLC的β射线吸收法粉尘浓度测量系统[J].南华大学学报,2011,25(4):35-40.
[5] 李佳颖.大气颗粒物质量浓度自动监测系统的研究[D].上海：上海理工大学，2007.