高準(zhǔn)確度光散射法細(xì)顆粒物監(jiān)測儀的研制

余來華，劉俊杰，韓曉霞，郭皓天，肖 驥，黃志煌

(1.太原理工大學(xué)電氣與動力工程學(xué)院，山西太原 030024；2.中國計(jì)量科學(xué)研究院顆粒計(jì)量室，北京 100029； 3.福建省計(jì)量科學(xué)研究院，福建福州 350003)

0 引言

空氣中的細(xì)顆粒物(PM2.5)污染逐漸受到重視，成為日常環(huán)境監(jiān)測的重要參數(shù)之一?；窘ǔ梢晕⒘空袷幪炱椒?TEOM法)、β射線吸收法為依托的顆粒物監(jiān)測體系[1]。為保證監(jiān)測結(jié)果的可靠性，建立了以濾膜稱重法為源頭的顆粒物測量溯源和標(biāo)準(zhǔn)傳遞體系。然而，這些監(jiān)測方法的高成本、高運(yùn)維工作量、低時間分辨力等缺點(diǎn)[2]，導(dǎo)致監(jiān)測點(diǎn)位數(shù)量受到限制，從而造成監(jiān)測覆蓋范圍有限，監(jiān)測數(shù)據(jù)不能實(shí)時準(zhǔn)確完整反映出監(jiān)控區(qū)域的空氣質(zhì)量整體狀況和變化趨勢。

鑒于上述原因，近年來提出了高密度的環(huán)境空氣質(zhì)量網(wǎng)格化監(jiān)測系統(tǒng)，通過使用低成本、高時間分辨力的基于光散射原理的PM2.5監(jiān)測儀作為網(wǎng)格監(jiān)測點(diǎn)儀器，構(gòu)建高密度的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)對監(jiān)控區(qū)域內(nèi)空氣質(zhì)量整體狀況和變化趨勢的實(shí)時監(jiān)控。光散射PM2.5監(jiān)測儀的測量結(jié)果很難與參考方法(濾膜稱重法)及標(biāo)準(zhǔn)方法(β射線吸收法和TEOM法)的結(jié)果實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一，示值誤差有時達(dá)到100%甚至更高，無法提供科學(xué)準(zhǔn)確的測量數(shù)據(jù)[3]。

針對環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測的重大需求，本文以光散射PM2.5監(jiān)測儀準(zhǔn)確測量為問題導(dǎo)向，開展了SPLSPM監(jiān)測儀的研制，通過散射結(jié)構(gòu)優(yōu)化、原始信號校準(zhǔn)、PN-PM轉(zhuǎn)換等關(guān)鍵技術(shù)研究，提升儀器的測量準(zhǔn)確性和適用性，與此同時為驗(yàn)證儀器測量結(jié)果，與參考方法或標(biāo)準(zhǔn)方法開展了比對測試。

1 光散射法PM2.5監(jiān)測儀的原理及設(shè)計(jì)

1.1 測量原理及理論基礎(chǔ)

以光散射法為原理測量顆粒物質(zhì)量濃度的方法主要有兩類，即光度計(jì)法和單顆粒計(jì)數(shù)法。在光度計(jì)法中，當(dāng)顆粒物的相關(guān)參數(shù)恒定時，散射光強(qiáng)度與其質(zhì)量濃度成正比，因此可通過測量顆粒群在不同空間角度處的散射光通量和校準(zhǔn)轉(zhuǎn)化因子來計(jì)算得到顆粒物質(zhì)量濃度。該方法雖然可以對某些特定場合內(nèi)的PM2.5實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測量且在大量程范圍內(nèi)具有很好的測量線性，但是當(dāng)監(jiān)測環(huán)境中的顆粒物特性與校準(zhǔn)用顆粒物差別較大時，其讀數(shù)并不能反映監(jiān)測環(huán)境中的顆粒物真實(shí)質(zhì)量濃度，因此需要用與監(jiān)測環(huán)境中顆粒物具有相似特性的顆粒物對儀器重新校準(zhǔn)，確定其轉(zhuǎn)化因子[4]。此外，光度計(jì)法不具備粒徑識別能力，在采樣中需使用切割裝置去除樣品中粒徑大于2.5 μm的顆粒物。單顆粒光散射法又稱為光學(xué)粒子計(jì)數(shù)器(optical particle counter，OPC)法，與光度計(jì)法不同，該方法可使被測顆粒物逐個通過激光光敏區(qū)并產(chǎn)生與單個顆粒相對應(yīng)的散射脈沖信號，每個脈沖信號的大小與顆粒粒徑相對應(yīng)，而脈沖個數(shù)則與顆粒數(shù)量相對應(yīng)[5-6]。因此若脈沖電壓和顆粒物粒徑的校準(zhǔn)曲線已知，則可通過對顆粒物光散射脈沖信號的測量獲得不同粒徑段的PN值，之后再通過PN-PM質(zhì)量濃度轉(zhuǎn)化算法，計(jì)算得到顆粒物的質(zhì)量濃度。與光度計(jì)法相比，單顆粒光散射法具有較高的粒徑分辨能力、無需用切割裝置、可同時輸出PM1、PM2.5、PM10等不同粒徑段內(nèi)的顆粒物質(zhì)量濃度等優(yōu)點(diǎn)，因此本文選擇單顆粒光散射法來進(jìn)行儀器的研制并重點(diǎn)討論儀器的測量原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。

Mie散射是單顆粒光散射法測量顆粒質(zhì)量濃度的理論依據(jù)，其散射示意圖和散射光強(qiáng)度分別如圖1和式1所示，圖1中P為觀察點(diǎn)。

圖1 球形顆粒Mie散射示意圖

(1)

式中：IS為顆粒總散射光強(qiáng)；nr為折射率；D為顆粒粒徑，m；λ為激光波長，nm；I0為激光光強(qiáng)，cd；i1(θ)和i2(θ)為垂直和水平分量的散射光強(qiáng)度函數(shù)[7]；r為散射點(diǎn)與觀察點(diǎn)P的距離，mm；θ為散射角，°；φ為方位角，(°)。

基于光散射原理的顆粒測量技術(shù)以顆粒的某個(或某幾個)方向上的光散射信號作為粒徑測量依據(jù)，顆粒在某一立體角內(nèi)的散射光通量為測量信號。顆粒的散射光通量是指單位時間內(nèi)某個立體角內(nèi)收集的顆粒散射光能量。對于顆粒散射光通量的計(jì)算，式(1)為其計(jì)算提供了理論基礎(chǔ)。

一般情況下，光學(xué)傳感器的散射光收集系統(tǒng)主要有近前向散射光收集系統(tǒng)和直角方向散射光收集系統(tǒng)兩種形式。近前向散射光收集系統(tǒng)的響應(yīng)受粒子折射率影響較小但隨粒徑尺寸的變化存在著多值響應(yīng),其單調(diào)性差。直角方向散射光收集系統(tǒng)的響應(yīng)單調(diào)性較好,但受粒子折射率的影響較大。但是，直角方向收集形式可以很好地阻止來自照明系統(tǒng)的雜散光,獲得較高的信噪比,因此本文采用的是直角方向散射光收集系統(tǒng)。直角方向散射光收集系統(tǒng)的散射光通量示意圖如圖2所示，散射光通量可用式(2)表示[8-9]。

圖2 直角方向散射光通量示意圖

(2)

式中：F為直角方向的散射光通量，lm；θ1和θ2為對應(yīng)的散射角范圍，(°)；φ1和φ2為方位角范圍，(°)；φ0為過球冠中心散射面的方位角，(°)。

根據(jù)研究可知，當(dāng)被測顆粒的折射率一定，且儀器的散射角范圍和方位角范圍固定時，球形顆粒的散射光通量近似與顆粒粒徑的平方成線性關(guān)系[10]。由于光電探測器的輸出電壓與顆粒散射光通量成正比，因此光電探測器輸出的電壓與顆粒粒徑的平方同樣滿足線性關(guān)系，如式(3)所示：

u=cD2+d

(3)

式中：u為光電探測器輸出的電壓，V；D為顆粒粒徑，m；c、d均為常數(shù)。

單個球形顆粒物的質(zhì)量如式(4)所示[11]：

(4)

式中：m為單個球形顆粒物質(zhì)量，μg；ρ為球形顆粒物的密度，μg/m3。

將式(3)帶入式(4)可得式(5)：

(5)

因此，若密度和粒徑均相同的的球形顆粒物組成的顆粒群的體積和顆粒數(shù)量已知，則結(jié)合式(5)可計(jì)算得到對應(yīng)的質(zhì)量及質(zhì)量濃度分別如式(6)和式(7)所示：

(6)

式中：M為球形顆粒群的總質(zhì)量，μg；N為球形顆粒物的數(shù)量。

(7)

式中：V為球形顆粒群的體積，m3；C為球形顆粒物組成顆粒群的質(zhì)量濃度，μg/m3。

為便于表述質(zhì)量濃度C與相關(guān)變量的關(guān)系，將式(7)中的常量合并為一個常量K，如式(8)所示：

(8)

合并常量后的質(zhì)量濃度C的表達(dá)式如式(9)所示：

(9)

由式(9)可知，對于某一儀器，由密度、粒徑均相同的球形顆粒物組成的顆粒群的質(zhì)量濃度C與單位體積內(nèi)的粒子數(shù)和粒徑對應(yīng)電壓成正比關(guān)系。因此為實(shí)現(xiàn)顆粒物質(zhì)量濃度的準(zhǔn)確測量，需建立電壓u-粒徑D的校準(zhǔn)曲線和校準(zhǔn)不同粒徑段內(nèi)的顆粒計(jì)數(shù)效率，從而對顆粒數(shù)量N進(jìn)行修正。

1.2 儀器設(shè)計(jì)及工作原理

根據(jù)上述推導(dǎo)，本文設(shè)計(jì)了SPLSPM，主要由光散射系統(tǒng)、信號處理系統(tǒng)和PN-PM轉(zhuǎn)換系統(tǒng)三大部分組成。如圖3所示，含有懸浮顆粒物的樣品被氣泵抽入采樣口并通過光敏區(qū)后，激光光源發(fā)出的光照射到懸浮顆粒上發(fā)生散射，散射光再通過球面鏡匯聚到光電探測器上，光電探測器將接收的光信號轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號[12]。信號處理系統(tǒng)將接收到的電信號經(jīng)緩沖和放大后，通過與比較器內(nèi)設(shè)定的參考電壓的比對，來確定顆粒所屬粒徑段并產(chǎn)生和輸出相應(yīng)的電壓脈沖。PN-PM轉(zhuǎn)換系統(tǒng)通過系統(tǒng)內(nèi)預(yù)置的PN-PM轉(zhuǎn)換算法計(jì)算各個粒徑段的質(zhì)量濃度并對其求和，最后將結(jié)果顯示在LCD屏上。

圖3 SPLSPM原理圖

光散射系統(tǒng)是監(jiān)測儀的核心部件之一，其性能越好，輸出的信噪比和儀器的靈敏度越高。對于此系統(tǒng)，一方面要高效率收集顆粒的散射光信號，另一方面也要盡量抑制光噪聲的產(chǎn)生[13]。所設(shè)計(jì)的傳感器結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要由準(zhǔn)直激光源、球面反射鏡、光電探測器等組成[14-15]。準(zhǔn)直激光源波長為780 nm，發(fā)射的激光經(jīng)準(zhǔn)直透鏡、柱透鏡和窄縫后在氣體流動區(qū)域產(chǎn)生的光斑直徑約為1.2 mm。球面鏡直徑約為26 mm，可收集40°～140°范圍的散射光，光電探測器可將接收的光信號轉(zhuǎn)換成電壓脈沖信號。被測氣溶膠的設(shè)定流量為1 L/min，在激光光照區(qū)的氣流直徑不超過1 mm。該系統(tǒng)在0.3～2.5 μm范圍內(nèi)可對流量為1 L/min的氣溶膠樣品產(chǎn)生信噪比高的散射信號。

圖4 傳感器結(jié)構(gòu)

儀器內(nèi)設(shè)了11個粒徑通道(分別為0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.5、2.0、2.5 μm)，從而可在0.3～2.5 μm范圍內(nèi)對氣溶膠中的顆粒物樣品粒徑進(jìn)行準(zhǔn)確識別和計(jì)數(shù)，從而確定每個粒徑段內(nèi)的顆粒數(shù)量，保證細(xì)顆粒物質(zhì)量濃度的測量準(zhǔn)確性。為實(shí)現(xiàn)該功能，儀器信號處理系統(tǒng)中采用傳統(tǒng)的比較電路實(shí)現(xiàn)對通道的準(zhǔn)確劃分和顆粒識別。為保證每個粒徑段內(nèi)顆粒數(shù)量測量結(jié)果的可靠性，采用半計(jì)數(shù)法建立電壓-粒徑校準(zhǔn)曲線，并采用與標(biāo)準(zhǔn)儀器比對技術(shù)對其量程范圍的顆粒計(jì)數(shù)效率進(jìn)行評價。

為了能實(shí)時準(zhǔn)確測量PM2.5的質(zhì)量濃度，本文提出了一種新的PN-PM質(zhì)量濃度轉(zhuǎn)化算法，其基礎(chǔ)理論轉(zhuǎn)化公式推導(dǎo)如式(3)～式(9)所示。式(9)在密度、粒徑均相同的顆粒組成顆粒群的情況下成立，但在實(shí)際測量中顆粒的粒徑不可能完全相同，因此為了使式(9)成立，可采用等效的方法將儀器內(nèi)設(shè)的11個粒徑通道中的兩兩相鄰粒徑通道劃分為一個粒徑段并將粒徑段內(nèi)的顆粒等效為粒徑相同的顆粒。例如，將粒徑通道Dn-1和粒徑通道Dn之間作為一個粒徑段，然后取此粒徑段的平均粒徑作為所有顆粒的粒徑。由于光散射信號受顆粒的體積和表面積影響較大[16-17],因此在Dn-1～Dn這一粒徑段內(nèi)選擇體積表面積平均粒徑D32作為粒徑段Dn-1～Dn的平均粒徑，如式(10)所示：

(10)

式中：Nn-1為此粒徑段內(nèi)的顆粒個數(shù)。

求得平均粒徑后，通過實(shí)驗(yàn)確定粒徑為Dn-1和Dn的顆粒分別對應(yīng)的電壓un-1和un，并結(jié)合式(3)，將式(10)轉(zhuǎn)化為式(11)：

(11)

粒徑段Dn-1～Dn內(nèi)顆粒的個數(shù)Nn-1在通過實(shí)驗(yàn)確定粒徑Dn-1和Dn對應(yīng)的電壓un-1和un后可通過硬件實(shí)際測得，顆粒個數(shù)Nn-1等于脈沖幅度介于un-1和un之間的脈沖的個數(shù)。設(shè)粒徑段Dn-1～Dn對應(yīng)的顆粒質(zhì)量為Mn-1，顆粒物密度ρ值根據(jù)0.3～0.5 μm、0.5～0.8 μm、0.8～1.0 μm、1.0～1.5 μm、1.5 ～2.0 μm、2.0～2.5 μm不同粒徑段中主導(dǎo)顆粒物的密度選取，基于上述設(shè)計(jì)和計(jì)算并結(jié)合式(6)可知粒徑段Dn-1～Dn的顆粒質(zhì)量為：

(12)

式中Mn-1為粒徑段Dn-1～Dn對應(yīng)的顆粒質(zhì)量，μg。

由于儀器內(nèi)設(shè)了0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.5、2.0、2.5 μm共11個粒徑通道，所以共有10個粒徑段，設(shè)各粒徑段對應(yīng)的顆粒質(zhì)量分別為M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7、M8、M9、M10。故質(zhì)量濃度C的最終計(jì)算結(jié)果如式13所示：

(13)

2 儀器的校準(zhǔn)

如前所述，為實(shí)現(xiàn)單顆粒光散射法對細(xì)顆粒物質(zhì)量濃度的準(zhǔn)確測量，需建立電壓u-粒徑D的校準(zhǔn)曲線和確定不同粒徑段內(nèi)顆粒計(jì)數(shù)效率的校準(zhǔn)系數(shù)。鑒于上述原因，本文設(shè)計(jì)了相關(guān)校準(zhǔn)裝置和方法開展了電壓-粒徑校準(zhǔn)曲線、不同粒徑段內(nèi)顆粒計(jì)數(shù)效率的校準(zhǔn)研究[18]，為PN-PM的轉(zhuǎn)換提供可靠的原始數(shù)據(jù)。

2.1 校準(zhǔn)裝置的設(shè)計(jì)及研制

半計(jì)數(shù)法是顆粒計(jì)數(shù)器電壓閾值設(shè)定的經(jīng)典方法，采用該方法可建立儀器測量范圍內(nèi)響應(yīng)電壓與粒徑的關(guān)系，從而建立電壓-粒徑的校準(zhǔn)曲線。該方法的理論基礎(chǔ)為：若被測單分散氣溶膠樣品的粒徑呈高斯分布則單位體積內(nèi)大于等于峰值粒徑處的計(jì)數(shù)值Nd應(yīng)為全部計(jì)數(shù)值Nt的一半。

用半計(jì)數(shù)法進(jìn)行顆粒計(jì)數(shù)效率和電壓-粒徑的精確校準(zhǔn)需要在一定區(qū)域內(nèi)發(fā)生濃度均勻、粒徑分布呈高斯分布的氣溶膠作為被測樣品，然后再通過與標(biāo)準(zhǔn)儀器的比較實(shí)現(xiàn)對被測儀器的校準(zhǔn)。因此，獲得濃度均勻、粒徑分布為單分散的氣溶膠樣品是對SPLSPM進(jìn)行電壓-粒徑和計(jì)數(shù)效率校準(zhǔn)的關(guān)鍵。

本文設(shè)計(jì)了如圖5所示的校準(zhǔn)裝置，主要包括射流式霧化氣溶膠發(fā)生器、氣溶膠擴(kuò)散干燥器、X射線中和器、混勻稀釋器、標(biāo)準(zhǔn)塵埃粒子計(jì)數(shù)器等[19-20]。在該校準(zhǔn)裝置中，分散于水中的標(biāo)準(zhǔn)聚苯乙烯膠乳(Polystyrene latex,PSL)粒子小球由霧化裝置霧化，之后通過加熱裝置和擴(kuò)散干燥管后去除顆粒表面及氣溶膠中的水分，并經(jīng)過X射線中和器后產(chǎn)生荷電呈中性的原始?xì)馊苣z樣品。原始?xì)馊苣z樣品與潔凈空氣在垂直放置的混勻管中混合后得到濃度均勻的被測樣品。之后，采用半計(jì)數(shù)法將SPLSPM與標(biāo)準(zhǔn)塵埃光學(xué)粒子計(jì)數(shù)器(R-OPC)進(jìn)行比對，可實(shí)現(xiàn)對SPLSPM電壓-粒徑、顆粒計(jì)數(shù)效率的校準(zhǔn)。所用R-OPC的采樣流量為2.83 L/min，粒徑段在0.3～2.5 μm范圍內(nèi)可調(diào)且最小可調(diào)間隔為0.1 μm，經(jīng)與高等級計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)比對，計(jì)數(shù)效率校準(zhǔn)結(jié)果為100.8%(校準(zhǔn)不確定度為5%,置信因子k=2)。為盡量減少顆粒采樣誤差對校準(zhǔn)結(jié)果的影響，設(shè)計(jì)了采樣入口截面積分別為14.3 cm2和5.1 cm2的等速采樣頭1和等速采樣頭2，分別與R-OPC和SPLSPM入口相連，保證混勻管內(nèi)進(jìn)入R-OPC、進(jìn)入SPLSPM的氣溶膠流速一致[21]。

為保證混勻管出口處氣溶膠濃度的均勻性，采用ANSYS Fluent軟件對兩相流進(jìn)行了模擬[22-24]，并最終確定混勻管的結(jié)構(gòu)參數(shù)和流體參數(shù)。優(yōu)化后的混勻管長及直徑分別為1 500 mm和150 mm。流量為100 L/min的潔凈空氣1從頂端經(jīng)由直徑為8 mm的入口進(jìn)入，而流量為1～3 L/min的PSL氣溶膠顆粒由靠近頂端、在側(cè)壁開口的直徑為8 mm的入口進(jìn)入后會隨著潔凈空氣向下流動。在離頂端約200 mm處有2個內(nèi)徑為8 mm、與混勻管軸線成30°且呈對稱分布的潔凈空氣入口，潔凈空氣以20 L/min的流量由此進(jìn)入后會在其下方產(chǎn)生湍流區(qū)如圖6所示，從而使得氣溶膠樣品與潔凈空氣進(jìn)行充分混合。混合后的樣品在混勻管底部以層流狀態(tài)向下流動，并形成濃度均勻穩(wěn)定的被測樣品。圖7和圖8分別為ANSYS Fluent軟件對0.5 μm和2.5 μm樣品的混勻模擬結(jié)果，可以看到，具有該結(jié)構(gòu)和流體參數(shù)的混勻管可實(shí)現(xiàn)對氣溶膠樣品混勻。為驗(yàn)證以該方案設(shè)計(jì)的混勻管中顆粒的實(shí)際均勻性，分別發(fā)生了標(biāo)稱粒徑為0.5 μm和2.5 μm的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)樣品(GBW12031和GBW13645)，并使用R-OPC在混勻管層流區(qū)的同一水平面上隨機(jī)選取a、b、c、d、e、f、g、h共8個不同位置進(jìn)行測量，結(jié)果見表1。由表1可知，粒徑為0.5 μm和2.5 μm的顆粒在8個不同位置的測量結(jié)果均表現(xiàn)出良好的一致性，與模擬結(jié)果基本相符。

表1 發(fā)生0.5 μm和2.5 μm顆粒時R-OPC的計(jì)數(shù)

圖6 混勻管湍流區(qū)

圖7 0.5 μm樣品的混勻模擬結(jié)果

圖8 2.5 μm樣品的混勻模擬結(jié)果

2.2 校準(zhǔn)結(jié)果

采用上述校準(zhǔn)裝置，對材質(zhì)為聚苯乙烯、標(biāo)稱值為0.3～2.5 μm的13種國家粒度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行霧化，分別產(chǎn)生不同粒徑的單分散氣溶膠樣品。由于發(fā)生系統(tǒng)的氣流流體參數(shù)已固定，通過控制粒度懸浮液的濃度將氣溶膠樣品濃度控制在20 000個/L左右，以兼顧測量重復(fù)性和避免重疊誤差的要求[25]。

校準(zhǔn)結(jié)果參見圖9，在0.3～1.0 μm和1.0～2.5 μm粒徑范圍內(nèi)，粒徑平方-電壓(D2-u)呈現(xiàn)較好的線性(R2分別為0.972 4和0.997 4，接近于1)，與1.1中的理論分析一致。從圖9(a)可得到小于1 μm粒徑段的c=1.049 4、d=0.029 3、K=0.49，從圖9(b)可得到1～2.5 μm粒徑段的c=0.336 3、d=0.815 5、K=2.68?；诖私Y(jié)果，采用內(nèi)插法求得了SPLSPM 11個粒徑通道(分別為0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.5、2.0、2.5 μm)中對應(yīng)的電壓。

(a)0.3～1 μm內(nèi)電壓-粒徑平方的線性擬合

計(jì)數(shù)效率是指儀器測得的顆粒數(shù)量與實(shí)際顆粒數(shù)量之間的比值，由儀器本身的光學(xué)系統(tǒng)、電子系統(tǒng)等決定[26]。本文采用上述校準(zhǔn)裝置分別發(fā)生標(biāo)稱值為0.3、0.4、0.5、1.0、2.5 μm的氣溶膠樣品，并通過與R-OPC的直接比對實(shí)現(xiàn)對SPLSPM顆粒計(jì)數(shù)效率的校準(zhǔn)，結(jié)果見圖10。由圖10可知，儀器在0.3～0.4 μm、0.4～0.5 μm和0.5～2.5 μm粒徑范圍內(nèi)，顆粒計(jì)數(shù)效率分別介于96.8%～98.1%、98.1%～101.0%和101.0%～102.7%之間，并取其各自平均值為97.4%、99.5%、101.8%。基于上述結(jié)果，計(jì)算得到儀器在0.3～0.4 μm、0.4～0.5 μm和0.5～2.5 μm范圍的顆粒數(shù)量測量結(jié)果的修正系數(shù)分別1.03、1.01和0.98。

圖10 SPLSPM計(jì)數(shù)效率

3 測量結(jié)果比較與分析

為驗(yàn)證SPLSPM結(jié)果的可靠性，參照HJ 653—2013環(huán)境空氣顆粒物(PM10和PM2.5)連續(xù)自動監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)要求及檢測方法中的方法[27]，于2021年3月～5月期間，在北京市朝陽區(qū)采用參比方法開展了比對測試。SPLSPM與相距3 m、采樣入口位于同一高度的參比方法(ZR-3930B環(huán)境空氣顆粒物采樣器)同步進(jìn)行采樣，取相同采樣時間段內(nèi)的自動監(jiān)測數(shù)據(jù)和參比方法測試數(shù)據(jù)作為一組數(shù)據(jù)對，共獲得15組，每組樣品對的采樣時間為24 h。為保證參比方法的測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用PM2.5切割頭校準(zhǔn)用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)[28]和校準(zhǔn)裝置[29]對其切割頭進(jìn)行了校準(zhǔn)，切割粒徑和捕集效率的幾何標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為2.52和1.17，滿足HJ 653—2013標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求；在整個比對過程中，采樣流量控制在其標(biāo)稱流量的±3%以內(nèi)。濾膜平衡裝置的溫度和濕度分別控制在(20±0.2)℃和50%±2%范圍內(nèi)。

在比對測試中為消除環(huán)境濕度對測量結(jié)果的影響，在SPLSPM監(jiān)測儀入口處連接了自制的動態(tài)加熱系統(tǒng)，可在相對濕度大于50%時自動開啟加熱功能[30]。比對測試期間，環(huán)境空氣中細(xì)顆粒物質(zhì)量濃度的日均平均值在15～350 μg/m3范圍內(nèi)。比對結(jié)果見圖11。由圖11可知，比對測試線性回歸的斜率、截距和相關(guān)系數(shù)分別為1.04、-1.77和0.9762，符合HJ 653—2013中對細(xì)顆粒物自動監(jiān)測儀的技術(shù)要求。

圖11 SPLSPM與ZR-3930B的比對結(jié)果

與此同時，為驗(yàn)證SPLSPM實(shí)時測量結(jié)果的可靠性，選用與其具有相同原理、粒徑分辨力高(在0.3～2.5 μm范圍內(nèi)具有20個粒徑通道)的EDM180光散射細(xì)顆粒監(jiān)測儀進(jìn)行了22 h的短期連續(xù)比對測量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖12所示。可以看到，在15～350 μg/m3的濃度范圍內(nèi)，SPLSPM測得的每小時平均值呈現(xiàn)與EMD180基本一致的變化趨勢，且絕大多數(shù)結(jié)果的示值誤差在10%以內(nèi)?？烧J(rèn)為SPLSPM基本達(dá)到了預(yù)期要求。

圖12 SPLSPM與EDM180測量結(jié)果的比較

4 結(jié)束語

為實(shí)現(xiàn)光散射技術(shù)對細(xì)顆粒物質(zhì)量濃度的準(zhǔn)確測量，本文首先對測量技術(shù)進(jìn)行了理論推導(dǎo)，之后設(shè)計(jì)了一款基于單顆粒計(jì)數(shù)的細(xì)顆粒物濃度監(jiān)測儀，通過對儀器關(guān)鍵參數(shù)的校準(zhǔn)、PN-PM算法設(shè)計(jì)等研究保證其結(jié)果的高準(zhǔn)確性，通過與標(biāo)準(zhǔn)儀器的比對研究驗(yàn)證該儀器的可靠性。得到如下的結(jié)論：

(1)根據(jù)理論推導(dǎo)，若不考慮顆粒折射率和密度的影響，單顆粒光散射技術(shù)測得的顆粒質(zhì)量濃度C與單位體積內(nèi)的粒子數(shù)和粒徑對應(yīng)電壓成正比關(guān)系。實(shí)驗(yàn)證明，在直角光散射系統(tǒng)中，0.3～1 μm和1～2.5 μm兩個粒徑范圍內(nèi)，球形顆粒的散射光通量近似與顆粒粒徑的平方成線性關(guān)系，與理論分析基本吻合。

(2)采用比較電路可對顆粒散射對應(yīng)電壓進(jìn)行識別，從而在0.3～2.5 μm范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對顆粒粒徑的識別。在所設(shè)計(jì)的SPLSPM中，設(shè)定了11個粒徑通道，以體積表面積平均直徑作為每個粒徑段的平均粒徑，而顆粒物密度值則根據(jù)不同粒徑段中主導(dǎo)顆粒物的密度選取。

(3)采用半計(jì)數(shù)法可實(shí)現(xiàn)對電壓u-粒徑D的校準(zhǔn)。通過ANSYS Fluent軟件模擬，可有效確定混勻管的結(jié)構(gòu)和氣流參數(shù)，為顆粒計(jì)數(shù)效率的校準(zhǔn)提供了保障。

(4)開展自制監(jiān)測儀與參比方法的比對測試，線性回歸的斜率、截距和相關(guān)系數(shù)符合HJ 653—2013中對細(xì)顆粒物自動監(jiān)測儀的技術(shù)要求，從而證明該儀器的高準(zhǔn)確性。通過與國外高精度光散射儀器的比對，兩者結(jié)果呈基本一致的變化趨勢，且結(jié)果的示值誤差在10%以內(nèi)，表明儀器具有很好的時間分辨力。

(5)本文所設(shè)計(jì)的PM2.5質(zhì)量濃度監(jiān)測儀仍然有著極大的發(fā)展空間，特別是檢測精度、檢測速度、穩(wěn)定性方面有待提高。在課題研究和實(shí)驗(yàn)的過程中，有一些問題在未來需要進(jìn)一步解決：首先，算法方面需考慮非球形顆粒的影響；其次，硬件方面的電路結(jié)構(gòu)和傳感器結(jié)構(gòu)需要優(yōu)化設(shè)計(jì)，以消除電路噪聲的影響和光散射收集系統(tǒng)中環(huán)境因素的干擾；再次，要考慮不同地點(diǎn)環(huán)境溫濕度對測量結(jié)果的影響，考慮進(jìn)行溫濕度補(bǔ)償。因此，需要對該課題中上述提到的問題做進(jìn)一步研究，使設(shè)計(jì)的儀器功能更加完善和可靠。