傳感技術(shù)在環(huán)境空氣監(jiān)測中的方法適用性管窺

包天 秦紹科

摘要：本文通過使用三臺不同類型的傳感器空氣監(jiān)測設(shè)備，對城市內(nèi)部空氣環(huán)境的污染物進(jìn)行了測定，主要包含了二氧化氮、二氧化硫、臭氧以及一氧化碳污染氣體含量監(jiān)測，通過一個月的監(jiān)測周期，有效分析了傳感器技術(shù)在環(huán)境空氣測量當(dāng)中的有效操作方式，并且對該技術(shù)在環(huán)境空氣監(jiān)測當(dāng)中的適用性進(jìn)行了深度研究，為我國環(huán)境空氣監(jiān)測工作提供了較高的技術(shù)保障，有效提高了我國環(huán)境空氣監(jiān)測工作開展的整體質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：傳感技術(shù);空氣監(jiān)測;適用性

中圖分類號：X83 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-672X（2019）09-00-02

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2019.09.054

The applicability of sensing technology in environmental air monitoring

Bao Tian， Qin Shaoke

（Hangzhou Yimeiyuan Testing Technology Co.， Ltd.， Hangzhou Zhejiang 310000，China）

Abstract： This paper measures the pollutants in the urban air environment by using three different types of sensor air monitoring equipment， including nitrogen dioxide， sulfur dioxide， ozone and carbon monoxide pollution gas content monitoring， through a one-month monitoring cycle. It effectively analyzes the effective operation mode of sensor technology in ambient air measurement， and conducts in-depth research on the applicability of the technology in environmental air monitoring， which provides a high technical guarantee for Chinas environmental air monitoring work and effectively improves it. The overall quality of environmental air monitoring in China.

Key words： Sensing technology; Air monitoring; Applicability

當(dāng)前我國很多城市當(dāng)中空氣質(zhì)量低下，環(huán)境空氣當(dāng)中存在大量的空氣污染物，主要包含了二氧化硫、臭氧、一氧化氮以及其他顆粒物質(zhì)等，對環(huán)境空氣的質(zhì)量形成了嚴(yán)重的影響。在對環(huán)境空氣進(jìn)行監(jiān)測工作當(dāng)中，通過傳統(tǒng)的測量方式盡管準(zhǔn)確度良好，但是在實(shí)際的操作過程當(dāng)中監(jiān)測儀器的體積較大，同時儀器設(shè)置的點(diǎn)位有著明顯的局限性，不能實(shí)現(xiàn)更加靈活的空氣質(zhì)量監(jiān)測，很難滿足空氣環(huán)境的精細(xì)化工作需求。在最近幾年的發(fā)展過程當(dāng)中，傳感器技術(shù)的快速發(fā)展，為環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測工作建立了全新發(fā)展方向，傳感器技術(shù)在空氣監(jiān)測工作當(dāng)中的有效應(yīng)用，具有操作更加快速、體積更小、便于攜帶，實(shí)現(xiàn)了持續(xù)動態(tài)監(jiān)測以及整體的經(jīng)濟(jì)投入較低等方面優(yōu)勢，在大氣網(wǎng)格監(jiān)測工作和環(huán)境空氣的質(zhì)量監(jiān)測領(lǐng)域當(dāng)中得到了廣泛的運(yùn)用。

1 傳感技術(shù)在環(huán)境空氣監(jiān)測發(fā)展現(xiàn)狀

當(dāng)前我國在傳感器技術(shù)的發(fā)展程度上相比與其他發(fā)達(dá)國家來講，在整體的精度方面相對較低，工作過程當(dāng)中的一致性和穩(wěn)定性不足，同時我國國內(nèi)很少有在環(huán)境監(jiān)測工作當(dāng)中對傳感器技術(shù)加以充分運(yùn)用的實(shí)例和新聞報道，國內(nèi)外針對傳感器在環(huán)境監(jiān)測性能以及影響因素方面的內(nèi)容研究也比較淺顯。傳感器技術(shù)在環(huán)境空氣當(dāng)中的監(jiān)測工作，可以實(shí)現(xiàn)對空氣當(dāng)中的污染氣體以及顆粒物質(zhì)等實(shí)施在線監(jiān)測，本文通過研究環(huán)境空氣監(jiān)測工作當(dāng)中對傳感器技術(shù)的適用性，針對三組不同型號的傳感器工作監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)以一個月為周期的環(huán)境空氣質(zhì)量的監(jiān)測工作，并且對監(jiān)測完成之后的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效對比，對傳感器技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測工作當(dāng)中的適應(yīng)性進(jìn)行了證明。

2 傳感技術(shù)在環(huán)境空氣監(jiān)測實(shí)驗(yàn)分析

選擇市面上某品牌的三種不同類型的傳感器，對空氣當(dāng)中的顆粒物質(zhì)以及氣態(tài)污染物進(jìn)行了一個月的監(jiān)測，分別將三臺設(shè)備記錄監(jiān)測設(shè)定為A、B、C三種。其中對空氣當(dāng)中的固體顆粒物檢測傳感器，為我國國產(chǎn)生產(chǎn)品牌的光散射技術(shù)傳感器，氣體污染物傳感器都采用的是進(jìn)口傳感器監(jiān)測產(chǎn)品。通過電化學(xué)的方法來進(jìn)行檢測，在進(jìn)行正式監(jiān)測工作之前，通過氣體內(nèi)部的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)和氣體混合一致性實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測試，對傳感器組件的優(yōu)化和選擇，在實(shí)際的監(jiān)測工作當(dāng)中，通過組網(wǎng)測試的方式有效驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的有效性。

用作傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)對比的監(jiān)控設(shè)備選擇的是Thermofisher品牌，監(jiān)測工作原理為電化學(xué)發(fā)光法，檢測二氧化碳運(yùn)用脈沖紫外熒光檢測法。通過氣體濾波和紅外吸收的操作方式，實(shí)現(xiàn)了對一氧化氮和一氧化碳等有害物質(zhì)的吸收和監(jiān)測，通過紫外分光法對臭氧含量進(jìn)行監(jiān)測。

針對某城市的空氣環(huán)境進(jìn)行了維持一天的連續(xù)監(jiān)測，使用三臺不同的傳感器進(jìn)行同步操作，保持傳感器進(jìn)氣口部分在同一個高度范圍內(nèi)，和地面之間的距離保持2m。傳感器在監(jiān)測工作當(dāng)中，對時間周期的設(shè)定為一分鐘一次的監(jiān)測頻率，傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)采樣區(qū)間保持一小時為周期?？諝獗O(jiān)測點(diǎn)位于某城市的住宅區(qū)域和辦公區(qū)域，周圍環(huán)境沒有明顯的特殊污染問題，屬于比較典型的環(huán)境監(jiān)測區(qū)域。環(huán)境空氣的監(jiān)測工作當(dāng)中，需要保持環(huán)境濕度在27%～98%之間，平均值為66%，監(jiān)測過程當(dāng)中平均日氣溫為10～12℃。

正式開始監(jiān)測6h之后，對其中所有的氣態(tài)污染物以及傳感器所收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，通過傳感器數(shù)據(jù)的波動狀況，對其中存在不合理或者是異常高出的氣體收集參數(shù)設(shè)定為無效數(shù)據(jù)，將特殊數(shù)據(jù)進(jìn)行舍棄。該研究工作中的主要目的是使用傳感器對空氣監(jiān)測工作當(dāng)中的顆粒物質(zhì)含量進(jìn)行監(jiān)測，不考慮季節(jié)變化對環(huán)境內(nèi)部空氣的影響。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論分析

通過三臺不同類型的傳感器，對空氣當(dāng)中所含有的顆粒物質(zhì)檢測，均保持較高的水準(zhǔn)，其中監(jiān)測的固體顆粒物質(zhì)的含量普遍偏高。傳感器的顆粒測定值相比于我國部分控制點(diǎn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)來講相對較低。相比于國內(nèi)平均控制點(diǎn)8～9μg/mm?，平均值第9～10μg/mm?。通過該項(xiàng)數(shù)據(jù)可以看出，傳感器所測量的固體顆粒含量，精確度還有待提升，其中傳感器的空氣固體顆粒物的測定值和我國監(jiān)控點(diǎn)所得到的數(shù)據(jù)相比更加復(fù)雜，在整體的數(shù)據(jù)分布上比較接近，在測定的百分位數(shù)上基本保持相同，千位數(shù)之上略低于國家平均控制點(diǎn)絕對誤差小于2μg/mm?。對于監(jiān)測數(shù)據(jù)的時間序列進(jìn)行了有效分析，從中可以看出傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)和我國控制點(diǎn)的固體顆粒監(jiān)測數(shù)據(jù)基本上保持一致，其中并沒有存在明顯的不同。

3.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)和時間

在三臺傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)和污染氣體的質(zhì)量濃度關(guān)系，分別為0.999 和 1.000，和我國標(biāo)準(zhǔn)空氣監(jiān)測數(shù)據(jù)相比有著一定的關(guān)聯(lián)，對于傳感器和國內(nèi)環(huán)境空氣控制點(diǎn)的質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行對比和分析，其中系數(shù)濃度分別為0.971和0.902，有效結(jié)合了上述監(jiān)測數(shù)據(jù)的結(jié)果進(jìn)行對比，從中可以看出傳感器在測定值方面和國家標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測數(shù)值上精確度略高。

3.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)相關(guān)性分析

通過傳感器的測定值和國家控制監(jiān)測的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，監(jiān)測數(shù)據(jù)絕對誤差上相對較小，并且測量精度更高。通過科學(xué)的計算可以看出傳感器和國家監(jiān)測控制點(diǎn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，空氣的質(zhì)量濃度平均誤差為-16.0%～-7.3%和-27.8%～-24.5%，其中監(jiān)測工作效果最明顯的傳感器有73%的PM2和52%的PM2.5時，在監(jiān)測空氣數(shù)據(jù)的誤差保持在±30以內(nèi)。

傳感器和國家內(nèi)部監(jiān)測控制點(diǎn)位，在數(shù)據(jù)之間存在的差異性比較明顯。整體上來講傳感器的測定值和國家控制監(jiān)測數(shù)據(jù)之間差異不是非常大，在不同的空氣質(zhì)量濃度曲線當(dāng)中，相對誤差的分布規(guī)律基本保持相同。隨著PM2質(zhì)量濃度的不斷上升，在傳感器和國家監(jiān)控點(diǎn)的監(jiān)測質(zhì)量濃度誤差范圍逐漸縮小，以國家控制監(jiān)測的數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，將PM2.5的質(zhì)量濃度依照每20μg/mm?進(jìn)行一個層次的劃分，有效的計算出傳感器測定值和國家監(jiān)測點(diǎn)之間存在的誤差大小。通過數(shù)據(jù)分析得出傳感器在測定的數(shù)值上，相比于國家控制點(diǎn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)稍微偏低，同時在相對誤差上基本上保持在-50%～0%的范圍之內(nèi)，整體的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出先大后小的態(tài)勢。同時在監(jiān)測數(shù)據(jù)20μg/mm?左右平均誤差最大，同時在41%～81%之間傳感器所監(jiān)測到的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)和國家控制點(diǎn)的空氣監(jiān)測數(shù)據(jù)比稍微偏高，相比誤差值保持在20%的范圍內(nèi)，并且整體的素質(zhì)呈現(xiàn)出下降的態(tài)勢。在80μg/mm?以上的測量樣本上相對較少，同時誤差整體也比較小，尤其是在100μg/mm?附近傳感器的測定和國家監(jiān)控點(diǎn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)基本上保持一致。

4 結(jié)束語

國控點(diǎn)的監(jiān)測儀器和傳感器相比，對氧化碳和二氧化碳監(jiān)測濃度誤差值相對較小，可以充分滿足實(shí)際監(jiān)測工作當(dāng)中的實(shí)際需求，如果二氧化硫的測定值上誤差值相對較大，其中平均的誤差值為56%，最小的誤差值超過12%，氧化碳臭氧以及二氧化碳的測定誤差值基本保持相同，其中90%的一氧化碳在每小時的質(zhì)量濃度監(jiān)測場誤差值保持在30%以內(nèi)，平均監(jiān)測濃度誤差值為17%，90%的臭氧在每小時的質(zhì)量濃度相對誤差值在50%之內(nèi)，平均的誤差值大約為35%。通過對國家控制點(diǎn)和傳感器的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，在監(jiān)測區(qū)域范圍內(nèi)沒有明顯的污染源排放，可以有效證明實(shí)際監(jiān)測工作當(dāng)中主要的誤差值源自監(jiān)測儀器本身。

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收稿日期：2019-04-02

作者簡介：包天（1991-），男，漢族，大專學(xué)歷，研究方向?yàn)榭諝獗O(jiān)測。