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        空氣污染物VOCs排放濃度在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

        2022-06-25 01:38:58張盛華儲勁柏韋方濤
        能源與環(huán)保 2022年6期
        關(guān)鍵詞:監(jiān)測點處理器污染物

        李 勛,張盛華,2,儲勁柏,2,周 珂,顏 瑾,韋方濤

        (1.西安市生態(tài)環(huán)境局 高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)分局,陜西 西安 710055; 2.西安高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)環(huán)境監(jiān)測中心,陜西 西安 710055; 3.西安市生態(tài)環(huán)境局 長安分局環(huán)境監(jiān)測站,陜西 西安 710100)

        我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展,帶來了嚴重的環(huán)境污染問題。近年來,盡管人們的環(huán)保意識大幅提高,但環(huán)境污染問題仍然非常突出。特別是城市環(huán)境污染問題尤其嚴重,近年來城市空氣質(zhì)量越來越差,頻繁發(fā)生霧霾天氣,帶來了嚴峻的大氣污染控制形勢[1]。而大氣環(huán)境問題和我們的健康息息相關(guān),已經(jīng)引起全世界的高度重視。其中機動車數(shù)量的迅猛增長在給我們的生活帶來很大便利的同時,也成為發(fā)生空氣質(zhì)量問題的重要誘因,是主要的大氣污染物來源之一。機動車引起的空氣污染事件早已屢見不鮮,在各地都有發(fā)生,使我國空氣污染種類從“煤煙型”轉(zhuǎn)變?yōu)椤敖煌ā簾熁旌闲汀盵2]。對于機動車污染物來說,其擴散與排放均發(fā)生在近地面,會造成道路附近區(qū)域的局地低空污染,并且污染源剛好與人的呼吸帶高度相接近。同時,工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展會消耗大量能源,也會帶來嚴重的空氣污染問題,尤其是石油化工相關(guān)工業(yè)的發(fā)展,必然伴隨著排放大量有害氣體[3]。其中,揮發(fā)性有機化合物就是一種主要的空氣污染物,具有很強的化學反應活性,在環(huán)境空氣條件下很容易出現(xiàn)蒸發(fā)現(xiàn)象,在光化學煙霧的形成中扮演著重要角色。其中的很多成分都有毒性,被認為具有致癌、致變、致畸等作用,會導致嚴重的健康問題,包括引發(fā)呼吸系統(tǒng)疾病、癌癥、刺激、過敏等。針對揮發(fā)性有機化合物,必須研發(fā)空氣污染物VOCs排放濃度在線監(jiān)測系統(tǒng),對各種場合的VOCs進行濃度監(jiān)測,這是治理空氣質(zhì)量問題的重要基礎(chǔ)與前提。

        對于空氣污染物VOCs排放濃度在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究,各國都非常重視,應用了模式識別、混合氣體特征提取、傳感器標定等技術(shù),取得了大量有效研究成果。為解決現(xiàn)有研究成果存在監(jiān)測誤差較大等問題,設(shè)計一種新的空氣污染物VOCs排放濃度在線監(jiān)測系統(tǒng)。在處理器模塊中,設(shè)計一個嵌入式處理器實施系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)處理。使用半導體式氣體傳感器實施VOCs排放濃度的監(jiān)測,設(shè)計監(jiān)測軟件,通過KEIL MDK5軟件對其程序進行編寫,設(shè)計一種空氣污染物VOCs的污染擴散分析模型,通過地圖的方式對污染發(fā)展趨勢進行預測,為污染治理提供地理決策參考。通過設(shè)計系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)測點的VOCs污染擴散分析,說明通過設(shè)計系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)VOCs的濃度在線監(jiān)測,還能夠?qū)崿F(xiàn)污染物走向的推測。

        1 VOCs排放濃度在線監(jiān)測系統(tǒng)

        1.1 處理器模塊

        在處理器模塊,設(shè)計一個嵌入式處理器實施系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)處理。在嵌入式處理器設(shè)計中,共設(shè)計4個模塊,并通過AMBA 總線連接這些模塊[4]。其中,在CC處理器核模塊中,設(shè)計1個微處理器核,用于處理控制型任務(wù),運行操作系統(tǒng),處理一些系統(tǒng)級的全局任務(wù)包括輸入輸出、中斷響應處理等[5]。同時,該微處理器核還負責向DDC分配計算型任務(wù)。設(shè)計的微處理器核的電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

        圖1 微處理器核的電路結(jié)構(gòu)Fig.1 Circuit structure of the microprocessor core

        DDC模塊由多個指令集結(jié)構(gòu)和基本結(jié)構(gòu)相同的處理器核構(gòu)成,并利用通信網(wǎng)絡(luò)對處理器核進行互連。選擇的處理器核型號為WAD231[6]。DDC模塊主要用于處理計算型任務(wù),同時模塊具備可裁剪性,用戶能夠根據(jù)自身需求決定處理器核的具體使用數(shù)量。為外圍設(shè)備模塊配置多種外圍設(shè)備,包括LCD 控制器、I/O設(shè)備、JTAG設(shè)備、片外存儲器及這些設(shè)備的接口。在IPCI模塊設(shè)計中,設(shè)計一個基于中斷通信協(xié)議的通信接口,并配置一個存儲器,為DDC模塊與CC處理器核模塊提供方便、靈活的通信機制。

        1.2 傳感器模塊

        在傳感器模塊,使用半導體式氣體傳感器實施VOCs排放濃度的監(jiān)測[7]。首先對監(jiān)測氨氣的傳感器進行設(shè)計。將 Ag-RGO作為傳感器的敏感材料對傳感器進行制作,具體制作步驟如下:①將單拋硅片當作襯底,并對其實施超聲處理,獲取表面干凈的硅片;②將光刻膠當作犧牲層,在硅晶片表面通過旋涂工藝制備光刻膠犧牲層,厚度約為3 μm;③混合固化劑與PDMS 主劑,混合比例為1∶10,攪拌后實施抽真空處理,在刻膠犧牲層表面對PDMS 薄膜進行制備,厚度為50 μm; ④對PDMS 薄膜實施氧氣等離子處理,活化其表面;⑤在 PDMS 表面對銀納米線進行噴涂,將其作為電極;⑥在 PDMS 薄膜上對Ag-RGO進行噴涂,將其當作應變敏感層;⑦旋轉(zhuǎn)涂敷另一層PDMS作為包裝層,避免氣體、濕度等環(huán)境因素的影響;⑧在硅片上剝離應變傳感器,獲取三維導電結(jié)構(gòu)的監(jiān)測傳感器。制作的傳感器的監(jiān)測濃度為1×10-6~1 000×10-6,需要進行12 h的預熱。接著制作用于監(jiān)測苯系蒸氣的傳感器,制備的流程與用于監(jiān)測氨氣的傳感器相同,使用的敏感材料為10-Ag-RGO,監(jiān)測濃度可達1×10-6~100 ×10-6,需要進行6 h的預熱[8]。選用TGS2602氣體傳感器對硫化物進行監(jiān)測,監(jiān)測濃度可達1×10-6~200 ×10-6,需要進行5 min的預熱。并選用WSP2110傳感器對丙酮、甲醛進行監(jiān)測,監(jiān)測濃度可達1×10-6~150×10-6,需要進行30 min的預熱[9]。

        1.3 控制模塊

        在控制模塊中,設(shè)計一種多相數(shù)字控制芯片,用于控制系統(tǒng)中傳感器的工作[10]。設(shè)計的控制芯片由4個模塊構(gòu)成。

        (1)CPU與總線模塊。選用CK802型CPU,使用的協(xié)議總線為 AMBA2.0[11]。該總線共由2條總線構(gòu)成,一條為高級低速總線 APB,另一條為高速高性能總線AHB,2條總線上配置了多種總線設(shè)備[12]??刂颇K的構(gòu)成如圖2所示。

        圖2 控制模塊的構(gòu)成Fig.2 Composition of the control module

        (2)時鐘模塊。共設(shè)置32個128 MHz 時鐘,時鐘的相位差為250 ps,利用延遲鎖相環(huán)DLL產(chǎn)生時鐘。其中延遲鎖相環(huán)DLL由分頻器、壓控振蕩器、后級偏置電路、電荷泵、鑒相器構(gòu)成[13]。

        (3)過流保護電路模塊。通過過流比較器實現(xiàn)芯片的過流保護。在過流保護電路中設(shè)置4種失調(diào)電壓,分別為100、80、60、40,根據(jù) CK802的配置參數(shù)可以對失調(diào)電壓進行調(diào)節(jié),獲取不同的過流保護點[14]。

        (4)信號處理模塊。通過DMUX電路、握手信號電路、FIFO電路實現(xiàn)多bit信號異步處理;通過格雷碼轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)單bit信號異步處理[15]。

        1.4 監(jiān)測軟件模塊

        在監(jiān)測軟件模塊中,通過KEIL MDK5 軟件對其程序進行編寫[16]。監(jiān)測軟件的運行流程具體如圖3所示。在監(jiān)測軟件中,用戶可以隨時獲得被測區(qū)域的空氣污染物VOCs排放濃度數(shù)據(jù)。當被測區(qū)域VOCs排放濃度過高時,軟件會自動啟動報警程序[17]。

        圖3 監(jiān)測軟件的運行流程Fig.3 Running process of the monitoring software

        1.5 污染擴散分析模塊設(shè)計

        在污染擴散分析模塊,設(shè)計空氣污染物VOCs的污染擴散分析模型,通過地圖的方式對污染發(fā)展趨勢進行預測,為污染治理提供地理決策參考。設(shè)計的空氣污染物VOCs污染擴散分析模型由輸入單元、后置分析單元、展示單元構(gòu)成。在輸入單元中,需要輸入VOCs的源強、風向、風速等參數(shù),接著通過后置分析單元對空氣中的污染物擴散情況進行計算[18],再通過展示單元以圖形方式將計算結(jié)果表達出來。利用空氣污染物VOCs污染擴散分析模型進行分析的操作流程如下。

        (1)準備模型分析參數(shù)。模型最終是在電子地圖上通過濃度等值線形式對VOCs擴散后的污染物濃度分布情況進行表示,將濃度等值線設(shè)計為閉合曲線,其中離排放點最遠的濃度曲線是臨界值[19]。具體參數(shù)準備包括循環(huán)計算步長、風向參數(shù)轉(zhuǎn)換、臨界濃度值等。

        (2)濃度等值點集計算。各濃度圈由上下兩個半圈構(gòu)成,相對下風向來說,這2個半圈是對稱的。計算濃度等值點集就是在兩組對象中增加等值點對象[20]。因此,對2部分的等值點點集數(shù)組進行定義后,對各點坐標進行計算。

        (3)在污染模型圖層中加入濃度等值面,獲取模型分析結(jié)果的對應疊加圖層。

        (4)對地圖服務(wù)進行刷新。

        (5)生成模型分析成功的對應頁面,并提交給客戶端,獲取實際分析結(jié)果。

        2 系統(tǒng)測試

        2.1 實驗地點

        在某工廠對設(shè)計的空氣污染物VOCs排放濃度在線監(jiān)測系統(tǒng)的功能進行測試。在某熱電股份有限公司的某工廠中開展測試,該工廠共有5臺煤粉鍋爐。該工廠的VOCs污染一直比較嚴重,VOCs排放濃度偏高,因此選擇該工廠進行實驗,希望能夠?qū)崿F(xiàn)該工廠VOCs排放濃度的準確在線監(jiān)測。實驗環(huán)境如圖4所示。

        圖4 實驗環(huán)境Fig.4 Experimental environment

        在該工廠中設(shè)置10個監(jiān)測點,具體見表1。

        表1 該工廠中設(shè)置的監(jiān)測點Tab.1 Monitoring points set up in the factory

        在以上監(jiān)測點處對VOCs排放濃度進行在線監(jiān)測,測試設(shè)計系統(tǒng)性能。

        2.2 濃度監(jiān)測測試

        利用設(shè)計系統(tǒng)分別對氨氣、苯系蒸氣、硫化物、丙酮、甲醛進行監(jiān)測,監(jiān)測結(jié)果與實際測試值的對比如圖5所示。根據(jù)圖5監(jiān)測結(jié)果與實際測試值的對比數(shù)據(jù),設(shè)計系統(tǒng)對氨氣、苯系蒸氣、硫化物、丙酮、甲醛進行監(jiān)測后,氨氣、苯系蒸氣、丙酮、甲醛監(jiān)測結(jié)果與實際測試值基本一致,僅有硫化物監(jiān)測結(jié)果與實際測試值不一致,實際濃度測試值為150,系統(tǒng)濃度測試值為130,總體而言,設(shè)計系統(tǒng)能夠獲取較為精準的監(jiān)測結(jié)果,證明了設(shè)計系統(tǒng)的監(jiān)測性能。

        圖5 監(jiān)測結(jié)果與實際測試值的對比Fig.5 Comparison of monitoring results and actual test values

        2.3 污染擴散分析性能測試

        對設(shè)計系統(tǒng)的VOCs污染擴散分析性能進行測試。選擇2個VOCs污染最嚴重的監(jiān)測點,監(jiān)測點7、8,對其未來2 d的VOCs污染擴散情況進行分析,具體分析結(jié)果如圖6所示。圖6的VOCs污染擴散情況分析結(jié)果表明,通過設(shè)計系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)測點的VOCs污染擴散分析,說明通過設(shè)計系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)VOCs的濃度在線監(jiān)測,還能夠?qū)崿F(xiàn)污染物走向的推測。

        圖6 VOCs污染擴散情況分析結(jié)果Fig.6 Analysis results of VOCs pollution diffusion

        3 結(jié)語

        在對VOCs濃度監(jiān)測的研究中,設(shè)計了一種空氣污染物VOCs排放濃度在線監(jiān)測系統(tǒng),通過設(shè)計處理器模塊、傳感器模塊、控制模塊、檢測軟件模塊、污染擴散分析模塊,實現(xiàn)了VOCs排放濃度的準確監(jiān)測與走向預測。結(jié)果表明,設(shè)計系統(tǒng)對氨氣、苯系蒸氣、硫化物、丙酮、甲醛進行監(jiān)測后,能夠獲取較為精準的監(jiān)測結(jié)果。通過設(shè)計系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)測點的VOCs污染擴散分析,說明設(shè)計系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)VOCs的濃度在線監(jiān)測,還能夠?qū)崿F(xiàn)污染物走向的推測。對于VOCs空氣污染的治理有很大意義。在研究中盡管取得了一定成果,但系統(tǒng)仍處于有待完善的狀態(tài),將會進一步對其進行完善。

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