重组核心技术“拼图” 国标空气站有了高精度“中国芯”

2021-10-19

◎本报记者陈曦

0.01微克

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。

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。