多組份顆粒物監(jiān)測(cè)技術(shù)及應(yīng)用

◎文/化利東 潘煥雙 鄧龍龍（安徽藍(lán)盾光電子股份有限公司）

目前大氣顆粒物自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法主要有β射線法、振蕩天平法（TEOM）和光散射法。一般來(lái)講，基于振蕩天平法（TEOM）的自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀的精度和實(shí)時(shí)性略好，但是儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大、價(jià)格昂貴，需與FDMS結(jié)合使用，一旦缺少FDMS將嚴(yán)重影響PM2.5濃度的測(cè)量精度，不符合未來(lái)環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器發(fā)展的趨勢(shì)；而基于β射線法的自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，雖然可以準(zhǔn)確可靠地測(cè)量空氣中顆粒物的濃度，但測(cè)量需要有顆粒物富集的過(guò)程，不能及時(shí)反映顆粒物濃度變化。以上兩種方法的共同缺陷是儀器需要通過(guò)切割器切割某一粒徑段顆粒物后進(jìn)行顆粒物濃度測(cè)量，因此同一臺(tái)儀器在同一時(shí)間只能測(cè)量一個(gè)因子，且不能實(shí)時(shí)反映顆粒物濃度的變化。而利用光散射法測(cè)量顆粒物濃度，儀器不僅可以根據(jù)需要同時(shí)測(cè)量多個(gè)因子的濃度（如PM10、PM2.5、PM1等），而且還能實(shí)時(shí)反映每個(gè)因子的濃度變化。

一、測(cè)量原理

由激光器發(fā)出激光照射到待測(cè)區(qū)的顆粒物上并向各方向發(fā)生散射，探測(cè)組件則是探測(cè)來(lái)自前向散射光，再將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，根據(jù)輸出電壓的大小來(lái)判斷顆粒物粒徑的大小。所接收的前向散射光信號(hào)強(qiáng)度和角度與其所照射的顆粒物粒徑大小有關(guān)。被照射的顆粒物幾乎是依次逐一進(jìn)入待測(cè)區(qū)，使每個(gè)顆粒物的前向散射也幾乎被逐一采集與光電轉(zhuǎn)換。根據(jù)米散射原理，通過(guò)朗博比爾定律反演得到顆粒物濃度，其散射光的強(qiáng)度可由式（1）、（2）表示[1]：

公式（1）、（2）中：I(θ)為前向散射角為θ的散射光光強(qiáng)；I0為激光器射出光光強(qiáng)；λ為入射光波長(zhǎng)；d為顆粒物直徑；m為入射光折射率；ρ為顆粒物密度；θ為前向散射角；N為單位體積內(nèi)顆粒物個(gè)數(shù)；W為顆粒物的質(zhì)量濃度。

在設(shè)計(jì)中,光電二極管探測(cè)器接收散射光的角度就是前向散射角，為定值。公式（1）中，I(θ)、I0、N 均是探測(cè)器測(cè)量得出的，λ為激光的固有波長(zhǎng)，是定值，所以從式（1）中可得出顆粒直徑d。如果令式（1）中

則K也為已知值。再推導(dǎo)公式（1）和（2）得出公式（3）：

從式（3）中可以明顯地看出，某一粒徑的顆粒物濃度與前向散射角為θ的散射光光強(qiáng)有關(guān)。

二、關(guān)鍵技術(shù)組成

該儀器主要由光機(jī)模塊、激光器驅(qū)動(dòng)模塊、信號(hào)處理模塊等組成。

1.光機(jī)模塊

光機(jī)模塊主要由激光器、準(zhǔn)直透鏡、平凸透鏡、光陷阱、氣簾和光電二極管探測(cè)器組成，激光器發(fā)出的調(diào)制光經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直透鏡變成平行光經(jīng)過(guò)散射區(qū)，照射到顆粒物上發(fā)生散射。前向散射光以光軸中心360度向四周發(fā)散（見圖1）。探測(cè)組件以一定角度接收來(lái)自前向散射的光信號(hào)，然后將不同粒徑顆粒物散射光信號(hào)轉(zhuǎn)化為不同幅值電信號(hào)進(jìn)行處理。

2.激光器驅(qū)動(dòng)模塊

激光器采用半導(dǎo)體激光二極管，其關(guān)鍵技術(shù)包括激光器恒功率控制和溫控設(shè)計(jì)，以防止激光器性能參數(shù)發(fā)生漂移而影響測(cè)量效果。

圖1 光散射法多組份顆粒物監(jiān)測(cè)示意圖

在激光器恒功率控制設(shè)計(jì)中，采用了德國(guó)IC-Haus公司的iC-WJB集成化芯片。對(duì)激光器輸出功率穩(wěn)恒控制的同時(shí)，還可以通過(guò)外部引腳對(duì)激光器輸出功率進(jìn)行調(diào)節(jié)（見圖2）。

圖2 恒功率控制原理圖

半導(dǎo)體激光器是一個(gè)熱功率器件，溫度會(huì)隨著工作時(shí)間的增加而升高，同時(shí)半導(dǎo)體激光器也是一個(gè)溫敏原件，溫度變化對(duì)激光器的輸出和壽命有著很大的影響。本儀器在激光器恒溫控制設(shè)計(jì)中，采用了DS18B20溫度探測(cè)器采集激光器溫度，其溫度信息輸送至MCU處理器，通過(guò)PID算法決定是否執(zhí)行半導(dǎo)體制冷器（TEC）制冷命令（見圖3）。

圖3 溫度控制原理圖

3．信號(hào)處理模塊

該部分主要完成對(duì)顆粒物前向散射的光信號(hào)采集，并將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)進(jìn)行取樣、放大、濾波、解調(diào)、甄別。主放大器電路采用低噪聲、高共模抑制比的精密運(yùn)算放大器將脈沖信號(hào)放大到適當(dāng)大小，經(jīng)由比較器比較脈沖幅值和計(jì)數(shù)器分檔計(jì)數(shù)后送到MCU進(jìn)行處理（這就是多組份監(jiān)測(cè)的依據(jù)）。調(diào)制信號(hào)由MCU同一I/O接口輸出，用于同步調(diào)制激光器和控制乘法器，達(dá)到同步調(diào)制解調(diào)的效果，很好地濾除電噪聲（見圖4）。

三、實(shí)驗(yàn)及分析

圖4 信號(hào)采集與處理示意圖

采用本文所述方法，研發(fā)并制作了3臺(tái)多組份顆粒物監(jiān)測(cè)儀，與手工法[2]儀器、美國(guó)metone儀器進(jìn)行參比。手工儀器是指康姆德潤(rùn)達(dá)手工采樣器，MetOne激光塵埃粒子計(jì)數(shù)器，圖5和圖6為3臺(tái)多組份顆粒物監(jiān)測(cè)儀小時(shí)值的平均值和手工法稱量值、metone儀器小時(shí)值的趨勢(shì)和參比結(jié)果；圖7為3臺(tái)多組份顆粒物監(jiān)測(cè)儀之間小時(shí)測(cè)量值的平行性對(duì)比，所有數(shù)據(jù)測(cè)量對(duì)象均是PM10顆粒物，單位是ug/m3。

圖5 多組份顆粒物監(jiān)測(cè)儀與參比儀器小時(shí)平均值

圖6 多組份顆粒物監(jiān)測(cè)儀實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)線性圖

圖7 儀器的平行性

四、結(jié)論

按照本文所述原理方法設(shè)計(jì)的多組份顆粒物監(jiān)測(cè)儀，通過(guò)標(biāo)定可以對(duì)不同粒徑的顆粒物進(jìn)行同時(shí)檢測(cè)，儀器之間的平行性為1.7%，斜率為1.045，截距為0.038，相關(guān)性為 0.99，滿足 HJ653-2013 技術(shù)要求[3]，能夠?qū)崿F(xiàn)多組份實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。但同時(shí)要注意以下幾個(gè)方面的技術(shù)保證：光電探測(cè)器的探測(cè)面不宜過(guò)小，以5mm直徑為宜，否則接收光強(qiáng)會(huì)有所損失；對(duì)采樣通道進(jìn)行合理的保溫，防止冷凝水進(jìn)入探測(cè)面；定期用潔凈空氣對(duì)探測(cè)面進(jìn)行反吹；確保對(duì)激光器進(jìn)行恒溫和恒功率控制。