点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

正在阅读:重组核心技术“拼图”国标空气站有了高精度“中国芯”
首页> 科技频道> 综合新闻 > 正文

重组核心技术“拼图”国标空气站有了高精度“中国芯”

来源:科技日报2021-10-19 09:40

调查问题加载中,请稍候。
若长时间无响应,请刷新本页面

  日前,一款振荡天平监测仪样机通过国家环境监测总站的样机性能、可靠性等测试,完成中国环境保护产业协会现场认证考核工作,并获得环保产品认证证书。

  这款天平并不是普通的天平,其测量精度达到0.01微克,被誉为可在“太空中称重”的天平,是监测PM2.5、PM10等空气颗粒物的关键设备。它不仅填补了国内空白,还打破了国外垄断,获得了4项发明专利授权。

  这款振荡天平监测仪是天津同阳科技发展有限公司(以下简称同阳科技)经过5年艰苦研发的又一重要成果,这所脱胎于天津大学精密仪器与光电子工程学院的公司一直致力于把天津大学的科研优势做成产品、变成品牌,走向全国,走向世界。其在气体特征物及颗粒物浓度等方面的监测技术达到了国际领先水平。

  微量振荡天平法在精度上更具优势

  随着工业发展和城市化进程的不断加快,大气污染不断加剧,导致雾霾天频繁出现。造成“雾霾蓝”的罪魁祸首就是大气悬浮颗粒物,其主要成分是雾、烟和空气尘埃,当浓度达到一定程度后会导致人体产生一系列疾病,是危害人体健康的主要污染物。

  测定分析大气中总悬浮颗粒物的含量,对治理大气污染和保护人类自身健康十分重要,而准确全面地掌握大气颗粒物污染状况,认识其发展和演变规律是制定大气颗粒物防治措施的基础。

  “重量法是目前测量环境空气颗粒物浓度最精确的技术,但是需要在实验室中完成。”同阳科技研发中心主任樊海春介绍,目前,能够实现大气颗粒物现场快速监测的技术主要有β射线法、微量振荡天平法和光散射法。其中,β射线法颗粒物监测仪和振荡天平法颗粒物监测仪主要被应用于国内空气站项目中的颗粒物监测模块。

  β射线法和微量振荡天平法测量颗粒物浓度,都被称作间接式“重量法”。“β射线法利用β射线衰减的原理,通过对衰减量的测定便可计算出颗粒物质量浓度。”樊海春说,而微量振荡天平法通过振荡频率的变化,称量空气中颗粒物的质量。

  两种测量方法各有利弊,不过随着我国对于空气质量监测标准的不断提升,对于颗粒物监测精度要求也越来越高。监测仪器准确度不高的话,就会出现PM10和PM2.5数值倒挂的现象,特别是使用β射线法颗粒物监测仪,不同参量之间倒挂现象非常普遍。

  对此樊海春解释,直径小于等于2.5微米(PM2.5)的颗粒物是直径小于等于10微米(PM10)的子集,正常情况下,监测出的PM10的值应该一直大于PM2.5。但在空气质量好的时候,使用β射线法颗粒物监测仪监测出的PM10的值往往小于PM2.5的值,造成了监测结果不准确。

  据了解,在国标法中,微量振荡天平法相比β射线法具有测量精度上的优势,其测量精度和实时性是传统方法所无法比拟的。美国环境保护署长期观测实验得出结论,微量振荡天平法是目前测量环境空气颗粒物浓度技术中和重量法最接近的技术。

  核心技术突破国外垄断

  目前,PM2.5、PM10等颗粒物是环境监测的重点,我国现有8000多个国标空气站,正在使用约16000台同类设备。这些设备每5年至8年就要更新一次,平均每年更新数量超过2000台。

  与如此大的需求相对应的是,我国的城市空气质量自动监测站主要依赖进口监测设备,其价格昂贵、维护成本高、监测指标受限,远不能满足我国大气颗粒物的业务化观测及科学研究的需要。

  “国内振荡天平法监测仪市场长期被国外企业垄断,国际上仅有一家企业在生产此种仪器设备。”樊海春介绍,之所以出现这种情况,是因为现有技术很难绕开国外的专利。而要想生产我们国家自己的振荡天平法监测仪,就必须从基础研究上进行创新、突破。

  振荡天平法监测仪最核心的部件就是振荡天平法颗粒物传感器,这也是研发振荡天平法监测仪的“卡脖子”技术。作为测量颗粒物浓度的核心传感器,其内部包括谐振振子、颗粒物采集膜、驱动和检测电路。绕开已有专利就意味着核心技术的“拼图”要打散,换种方法重新再组合起来。

  2016年,樊海春和研发团队把研发任务化整为零,而后逐项进行突破。

  质量传感器中的振子材料及结构研究是核心中的核心。“国外专利中的振子材料和结构是石英材质的锥形管,我们就要避开这种材料和结构。”樊海春和团队为了确定振子材料,利用两三年时间,选取多种材料进行针对性测试,同时结合不同形状和尺寸进行不断的改进。

  大自然中的材料有成千上万种,寻找合适的材料犹如大海捞针,经过缜密的研究分析,研发团队把筛选的范围缩小到三种,并最终确立了特殊碳纤维材料。“这种材料是在碳纤维中加入其他成分混合而成的,光是研究成分的配比就进行了上百次实验。”樊海春解释,由于每种材料的弹性系数不同,不同的弹性系数会导致形状的差别,因此需要对材料进行配比。确定了材料后,研究人员又反推出与之最为匹配的振子结构,从而保证了振荡天平的精度。

  由于采用了特殊的碳纤维材料,同阳科技研发的振荡天平中的振子在同等条件下,比原有的国外产品寿命更长、精度更高。“国外产品的石英振子需要一年更换一次,而我们的碳纤维振子基本可以达到终身寿命。因此可以大大节约成品,与国外产品相比单台可节约成本超5万元。”樊海春说。

  创新设计让国产振荡天平性能更优

  为了提高振荡天平监测仪器的稳定性和精度,樊海春团队还创新性地进行了动态补偿系统研究和算法研究。

  “采集到的大气样本除了颗粒物外,还含有很多水分子。特别是南方潮湿的环境中,水分子含量高会影响最终检测结果的精确度。”樊海春介绍,因此就需要开展采样动态除湿技术、温度湿度补偿技术、精密温湿压采集的研究。

  樊海春团队对采样气体进行除湿预处理时,通过螺旋反吹气选择性渗透除湿干燥技术、质子交换膜水分子交换技术,使除湿效率最大化,从而降低湿度对颗粒物测量的影响;温湿度补偿技术则主要针对颗粒物在不同温度和湿度下对测量结果的影响进行细微补偿,使测量达到更高精度;精密温湿压采集技术包括多处温度、湿度、压力采集,保证了测量的准确性。

  一套“组合拳”的创新技术,还需匹配上相应的算法。通过对浓度算法研究、动态补偿算法研究、快速精密控制研究、线性补偿算法研究,形成一整套完整的动态智能补偿系统,可智能补偿因温度、湿度、颗粒物成分等带来的偏差,从而更准确地颗粒物浓度测量。

  随着同阳科技的振荡天平监测仪获得环保认证证书,它将成为我国国标空气站的“中国芯”,以目前我国的需求量,如果全部应用国产化产品将节约成本数亿元。(陈 曦)

[ 责编:蔡琳 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 辽宁长山群岛候鸟栖息地成功纳入世界自然遗产

  • 北京中轴线各遗产点庆祝申遗成功两周年

独家策划

推荐阅读
国家统计局27日发布数据显示,今年上半年,全国规模以上工业企业营业收入同比增长6.5%,较一季度加快1.5个百分点。营业收入加快增长,
2026-07-28 04:15
推动科技创新与产业创新深度融合,是培育新质生产力、构建现代化产业体系,实现高水平科技自立自强的关键路径。习近平总书记深刻指出“人才资源是第一资源,
2026-07-28 04:25
作为走进企业的“科技副总”,浙江大学周鸣川研究员与某民营医疗机构共建联合实验室,推动眼科手术机器人进入国家创新审批通道;浙江农林大学王翀教授与杭州某饲料企业深度合作,
2026-07-28 04:25
未来,如何让当地群众在世界遗产保护工作中获益?为此,记者专访了东亚—澳大利西亚候鸟迁徙研究中心主任、黄(渤)海候鸟栖息地申遗首席专家雷光春。
2026-07-28 04:20
缺硼会让庄稼“烂根绝收”,全球超百种作物依赖硼肥才能保证产量。
2026-07-28 04:20
刘文郡:中国启动“人工智能+”行动,通过协同推进传统产业改造升级、新兴产业培育壮大与未来产业前瞻布局,让人工智能深度赋能千行百业。中国相继提出《全球人工智能治理倡议》《“人工智能+”国际合作倡议》,发布《人工智能能力建设普惠计划》《人工智能合作发展行动计划》,倡议成立世界人工智能合作组织。
2026-07-27 09:31
7月26日18时,水利部和中国气象局联合发布红色山洪灾害气象预警,江西南部、广东中北部局地发生山洪灾害可能性很大(红色预警)。涂勇介绍,主汛期山区降雨突发性强、峡谷汇水迅猛,进山务必提前关注山洪、暴雨预警,收到预警应立即取消行程。
2026-07-27 09:29
7月26日凌晨,今年第12号台风“红霞”在广东惠州市惠东县平海镇沿海登陆。”  针对台风远距离水汽输送导致的暴雨预报难题,气象部门采用集合预报方法,通过多个模式、多个初始场的集成分析,量化预报的不确定性。
2026-07-27 09:28
眼下正是小龙虾上市的季节,走进安徽省滁州市全椒县十字镇陈浅村潘氏龙虾万亩养殖基地,养殖户们正下田捕捞小龙虾。当前,全椒县稻虾综合种养面积36.5万亩,小龙虾年产量5.5万吨,稻虾全产业链综合产值34亿元、从业人数4万多人,小龙虾成了乡村振兴的主导产业之一。
2026-07-27 09:28
光明日报武汉7月26日电 记者王建宏、张锐从华中农业大学获悉,该校熊立仲教授团队近日鉴定出一个名为“ROAD1”的稻属特异抗旱孤儿基因,并发现携带这个功能等位基因的水稻在田间干旱条件下产量较对照显著提高。
2026-07-27 09:27
光明日报北京7月26日电 记者张胜从自然资源部获悉,每年的7月26日是联合国教科文组织确立的“世界红树林日”。自然资源部数据显示,自《红树林保护修复专项行动计划(2020—2025年)》印发实施以来,我国完成新营造红树林约1.16万公顷(17.4万亩),是全球少数红树林面积持续增加的国家之一。
2026-07-27 09:27
国家药监局近日批准全球首个选择性食欲素2型受体激动剂上市,用于治疗16岁及以上青少年和成人1型发作性睡病。该药为原创靶点、新机制罕见病治疗药物,在中国、美国、日本、欧盟同步申报,我国率先完成审批,实现全球“首报首发”的历史性突破。
2026-07-24 08:55
记者从市场监管总局了解到,国际电工委员会智能制造系统委员会近日发布IEC SRD 63459:2026《智能制造用例模板》国际标准。为此,国际电工委员会智能制造系统委员会于2019年成立首个工作组,组织各国专家制定国际统一的智能制造用例模板,以统一的方式描述、存储和使用用例。
2026-07-24 08:51
23日20时,我国在西昌卫星发射中心使用长征三号乙运载火箭,成功将天链二号06星发射升空,卫星顺利进入预定轨道,发射任务取得圆满成功。
2026-07-24 08:50
王虹、邓煜与其他两位数学家共同获得菲尔兹奖,这是令国人振奋的消息,也是中国数学家感到自豪的时刻。邓煜的另一项研究,是与合作者成功建立了三维波动方程吉布斯测度的不变性,将概率论方法系统性地引入波动方程研究。
2026-07-24 08:49
记者从北京大学获悉,2026年国际数学家大会23日在美国费城开幕。王虹,本科就读于北京大学数学科学学院,获理学学士学位;2014年相继取得巴黎综合理工学院工程师学位与巴黎-萨克雷大学硕士学位;后于麻省理工学院完成博士学位。
2026-07-24 08:48
7月22日,美国佛蒙特大学研究团队在《自然》杂志发表论文称,他们在北美鲶鱼体内发现一种可传染的黑色素瘤。换言之,肿瘤细胞本身就是“感染因子”,如同寄生虫一般,从一条鱼传到另一条鱼。这些带病的鲶鱼,正为科学界提供一个观察癌症演化的难得机会。
2026-07-23 09:57
《自然》杂志22日发表了一项天文学研究,可能揭示了人类对首个已知的系外卫星(exosatellite)的观测。在三层等级系统中,一颗恒星周围有一颗伴星,如行星或褐矮星,而第三个天体围绕伴星,这第三个天体可称为系外卫星。
2026-07-23 09:57
生物腐烂是生态系统养分循环的关键过程,但腐烂区域同时也是病原微生物高度活跃、可能对活体植物造成侵害的“危险区”。
2026-07-23 09:49
习近平总书记在国家科学技术奖励大会、两院院士大会、中国科协第十一次全国代表大会上的讲话中指出,“科学的未来在青年”,强调“要把青年科技人才队伍建设作为一项战略工程,全方位做好培养、引进、使用工作”。
2026-07-23 09:49
加载更多