光散射法揚塵監(jiān)測儀關(guān)鍵設(shè)計與數(shù)據(jù)分析

文/童軍華 潘煥雙 化利東（安徽藍(lán)盾光電子股份有限公司）

環(huán)境空氣顆粒物的監(jiān)測方法有多種，目前國內(nèi)外主流的監(jiān)測方法主要有β 射線法、振蕩天平法（重量法）和光散射法。β 射線法儀器測量精度較高，運行及維護(hù)成本低，缺點是測量周期長，一般每小時出一組數(shù)據(jù)，儀器成本較高。振蕩天平法儀器測量精度較高，能實時顯示數(shù)據(jù)并根據(jù)需要的時間出數(shù)據(jù)，缺點是儀器成本高，要得出更精確的測量數(shù)據(jù)需要配置膜動態(tài)測量系統(tǒng)（FDMS）對數(shù)據(jù)進(jìn)行補償，而該套系統(tǒng)成本高，操作難度較大，運行及維護(hù)成本都高?？紤]綜合成本等因素，前兩種方法不適合城市、工業(yè)園區(qū)等大空間范圍高密度網(wǎng)格化環(huán)境空氣顆粒物的監(jiān)測需求。光散射法揚塵監(jiān)測儀采用常規(guī)的半導(dǎo)體激光器、光電探測器、電子元器件及光學(xué)器件，制造成本低，時間分辨率高，體積小，能實時顯示測量數(shù)據(jù)，適合于更精細(xì)化的網(wǎng)格布點監(jiān)測，也可用于環(huán)境車上進(jìn)行流動監(jiān)測。但該儀器的缺點是，如果沒有考慮環(huán)境濕度對測量結(jié)果的影響，則其測量精度及穩(wěn)定性都不理想。本文主要是針對光散射法揚塵監(jiān)測儀采樣氣路、溫濕度控制、零點校準(zhǔn)及氣體反吹進(jìn)行關(guān)鍵設(shè)計，以應(yīng)對環(huán)境濕度對測量結(jié)果的影響，提高儀器的監(jiān)測精度及穩(wěn)定性，并對關(guān)鍵設(shè)計前后的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。

一、光散射法顆粒物測量基本原理

基于光散射的粒子測量方法是以光的散射理論為基礎(chǔ)的顆粒物測量方法，是目前應(yīng)用最為廣泛的顆粒物測量方法之一。光散射揚塵監(jiān)測儀采用前向散射法，根據(jù)不同濃度顆粒物近前向散射光特性，在入射光不變的情況下，近前向散射的光強度與顆粒物質(zhì)量濃度成正比。具體地，當(dāng)一束光通過氣溶膠，其光強因氣溶膠中顆粒物對光的吸收和散射作用而減弱，通過測定參比光強和光束經(jīng)過氣溶膠后的光強來測定氣溶膠中顆粒物的濃度。

光散射法揚塵測量系統(tǒng)原理如圖1 所示，一束穩(wěn)定的激光經(jīng)準(zhǔn)直鏡至空氣流照射到顆粒物群上，一方面垂直穿透空氣流及匯聚鏡的入射光到達(dá)光陷阱被吸收，另一方面入射光在顆粒群處發(fā)生前向散射，再通過小孔光闌射向匯聚鏡聚焦于光電探測器上，通過將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，利用基于米氏（MIE)理論的算法，得到該顆粒物群的質(zhì)量濃度。

圖1 光散射法揚塵測量基本原理簡圖

二、光散射揚塵監(jiān)測儀關(guān)鍵設(shè)計

由于環(huán)境空氣中顆粒物濃度深受環(huán)境濕度、溫度等的影響，光電探測器對前向散射光強度的探測也受光學(xué)透鏡潔凈度的影響，正確對儀器的本底測量或零點校準(zhǔn)也至關(guān)重要。因此，僅根據(jù)圖1 中的方法直接搭建的監(jiān)測設(shè)備不能用于對實際環(huán)境中的顆粒物進(jìn)行準(zhǔn)確測量與環(huán)境評估。為解決這些問題，本文對光散射揚塵監(jiān)測儀作了關(guān)鍵設(shè)計。

1.溫濕度動態(tài)控制系統(tǒng)設(shè)計

環(huán)境空氣中的濕度對光散射揚塵儀測量精度影響非常嚴(yán)重。水氣在顆粒物表面凝結(jié)，導(dǎo)致顆粒物尺寸、形狀及折射率發(fā)生改變。一方面影響切割器對顆粒物的切割效率，另一方面折射率及散射率的變化使光電探測器探測到的光強也發(fā)生改變。給被測顆粒物加熱能改變其水分含量。所以，在基本設(shè)計的基礎(chǔ)上增加溫濕度動態(tài)控制系統(tǒng)（DHS）,可以消除環(huán)境空氣濕度大對顆粒物（揚塵、PM10、PM2.5）的測量影響。即在切割器與光學(xué)氣室之間的采樣輸送管上增加一個加熱裝置、一個溫度傳感器、一個濕度傳感器、一塊控制電路板及其控制軟件等組成的溫濕度動態(tài)控制系統(tǒng)。監(jiān)測儀在采樣過程中，當(dāng)濕度傳感器感知到其濕度大于等于某值時，DHS 給出指令，加熱器開始加熱。濕度越大，加熱功率越大。隨著濕度的降低，加熱功率也隨之降低，直到濕度小于某值時，DHS 發(fā)出指令停止加熱。該系統(tǒng)所發(fā)出的啟動與停止加熱的濕度值與不同的區(qū)域、不同的季節(jié)及儀器本身的特性有關(guān)，此值可以在測量現(xiàn)場設(shè)定。

2.零點校準(zhǔn)及光學(xué)氣室清潔設(shè)計

與大多數(shù)計量儀器一樣，零點校準(zhǔn)是必要的。采用何種方式采樣以方便自動進(jìn)行零點校準(zhǔn)非常重要。經(jīng)過多種方案的對比，最終選定了一個比較滿意的方案。在切割器與光學(xué)氣室之間的采樣管上增加一個兩位三通電磁閥及其控制軟件，并在電磁閥一出口氣路上增加一顆粒物過濾器。需要測量時，控制軟件將儀器切換至測量模式，在氣泵的作用下其空氣路徑為：空氣→切割器→采樣管（含DHS）→電磁閥→光學(xué)氣室→氣泵→排出，完成顆粒物濃度的測量。需要進(jìn)行零點校準(zhǔn)時，控制軟件將儀器切換至校準(zhǔn)模式，其空氣路徑變?yōu)椋嚎諝狻?zhǔn)管→顆粒物過濾器→電磁閥→光學(xué)氣室→氣泵→排出，這樣就完成了零點校準(zhǔn)。

在正常測量期間，空氣中的PM2.5、PM10、揚塵等顆粒物會對光學(xué)氣室里的光學(xué)鏡片產(chǎn)生污染，影響測量結(jié)果。為了消除影響，必須定期清理光學(xué)氣室里的氣路及鏡片污染。如前所述，在零點校準(zhǔn)模式下，進(jìn)入光學(xué)氣室的空氣是經(jīng)過過濾的、接近潔凈的空氣，可以用來對鏡片進(jìn)行反吹，能起到清潔鏡片的作用，儀器的此種狀態(tài)稱為反吹模式。

測量模式、校準(zhǔn)模式及反吹模式切換時間可在控制軟件中設(shè)置好，以完成自動切換。同時，在操作界面上也設(shè)置了手動按鈕，需要時可進(jìn)行手動切換。關(guān)鍵設(shè)計后的光散射揚塵監(jiān)測儀流程如圖2 所示。

圖2 光散射揚塵監(jiān)測儀流程圖

三、測試過程及數(shù)據(jù)分析

將關(guān)鍵設(shè)計前后的兩款光散射揚塵監(jiān)測儀用于現(xiàn)場進(jìn)行比對測試，測試點選在安徽某市顆粒物監(jiān)測國控點，國控點安裝的是PM2.5 和PM10 監(jiān)測儀?，F(xiàn)場分別用兩款揚塵監(jiān)測儀對PM2.5 和PM10 進(jìn)行測量，時間為1 個月。為簡便起見，本文只截取了各10 天的PM10 數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比。

1.關(guān)鍵設(shè)計前測量數(shù)據(jù)比較

2020 年6 月，將關(guān)鍵設(shè)計前的揚塵監(jiān)測儀安裝在安徽某市國控點附近進(jìn)行測試，將測得的1 個月數(shù)據(jù)與國控站點同期數(shù)據(jù)進(jìn)行一一比對，發(fā)現(xiàn)兩者PM10 和PM2.5 的數(shù)據(jù)趨勢未能很好吻合，圖3 是截取10 天的PM10 數(shù)據(jù)趨勢圖。

圖3 關(guān)鍵設(shè)計前光散射揚塵監(jiān)測儀與國控點測量數(shù)據(jù)對比圖

2.關(guān)鍵設(shè)計后測量數(shù)據(jù)比較

2020 年7 月，將優(yōu)化后儀器投放到同一點位，并進(jìn)行了為期1 個月的PM2.5 及PM10 測量，將其與國控點的測量設(shè)備的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，兩者的測量數(shù)據(jù)非常吻合，圖4 為截取前10 天的PM10 數(shù)據(jù)趨勢圖。

圖4 關(guān)鍵設(shè)計后光散射揚塵監(jiān)測儀與國控點測量數(shù)據(jù)對比圖

3.關(guān)鍵設(shè)計前后的比較分析

關(guān)鍵設(shè)計之前光散揚塵監(jiān)測儀設(shè)備顆粒物監(jiān)測數(shù)值波動較大，光散射揚塵儀與國控點β 射線監(jiān)測儀測量的顆粒物濃度差異較大，尤其在高濃度值狀態(tài)下，光散射揚塵儀監(jiān)測數(shù)據(jù)遠(yuǎn)低于β 射線法，無法跟隨，數(shù)據(jù)趨勢不佳。進(jìn)行關(guān)鍵設(shè)計之后，對比同一站點監(jiān)測數(shù)據(jù)，光散射揚塵儀監(jiān)測數(shù)據(jù)顆粒物數(shù)據(jù)與國控站點的β 射線法數(shù)據(jù)對比擬合度非常高，PM10 和PM2.5 測量數(shù)據(jù)趨勢一致性都很好。

四、結(jié)語

通過對光散射揚塵監(jiān)測儀關(guān)鍵設(shè)計及對外場實驗測試的數(shù)據(jù)分析，可以得出以下結(jié)論：進(jìn)行關(guān)鍵設(shè)計之前，光散射揚塵儀監(jiān)測量的顆粒物數(shù)據(jù)易受到周邊環(huán)境的影響，測量數(shù)據(jù)的波動性較大，采樣的空氣中不同的濕度差異對設(shè)備最終測量造成影響。其原因是環(huán)境空氣顆粒物高濃度時，光散射揚塵儀與β 射線法監(jiān)測儀測量誤差較大，數(shù)據(jù)趨勢無法跟上，尤其是對于大顆粒物PM10。這是因為，環(huán)境空氣中顆粒物濃度較高時，受空氣濕度影響，整個光學(xué)氣室內(nèi)氣路易堵塞，光學(xué)鏡片易污染，水分參與了計量，本底測量不準(zhǔn)確。進(jìn)行關(guān)鍵設(shè)計之后，對光散射揚塵監(jiān)測儀室增加溫濕度動態(tài)控制系統(tǒng)（DHS）使待測量的顆粒物濕度得到改善，增加了零點校準(zhǔn)模式使本底測量更加準(zhǔn)確，反吹也使光學(xué)氣室得到清潔，提高了監(jiān)測數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性。