車載PM2.5檢測(cè)標(biāo)定方法的研究

張 戟，俞 城

（同濟(jì)大學(xué)，上海 201804）

2012年中國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局開(kāi)始實(shí)施乘用車內(nèi)空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)指南［1］，其中規(guī)定了車內(nèi)空氣中有機(jī)物濃度的要求，包括：苯、甲苯、二甲苯、乙苯、苯乙烯、甲醛、乙醛、丙烯醛，但這些車內(nèi)空氣有機(jī)物并不能包含所有的車內(nèi)空氣有毒有害物質(zhì)，顆粒污染物 （PM2.5、PM10）等也是車內(nèi)含量較大的一類有害物質(zhì)。

本文研究對(duì)象PM2.5總成傳感器是一種由離心式風(fēng)扇吸入采樣氣體后，顆粒物經(jīng)過(guò)采樣通道中的激光發(fā)射器產(chǎn)生光束照射后，形成散射光線后通過(guò)接收端所接收到的光線強(qiáng)度檢測(cè)計(jì)算出當(dāng)前氣體中所含有PM2.5顆粒物濃度質(zhì)量。

1 檢測(cè)PM2.5顆粒物的影響因素

PM2.5傳感器的工作溫度范圍為-40℃～85℃，由于傳感器中的光學(xué)元器件會(huì)因?yàn)榄h(huán)境溫度的變化而存在數(shù)值漂移進(jìn)而產(chǎn)生檢測(cè)值偏差，針對(duì)此影響需要判斷溫度影響的程度。

從大環(huán)境來(lái)說(shuō)，顆粒物污染源在某一區(qū)域的大氣環(huán)境中分布是均勻的，但從微觀角度來(lái)說(shuō)顆粒物污染源每一個(gè)時(shí)刻經(jīng)過(guò)傳感器光敏區(qū)域時(shí)并非都相同，例如前一時(shí)間經(jīng)過(guò)檢測(cè)區(qū)域的顆粒物以0.3～1μm粒徑為主，下一時(shí)間則可能為1～2.5μm為主，故PM2.5總成傳感器針對(duì)顆粒物濃度采用一段時(shí)間的平均值算法，存在短時(shí)間的延時(shí)性，在外界PM2.5濃度質(zhì)量發(fā)生快速性變化的情況下，實(shí)時(shí)反映數(shù)值存在一定的遲滯，尤其是在車內(nèi)開(kāi)啟空氣質(zhì)量?jī)艋Ｊ较?，其檢測(cè)PM2.5濃度值會(huì)滯后，變化速率越大其產(chǎn)生的偏差量也就越大。

2 環(huán)境溫度影響標(biāo)定臺(tái)架搭建

本臺(tái)架系統(tǒng)部分參考空氣凈化器的國(guó)家GB標(biāo)準(zhǔn)［2］，環(huán)境溫度標(biāo)定臺(tái)架系統(tǒng)主要由步入式溫濕度箱、粒子發(fā)生裝置、攪拌風(fēng)扇、采樣口及送樣口、空氣過(guò)濾器、TSI8530等組成。其中攪拌風(fēng)扇、空氣過(guò)濾器等子系統(tǒng)組成了3立方米實(shí)驗(yàn)艙。

標(biāo)定氣樣經(jīng)過(guò)空氣過(guò)濾器過(guò)濾后得到潔凈空氣，設(shè)定步入式溫濕度箱達(dá)到環(huán)境溫度后，穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間直至整個(gè)3立方米實(shí)驗(yàn)艙中的溫度穩(wěn)定，通過(guò)污染物發(fā)生裝置產(chǎn)生污染源通過(guò)采樣口及送樣口送入3立方米實(shí)驗(yàn)艙中，開(kāi)啟攪拌風(fēng)扇并打開(kāi)污染物監(jiān)測(cè)裝置 （TSI8530）實(shí)時(shí)監(jiān)控實(shí)驗(yàn)艙中的顆粒物濃度質(zhì)量，待濃度質(zhì)量穩(wěn)定在1000μg／m3后開(kāi)始對(duì)傳感器進(jìn)行不同溫度下的檢測(cè)濃度標(biāo)定。由于步入式溫濕度箱要保證整個(gè)內(nèi)部環(huán)境的溫度，運(yùn)行期間處于不停換風(fēng)狀態(tài)，故整個(gè)3立方米實(shí)驗(yàn)艙中的空氣與外部的步入式溫濕度箱中的空氣保證完全隔離狀態(tài)，避免互相干擾。

3 整車內(nèi)部環(huán)境模擬臺(tái)架搭建

臺(tái)架模擬整車前半身車內(nèi)，其組成包括：模擬乘客艙、鼓風(fēng)機(jī)、新風(fēng)過(guò)濾箱、車載空調(diào)濾芯、煙霧發(fā)生器、煙霧存儲(chǔ)室、回流風(fēng)扇、采樣口、泄壓閥、數(shù)據(jù)采集儀。在煙霧存儲(chǔ)室由煙霧發(fā)生器燃燒香煙產(chǎn)生PM2.5高濃度顆粒污染物后通過(guò)存儲(chǔ)室出口進(jìn)入模擬乘客艙，回流風(fēng)扇處于運(yùn)行中，攪拌艙內(nèi)PM2.5顆粒物使其乘客艙內(nèi)各個(gè)點(diǎn)濃度在一個(gè)較平均的范圍內(nèi)，PM2.5總成傳感器采樣口模擬整車采樣口，可以安裝在不同位置進(jìn)行采樣。若不打開(kāi)新風(fēng)過(guò)濾箱外門，僅開(kāi)啟鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)行，此時(shí)模擬車輛怠速狀態(tài)下內(nèi)循環(huán)模式車內(nèi)顆粒污染物的沉降規(guī)律，若打開(kāi)新風(fēng)過(guò)濾箱外門，則可模擬車輛怠速狀態(tài)下外循環(huán)模式車內(nèi)的顆粒污染的沉降規(guī)律，主要性能參數(shù)及布置見(jiàn)表1。

表1 整車模擬臺(tái)架性能參數(shù)

PM2.5傳感器采樣通道與模擬臺(tái)架采樣口進(jìn)行連接，TSI8530采樣氣管布置在與傳感器采樣口相同位置。對(duì)臺(tái)架通電運(yùn)行后，臺(tái)架中央的煙霧發(fā)生器會(huì)對(duì)通過(guò)燃燒香煙將顆粒污染物注入至臺(tái)架中回流風(fēng)扇將整個(gè)實(shí)驗(yàn)艙高濃度顆粒物擴(kuò)散至臺(tái)架各處，待濃度穩(wěn)定不會(huì)出現(xiàn)劇烈波動(dòng)后，關(guān)閉回流風(fēng)扇開(kāi)啟鼓風(fēng)機(jī)與空氣過(guò)濾器，鼓風(fēng)機(jī)將空氣過(guò)濾器過(guò)濾后的潔凈空氣吹入臺(tái)架中，調(diào)整鼓風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速則可以相對(duì)應(yīng)地模擬空調(diào)風(fēng)量擋位及各個(gè)擋位下的空氣凈化效率。若使用模擬外循環(huán)模式，通過(guò)外界空氣注入到臺(tái)架中，由于臺(tái)架有氣密性要求，這種情況下臺(tái)架的內(nèi)部氣壓會(huì)高于外界氣壓，從而使鼓風(fēng)機(jī)吸風(fēng)量降低，此時(shí)泄壓閥會(huì)打開(kāi)模擬整車乘客艙的泄壓情況來(lái)降低內(nèi)部阻力，將多余空氣排出到室外。數(shù)據(jù)采集儀則會(huì)在臺(tái)架運(yùn)行時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄TSI8530以及車載PM2.5總成傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，對(duì)同一時(shí)間情況下兩者輸出數(shù)值的偏差程度進(jìn)行分析。

4 標(biāo)定修正結(jié)果

以常溫情況 （23℃）為參考基點(diǎn)設(shè)立PM2.5總成傳感器的零偏差位。經(jīng)過(guò)標(biāo)定系數(shù)修正后，平均偏差、最大偏差、最小偏差都在PM2.5總成傳感器的性能要求范圍內(nèi)，平均偏差值控制在-0.46%～0.22%范圍，最大偏差和最小偏差控制在-6.30%～5.22%范圍，反映數(shù)據(jù)離散程度的標(biāo)準(zhǔn)差在標(biāo)定后與標(biāo)定前基本無(wú)差異，總成傳感器在各低溫環(huán)境情況下其趨勢(shì)已接近TSI8530的讀數(shù)變化。

經(jīng)過(guò)標(biāo)定系數(shù)修正后，平均偏差、最大偏差、最小偏差都在PM2.5總成傳感器的性能要求范圍內(nèi)，平均偏差值控制在-0.43%～0.32%范圍，最大偏差和最小偏差控制在-6.56%～6.66%范圍，反映數(shù)據(jù)離散程度的標(biāo)準(zhǔn)差在標(biāo)定后與標(biāo)定前基本無(wú)差異，總成傳感器在各高溫環(huán)境情況下其趨勢(shì)已接近TSI8530的讀數(shù)變化。

在使用整車內(nèi)部環(huán)境模擬臺(tái)架進(jìn)行環(huán)境空氣質(zhì)量?jī)艋俾视绊懙臉?biāo)定試驗(yàn)前，預(yù)先制定了臺(tái)架的3種凈化效率工作模式：低效凈化模式，中效凈化模式，高效凈化模式。

3種凈化效率模式是結(jié)合某款車型實(shí)測(cè)的空調(diào)性能以及GB／T 18801-2015空氣凈化器標(biāo)準(zhǔn)制定，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中的潔凈空氣量CADR計(jì)算方法得出空調(diào)的潔凈空氣量后調(diào)試模擬臺(tái)架鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速至相對(duì)應(yīng)的凈化效率。

低效凈化模式時(shí)，車載PM2.5總成傳感器檢測(cè)趨勢(shì)與TSI8530一致，并且數(shù)據(jù)基本重合，平均偏差為-3.69%，最大偏差為7.94%。但在中效及高效凈化模式下，車載PM2.5總成傳感器讀數(shù)出現(xiàn)了不同程度的延遲，高效凈化模式下平均偏差在16.71%，最大偏差在27.50%，中效凈化模式下平均偏差為11.50%，最大偏差為17.24%。各個(gè)模式下所產(chǎn)生的偏差基本是線性規(guī)律，故可根據(jù)第2章節(jié)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行標(biāo)定修正。

外循環(huán)情況下，無(wú)論任何凈化模式車載PM2.5總成傳感器的讀數(shù)趨勢(shì)與TSI8530讀數(shù)趨勢(shì)都是一致的。但是第一點(diǎn)總成傳感器存在一定的延遲，第二點(diǎn)從曲線上發(fā)現(xiàn)總成傳感器數(shù)據(jù)變化較平滑，而TSI8530讀數(shù)時(shí)常跳變，根據(jù)此現(xiàn)象分析原因?yàn)橥饨缈諝膺M(jìn)入到臺(tái)架內(nèi)部后擾亂了內(nèi)部空氣的均勻度，總成傳感器采集數(shù)據(jù)后是以一段時(shí)間的平均值做緩沖平滑處理使其不會(huì)出現(xiàn)驟降和驟升等現(xiàn)象，而TSI8530檢測(cè)儀器其為每秒實(shí)時(shí)檢測(cè)，故一旦出現(xiàn)濃度不均勻的情況時(shí)讀數(shù)會(huì)產(chǎn)生跳變。低效凈化模式下平均偏差為15.78%，最大偏差為46.43%。高效凈化模式下平均偏差在29.44%，最大偏差在90.16%，中效凈化模式下平均偏差為26.74%，最大偏差為70.54%。

通過(guò)標(biāo)定系數(shù)修正后，內(nèi)循環(huán)模式下PM2.5總成傳感器讀數(shù)基本與TSI8530讀數(shù)保持一致。低效凈化速率模式下讀數(shù)平均偏差1.07%，最大偏差為8.01%，中效凈化速率模式下平均偏差為3.46%，最大偏差為9.87%，高效凈化速率模式下平均偏差5.51%，最大偏差為11.10%。

通過(guò)標(biāo)定系數(shù)修正后，外循環(huán)模式下PM2.5總成傳感器讀數(shù)基本與TSI8530讀數(shù)保持一致，由于外循環(huán)引入了外界空氣這一影響因子導(dǎo)致檢測(cè)區(qū)域內(nèi)的顆粒物濃度質(zhì)量存在不均勻性，故TSI8530檢測(cè)數(shù)值存在區(qū)域波動(dòng)。

針對(duì)此類情況下最大偏差量?jī)H作為參考依據(jù)，通過(guò)控制平均偏差量來(lái)抑制大范圍數(shù)據(jù)的漂移。低效凈化速率模式下讀數(shù)平均偏差-2.07%，最大偏差為37.70%，中效凈化速率模式下平均偏差為-4.58%，最大偏差為-29.49%，高效凈化速率模式下平均偏差3.47%，最大偏差為20.39%。

5 主要結(jié)論

通過(guò)參考國(guó)標(biāo)建立了以環(huán)境溫度標(biāo)定為主的環(huán)境試驗(yàn)臺(tái)架以及以空氣污染物凈化速率為主的模擬整車乘客艙標(biāo)定臺(tái)架。通過(guò)低溫標(biāo)定修正后，使其PM2.5傳感器在低溫檢測(cè)結(jié)果上也能滿足整體性能要求。通過(guò)高溫標(biāo)定修正后，使其PM2.5傳感器在高溫檢測(cè)結(jié)果上也能滿足整體性能要求。獲得了環(huán)境凈化速率對(duì)PM2.5總成傳感器檢測(cè)的影響規(guī)律：在模擬內(nèi)循環(huán)情況下隨著凈化速率的提高，總成傳感器當(dāng)前實(shí)時(shí)檢測(cè)值會(huì)發(fā)生延遲，最大的延遲影響程度會(huì)達(dá)到約20%左右。通過(guò)標(biāo)定后能夠滿足傳感器的性能要求。

6 展望

目前總成傳感器用于標(biāo)定的顆粒物污染物為香煙燃燒成分，粉塵源成分較單一，并不能代表中國(guó)所有地域或其他國(guó)家的塵源。

由于對(duì)檢測(cè)范圍進(jìn)行了分段標(biāo)定系數(shù)修正，并且車輛運(yùn)行在不同工況下標(biāo)定系數(shù)也不一致，故檢測(cè)值從一段范圍區(qū)間變化到另一區(qū)間亦或是車輛工況模式變化時(shí)，由于標(biāo)定系數(shù)的不同，修正后的檢測(cè)數(shù)值會(huì)有較明顯跳變，目前優(yōu)化后若明顯觀察數(shù)據(jù)還是會(huì)有毛刺類型的數(shù)據(jù)產(chǎn)生，需要優(yōu)化工況變化時(shí)所帶來(lái)數(shù)據(jù)跳變的影響。