極端顆粒物濃度環(huán)境對低成本光散射顆粒物傳感器性能影響

吳 丹， 張國城， 趙曉寧， 趙紅達， 呂 超， 劉晨照， 李晶晶

(北京市計量檢測科學研究院，北京 100029)

1 引 言

當前實施的環(huán)境空氣質(zhì)量國控點監(jiān)測系統(tǒng)采用大型環(huán)境空氣監(jiān)測站，其單點檢測成本高達上百萬，布點數(shù)量有限，以點代面的方法導致時效性不足，達不到精細化管控的目標。光散射顆粒物傳感器[1，2]具有體積小、可瞬時檢測、價格低廉等優(yōu)勢，被廣泛應用到大氣環(huán)境網(wǎng)格化監(jiān)測中。然而，由于其結(jié)構(gòu)簡單，體積小，缺乏自清潔功能，容易在光路接收器和氣流轉(zhuǎn)彎處積灰，在遇到如沙塵暴、高揚灰施工現(xiàn)場等極端顆粒物環(huán)境濃度條件下，可能影響其測量準確性[3，4],但尚無標準涉及相關檢測。

目前一些研究者針對該類低成本顆粒物傳感器的檢測限、線性響應、準確性、重復性等方面進行了測試[5～10]。Wang Y等[5]研究了3種光散射顆粒物傳感器，發(fā)現(xiàn)在0～1 000 μg/m3(質(zhì)量濃度，以下簡稱濃度)內(nèi)線性響應較好，R2(線性相關性)均大于0.891 4；Zamora等[6]發(fā)現(xiàn)3類攀藤傳感器在監(jiān)測不同塵源類型時，R2值對所有來源均大于0.86，但與參考儀器相比，其準確性約為13%～90%。

上述研究是針對顆粒物性質(zhì)、環(huán)境因素等對低成本光散射顆粒物與參比儀器的線性響應和準確性的影響；然而，環(huán)境突發(fā)變化和長期超高濃度環(huán)境中使用時，傳感器性能的穩(wěn)定性才是檢驗傳感器在實際使用中監(jiān)測數(shù)據(jù)可靠性的關鍵，目前尚未見有關報道。此外，不少廠家為了進一步降低成本，將家用型(檢測量程：0～1 000 μg/m3)的光散射傳感器應用在揚塵監(jiān)測系統(tǒng)中，為了達到《粉塵濃度測量儀型式評價大綱》等[11，12]檢測量程0～10 mg/m3的要求，將校準系數(shù)增大數(shù)10倍，檢測其實際應用，往往不能完全適用于現(xiàn)場使用。

因此，為了對低成本光散射顆粒物傳感器應對突發(fā)環(huán)境變化和極端環(huán)境使用下的性能穩(wěn)定性進行檢測，本文采用遠超環(huán)境濃度的粉塵濃度進行傳感器的淹沒實驗，并進行了多輪濃度交替實驗，模擬極端環(huán)境濃度條件下對低成本光散射顆粒物傳感器的性能進行評價。

2 材料與裝置

2.1 顆粒物表征儀表

以LPM1000型數(shù)字粉塵測量儀作為參考粉塵儀，測量范圍0.00～50.00 mg/m3。低成本顆粒物傳感器選取了廣泛應用的4個廠家(其代稱分別為PT，NF，SF，YT)的4款產(chǎn)品，；另有市場占有率比較高、品牌比較長久的LL的中端產(chǎn)品作為對比，詳細產(chǎn)品信息見表1所示。其中YT傳感器在測試前經(jīng)二次校準，測量范圍擴大到適用于0～10 mg/m3。

此外，考慮到現(xiàn)有傳感器的粒徑識別功能的不完善，本文中所有研究數(shù)據(jù)均為傳感器能測量的最大粒徑范圍，即PM10的實際測量數(shù)據(jù)，不考慮PM2.5和PM1.0的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

2.2 發(fā)塵裝置

發(fā)塵裝置采用某廠家LYFJ-50低濃度粉塵儀檢定裝置，發(fā)塵范圍0～50 mg/m3，粉塵類型為煤粉[3]。結(jié)構(gòu)主要包括4個部分[13，14]：發(fā)塵裝置、擴散艙、混勻艙、檢測艙，見圖1所示。

圖1 LYFJ-50低濃度粉塵儀檢定裝置Fig.1 LYFJ-50 low concentration dust instrument verification device

3 測試方法

3.1 參考粉塵儀校準

根據(jù)JJG 846—2015中要求，針對低濃度(≤10 mg/m3)粉塵測量儀的檢定可采取與參考粉塵儀比對的方法。利用稱重法對LPM1000型數(shù)字粉塵測量儀進行校準。校準結(jié)果顯示：測量范圍為0～50.0 mg/m3的LPM1000型數(shù)字粉塵測量儀，最大允許誤差±5%，示值重復性≤3%，可滿足作為參考粉塵儀的要求。

表1 低成本光散射顆粒物傳感器及監(jiān)測儀相關信息Tab.1 Information about low cost light scattering particle sensors and monitors

3.2 平行性測定

根據(jù)HJ 653—2013標準，在同一試驗環(huán)境條件下，對3臺同一型號傳感器進行平行性測試。測試樣品遠遠大于10組，記錄每個傳感器的PM10測量值，計算3臺傳感器測試結(jié)果的相對標準偏差：

(1)

計算3臺傳感器的平行性：

(2)

式中：P為儀器平行性；n為數(shù)據(jù)組個數(shù)。

3.2 高濃度淹沒實驗方法

高濃度淹沒實驗的目的是為了評價傳感器在遇到突發(fā)環(huán)境濃度變化時(如沙塵暴、北方起大風等)，以及長期處于較高濃度且顆粒物粒徑較大的環(huán)境監(jiān)測時，對顆粒物濃度監(jiān)測傳感器性能的影響。被測光散射顆粒物傳感器均為出廠狀態(tài)，未針對煤粉進行針對性校準，隨后對其線性響應進行評價。由于所有傳感器均為戶外使用，且使用于揚塵在線監(jiān)測系統(tǒng)中，因此，測試量程依據(jù)粉塵儀型式評價大綱選取0～10 mg/m3。

圖2 高濃度淹沒實驗示意圖Fig.2 Schematic diagram of high concentration flooding experiment

圖2為高濃度淹沒實驗示意圖，實驗共分為3個階段：第一階段對所有被測光散射顆粒物傳感器進行初始測定，測量濃度范圍，濃度檢測點分別為測量量程的20%，50%，80%濃度點附近；第二階段，對所有被測光散射顆粒物傳感器進行2輪濃度交替實驗，即發(fā)塵濃度從2 mg/m3→5 mg/m3→8 mg/m3→5 mg/m3→2 mg/m3，對傳感器濃度變化梯度進行1輪完整測試；在第三階段實驗開始前，發(fā)生滿量程濃度(10 mg/m3)粉塵，維持30 min，讓所有被測光散射顆粒物傳感器連續(xù)采樣；第三階段在完成高濃度淹沒實驗后，對所有被測光散射顆粒物傳感器進行4輪濃度交替實驗。

高濃度淹沒實驗過程中，對被測光散射顆粒物傳感器PM10測量值與參比粉塵儀的線性相關性、零點漂移和平行性進行測定。其中，線性相關性和平行性檢測貫穿于所有階段，零點檢測分布在每一階段結(jié)束后。

4 實驗結(jié)果及分析

4.1 被測光散射顆粒物傳感器線性分析

高濃度淹沒實驗前，對被測光散射顆粒物傳感器進行了檢測，與參比粉塵儀進行線性相關性比較，檢測結(jié)果見圖3。

圖3 高濃度淹沒實驗前傳感器與參比值的線性Fig.3 Linearity of sensors and reference before high concentration submergence experiment

由圖3可知：4種低成本顆粒物傳感器和中端粉塵測量儀與參比粉塵儀的測量結(jié)果均成線性。R2的數(shù)值從大到小依次是LL(0.998 98)>YT(0.983 62)>PT(0.965 55)>SF(0.962 38)>NF(0.893 86)>0.89，結(jié)果表明所有傳感器在正常使用情況下，與參比粉塵儀線性相關性較高；經(jīng)校準后，測量準確性也較高[11]。

4.2 高濃度淹沒實驗結(jié)果

高濃度淹沒實驗3個階段實驗結(jié)果見圖4所示。第一階段所有傳感器和監(jiān)測儀的測量值與參比粉塵儀的線性均較好，與圖3一致；第二階段1個濃度交替循環(huán)實驗中，傳感器和監(jiān)測儀均在正常使用的情況下，其監(jiān)測結(jié)果基本與參比粉塵儀的線性較好，其中NF傳感器的檢測結(jié)果在濃度上升階段出現(xiàn)了偏差，但依舊能夠隨著發(fā)塵濃度的降低而降低。

圖4 高濃度淹沒實驗結(jié)果圖Fig.4 Results of high concentration inundation experiment

在進入第三階段前，進行了為期30 min的 10 mg/m3的高濃度淹沒實驗，結(jié)束后進行了2輪濃度交替實驗。檢測結(jié)果顯示，PT、SF傳感器和LL監(jiān)測儀與參比線性依舊較好，且不同濃度點的測量值均保持在一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)，即這兩類傳感器和監(jiān)測儀不受高濃度淹沒實驗的影響，性能保持較好。但YT和NF這兩款傳感器則在高濃度淹沒試驗后出現(xiàn)了測量值的波動，其中，YT傳感器測量濃度明顯偏高，且在濃度從高到低循環(huán)時，其測量值降低出現(xiàn)了明顯的延遲甚至降不下來；NF傳感器的測量值也同樣出現(xiàn)了濃度延遲變化的現(xiàn)象，且出現(xiàn)了一高一低的濃度變化情況，基本不隨外界濃度變化而發(fā)生變化。

4.3 平行性結(jié)果

對于高濃度淹沒實驗結(jié)束前、后表現(xiàn)相對較好的PT和SF兩款傳感器的平行性進行了檢測，檢測結(jié)果見圖5。在高濃度淹沒實驗前(即第一、二階段實驗)，PT和SF傳感器平行性結(jié)果分別為18.9%和7.6%；在高濃度淹沒實驗結(jié)束后，PT和SF傳感器平行性結(jié)果分別為16.3%和5.6%。實驗結(jié)果表明，在傳感器本身性能較好的情況下，同一型號傳感器平行性的測量結(jié)果受到高濃度淹沒實驗的影響較小。

圖5 PT和SF傳感器的平行性Fig.5 Parallelism of PT and SF sensors

4.4 零點漂移

通過在3個不同階段實驗結(jié)束后對儀器零點進行測量，結(jié)果見圖6所示。測量結(jié)果表明PT、SF、LL三款傳感器的零點在3次測量過程中并沒有發(fā)生漂移，而NF和YT的零點測量結(jié)果則隨著測量次數(shù)的增多發(fā)生了漂移。

圖6 3次零點測量變化情況Fig.6 Changes of 3 times in zero point measurement

4.5 結(jié)果分析

不同廠家傳感器在未進行高濃度淹沒實驗前，依據(jù)與參比儀器的線性響應來說，性能狀況均較好，說明廠家傳感器在出廠后性能較好；即使是在超量程使用狀態(tài)下，監(jiān)測數(shù)據(jù)與參比儀器也有較高的相關性，能通過校準適用于戶外測量。但在高濃度淹沒實驗結(jié)束后，YT和NF傳感器與參比儀器監(jiān)測數(shù)據(jù)相關性較差，相對應的，這兩類傳感器的零點測量值也在不同實驗階段發(fā)生了漂移；而性能相對穩(wěn)定的PT、SF和LL傳感器的零點則沒有發(fā)生漂移，且高濃度淹沒實驗前后與參比儀器均具有較好的線性響應。傳感器在經(jīng)歷高濃度淹沒實驗后，極高濃度的粉塵會累積在傳感器內(nèi)部，或部分沉積在光接收器表面，即使在相對清潔的環(huán)境中進行零點測量時，也會由于氣流攜帶積塵或光接收器污染降低零點校準的有效性，利用已經(jīng)發(fā)生漂移的零點對測量值進行修正，則會導致傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)相對于實際值偏大，影響測量準確性。

此外，本實驗中使用的傳感器，除SF以外，監(jiān)測量程均為0～1 000 μg/m3，其中YT傳感器則是通過改變校準系數(shù)來擴大其濃度測量范圍的。儀器廠家為了擴大傳感器的量程適用范圍，對傳感器進行二次校準時會受到傳感器初始校準數(shù)學模型的影響，可能會造成傳感器的線性響應問題。由實驗結(jié)果來看，超量程使用傳感器會給傳感器后期監(jiān)測數(shù)據(jù)準確性造成隱患。因而，有必要在型式評價實驗等質(zhì)量把關環(huán)節(jié)增加傳感器對極端環(huán)境條件下性能的考察。

5 結(jié) 論

目前粉塵儀性能測試的相關標準和規(guī)則，未涉及到特殊應用場景和極端氣候條件下的性能測試。低成本傳感器因其價格、體積優(yōu)勢，廣泛應用于包括揚塵在線監(jiān)測儀等的綜合性監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)，直接參與我國生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡的建設。但目前對于低成本光散射顆粒物傳感器評價方法和標準的缺失，導致家用型傳感器在工業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)中的濫用。有必要制定針對性光散射顆粒物傳感器的測試方法和規(guī)范標準[15]。本文通過高濃度淹沒實驗，模擬突發(fā)環(huán)境變化和極端環(huán)境使用場景，對顆粒物傳感器的線性響應、平行性和零點漂移進行了檢測，采用該試驗方法，可在一定程度上對性能存在較大問題的顆粒物傳感器進行篩查，達到市場應用前檢測的目的。