Method Research for Determination of PM2.5
Concentration with a New Developed Vibration
Sensor
Yongzhong Nie , Yuanqing Huang
School of Physics and Electrical and Mechanical Engineering, Xiamen University, Xiamen, China
Abstract:This paper evaluates the existing methods for determining ambient PM2.5 concentration, including gravimetric, P-ray absorption and other measurements. A new methodology by measuring the vibration damping changes is proposed. Based on this methodology, a new type of PM2.5 sensor has been developed. The new sensor has a composite structure that consists of an open measuring chamber with a particle size greater than 2.5nm filter and a closed reference chamber. Each chamber interior has a similar vibrating mass respectively. The level of PM2.5 can be detected by measuring the vibration damping change of the vibration sensor. Additionally, by establishing the mathematical model, this paper further discusses the basic principles of the vibration sensor on measuring the PM2.5 concentration. It has been demonstrated that this measurement is stable and reliable, and with promising prospects.
Keywords:Vibration sensor; Vibration damping change value; PM2,5 measurement
- Introduction
Particles less than 2.5in diameter (PM2.5) are produced mainly from the burning processes of daily electricity generation, industrial manufacture, and vehicle exhaust emissions. It mostly contains heavy metal and other toxic substances. Particles with diameters between 2.5and 10come from dust of roads, while PM2.5 are mainly formed from burning of fossil fuel (e.g. vehicle exhaust, coal combustion) and volatile organic compound and so on. Ammonium, nitrate and sulfate account for 25-30% of the PM2.5 mass, The research shows annual level of PM2.5 in 1995 was between 57- 160(, which was 2.8-9.7 times higher than the annual standard published by the U.S. in 1997 , A study using U.S. data collected from 1989 to 1991 found that long term exposure to PM air pollution could lead to severe diseases including respiratory-related disease, post-neonatal deaths, and sudden infant death syndrome (SIDS) , Atmospheric particulate pollutants analysis, especially the effective analysis of particles with diameter less than 2.5 (PM2.5) posing the greatest hazard to peopled health, has significant meanings.
- Traditional PM2.5 Measurements And Disadvantages
Currently, the mainstream PM2.5 measurements include gravimetric, -ray absorption and Tapered Element Oscillating Microbalance (TEOM).
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- Gravimetric Method
The measurement of collecting PM2.5 on filtration membrane and using scale to weight, the mass is Gravimetric Method , Filtration membrane is considered as eligible if its capture rate for a particle with a diameter more than 0.3is higher than 99%. Gravimetric method normally adopts a big flow volume collector, which extracts a certain volume of air into the filter. Particles with a diameter of 2.5plusmn;0.2will then be captured and deposited on the filtration membrane. Concentration of PM2.5 () can be calculated based on mass discrepancy of membrane before and after sampling as well as sampled air volume:
W1 is membrane weight after sampling; W2 is membrane weight; V is sampled air volume.
Gravimetric method is now considered as the most direct and reliable measurement, and is a benchmark of verifying accuracy of other methods . However, the gravimetric method requires manually weighting which involves a complicated and time consuming process. Currently, automatic monitoring cannot be realized. Moreover, the filter cannot collect all PM2.5 particles and some microscopically small particulate matter can still penetrate the filter.
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- -ray Absorption Method
This method involves collecting PM2.5 on the filter, and then using a p-ray beam which will attenuate due to the scattering when it penetrates the filter and particulate matter. The extent of attenuation is proportional to the mass of PM2.5 , The advantage of this method is that it allows automatic determination. However, it also has a severe problem. The p radioactive source will cause contamination to the environment and be detrimental to operatorrsquo;s health，therefore it impedes an adoption.
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- TEOM
This method operates by drawing air through an oscillating tapered glass tube which is clamped at one end and attaches a filter on the other. PM2.5 is then collected on the filter. In the effect of electric field, the small end of the tube oscillates at a certain frequency, which is proportional to the square root of the filter mass on the filter. The mass of PM2.5 can be calculated from the change of resonant frequency . The advantage of this method is it can be conducted automatically. However, it suffers from difficulty of reuse and a complicated measurement process. Among above three methods, TEOM has the highest detection accuracy.
Currently, the imported PM2.5 measuring instrument and equipment occupies an 80% market share in China. However, due to the environment variety from foreign countries, those imported instruments seem to experience adaptation problems, and have a high use cost. For instance, Filter Dynamics Measurement System (FDMS) adopted the most widely and earliest in China is facing the problems of malfunction in the humid southern area or highly populated cities , In many cities, the permeable membrane of FDMS can be quickly jammed due to heavy concentration of fine particles, causing the system service life to be reduced to half of the expected length. The permeable membrane with a cost of nearly USD 1000 per piece needs to be
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新型振动传感器的PM2.5浓度测定方法
聂永忠，黄元青
厦门大学物理与电气与机械工程学院
摘要：本文评估了现有的测定环境PM2.5浓度的方法，包括重量法，beta;线吸收法和其他测量法。 提出了一种通过测量振动阻尼变化的新方法。 基于这种方法，开发了一种新型PM2.5传感器。 新型传感器具有复合结构，由一个粒径大于2.5nm的开放式测量室和一个封闭参考室组成。 每个腔室内部分别具有相似的振动质量。 通过测量振动传感器的振动阻尼变化可以检测PM2.5的水平。 另外，通过建立数学模型，进一步探讨了振动传感器测量PM2.5浓度的基本原理。 已经证明，这种测量是稳定可靠的，并且前景看好。
关键词：振动传感器; 减振变化值; PM2.5测量
- 简介
直径小于2.5的颗粒（PM2.5）主要来自日常发电，工业制造和车辆尾气排放的燃烧过程。它主要含有重金属和其他有毒物质。直径在2.5~10之间的颗粒物来自道路灰尘，而PM2.5主要是由燃烧化石燃料（如汽车尾气，燃煤）和挥发性有机化合物等形成的。铵，硝酸盐和硫酸盐占PM2.5质量的25-30％。研究表明，1995年PM2.5的年平均水平在57-160之间（这比2006年发布的年度标准高2.8-9.7倍）。美国在1997年进行的一项研究，利用1989年至1991年收集的美国数据进行的一项研究发现，长期暴露于空气污染可能导致严重疾病，包括呼吸相关疾病，新生儿死亡和婴儿猝死综合征（SIDS），大气颗粒污染物分析，特别是对直径小于2.5（PM2.5）的颗粒对人群健康危害最大的有效分析具有重要意义。
- PM2.5测量的传统方法和缺点
目前，主流的PM2.5测量方法包括重力测量、射线吸收和锥形元素振荡微平衡(TEOM)。
2.1重量法
在过滤膜上收集PM2.5并用秤称重的测量，就称为重量法，如果直径大于0.3的颗粒的捕获率高于99％，则认为过滤膜是合格的。 重量法一般采用大流量集气器，将一定体积的空气抽入过滤器。 直径为2.5plusmn;0.2的颗粒将被捕获并沉积在过滤膜上。 PM2.5浓度可根据采样前后膜的质量差异以及采样空气体积计算得出：
W1是取样后的膜重量，W2是膜重量，V是采样空气量。
重量法现在被认为是最直接可靠的测量方法，并且是验证其他方法准确性的基准。 然而，重量分析方法需要手动加权，这涉及复杂且耗时的过程。 目前，自动监控无法实现。 而且，过滤器不能收集所有的PM2.5颗粒，并且一些显微镜下的小颗粒物质仍能穿透过滤器。
2.2 beta;射线吸收方法
该方法包括在过滤器上收集PM2.5，然后使用p射线束，当它穿透过滤器和颗粒物质时，由于散射而衰减。 衰减的程度与PM2.5的质量成正比，这种方法的优点是它允许自动确定。 但是，它也有一个严重的问题。 放射源会对环境造成污染，对操作人员的健康不利，因此妨碍了人们的采用。
2.3微量振荡天平法
这种方法是通过在一端夹紧一个过滤器的振荡锥形玻璃管中抽气来操作的。然后在过滤器上收集PM2.5。在电场作用下，管的小端在一定的频率上振荡，这与过滤器质量的平方根成正比。从共振频率的变化可以计算出PM2.5的质量。这种方法的优点是可以自动进行。然而，它存在着难以重用和复杂的测量过程。在以上三种方法中，微量振荡天平法的检测准确率最高。
目前，进口的PM2.5测量仪器和设备在中国占有80%的市场份额。然而，由于国外的环境变化，这些进口仪器似乎遇到了适应问题，而且使用成本很高。例如，过滤动力学测量系统（FDMS）采用最早、最广泛的地区是在潮湿的南方地区或人口集中的城市，中国面临的问题是，在许多城市之中，FDMS的渗透膜可能会很快堵塞，由于颗粒物浓度过高，导致系统的寿命减少为预期寿命长度的一半。在每2- 3个月中，每件成本接近1000美元的可渗透膜需要更换。
现在在中国，进口的TEOM仪器的价格在35万人民币左右。beta;射线吸收法的仪器定价在20万元左右，国产仪器的价格在10万到12万之间。仪器的高成本阻碍了PM2.5测量的实施。为了应对现有的PM2.5检测方法的不足，一种新型的振动传感器被研制了出来。我们还进行了实验研究，比较了新方法与TEOM方法。
- 新型PM2.5传感器的结构和PM2.5的测定原理
3.1原理的系统结构
通过对PM2.5传感器的结构原理进行了论证。该结构由两部分组成:MEMS测试分室和封闭式参考分室。该系统主要由振动激励器、PM2.5粒子滤波计数器、振动传感器主腔和译码电路组成。
图1新型PM2.5传感器的结构原理
该传感器可根据MEMS光束振动频率的变化或阻尼比的变化来测量PM2.5值。本文主要介绍后一种方法，通过测量阻尼比的变化来测量。这个原理如图2所示。振动激励器产生一个信号，使MEMS光束在测试文章和MEMS参考光束上得到激发。在测试中，MEMS光束在测试中被用来测量进入空气的PM2.5阻尼值，然后测量PM2.5的质量。当PM2.5值为0时，参考分室中的MEMS参考光束将产生信号。信号调节器处理由两个腔室收集的电压差和输出差压。A/D开关电路用于转换差压信号，即从电压到PM2.5值的转换，将数据转换为显示PM2.5值的信号读取装置，从而实现环境空气PM2.5实时测量。
振动激励器
PM2.5测试室/
标准
A / D信号转换
PM2.5值显示
信号调节器
空气进入
图2 PM2.5浓度测定原理
3.2 PM2.5测量的数学模型
该方法包括在过滤器上收集PM2.5，然后使用beta;射线束，当它穿透过滤器和颗粒物质时，由于散射而衰减。 衰减的程度与PM2.5的质量成正比，这种方法的优点是它允许自动确定。 但它也存在严重问题，放射源会对环境造成污染，损害操作者的健康，因此阻碍了广泛的采用。
拉普拉斯变换：
传递函数是：
X(s) 是拉普拉斯变换算子， m 是MEMS光束的等效质量，k 是系统的弹性系数，是阻尼， F 是系统的惯性力。
如果传感器的谐振频率 和阻尼比，那么，振动频率。
当 为无穷小时， 。由于阻尼振动，时域波形逐渐减小，阻尼比为 ，因此：
是i波峰值的对数比， 是i波峰时间间隔，i 是峰值。
只有第一个和第二个振幅在影响后用于阻尼比计算。所以方程可以简化为：
如果考虑到小颗粒引起的空气摩擦力:
拉普拉斯变换为：
上述函数是粒子振动的动力学方程。
因为要得到上述微分平方能量守恒的拉普拉斯变换是非常困难的，所以我们可以用它来解这个方程。
F是空气摩擦，为空气摩擦引起的阻尼比，为测试空气密度，为迎风面积(由光束的大小确定)，为空气进入前的波束振动速度，为空气进入后的波束振动速度，是在空气进入前的光束的振动位移，是空气进入后的梁的振动位移，当微束的振动达到空气进入前的第一个峰值时，能量损失，当微束的振动达到空气进入的第一个峰值时，能量损失。当被披露室的微光束振动时，能量损失是第一个峰值，是在封闭腔内的光束的原始能量运动，是在揭示腔内的光束的原始能量运动。由于阻尼比与介质的密度成正比，因此：
然后，建立了PM2.5值的数学模型。
4.结果
图3为新研制的振动传感器芯片。图4展示了组装的传感器。图5是用于测量PM2.5的实验系统。在实验中，冲击试验台产生了半正弦波信号，可以用来驱动MEMS光束在测试文章和MEMS参考光束上。
图3传感器芯片的照片
图4封装的传感器
图5 PM2.5浓度监测实验系统
为了模拟雾霾，将化学沉积产生的直径小于2.5的颗粒提取到试验箱中进行冲击试验。采集装置记录原始测试的结果，如图6所示(测量单位为)。表1给出相应的阻尼比值。
图6雾霾模拟测试数据曲线
|
A0/A1对应的阻尼比 |
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-4.21815 |
|
-4.05357 |
|
-4.94822 |
|
-4.99908 |
|
-4.44921 |
|
-5.35821 |
表 1
从表1可以看出;阻尼比与阻尼系数C成比例。
为了测试新的PM2.5传感器的测量精度，通过比较实验结果与TEOM进行对比实验，该方法被认为具有最高的检测精度。实验中采用的梁结构的关键参数包括：质量长度=l mm，质量宽度= 0.6毫米，硅片厚度=200,k=27475N/m，等效质量= 2.8 E-7kg。环境空气质量密度()的对比试验结果如表2所示。
|
振幅比 |
PM2.5传感器的测量值 () |
TEOM的测量值 () |
|
4.21815 |
2148 |
2150 |
|
4.05357 |
1987 |
1970 |
|
4.94822 |
2850 |
2886 |
|
4.99908 |
3448 |
3457 |
|
4.44921 |
2000 |
3580 |
|
5.35821 |
4650 |
4600 |
表2
从表2可以看出，除了第五测量，两种方法的测试结果的差异相对较大，因为是粒子贴在底部的传感器室实验期间，其他测量的PM2.5值差异较小。
5.结论
上述理论研究和实验表明，在试验和参考光束上采用的新型MEMS PM2.5传感器具有较高的稳定性和较高的精度，可以测量空气中颗粒物的密度。测定PM2.5的传感器的检测精度几乎和TEOM的检测精度一样高。该新型振动传感器具有检测精度高、成本低的特点，可用于PM2.5实时测量。因此，它拥有巨大的潜在市场。同时，如果对新型PM2.5传感器的结构进行改造，也可以作为一种高精度、低成本的液体密度计和质量流量计。
6.致谢
本文作者对厦门大学物理与机电工程学院对实验仪器的使用表示感谢。
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