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1  引言

    隨著人民生活水平的提高和對(duì)環(huán)境問(wèn)題及健康問(wèn)題的日益重視，室內(nèi)空氣品質(zhì)狀況受到越來(lái)越多的關(guān)注。室內(nèi)空氣品質(zhì)的測(cè)量與評(píng)估，傳統(tǒng)上采用分析化學(xué)方法和光譜分析方法。分析化學(xué)的方法一般需要在測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)采集樣氣，帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行化學(xué)分析得到結(jié)果，而光譜分析需要專門的光譜儀，設(shè)備昂貴、操作復(fù)雜、不便攜帶，而且采樣分析速度慢，無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的空氣品質(zhì)測(cè)量。為了克服以上缺點(diǎn)，本文提出了基于金屬氧化物氣體傳感器陣列的室內(nèi)空氣品質(zhì)綜合指數(shù)算法，并設(shè)計(jì)了室內(nèi)空氣品質(zhì)監(jiān)控演示系統(tǒng)。

2  金屬半導(dǎo)體氣體傳感器陣列數(shù)學(xué)建模

表1  GGS*000系列產(chǎn)品功能表

    由于室內(nèi)氣體污染物的多樣化和復(fù)雜性，決定了不可能使用單一氣體傳感器實(shí)現(xiàn)全面的空氣品質(zhì)監(jiān)測(cè)。本研究采用的氣體傳感器陣列是由德國(guó)耶那環(huán)境傳感器技術(shù)股份有限公司生產(chǎn)的GGS*000系列氣體傳感器，這些傳感器均屬于金屬氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器，采用SnO₂薄膜作為敏感材料，敏感材料的電阻在一定的工作溫度下隨被測(cè)環(huán)境中吸收氣體分子的變化而變化，通常還原性氣體使電阻減小，而氧化性氣體使電阻增大，測(cè)量電阻變化的輸出信號(hào)，可得到與氣體特性對(duì)應(yīng)的關(guān)系。

    研究實(shí)驗(yàn)中采用了GGS1000/2000/3000，其功能如表1所示。它是集成了三種GGS*000系列傳感器和兩個(gè)加熱器的氣體傳感器陣列，圖1(a)和圖1(b)為該傳感器陣列結(jié)構(gòu)圖。每一個(gè)傳感器陣列的輸出信號(hào)是一個(gè)三維向量。該結(jié)構(gòu)用于氣體測(cè)量分析，不但節(jié)約了用于測(cè)量的傳感器個(gè)數(shù)，降低了測(cè)量成本，而且多維向量輸出便于后面的數(shù)據(jù)處理。

圖1  傳感器陣列結(jié)構(gòu)圖

    假設(shè)傳感器陣列由n（n≥3）個(gè)氣體傳感器組成，被測(cè)氣體有j種，濃度分別為x₁、x₂、…x_j，傳感器工作溫度為C_x，被測(cè)環(huán)境濕度為h，則該氣體傳感器陣列的輸出模型如式(1)所示。

                         (1)

    式(1)中，R_i為陣列中第i個(gè)傳感器的輸出電阻，R_0i為偏移量，即傳感器在溫度趨近于零時(shí)的純凈空氣中的輸出電阻，kci是溫度補(bǔ)償系數(shù)，C₀為傳感器標(biāo)準(zhǔn)工作溫度，k_im是第i個(gè)傳感器對(duì)第m種污染物的敏感系數(shù)，k_hi是濕度補(bǔ)償系數(shù)。

3  基于氣體傳感器陣列的室內(nèi)空氣品質(zhì)綜合指數(shù)

    已知的室內(nèi)空氣污染物多達(dá)三百余種，如果采用量化的方法處理，則需要一一辨別污染物的種類，其工作量無(wú)疑是巨大的，在技術(shù)上也是不可行的。實(shí)際上，人們關(guān)心的并不是室內(nèi)某些污染物的濃度如何，而是室內(nèi)的空氣情況是好是壞，是否適合居住，是否會(huì)影響居住者的健康。由于室內(nèi)空氣品質(zhì)的評(píng)價(jià)是一個(gè)主觀性很強(qiáng)的參數(shù)，因此量化的指標(biāo)很難描述這一參數(shù)。本研究提出了基于本傳感器陣列的室內(nèi)空氣品質(zhì)綜合指數(shù)。其基本原理在于，將傳感器陣列中的每一個(gè)傳感器的輸出根據(jù)其敏感性最強(qiáng)的污染物的重要性進(jìn)行加權(quán)，得到一個(gè)具有縱向可比性，即與同樣的傳感器在不同的時(shí)間和不同的場(chǎng)合得到的指數(shù)的可比性。同時(shí)，這一指數(shù)可以通過(guò)標(biāo)定得到其成分與含量的物理濃度意義。其算法如式(2)所示。

                               (2)

    式(2)中，R_n和R_0n與式(1)中的R_i和R_0i意義相同，W_n為傳感器陣列中每個(gè)傳感器的權(quán)重。R_an為所有敏感污染物濃度達(dá)到有害濃度閾值時(shí)每個(gè)傳感器的阻值，其中，污染物的有害濃度閾值由室內(nèi)空氣品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)決定。

    室內(nèi)空氣品質(zhì)綜合指數(shù)對(duì)室內(nèi)空氣品質(zhì)的描述精度取決于傳感器陣列的維數(shù)、傳感器陣列所敏感的污染物種類、傳感器的輸出線性度及陣列中傳感器的交叉敏感性。

4  應(yīng)用

    在室內(nèi)氣體實(shí)驗(yàn)以及數(shù)據(jù)分析、室內(nèi)空氣綜合品質(zhì)指數(shù)算法確定的基礎(chǔ)上，本研究設(shè)計(jì)了室內(nèi)空氣品質(zhì)監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)，用來(lái)監(jiān)測(cè)室內(nèi)空氣品質(zhì)綜合指數(shù)、溫度和濕度。系統(tǒng)原理圖如圖2所示，該系統(tǒng)由氣體傳感器陣列、溫濕度傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換器、微控制器MCU、LED數(shù)碼顯示器、RS-232接口、聲光報(bào)警與控制接口、執(zhí)行器（如換氣扇）等構(gòu)成。

圖2  室內(nèi)空氣品質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)原理示意圖

    如圖2，系統(tǒng)應(yīng)用半導(dǎo)體氣體傳感器陣列與溫濕度傳感器采集室內(nèi)空氣信息，對(duì)室內(nèi)主要的有害氣體得到連續(xù)的響應(yīng)輸出，輸出信號(hào)由信號(hào)調(diào)理電路處理后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換送入微控制器，由微控制器根據(jù)一定算法處理后，得到一個(gè)連續(xù)、可比較、可標(biāo)定的室內(nèi)空氣品質(zhì)綜合指數(shù)，并可以對(duì)綜合指數(shù)或某一有害氣體的超標(biāo)做出反應(yīng)，控制換氣扇等外部設(shè)備改善室內(nèi)空氣狀況，聲光報(bào)警提醒室內(nèi)人員注意采取相應(yīng)改善措施。

    圖3為運(yùn)用該室內(nèi)空氣品質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)測(cè)得的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)空氣品質(zhì)在一天內(nèi)的變化情況。該圖測(cè)于2001年12月17日，同濟(jì)大學(xué)中德學(xué)院西門子自動(dòng)化技術(shù)基金教研室307室，起始時(shí)間為上午8時(shí)，結(jié)束時(shí)間為次日上午8時(shí)。被測(cè)房間為實(shí)驗(yàn)室，有工作人員在上午8時(shí)到晚上22時(shí)進(jìn)行正常的工作。圖3中，時(shí)間坐標(biāo)的零點(diǎn)為上午8時(shí)，之后時(shí)間將坐標(biāo)值加8即得。從圖中可以看出，曲線的前半段，即從8時(shí)到約22時(shí)左右的時(shí)間段內(nèi)，室內(nèi)污染物濃度較高，且波動(dòng)較大，而曲線的后半段，既22時(shí)到次日8時(shí)，室內(nèi)污染物濃度降低，且曲線平坦，波動(dòng)很小。圖4（引自Noel de Nevers，Air Pollution Control Engineering，2000）為1965年7月19日在美國(guó)洛杉磯測(cè)得的一天之內(nèi)室外空氣中NO、NO₂、O₃和CO的濃度變化情況。圖中曲線經(jīng)過(guò)了平滑的處理。從圖中可以看出，空氣中污染物的第一個(gè)高峰的成分是CO和NO，發(fā)生在早晨的交通高峰期，因?yàn)?/SPAN>CO和NO直接來(lái)自汽車尾氣的排放。隨后到來(lái)的NO₂和O₃的高峰來(lái)自日出后的光化學(xué)反應(yīng)。NO₂峰值的到來(lái)主要是因?yàn)?/SPAN>NO₂相對(duì)O₃的反應(yīng)更易進(jìn)行，發(fā)生頻率更高。下午的交通高峰期污染物濃度的增加相對(duì)于早晨而言不明顯，這是因?yàn)橄挛绲娘L(fēng)速及空氣對(duì)流要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于早晨，使污染物不易集聚，直接造成了污染物濃度的下降。

圖3  實(shí)驗(yàn)室內(nèi)空氣品質(zhì)在一天內(nèi)的變化情況

圖4  室外空氣中NO、NO2、O3和CO的濃度變化情況

    圖3測(cè)的是甲醛(HCHO)、苯（C₆H₆）、氨氣（NH₃）和一氧化碳（CO）等室內(nèi)空氣污染物的濃度，不同于圖4測(cè)的NO、NO₂、O₃和CO等室外空氣污染物，但是在門和窗戶都打開(kāi)的情況下，室外空氣品質(zhì)極大的影響室內(nèi)空氣品質(zhì)。結(jié)合圖4分析圖3知，早晨的室外污染物濃度最高，打開(kāi)門窗后，由于受到室外空氣污染物（主要是CO）的影響，室內(nèi)空氣品質(zhì)綜合指數(shù)迅速升高。因?yàn)楣ぷ魅藛T在室內(nèi)的活動(dòng)以及開(kāi)窗造成的氣流對(duì)室內(nèi)污染物擴(kuò)散的影響，在8時(shí)到22時(shí)這一時(shí)段有人活動(dòng)的室內(nèi)空氣較不穩(wěn)定，波動(dòng)較大。隨著工作人員的離開(kāi)和窗子的關(guān)閉，室內(nèi)空氣進(jìn)入一個(gè)相對(duì)平穩(wěn)的過(guò)程，并且由于室外空氣情況的改善而呈緩慢的改善趨勢(shì)。但由于未開(kāi)門窗，室內(nèi)外的空氣流動(dòng)不佳，這一過(guò)程進(jìn)行的較為緩慢，而且相對(duì)室外空氣的變化要滯后一段時(shí)間。這種狀況直到有人為的開(kāi)窗等干預(yù)才出現(xiàn)變化。一般人習(xí)慣早上開(kāi)窗，可以在很短的時(shí)間內(nèi)使室內(nèi)外空氣品質(zhì)相對(duì)平衡。圖3中的結(jié)束點(diǎn)空氣品質(zhì)綜合指數(shù)高于開(kāi)始點(diǎn)，是因?yàn)榻Y(jié)束時(shí)尚未開(kāi)窗使室內(nèi)外空氣達(dá)到平衡，開(kāi)窗后，曲線會(huì)出現(xiàn)一個(gè)很陡的下降過(guò)程，然后達(dá)到平衡。由此可以看出，室內(nèi)空氣品質(zhì)綜合指數(shù)法可以實(shí)時(shí)高效的監(jiān)控室內(nèi)空氣品質(zhì)。

5  結(jié)語(yǔ)

    本文通過(guò)室內(nèi)空氣實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及國(guó)外的室外空氣品質(zhì)資料，分析了室內(nèi)外空氣品質(zhì)的變化規(guī)律，提出了基于金屬氧化物氣體傳感器陣列的室內(nèi)空氣品質(zhì)綜合指數(shù)算法，并設(shè)計(jì)了室內(nèi)空氣品質(zhì)監(jiān)控演示系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，室內(nèi)空氣品質(zhì)綜合指數(shù)法簡(jiǎn)單、高效、成本低，能實(shí)時(shí)有效的檢測(cè)評(píng)估室內(nèi)空氣品質(zhì)，有利于提高室內(nèi)空氣質(zhì)量，減少一氧化碳中毒、煤氣泄漏等意外事故造成的人身傷害和由于室內(nèi)空氣污染造成的對(duì)人體健康的潛在威脅，提高了生活質(zhì)量，改善了健康狀況。