微型空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀的研究

高建民

(天津同陽(yáng)科技發(fā)展有限公司 天津300384)

0 引 言

當(dāng)今，大氣污染的情況仍然不很樂(lè)觀，大氣監(jiān)測(cè)逐漸向精細(xì)化監(jiān)測(cè)方向發(fā)展。精細(xì)化大氣監(jiān)測(cè)目前最可行的方案是網(wǎng)格化監(jiān)測(cè)，即在一個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)間隔一定距離或范圍設(shè)置多個(gè)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)設(shè)備，以測(cè)量具體的粉塵顆粒濃度和污染氣體濃度。一個(gè)城市會(huì)設(shè)置數(shù)十到數(shù)百個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。準(zhǔn)確和精細(xì)的網(wǎng)格化大氣監(jiān)測(cè)可以快速感知和定位污染事件，及時(shí)采取控制措施，達(dá)到事半功倍的控制和治理效果。從新的大氣監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)到行業(yè)專家公開(kāi)信息來(lái)看，網(wǎng)格化、精細(xì)化是個(gè)大趨勢(shì)。已經(jīng)發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)有河北的 DB13，主要測(cè)量項(xiàng)要求：PM2.5、SO2、NO2、CO、O3等。目前多地采用此類微型站作為突發(fā)污染情況的偵測(cè)和執(zhí)法用途，甚至對(duì)轄區(qū)空氣質(zhì)量進(jìn)行排名和獎(jiǎng)罰。因此，對(duì)微型站的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性提出了更高的要求。

目前的微型站均采用光散射顆粒物測(cè)量技術(shù)進(jìn)行 PM2.5的監(jiān)測(cè)，采用電化學(xué)法對(duì)氣態(tài)污染物進(jìn)行監(jiān)測(cè)。但是光散射顆粒物監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性離國(guó)標(biāo)法還有較大差距，其長(zhǎng)期穩(wěn)定性和對(duì)于不同粒徑顆粒物的測(cè)量準(zhǔn)確性還需要進(jìn)一步優(yōu)化和提升。電化學(xué)測(cè)量氣體污染物濃度方面，也存在一些需要改進(jìn)的問(wèn)題。電化學(xué)傳感器對(duì)溫度、濕度非常敏感，在環(huán)境變化較大時(shí)，測(cè)量準(zhǔn)確性受到非常大的影響，誤差較大。

本研究是以自動(dòng)“測(cè)-控”為核心的系統(tǒng)。系統(tǒng)分別利用電化學(xué)法原理的氣體傳感器與激光散射原理的顆粒物傳感器對(duì) NO2、SO2、CO、O3、PM2.5等被監(jiān)測(cè)物質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)系統(tǒng)集成氣象模塊對(duì)環(huán)境中的溫度、濕度等氣象參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并配備視頻監(jiān)控系統(tǒng)同步監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)環(huán)境。

1 設(shè)計(jì)思路

為了能夠全方位監(jiān)測(cè)空氣質(zhì)量情況，微型大氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀設(shè)計(jì)為可以測(cè)量 PM2.5、SO2、NO2、CO、O3、溫度、濕度、氣壓、風(fēng)速和風(fēng)向。微型空氣站的應(yīng)用場(chǎng)合是密集布點(diǎn)安裝，因而其設(shè)計(jì)思路是：小體積、低成本、低功耗和便于安裝。每個(gè)傳感器都采用模塊化設(shè)計(jì)，獨(dú)立工作，可以單獨(dú)更換和維修。

顆粒物檢測(cè)采用光散射技術(shù)，技術(shù)成熟，體積小，低功耗，維護(hù)少，是微型大氣監(jiān)測(cè)儀測(cè)量PM2.5參數(shù)的首選技術(shù)。

NO2、SO2、CO 和 O3等氣態(tài)污染物采用電化學(xué)傳感器檢測(cè)技術(shù)。響應(yīng)靈敏，體積小，成本低。

對(duì)于溫度、濕度、氣壓、風(fēng)速和風(fēng)向采用一體式氣象五參傳感器，可以降低監(jiān)測(cè)儀的體積。

2 詳細(xì)設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

圖1 系統(tǒng)框圖Fig.1 System chart

監(jiān)測(cè)儀系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，主要由主板、電化學(xué)傳感器模塊、顆粒物傳感器模塊、氣象五參傳感器、DTU、報(bào)警器、電源以及通訊接口組成。每種傳感器都是獨(dú)立模塊，直接輸出檢測(cè)數(shù)據(jù)。如圖 1所示，主板通過(guò) RS485、RS232和 UART通訊接口與各傳感器進(jìn)行通訊。系統(tǒng)的總電源為12V直流電源，12V在主板上轉(zhuǎn)換為可控制的 12V和 5V。氣象五參傳感器、報(bào)警器和DTU采用12V供電，電化學(xué)傳感器模塊和顆粒物模塊采用5V供電。主板采集各傳感器的數(shù)據(jù)，并將各監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸給 DTU，通過(guò) 4G網(wǎng)絡(luò)傳送給軟件平臺(tái)。軟件平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、顯示和分析。平臺(tái)還可以實(shí)現(xiàn)異常監(jiān)控、統(tǒng)計(jì)分析、污染溯源、歷史查詢等更深入的功能。

2.2 電化學(xué)傳感器模塊

電化學(xué)傳感器模塊是監(jiān)測(cè)儀研究中的最重要部分之一，實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣中NO2、SO2、CO、O34種氣體濃度的檢測(cè)。

核心傳感器采用進(jìn)口的三電極電化學(xué)傳感器。電化學(xué)傳感器模塊由5V進(jìn)行供電。圖2是電化學(xué)傳感器模塊原理圖。U3運(yùn)放組成恒電位電路，連接到電化學(xué)傳感器的 CE和 RE電極上。有了此恒定電位，電化學(xué)傳感器可以處于穩(wěn)定工作狀態(tài)。當(dāng)有可檢測(cè)氣體時(shí)，氣體和電化學(xué)傳感器產(chǎn)生氧化或還原反應(yīng)，產(chǎn)生微弱電流，在 WE電極上輸出。輸出電流的大小和氣體的濃度呈線性關(guān)系。檢測(cè)出 WE輸出電流的大小即可以運(yùn)算得出氣體的濃度值。運(yùn)放U2組成跨阻放大和濾波電路，可以將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，并進(jìn)行放大和濾波，提高信號(hào)信噪比。放大倍數(shù)由 R9進(jìn)行調(diào)節(jié)，適用于不同的傳感器和量程。Q1用于對(duì)傳感器進(jìn)行保護(hù)。當(dāng)系統(tǒng)斷電時(shí)，Q1會(huì)將 RE和 WE短路，電化學(xué)傳感器將處于關(guān)斷保護(hù)狀態(tài)，不會(huì)影響使用壽命。另外，當(dāng)系統(tǒng)重新通電后，系統(tǒng)可以快速進(jìn)入工作狀態(tài)，避免漫長(zhǎng)的預(yù)熱狀態(tài)時(shí)間。R3、R5和R6用于調(diào)節(jié)電化學(xué)傳感器的偏置電壓。

圖2 電化學(xué)傳感器檢測(cè)電路Fig.2 Electrochemical sensor detection circuit

2.3 顆粒物傳感器

顆粒物傳感器可以實(shí)現(xiàn)PM2.5顆粒物濃度的檢測(cè)。

傳感器采用激光散射技術(shù)，由激光光源系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)、散射光接收系統(tǒng)和檢測(cè)電路等組成，激光光源系統(tǒng)包括激光二極管，激光二極管的光路上依次設(shè)有聚焦透鏡、準(zhǔn)直透鏡、柱透鏡。氣路系統(tǒng)包括切割器，氣體以一定的流速及流量經(jīng)過(guò)切割器切割后從進(jìn)氣口經(jīng)過(guò)光敏區(qū)，然后從出氣口經(jīng)過(guò)氣體處理系統(tǒng)排出。

散射光接收系統(tǒng)包括反射鏡和光電探測(cè)器，反射鏡對(duì)顆粒物的散射光進(jìn)行反射，并被光電探測(cè)器接收，除此之外，探測(cè)器接收粒子的直接散射光。

被測(cè)氣體通過(guò)氣路進(jìn)氣口經(jīng)過(guò)切割器保留小于等于 2.5μm的顆粒物，控制氣體使其一定的流速及流量通過(guò)光敏區(qū)，當(dāng)激光照射顆粒物時(shí)，入射光會(huì)發(fā)生散射。用光電探測(cè)器接收顆粒物的直接散射光和被反射鏡反射的散射光，并將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，輸出電流值。

根據(jù)電流值及探測(cè)器的響應(yīng)度等參數(shù)可以進(jìn)行電信號(hào)與光信號(hào)的轉(zhuǎn)換，得出散射光強(qiáng) Is。已知激光二極管功率即可得到入射光強(qiáng)，根據(jù) Mie散射原理中單個(gè)粒子散射光強(qiáng)與入射光強(qiáng)、粒子直徑的關(guān)系，即可求得參與散射的 PM2.5個(gè)數(shù)。然后再根據(jù) PM2.5的密度和體積，計(jì)算得出大氣中顆粒物的質(zhì)量濃度值。

3 實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)

空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀設(shè)計(jì)完成后，在室外環(huán)境中，與國(guó)標(biāo)法儀器進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的對(duì)比測(cè)試，測(cè)試結(jié)果良好，準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性都達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。

對(duì)比測(cè)試參比儀器采用了國(guó)標(biāo)法中性能較高的Thermofisher的系列儀器。詳細(xì)儀器型號(hào)見(jiàn)表1。

從戶外的對(duì)比數(shù)據(jù)(圖 3)中可以看出，本文監(jiān)測(cè)儀數(shù)據(jù)和國(guó)標(biāo)法儀器的相關(guān)性非常好，誤差也比較小，達(dá)到了較高的精度，可以滿足日常監(jiān)測(cè)使用。

表1 對(duì)比實(shí)驗(yàn)參比儀器列表Tab.1 List of comparative experimental reference instruments

圖3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.3 Experimental data comparison

4 總 結(jié)

本文介紹了一種微型空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀，闡述了其主要傳感器模塊的實(shí)現(xiàn)原理和方法。通過(guò)戶外與國(guó)標(biāo)法儀器的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，該微型空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀能夠較好地反映空氣質(zhì)量情況，與國(guó)標(biāo)法誤差較小，達(dá)到了預(yù)期的研究目標(biāo)。當(dāng)然，微型空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀和國(guó)標(biāo)法還存在較大差距，在特殊天氣和場(chǎng)合下，還存在誤差較大的問(wèn)題。兩者在成本、建設(shè)難度和運(yùn)維頻次等方面差距較大。微型監(jiān)測(cè)儀優(yōu)勢(shì)是成本低，少維護(hù)，適合于密集布點(diǎn)，可以在某些場(chǎng)合代替國(guó)標(biāo)空氣站使用。未來(lái)，需要針對(duì)微型空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀的測(cè)量精度和穩(wěn)定性做進(jìn)一步研究，以提高其應(yīng)用范圍。