《硅谷》杂志：颗粒物采样器切割性能分析 |
| 2013-03-14 14:34 作者：冯健儿 来源：硅谷网-《硅谷》杂志 HV： 编辑： 【搜索试试】
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硅谷网文 据《硅谷》杂志2012年第23期刊文称，按尺寸段分选颗粒物的采样器是颗粒物监测仪器的重要部件，介绍颗粒物采样器的切割原理，分析采样器结构参数对切割性能的影响，对颗粒物显微图像进行分析处理，计算出颗粒物的粒径分布，得到采样器的切割效率曲线。结果表明，提出的图像分析是测评采样器切割性能的有效方法。
关键词：颗粒物采样器；切割原理；切割性能
0引言
空气颗粒物的污染日益受到政府、公众和媒体的重视。PM2.5可入肺颗粒物，被吸入人体后会直接进入支气管，干扰肺部的气体交换，引发包括哮喘、支气管炎和心血管病等方面的疾病[1]，严重危害人体健康。
在空气颗粒物监测仪器中，按尺寸段分选颗粒物的采样器是这类仪器的重要部件[2]。本文介绍了颗粒物采样器的切割原理及结构参数对切割性能的影响，并对颗粒物显微图像进行分析，提出了测评切割器性能的有效方法。
1采样器切割原理
在颗粒物采样器中，根据切割原理的不同，有常用的惯性冲击器，即固体碰撞式冲击器，也有用切割腔代替固体冲击板的虚拟冲击器[3]。
1.1惯性冲击器
该冲击器应用惯性冲击切割原理[4]，如图1所示，A为喷嘴，B为冲击板，D为喷嘴直径，H为喷嘴与冲击板的距离。仪器采样时，气体从喷嘴喷出后发生急剧转弯向两边流动，气体中的颗粒物由于惯性作用会偏离气体，大于切割粒径的颗粒物会与冲击板碰撞而被切割，小于切割粒径的颗粒物受到气流的作用力而继续随气体流动通过冲击器。
图1惯性冲击器切割原理示意图图2虚拟冲击器切割原理示意图
1.2虚拟冲击器
虚拟冲击器切割原理示意图如图2所示，h为上喷嘴与切割腔的距离，w为喷嘴直径，气流通过上喷嘴喷向一个空腔体而不是直接喷向冲击板。气体以总流量F通过上喷嘴，喷出的气体分为两部分：一部分为大流量气体，载着小于切割粒径的小颗粒流向切割腔的两侧；另一部分小流量气体，载着大于切割粒径的大颗粒进入切割腔内。
2结构参数对切割性能的影响
气流中的颗粒能否被切割由斯托克斯数决定，斯托克斯数表示颗粒物的运动特征。斯托克斯数越小，颗粒物跟踪气流运动的能力越强，即颗粒物被切割的效果越差；斯托克斯数越大，颗粒物抗拒气流运动的能力越强，则颗粒物被切割的效果越好。在采样器的设计与应用中，人们通常只关心切割效率为50%时所对应斯托克斯数Stk50
（1）
其中（p为颗粒物的密度，d50为切割粒径，C为滑动修正系数，U为喷嘴气流流速，µ为空气粘滞系数，w为喷嘴直径[5]。Stk50主要受到喷嘴雷诺数、喷嘴与冲击板或切割腔的距离以及喷嘴长度的影响。而
（2）
代入Stk50的关系式中得到喷嘴直径的表达式为
（3）
由上式可得，在同一切割粒径下，采样器流量F与喷嘴直径w成正比。在同一流量下，采样器切割粒径d50与喷嘴直径w成正比。
采样器的切割特性由切割效率与粒径的关系曲线确定，在理想的情况下，大于切割粒径的颗粒均能被切割（切割效率为100%），小于切割粒径的颗粒都能绕过冲击板或切割腔而不被切割（切割效率为0），理想特性曲线是一条在切割点处的竖直线。在采样过程中，采样器经常会出现内壁损失、颗粒物自身碰撞及反弹等现象，会影响到采样器的切割特性，实际切割效率曲线为S形曲线。
3颗粒显微图像分析
为深入分析颗粒物的切割情况，利用微分干涉相衬显微镜（DIC显微镜，分辨率可达300nm）[6]观察颗粒物监测仪器滤膜上采集得到的颗粒物，并在Image-ProPlus软件平台上进行分析测量，得到滤膜上颗粒物的粒径分布，具体流程如图3所示。
图3显微图像分析处理流程图
在观察颗粒物显微图像中，由于滤膜没有足够的平整，显微图像中部分区域会模糊不清，需要从不同聚焦点拍摄多张显微图像进行合成，得到滤膜某个区域清晰的显微图像。根据图像的特征点，对滤膜上不同区域合成的显微图像拼接在一起，得到一张完整的颗粒物显微图像。如图4是PM2.5和PM10~2.5滤膜某一区域合成的图像，从图中可以看到颗粒物的颜色，有深色的，有浅色的，也有与背景颜色相近的，颗粒的亮度也不相同，必须对图像进行分析和预处理。
图4-1PM2.5切割原图图4-2PM10~2.5切割原图
按图3步骤对颗粒图像进行预处理，拉宽颗粒与背景灰度级的间距，增大反差，增强颗粒对比度，将颗粒从滤膜背景中提取出来。根据灰度图像不同的阈值，分割出深色颗粒和浅色颗粒，如图5和图6所示。颗粒直径的测量是通过统计颗粒物对应边界之间的像素来计算的，经过空间标尺校准后，计算4幅颗粒轮廓图，得到图7颗粒的粒径分布。
图5-1PM2.5深色颗粒轮廓图5-2PM10~2.5深色颗粒轮廓
图6-1PM2.5浅色颗粒轮廓图6-2PM10~2.5浅色颗粒轮廓
图7-1PM2.5粒径分布
图7-2PM10~2.5粒径分布
经过计算，PM2.5滤膜上共有15204个颗粒，颗粒平均直径为1.3448µm，2.5µm以下颗粒数占89.5%；而PM10~2.5滤膜上共有2812个颗粒，平均直径为3.0979µm，10µm以下颗粒数占96.9%。滤膜上10µm以上颗粒数约占3%，说明大颗粒基本被切割，PM10采样器切割效果良好。
由粒径分布可计算出颗粒粒径对应的切割效率，得到图8切割效率曲线。从图中可知，切割粒径d50=2.75µm，小于切割粒径的颗粒基本能通过不被切割，大于切割粒径的颗粒切割效率偏低，曲线陡度较差，反映在PM2.5滤膜上大于切割粒径的颗粒没有被切割，基于切割原理和结构参数对切割性能的影响，应该减小采样器喷嘴与切割腔的距离。
图8切割效率曲线图
4结语
按尺寸段分选颗粒物的采样器，其切割性能主要表现在切割效率曲线上，而切割效率决定于斯托克斯数。为深入研究颗粒物的切割情况，通过分析处理滤膜上颗粒物的显微图像，计算出颗粒物的粒径分布，得到采样器的切割效率曲线。结果表明，文中提出的图像分析是测评采样器切割性能的有效方法。
作者简介：
冯健儿（1987-），男，广东清远人，硕士研究生，研究方向：光电技术与系统。 |
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