重組核心技術“拼圖” 國標空氣站有了高精度“中國芯”

2021-10-19

◎本報記者陳曦

0.01微克

這款天平並不是普通的天平，其測量精度達到0.01微克，被譽為可在“太空中稱重”的天平，是監測PM2.5、PM10等空氣顆粒物的關鍵設備。它不僅填補了國內空白，還打破了國外壟斷，獲得了4項發明專利授權。

日前，一款振盪天平監測儀樣機通過國家環境監測總站的樣機性能、可靠性等測試，完成中國環境保護產業協會現場認證考核工作，並獲得環保產品認證證書。

這款振盪天平監測儀是天津同陽科技發展有限公司（以下簡稱同陽科技）經過5年艱苦研發的又一重要成果，這所脱胎於天津大學精密儀器與光電子工程學院的公司一直致力於把天津大學的科研優勢做成產品、變成品牌，走向全國，走向世界。其在氣體特徵物及顆粒物濃度等方面的監測技術達到了國際領先水平。

微量振盪天平法在精度上更具優勢

隨着工業發展和城市化進程的不斷加快，大氣污染不斷加劇，導致霧霾天頻繁出現。造成“霧霾藍”的罪魁禍首就是大氣懸浮顆粒物，其主要成分是霧、煙和空氣塵埃，當濃度達到一定程度後會導致人體產生一系列疾病，是危害人體健康的主要污染物。

測定分析大氣中總懸浮顆粒物的含量，對治理大氣污染和保護人類自身健康十分重要，而準確全面地掌握大氣顆粒物污染狀況，認識其發展和演變規律是制定大氣顆粒物防治措施的基礎。

“重量法是目前測量環境空氣顆粒物濃度最精確的技術，但是需要在實驗室中完成。”同陽科技研發中心主任樊海春介紹，目前，能夠實現大氣顆粒物現場快速監測的技術主要有β射線法、微量振盪天平法和光散射法。其中，β射線法顆粒物監測儀和振盪天平法顆粒物監測儀主要被應用於國內空氣站項目中的顆粒物監測模塊。

β射線法和微量振盪天平法測量顆粒物濃度，都被稱作間接式“重量法”。“β射線法利用β射線衰減的原理，通過對衰減量的測定便可計算出顆粒物質量濃度。”樊海春説，而微量振盪天平法通過振盪頻率的變化，稱量空氣中顆粒物的質量。

兩種測量方法各有利弊，不過隨着我國對於空氣質量監測標準的不斷提升，對於顆粒物監測精度要求也越來越高。監測儀器準確度不高的話，就會出現PM10和PM2.5數值倒掛的現象，特別是使用β射線法顆粒物監測儀，不同參量之間倒掛現象非常普遍。

對此樊海春解釋，直徑小於等於2.5微米（PM2.5）的顆粒物是直徑小於等於10微米（PM10）的子集，正常情況下，監測出的PM10的值應該一直大於PM2.5。但在空氣質量好的時候，使用β射線法顆粒物監測儀監測出的PM10的值往往小於PM2.5的值，造成了監測結果不準確。

據瞭解，在國標法中，微量振盪天平法相比β射線法具有測量精度上的優勢，其測量精度和即時性是傳統方法所無法比擬的。美國環境保護署長期觀測實驗得出結論，微量振盪天平法是目前測量環境空氣顆粒物濃度技術中和重量法最接近的技術。

核心技術突破國外壟斷

目前，PM2.5、PM10等顆粒物是環境監測的重點，我國現有8000多個國標空氣站，正在使用約16000台同類設備。這些設備每5年至8年就要更新一次，平均每年更新數量超過2000台。

與如此大的需求相對應的是，我國的城市空氣質量自動監測站主要依賴進口監測設備，其價格昂貴、維護成本高、監測指標受限，遠不能滿足我國大氣顆粒物的業務化觀測及科學研究的需要。

“國內振盪天平法監測儀市場長期被國外企業壟斷，國際上僅有一家企業在生產此種儀器設備。”樊海春介紹，之所以出現這種情況，是因為現有技術很難繞開國外的專利。而要想生產我們國家自己的振盪天平法監測儀，就必須從基礎研究上進行創新、突破。

振盪天平法監測儀最核心的部件就是振盪天平法顆粒物傳感器，這也是研發振盪天平法監測儀的“卡脖子”技術。作為測量顆粒物濃度的核心傳感器，其內部包括諧振振子、顆粒物採集膜、驅動和檢測電路。繞開已有專利就意味着核心技術的“拼圖”要打散，換種方法重新再組合起來。

2016年，樊海春和研發團隊把研發任務化整為零，而後逐項進行突破。

質量傳感器中的振子材料及結構研究是核心中的核心。“國外專利中的振子材料和結構是石英材質的錐形管，我們就要避開這種材料和結構。”樊海春和團隊為了確定振子材料，利用兩三年時間，選取多種材料進行針對性測試，同時結合不同形狀和尺寸進行不斷的改進。

大自然中的材料有成千上萬種，尋找合適的材料猶如大海撈針，經過縝密的研究分析，研發團隊把篩選的範圍縮小到三種，並最終確立了特殊碳纖維材料。“這種材料是在碳纖維中加入其他成分混合而成的，光是研究成分的配比就進行了上百次實驗。”樊海春解釋，由於每種材料的彈性係數不同，不同的彈性係數會導致形狀的差別，因此需要對材料進行配比。確定了材料後，研究人員又反推出與之最為匹配的振子結構，從而保證了振盪天平的精度。

由於採用了特殊的碳纖維材料，同陽科技研發的振盪天平中的振子在同等條件下，比原有的國外產品壽命更長、精度更高。“國外產品的石英振子需要一年更換一次，而我們的碳纖維振子基本可以達到終身壽命。因此可以大大節約成品，與國外產品相比單台可節約成本超5萬元。”樊海春説。

創新設計讓國產振盪天平性能更優

為了提高振盪天平監測儀器的穩定性和精度，樊海春團隊還創新性地進行了動態補償系統研究和算法研究。

“採集到的大氣樣本除了顆粒物外，還含有很多水分子。特別是南方潮濕的環境中，水分子含量高會影響最終檢測結果的精確度。”樊海春介紹，因此就需要開展采樣動態除濕技術、温度濕度補償技術、精密温濕壓採集的研究。

樊海春團隊對採樣氣體進行除濕預處理時，通過螺旋反吹氣選擇性滲透除濕乾燥技術、質子交換膜水分子交換技術，使除濕效率最大化，從而降低濕度對顆粒物測量的影響；温濕度補償技術則主要針對顆粒物在不同温度和濕度下對測量結果的影響進行細微補償，使測量達到更高精度；精密温濕壓採集技術包括多處温度、濕度、壓力採集，保證了測量的準確性。

一套“組合拳”的創新技術，還需匹配上相應的算法。通過對濃度算法研究、動態補償算法研究、快速精密控制研究、線性補償算法研究，形成一整套完整的動態智能補償系統，可智能補償因温度、濕度、顆粒物成分等帶來的偏差，從而更準確地顆粒物濃度測量。

隨着同陽科技的振盪天平監測儀獲得環保認證證書，它將成為我國國標空氣站的“中國芯”，以目前我國的需求量，如果全部應用國產化產品將節約成本數億元。