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并完成石化行业VOC在线监控系统建设,本文是使用频域方法分析电源噪声的一个案例

发布时间:15-05-19 17:17分类:行业资讯 标签:VOC检测
挥发性有机物(VOC)是形成PM2.5和臭氧的重要前体物之一,对大气环境质量影响较大。为完成*“大气十条”提出的到2017年PM2.5浓度相比2013年下降25%的目标,河北省提出在石化、制药等行业开展VOC综合治理,2016年完成重点企业治理设施改造和建设。
河北省挥发性有机物治理涉及的重点行业主要有石化、医药、有机化工、表面涂装、包装印刷、合成材料、塑料制品等。根据河北省治理方案,在石油炼制与石化行业,主要严格控制工艺废气排放、生产设备密封点泄露等环节排污,加强全过程有机废气收集和处理。在医药化工行业,主要推进生产环节密闭改造,并对有机废气采用冷凝等装置回收利用,不能回收采用催化燃烧等技术进行净化。在汽车制造、家具制造、建筑家装等含工业涂装VOC的行业主要控制涂料类型,提高水性涂料等环保型涂料使用比例,并对喷涂VOC废气采取有效措施进行收集和处理,废气捕集率和净化率不低于90%。
到2016年,河北省将完成28家石油炼制与石化企业、72家医药化工企业、32家表面涂装企业及104家有机化工、40家合成材料、7家轮胎制造、14家涂料油墨生产、14家塑料制品企业等的VOC治理设施改造和建设。并完成石化行业VOC在线监控系统建设,实现在线监测、管理和控制。
在京津冀协同发展治理大气污染问题的此刻,河北已发动重点行业挥发性有机物综合治理的策略,2015年年初,北京市质量技术监督局在网上发布通知,再次对北京市地方标准《印刷行业挥发性有机物排放标准》公开征求意见。该地方标准由北京市环境保护科学研究院、解放军防化研究院、北京印刷协会联合起草,旨在控制北京市挥发性有机物的排放,改善区域大气环境质量,促进印刷行业工艺和污染治理技术的进步。
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发布时间:15-05-14 17:34分类:技术文章 标签:PM2.5 PM2.5是什么?
如果是初次接触,“PM2.5”这一串字符也许会让你看得云里雾里,不知所云。其实它有一个容易理解的中文名——细颗粒物,是对空气中直径小于或等于2.5微米的固体颗粒或液滴的总称。这些颗粒如此细小,肉眼是看不到的,它们可以在空气中漂浮数天。人类纤细的头发直径大约是70微米,这*比*大的PM2.5还大了近三十倍。
PM是英文particulate
matter(颗粒物)的首字母缩写。准确的PM2.5定义要在“直径”之前加一个修饰语“空气动力学”,这可不是故作高深。空气中的颗粒物并非是规则的球形,那怎么定义又怎么测量其直径呢?在实际操作中,如果颗粒物在通过检测仪器时所表现出的空气动力学特征与直径小于或等于2.5微米且密度为1克/立方厘米的球形颗粒一致,那*称其为PM2.5。这样的定义也*决定了在测定PM2.5时,需要利用空气动力学原理把PM2.5与更大的颗粒物分开,而不是用孔径为2.5微米的滤膜来分离。
知道了PM2.5的定义,*很容易得出PM10的定义了—将定义中的2.5换成10即可,PM10也被称为可吸入颗粒物。在PM10中,直径在2.5至10微米之间的颗粒物被称为粗颗粒物,与细颗粒物相对。
PM2.5来自哪里,又有什么构成?
虽然自然过程也会产生PM2.5,但其主要来源还是人为排放。人类既直接排放PM2.5,也排放某些气体污染物,在空气中转变成PM2.5。直接排放主要来自燃烧过程,比如化石燃料(煤、汽油、柴油)的燃烧、生物质(秸秆、木柴)的燃烧、垃圾焚烧。在空气中转化成PM2.5的气体污染物主要有二氧化硫、氮氧化物、氨气、挥发性有机物。其它的人为来源包括:道路扬尘、建筑施工扬尘、工业粉尘、厨房烟气。自然来源则包括:风扬尘土、火山灰、森林火灾、漂浮的海盐、花粉、真菌孢子、细菌。
PM2.5的来源复杂,成分自然也很复杂。主要成分是元素碳、有机碳化合物、硫酸盐、硝酸盐、铵盐。其它的常见的成分包括各种金属元素,既有钠、镁、钙、铝、铁等地壳中含量丰富的元素,也有铅、锌、砷、镉、铜等主要源自人类污染的重金属元素。
2000年有研究人员测定了北京的PM2.5来源:尘土占20%;由气态污染物转化而来的硫酸盐、硝酸盐、氨盐各占17%、10%、6%;烧煤产生7%;使用柴油、汽油而排放的废气贡献7%;农作物等生物质贡献6%;植物碎屑贡献1%。有趣的是,吸烟也贡献了1%,不过这只是个粗略的科学估算,并不一定准确。该研究中也测定了北京PM2.5的成分:含碳的颗粒物,硫酸根,硝酸根,铵根加在一起占了重量了69%。类似地,1999年测定的上海PM2.5中有41.6%是硫酸铵、硝酸铵,41.4%是含碳的物质。
PM2.5对健康有什么危害?
PM2.5主要对呼吸系统和心血管系统造成伤害,包括呼吸道受刺激、咳嗽、呼吸困难、降低肺功能、加重哮喘、导致慢性支气管炎、心律失常、非致命性的心脏病、心肺病患者的过早死。老人、小孩以及心肺疾病患者是PM2.5污染的敏感人群。如果空气中PM2.5的浓度长期高于10微克/立方米,死亡风险*开始上升。浓度每增加10微克/立方米,总的死亡风险*上升4%,得心肺疾病的死亡风险上升6%,得肺癌的死亡风险上升8%。
PM2.5的危害固然不可忽视,但仍不可与吸烟相比。对于烟民而言,千万不要有“反正空气污染,抽不抽烟一个样”的心理。吸烟可使男性得肺癌死亡的风险上升22倍(也*是上升2200%),女性的风险上升12倍(1200%);使中年人得心脏病死亡的风险上升2倍(200%)。上述关于PM2.5死亡风险的数据源自2002年发表于《美国医学会杂志》的一篇论文。这篇论文分析了一项长期研究中参与者的死亡率和空气污染之间的关系,发现死亡率升高与PM2.5和二氧化硫的污染有关联,而与粗颗粒物污染没有可靠的关联。该项在美国进行的前瞻性研究始于1982年,当时招募了120万的参与者。论文的结论是基于长达16年的随访数据,是目前关于PM2.5污染增加死亡风险*可靠的证据。
各个*的PM2.5标准都是多少
自从美国于1997年率*制定PM2.5的空气质量标准以来,许多*都陆续跟进将PM2.5纳入监测指标。如果单纯从保护人类健康的目的出发,各国的标准理应一样,因为制定标准所依据的是相同的科学研究结果。然而,标准的制定还需考虑各国的污染现状和经济发展水平,在一个空气污染严重的发展中*制定极为严格的空气质量标准只能成为一个华丽的摆设,没有实际意义。根据美国癌症协会和哈佛大学的研究结果,卫生组织(WHO)于2005年制定了PM2.5的准则值。高于这个值,死亡风险*会显著上升。WHO同时还设立了三个过渡期目标值,为目前还无法一步到位的地区提供了阶段性目标,其中目标-1的标准*为宽松,目标-3*严格。
下表列举了WHO以及几个有代表性的*的标准。中国拟实施的标准与WHO过渡期目标-1相同。美国和日本的标准一样,与目标-3基本一致。欧盟的标准略微宽松,与目标-2一致,澳大利亚的标准*为严格,年均标准比WHO的准则值还低。标准的宽严程度基本反映了各国的空气质量情况,空气质量越好的**越有能力制定和实施更为严格的标准。

发布时间:15-05-07 16:15分类:技术文章 标签:示波器
电源噪声是电磁干扰的一种,其传导噪声的频谱大致为10kHz~30MHz,*高可达150MHz。电源噪声,特别是瞬态噪声干扰,其上升速度快、持续时间短、电压振幅高、随机性强,对微机和数字电路易产生严重干扰。
在电源噪声的分析过程中,比较经典的方法是使用示波器观察电源噪声波形并测量其幅值,据此判断电源噪声的来源。但是随着数字器件的电压逐步降低、电流逐步升高,电源设计难度增大,需要使用更加有效的测试手段来评估电源噪声。本文是使用频域方法分析电源噪声的一个案例,在观察时域波形无法定位故障时,通过FFT(快速傅立叶变换)方法进行时频转换,将时域电源噪声波形转换到频域进行分析。电路调试时,从时域和频域两个角度分别来查看信号特征,可以有效地加速调试进程。
在单板调试过程中发现一个网络的电源噪声达到80mv,已经超过器件要求,为了保证器件能够稳定工作必须降低该电源噪声。
在调试该故障前*回顾下电源噪声抑制的原a理。如下图所示,电源分配网络中不同的频段由不同的元件来抑制噪声,去耦元件包含电源调整模块(VRM)、去耦电容、PCB电源地平面对、器件封装和芯片。VRM包含电源芯片及外围的输出电容,大约作用于DC到低频段(100K左右),其等效模型是一个电阻和一个电感组成的二元件模型。去耦电容*好使用多个数量级容值的电容配合使用,充分覆盖中频段(数10K到100M左右)。由于布线电感和封装电感的存在,即时大量堆砌去耦电容也难以在更高频起到作用。PCB电源地平面对形成了一个平板电容,也具有去耦作用,大约作用在数十兆。芯片封装和芯片负责高频段(100M以上),目前的高端器件一般会在封装上增加去耦电容,此时PCB上的去耦范围可以降低到数十兆甚至几兆。因此,在电流负载不变的情况下,我们只要判断出电压噪声出现在哪个频段,那么针对这个频段所对应的去耦元件进行优化即可。在两个去耦元件的相邻频段时两个去耦元件会配合作用,所以在分析去耦元件临界点时相邻频段的去耦元件也要同时纳入考虑。
根据传统电源调试经验,首*在该网络上增加了一些去耦电容,增加电源网络的阻抗余量,保证在中频段的电源网络阻抗都能满足该应用场景的需求。结果纹波仅降低几mV,改善微乎其微。产生这个结果有几个可能:1、噪声处在低频,并不在这些去耦电容起作用的范围内;2、增加电容影响了电源调节器VRM的环路特征,电容带来的阻抗降低与VRM的恶化抵消了。带着这个疑问,我们考虑使用示波器的频域分析功能来查看电源噪声的频谱特性,定位问题根源。
示波器的频域分析功能是通过傅立叶变换实现的,傅立叶变换的实质是任何时域的序列都可以表示为不同频率的正弦波信号的无限叠加。我们分析这些正弦波的频率、幅值和相位信息,*是将时域信号切换到频域的分析方法。数字示波器采样到的序列是离散序列,所以我们在分析中*常用的是快速傅立叶变换(FFT)。FFT算法是对离散傅立叶变换(DFT)算法优化而来,运算量减少了几个数量级,并且需要运算的点数越多,运算量节约越大。
示波器捕获的噪声波形进行FFT变换,有几个关键点需要注意:
1、根据耐奎斯特抽样定律,变换之后的频谱展宽(Span)对应与原始信号的采样率的1/2,如果原始信号的采样率为1GS/s,则FFT之后的频谱展宽*多是500MHz;
2、变换之后的频率分辨率(RBW Resolution
Bandwidth)对应于采样时间的倒数,如果采样时间为10mS,则对应的频率分辨率为100Hz;
3、频谱泄漏,即信号频谱中各谱线之间相互干扰,能量较低的谱线容易被临近的高能量谱线的泄漏所淹没。避免频谱泄漏可以尽量采集速率与信号频率同步,延长采集信号时间及使用适当的窗函数。
电源噪声测量时不要求较高的采样率,所以可以设置很长的时基,这也意味着采集的信号时间可以足够长,可以认为覆盖到了整个有效信号的时间跨度,此时不需要添加窗函数。调整以上设置可以得到比较准确的FFT变换曲线了,再通过zoom功能查看感兴趣的频点。如下图中电源噪声的主要能量集中在11.3KHz左右,并以该频率为基波频率谐振。据此可以推断本PDN网络在11.3KHz处的阻抗不能满足要求,电容在该频点的阻抗也比较高,起不到降低阻抗的作用,所以前面增加电容并不能减小电源噪声。
一般来说,11.3KHz应该是VRM的管辖范围,此处出现较大噪声说明VRM电路设计不能满足要求。这里对VRM的性能进行分析,VRM分析的方法众多,此处主要采用仿真其反馈环路波特图的手段。波特图主要观察几个关键信息:1、穿越频率,增益曲线穿越0dB线的频率点;2、相位裕度,相位曲线在穿越频率处所对应的相位值;3、增益裕度,相位在-360°时所对应的增益值。这里我们主要关注穿越频率和相位裕度这两个指标。从VRM的环路波特图(如下图a)可以看到,VRM的穿越频率在8KHz左右,相位裕度37度。这里存在两个问题:首*VRM的相位裕度一般需要大于45度才能保证环路的稳定工作,这里相位裕度稍小一些,需要增加相位裕度;其次穿越频率太低,穿越频率附近VRM的调整作用逐渐降低,而此频点bulk电容还起不到作用,所以在8KHz附近会存在较高的阻抗,这个频点的噪声抑制作用较差。下图(b)是优化VRM环路之后的波特图,调整相位裕度到50度,穿越频率推到46KHz左右。
对优化后的VRM验证纹波,可以看到纹波明显降低到33mv,能够满足器件要求。
上述案例是使用示波器FFT功能快速定位电源问题的过程,从这个例子可以看到示波器的频域分析功能在电路调试时可以发挥很大作用。示波器的FFT功能配合长存储深度可以很方便地分析低频率长周期信号,这个优势在数字电路调试中比较突出。

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