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

  • “十五五”规划《纲要》问计求策

  • 美丽中国丨额济纳:晚秋胡杨美

独家策划

推荐阅读
HPV疫苗自2025年11月10日正式纳入国家免疫规划,2011年11月10日后出生的满13周岁女孩可以免费接种双价HPV疫苗。
2025-10-31 10:16
近日,飓风“梅利莎”横扫加勒比地区,成为近年来影响该地区最猛烈的飓风之一。
2025-10-31 10:14
10月30日下午,在中国科学院大连化学物理研究所(以下简称大连化物所),得知同事张洪章即将到“太空”出差的好消息,科研人员纷纷送上祝福:“好好照顾自己,好好完成任务。
2025-10-31 10:02
据新一期《天体物理学快报》报道,LIGO-Virgo-KAGRA国际合作组织宣布,他们在去年10月和11月探测到两起极为特殊的、由黑洞并合产生的引力波事件,分别命名为GW241011和GW241110。
2025-10-31 09:59
记者从生态环境部获悉:今年前三季度,我国环境空气质量和地表水环境质量总体持续改善。从重点区域来看,京津冀及周边地区“2+36”城市PM2.5平均浓度为33.0微克/立方米,同比下降15.6%;平均优良天数比例为73.5%,同比上升8.5个百分点。
2025-10-31 09:57
执行神舟二十一号载人飞行任务的航天员乘组由张陆、武飞、张洪章3名航天员组成。张陆担任指令长。
2025-10-30 13:03
记者10月29日从国家统计局获悉,根据国家统计局社科文司《中国创新指数研究》课题组测算,2024年中国创新指数为174.2(以2015年为100),比上年增长5.3%。
2025-10-30 10:15
绿氨作为绿氢核心载体与低碳原料,正成为钢铁、化工等高耗能行业实现深度脱碳的关键路径。
2025-10-30 10:12
记者10月29日从水利部获悉,由水利部制定的国家标准《幸福河湖评价导则第1部分:流域面积3000km2以下(含)河流》经国家标准化管理委员会批准正式发布,将于2026年5月1日起全面实施。
2025-10-30 10:06
截至2025年3月,全国已建成66处国家级智能化示范煤矿、200余处省级示范煤矿,拥有1806个智能化采掘工作面,智能开采产能占比超过50%,1.6万余个固定岗位实现无人值守。
2025-10-30 10:04
为全面反映我国在应对气候变化领域的政策行动和工作情况,29日,生态环境部发布《中国应对气候变化的政策与行动2025年度报告》并举行新闻发布会。
2025-10-30 10:00
亚太经合组织(APEC)第三十二次领导人非正式会议将于10月31日至11月1日在韩国庆州举行。
2025-10-29 10:12
近日,中国科学院金属研究所戎利建研究员团队利用自主研发的纯净化制备技术,成功实现了高纯净吨级哈氏合金C276的工业化生产。
2025-10-29 09:36
截至今年6月,我国生成式人工智能用户规模达5.15亿人,普及率为36.5%,仅上半年,用户规模就增长了2.66亿人。
2025-10-29 09:35
当掌勺者从有体温的师傅变成由代码驱动的机器,以人和环境为核心的传统监管模式也面临着新情况。
2025-10-29 09:35
今年年产量首次突破150万吨,创历史同期最高水平,这标志着我国页岩油开发从技术探索迈向规模化、稳定产出的新阶段。
2025-10-29 09:33
相信很多人都曾有过这样的体验:临睡时刻,总觉得口干舌燥,害怕会频繁起夜,但又忍不住想大口喝水。每当此时,一些人不免会担心,是不是身体出什么问题了?
2025-10-29 09:32
10月28日,《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十五个五年规划的建议》全文发布。
2025-10-29 09:31
资料图片  深秋,去往宁夏吴忠市盐池县马儿庄村的乡道上,簌簌黄叶生出几分萧瑟。张文攀摄/光明图片  如今,马儿庄村有滩羊养殖专业合作社8家,全村滩羊年饲养量5万只,远高于封山禁牧前。
2025-10-28 08:57
培养什么人、怎样培养人、为谁培养人,是教育的根本问题,也是摆在新时代医学教育面前的重要课题。“卓越”与“有温度”相辅相成,互相支撑,共同构筑新时代医学人才的素养基石。
2025-10-28 08:55
加载更多