微量振蕩天平法確定激光粉塵儀大氣顆粒物轉(zhuǎn)換系數(shù)

簡(jiǎn)亞婷，高 軍，肖衛(wèi)民，賴新忠，高艷玲

微量振蕩天平法確定激光粉塵儀大氣顆粒物轉(zhuǎn)換系數(shù)

*簡(jiǎn)亞婷1，高 軍1，肖衛(wèi)民2，賴新忠2，高艷玲2

(1.同濟(jì)大學(xué)暖通空調(diào)及燃?xì)庋芯克?，上?201804；2.飛利浦（中國(guó)）研究院，上海 200233)

本研究確定了某激光粉塵儀測(cè)試上海市環(huán)境大氣顆粒物（PM10和PM2.5）的質(zhì)量濃度轉(zhuǎn)換系數(shù)K值。利用激光粉塵儀和TEOM RP 1400a型監(jiān)測(cè)儀，同時(shí)對(duì)選定的環(huán)境監(jiān)測(cè)站同一監(jiān)測(cè)點(diǎn)的環(huán)境大氣顆粒物（PM10和PM2.5）進(jìn)行了測(cè)定，得出了該激光粉塵儀測(cè)試上海市環(huán)境大氣顆粒物（PM10和PM2.5）的質(zhì)量濃度轉(zhuǎn)換系數(shù)K值呈基本正態(tài)分布，分別為0.00594和0.00158。

微量振蕩天平法；激光粉塵儀；質(zhì)量濃度轉(zhuǎn)換系數(shù)K值；環(huán)境大氣顆粒物（PM10和PM2.5）

當(dāng)今社會(huì)的霧霾天氣越來(lái)越嚴(yán)重，環(huán)境大氣顆粒物的質(zhì)量濃度引起了人們的廣泛關(guān)注，如果能隨時(shí)隨地知道大氣中PM10及PM2.5的濃度成為越來(lái)越多人們的需求。我國(guó)的環(huán)境監(jiān)測(cè)站多采用振蕩天平法，即TEOM RP 1400a型大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)儀來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境空氣質(zhì)量系數(shù)，因?yàn)樵搩x器精度高、受干擾物和不確定影響因素少，然而振蕩天平法雖然精度高，但其成本高、體積重，不便攜帶。而常用的便攜式粉塵測(cè)定儀-—激光粉塵儀就能解決這些問(wèn)題。利用光散射原理制成的快速測(cè)塵儀具有體積小、重量輕、靈敏性高、操作簡(jiǎn)便、可現(xiàn)場(chǎng)快速直讀的特征，適于實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)[1-4]。但是常用的激光粉塵儀到底多大程度可信，還值得研究，而且該儀器測(cè)得的是相對(duì)質(zhì)量濃度（CPM），需經(jīng)質(zhì)量濃度轉(zhuǎn)換系數(shù)K轉(zhuǎn)換后才能使用，因此質(zhì)量濃度轉(zhuǎn)換系數(shù)K對(duì)使用激光粉塵儀測(cè)量可吸入顆粒物質(zhì)量濃度具有重要的意義?，F(xiàn)有的關(guān)于濃度轉(zhuǎn)換系數(shù)K值的研究多數(shù)采用濾膜稱重法[4-6]已經(jīng)確定了公共場(chǎng)所、鐵路行業(yè)、煤礦行業(yè)、水泥廠等勞動(dòng)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的K值[7-9]。但該方法涉及的實(shí)驗(yàn)儀器繁多、步驟繁瑣、耗時(shí)長(zhǎng)、誤差大，不能快速得出K值。已有研究表明不同地區(qū)的K值也存在差異[7-9]，而目前尚無(wú)應(yīng)用激光粉塵儀測(cè)定上海市大氣環(huán)境顆粒物的濃度轉(zhuǎn)換系數(shù)K值的相關(guān)研究報(bào)道。

為了確定激光粉塵儀測(cè)定環(huán)境大氣顆粒物的準(zhǔn)確度和相應(yīng)的質(zhì)量濃度轉(zhuǎn)換系數(shù)K值，我們選擇了LD-6S型多功能激光粉塵儀作為激光粉塵儀的代表，利用微量振蕩天平法（直接稱量法），針對(duì)由它測(cè)定上海市環(huán)境大氣顆粒物（PM10和PM2.5）的質(zhì)量濃度轉(zhuǎn)換系數(shù)K值進(jìn)行了探討。

1 濃度測(cè)定與K值計(jì)算方法

LD-6S型多功能激光粉塵儀為北京綠林創(chuàng)新數(shù)碼科技有限公司生產(chǎn)的快速測(cè)塵儀，其測(cè)定原理是當(dāng)光照射在空氣中懸浮的粒子上時(shí)，產(chǎn)生光散射，在光學(xué)系統(tǒng)和粉塵性質(zhì)一定的條件下，散射光強(qiáng)度與粉塵濃度成比例。光散射法測(cè)定空氣中的粉塵濃度是通過(guò)測(cè)量散射光強(qiáng)度，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換求得粉塵質(zhì)量濃度的方法[10]。

微量振蕩天平法是美國(guó)R&P公司生產(chǎn)的TEOM RP 1400a環(huán)境大氣顆粒物監(jiān)測(cè)，它的原理是在質(zhì)量傳感器內(nèi)使用一個(gè)振蕩空心錐形管，在其振蕩端安裝可更換的濾膜，振蕩頻率取決于錐形管特征和其質(zhì)量。當(dāng)采樣氣流通過(guò)濾膜時(shí)，其中的顆粒物沉積在濾膜上，濾膜的質(zhì)量變化導(dǎo)致振蕩頻率的變化，通過(guò)振蕩頻率變化計(jì)算出沉積在濾膜上顆粒物的質(zhì)量，再根據(jù)流量、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度和氣壓計(jì)算出該時(shí)段顆粒物標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量濃度。因此，可以認(rèn)為微量振蕩天平法是一種直接質(zhì)量測(cè)量法——稱量法，其測(cè)量的準(zhǔn)確性基本取決于采樣流量[10]，這保證了微量振蕩天平法監(jiān)測(cè)儀的精確性。

微量振蕩天平法是分別同時(shí)利用激光粉塵儀和振蕩天平測(cè)定同一監(jiān)測(cè)點(diǎn)的大氣顆粒物中PM10和PM2.5的濃度值，并得到相對(duì)質(zhì)量濃度值R和質(zhì)量濃度值C，再利用公式（1）分別求得PM10和PM2.5的質(zhì)量濃度轉(zhuǎn)換系數(shù)K值。

質(zhì)量濃度轉(zhuǎn)換系數(shù)K值的計(jì)算公式：

(1)

式中：K：質(zhì)量濃度轉(zhuǎn)換系數(shù)，mg/（m3x CPM）；

C：由TEOM RP 1400a 環(huán)境大氣顆粒物監(jiān)測(cè)儀測(cè)出的環(huán)境大氣顆粒物（PM10或PM2.5的質(zhì)量濃度，mg/m3；

R：由LD-6S型多功能激光粉塵儀測(cè)出的環(huán)境大氣顆粒物（PM10或PM2.5）的相對(duì)質(zhì)量濃度，CPM。

2 測(cè)定對(duì)象與實(shí)驗(yàn)方法

以上海市楊浦區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)站內(nèi)設(shè)置的空氣質(zhì)量自動(dòng)連續(xù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)為測(cè)定對(duì)象，該站位于住宅和文教區(qū)，測(cè)量點(diǎn)100 m范圍內(nèi)主要是居民住宅小區(qū)，100~500 m范圍內(nèi)主要有學(xué)校、公園、體育館和居民住宅小區(qū)，無(wú)高大建筑物和主要交通要道。同時(shí)我們用激光粉塵儀和監(jiān)測(cè)站內(nèi)的環(huán)境大氣顆粒物監(jiān)測(cè)儀這兩臺(tái)儀器測(cè)定環(huán)境大氣顆粒物PM10和PM2.5的濃度。

為保證實(shí)驗(yàn)的質(zhì)量，在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量之前，分別對(duì)激光粉塵儀進(jìn)行了流量、濃度、時(shí)間的校準(zhǔn)；對(duì)環(huán)境大氣顆粒物監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行了流量、溫度、氣壓和質(zhì)量傳感器的校準(zhǔn)。兩臺(tái)測(cè)試儀器的型號(hào)和生產(chǎn)廠家分別為：LD-6S型多功能激光粉塵儀，北京綠林創(chuàng)新數(shù)碼科技有限公司生產(chǎn)，儀器編號(hào)：9001075H； TEOM RP 1400a 環(huán)境大氣顆粒物監(jiān)測(cè)儀：美國(guó)R＆P公司生產(chǎn)。

為防止兩臺(tái)儀器的采樣口互相干擾對(duì)顆粒物樣品的采集，將激光粉塵儀放置在距監(jiān)測(cè)站監(jiān)測(cè)點(diǎn)平行相距約1 m處，兩儀器采樣口平行放置，距地面高度約為13 m，周圍無(wú)建筑物墻壁。設(shè)置激光粉塵儀與環(huán)境大氣顆粒物監(jiān)測(cè)儀整點(diǎn)同步采樣，每分鐘采樣1次，各采樣6 h，對(duì)PM10和PM2.5分別各采樣1天。采樣時(shí)注意更換LD-6S型多功能激光粉塵儀的PM10與PM2.5切割頭。

3 測(cè)定結(jié)果

3.1 異常值的剔除

本研究主要利用箱形圖法來(lái)剔除試驗(yàn)異常值。箱形圖主要包含五個(gè)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，將一組數(shù)據(jù)從大到小排列，分別計(jì)算出它的上邊緣，上四分位數(shù)Q1，中位數(shù)，下四分位數(shù)Q3，下邊緣。箱形圖識(shí)別異常值的標(biāo)準(zhǔn)是：異常值被定義為小于Q1-1.5IQR或大于Q3 + 1.5IQR的值，其中IQR為四分位間距，IQR = Q3 - Q1。具體畫法是在Q3 + 1.5IQR和Q1-1.5IQR處畫兩條與中位線一樣的線段，這兩條線段為異常值截?cái)帱c(diǎn)，稱其為內(nèi)限；在Q3 + 3IQR和Q1 - 3IQR處畫兩條線段，稱其為外限。處于內(nèi)限以外位置的點(diǎn)表示的數(shù)據(jù)都是異常值，其中在內(nèi)限與外限之間的異常值為溫和的異常值，用“〇”標(biāo)出；在外限以外的為極端的異常值，用“*”標(biāo)出。

利用SPSS軟件繪制箱形圖剔除異常值，得出以下結(jié)果。如圖1所示，TEOM監(jiān)測(cè)儀測(cè)量PM10得到的360個(gè)數(shù)據(jù)中，有7個(gè)異常值，分別是第30、35、36、37、133、134、135等7個(gè)點(diǎn)，其中第133、134、135三個(gè)異常值偏大，第30、35、36、37四個(gè)異常值偏小，應(yīng)予以剔除，保留其余353個(gè)有效值。如圖2、圖3、圖4所示，圖中無(wú)異常值，所測(cè)數(shù)據(jù)皆為有效值。但因?yàn)橛?jì)算K值需要成對(duì)數(shù)據(jù)，因此只保留激光粉塵儀測(cè)定PM10的353個(gè)數(shù)據(jù)，剔除與圖1對(duì)應(yīng)的激光粉塵儀測(cè)量值。PM2.5所測(cè)得的兩組數(shù)據(jù)因無(wú)異常值出現(xiàn)，保留有效數(shù)據(jù)360個(gè)。

本次試驗(yàn)測(cè)定場(chǎng)所的相對(duì)濕度范圍為40%~60%，共獲得激光粉塵儀測(cè)量的PM10和PM2.5的質(zhì)量濃度C數(shù)據(jù)各360個(gè)，其中保留PM10有效數(shù)據(jù)353個(gè)，PM2.5有效數(shù)據(jù)360個(gè)；TEOM監(jiān)測(cè)儀測(cè)量的PM10和PM2.5的相對(duì)質(zhì)量濃度值R各360個(gè)，其中保留PM10有效數(shù)據(jù)353個(gè)，PM2.5有效數(shù)據(jù)360個(gè)。

圖1 TEOM監(jiān)測(cè)儀測(cè)量PM10試驗(yàn)數(shù)據(jù)箱形圖

圖2 激光粉塵儀測(cè)量PM10試驗(yàn)數(shù)據(jù)箱形圖

圖3 TEOM監(jiān)測(cè)儀測(cè)量PM2.5試驗(yàn)數(shù)據(jù)箱形圖

圖4 激光粉塵儀測(cè)量PM2.5試驗(yàn)數(shù)據(jù)箱形圖

3.2 采樣測(cè)量曲線圖的對(duì)比與分析

圖5和圖6是利用LD-6S激光粉塵儀與TEOM RP 1400a環(huán)境大氣顆粒物監(jiān)測(cè)儀分別對(duì)大氣PM10與PM2.5的質(zhì)量濃度進(jìn)行測(cè)量后所得數(shù)據(jù)的對(duì)比圖，其中激光粉塵儀的K值取儀器默認(rèn)值0.01。

圖5 LD-6S激光粉塵儀與TEOM RP 1400a環(huán)境大氣顆粒物監(jiān)測(cè)儀對(duì)大氣PM10質(zhì)量濃度的測(cè)量對(duì)比

圖6 LD-6S激光粉塵儀與TEOM RP 1400a環(huán)境大氣顆粒物監(jiān)測(cè)儀對(duì)大氣PM10質(zhì)量濃度的測(cè)量對(duì)比

從圖5及圖6可知，LD-6S與TEOM測(cè)量的結(jié)果變化曲線具有相似的變化趨勢(shì)，這兩圖顯示了LD-6S激光粉塵儀與TEOM測(cè)量的結(jié)果有非常好的一致性，兩種儀器所測(cè)數(shù)據(jù)之間呈線性關(guān)系，質(zhì)量濃度轉(zhuǎn)換系數(shù)K值即為放大系數(shù)。常用的激光粉塵儀的準(zhǔn)確度和可信度高，日常生活中可以利用激光粉塵儀隨時(shí)隨地獲知環(huán)境大氣顆粒物的質(zhì)量濃度。

3.3 K值的分析

采用Excel和SPSS軟件對(duì)測(cè)量所得數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和統(tǒng)計(jì)分析。

3.3.1 K值的頻率分布

利用公式（1）計(jì)算得到PM10和PM2.5的濃度轉(zhuǎn)換系數(shù)K值各350個(gè)，保留有效數(shù)據(jù)350個(gè)。分別用PM10和PM2.5的濃度轉(zhuǎn)換系數(shù)K值按從小到大的順序排列，其頻數(shù)分布情況見(jiàn)圖7和圖8。

圖7 PM10 K值頻率分布

圖8 PM2.5 K值頻率分布

表1 PM10與PM2.5的濃度轉(zhuǎn)換系數(shù)K值統(tǒng)計(jì)量

由圖7可知PM10的K值呈近似正態(tài)分布。由表1知道PM10的K值最小值為0.0021，最大值為0.0137，標(biāo)準(zhǔn)差為0.0017 均值為0.00594，均值的標(biāo)準(zhǔn)誤差為0.0009。由圖8可知PM2.5的K值呈近似正態(tài)分布。經(jīng)計(jì)算得出PM2.5的K值最小值為0.0002，最大值為0.0029，標(biāo)準(zhǔn)差為0.0007，均值為0.00158，均值的標(biāo)準(zhǔn)誤差為0.00004。

3.3.2 CPM與質(zhì)量濃度C的相關(guān)性分析

如圖9、圖10所示：圖中45°黑直線是參考線，橫軸是實(shí)際觀測(cè)的累積概率，縱軸是服從正態(tài)分布的期望概率值。所測(cè)得的PM10和PM2.5數(shù)據(jù)散點(diǎn)是緊貼45°線的，可知TEOM RP 1400a環(huán)境大氣顆粒物監(jiān)測(cè)儀所測(cè)得的質(zhì)量濃度C基本服從正態(tài)分布，可進(jìn)行線性回歸擬合。

圖9 PM10質(zhì)量濃度C與對(duì)應(yīng)CPM值回歸標(biāo)準(zhǔn)化殘差的標(biāo)準(zhǔn)P-P圖

圖10 PM2.5質(zhì)量濃度C與對(duì)應(yīng)CPM值回歸標(biāo)準(zhǔn)化殘差的標(biāo)準(zhǔn)P-P圖

由表2可知，PM10 K值的回歸方程為1 = 0.014 + 0.4051，CPM和質(zhì)量濃度C之間的相關(guān)系數(shù)為0.562，達(dá)到了0.001的顯著性水平，兩者的相關(guān)顯著。PM2.5 K值的回歸方程為2 = -0.004 + 0.2152，PM2.5的CPM和質(zhì)量濃度C之間的相關(guān)系數(shù)為0.702，達(dá)到了0.001的顯著性水平，兩者的相關(guān)顯著。

表2 CPM與PM10和PM2.5質(zhì)量濃度C相關(guān)性分析

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)LD-6S型多功能激光粉塵儀和 TEOM RP 1400a 環(huán)境大氣顆粒物監(jiān)測(cè)儀所測(cè)數(shù)據(jù)分析可得：LD-6S型多功能激光粉塵儀對(duì)上海市環(huán)境大氣顆粒物PM10的濃度轉(zhuǎn)換系數(shù)K值為0.00594，PM2.5的濃度轉(zhuǎn)換系數(shù)K值為0.00158。LD-6S型多功能激光粉塵儀和TEOM RP 1400a環(huán)境大氣顆粒物監(jiān)測(cè)儀測(cè)量數(shù)據(jù)具有很好的一致性，激光粉塵儀測(cè)得數(shù)據(jù)值得信賴。

由CPM與質(zhì)量濃度C的相關(guān)性分析結(jié)果可知：利用微量振蕩天平法確定激光粉塵儀的濃度轉(zhuǎn)換系數(shù)K值是可行的。相比于常規(guī)的濾膜稱重法確定K值，微量振蕩天平法具有方便、快捷、準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)。利用此法可以將微量振蕩天平法監(jiān)測(cè)儀測(cè)量準(zhǔn)確度高和光散射法粉塵儀便攜帶、可快讀的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，用便攜粉塵儀對(duì)大氣霧霾等其他顆粒進(jìn)行隨時(shí)隨地監(jiān)測(cè)、污染源調(diào)查和應(yīng)急事故監(jiān)測(cè)等非環(huán)境預(yù)報(bào)類的測(cè)試，可以實(shí)現(xiàn)環(huán)境顆粒物污染的客觀、便攜式對(duì)比測(cè)試、分析和判斷。

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USING TAPERED ELEMENT OSCILLATING MICROBALANCE METHOD TO DETERMINE THE CONVERSION COEFFICIENT OF ATMOSPHERIC PARTICULATE MATTER TESTED BY LASER DUST MONITOR

*JIAN Ya-ting1, GAO Jun1, XIAO Wei-min2, LAI Xin-zhong2, GAO Yan-lin2

(1.Institute of HVAC Engineering, College of Mechanical Engineering, Tongji University, Shanghai 201804，China；2. Philips Research China, Shanghai 200233，China)

This paper has determined the mass concentration conversion coefficient of the atmospheric particulates (PM10 and PM2.5) in Shanghai, tested by Laser Dust Monitor. The Laser Dust Monitor and TEOM RP 1400a type’s Atmospheric Particulates Monitor in Shanghai Yangpu District Environmental Monitoring Station are used to test the mass concentration of the atmospheric particulates (PM10 and PM2.5) at the same testing point and time. The mass concentration conversion coefficient of the Shanghai atmospheric particulate (PM10 and PM2.5) tested using Laser Dust Monitor are obtained, the K values basicly appear normal distribution with the values of 0.00594 and 0.00158 respectively.

tapered element oscillating microbalance method; LD-6S laser dust monitor; mass concentration conversion coefficient (K); environmental atmospheric particulates (PM10 and PM2.5)

X851

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2014.03.001

1674-8085(2014)03-0001-06

2014-02-09；

2014-03-11

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（50908163）；上海市科委人才資助項(xiàng)目(11QA1406800)

*簡(jiǎn)亞婷(1990-)，女，福建龍巖人，碩士生，主要從事供熱供燃?xì)馔L(fēng)空調(diào)專業(yè)應(yīng)用研究(E-mail: artingjane@gmail.com);

高 軍(1977-)，男，浙江蕭山人，副教授，博士，主要從事室內(nèi)空氣品質(zhì)廚房通風(fēng)技術(shù)研究(E-mail: gaojun-hvac@#edu.cn);

肖衛(wèi)民(1973-)，男，湖南益陽(yáng)人，高級(jí)研究員，博士，主要從事分子生物學(xué)研究( Email: weimin.xiao@philips.com);

賴新忠(1970-)，男，江西贛州人，主任研究員，博士，主要從事應(yīng)用化學(xué)研究(Email: matt.lai@philips.com);

高艷玲(1978-)，女，吉林人，資深研究員，博士，主要從事食品科學(xué)研究(Email:maggie.gao@philips.com).