激光粉塵儀中相對(duì)濕度影響的修正

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的不斷加快，城市空氣污染日益嚴(yán)重。大量研究表明，大氣粉塵是大氣污染的主要原因之一，流行病學(xué)研究也證明大氣可吸入粉塵對(duì)人類的健康有著重要的影響，因此對(duì)大氣可吸入粉塵的檢測(cè)是十分必要的。

一、檢測(cè)儀系統(tǒng)介紹

LD-3C型激光粉塵儀適用于公共場(chǎng)所可吸入顆粒物（PM10）濃度的快速測(cè)定、工礦企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)等勞動(dòng)衛(wèi)生方面粉塵濃度的檢測(cè)，以及環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域可吸入粉塵濃度的監(jiān)測(cè)，還可用于空氣凈化器凈化效率的評(píng)價(jià)和重點(diǎn)監(jiān)測(cè)場(chǎng)所粉塵濃度超標(biāo)報(bào)警。它既可顯示可吸入粉塵顆粒的不同粒徑的質(zhì)量濃度數(shù)，也可同時(shí)顯示測(cè)量時(shí)的溫度和濕度。

當(dāng)激光粉塵儀工作時(shí)，空氣從真空氣泵進(jìn)入測(cè)量腔，并以一定的速率通過激光檢測(cè)區(qū)，空氣中的粉塵由于其粒徑不同將引起激光的散射，系統(tǒng)由光電二極管來采集相應(yīng)的散射光信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為6種幅值不等的脈沖序列，經(jīng)過放大處理后送到可編程邏輯CPLD；同時(shí)系統(tǒng)對(duì)環(huán)境溫度濕度進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)量，將實(shí)測(cè)結(jié)果送給MCU。MCU對(duì)這8路信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的處理，完成存儲(chǔ)、顯示、打印等功能。由于系統(tǒng)在進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)時(shí)會(huì)受到溫濕度的影響，因此采用了一款新式的數(shù)字式傳感器SHT71來進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)補(bǔ)償。

二、系統(tǒng)濕度修正

1.原理介紹

研究表明，空氣中的溫度和濕度都會(huì)對(duì)激光粉塵儀檢測(cè)到的顆粒物質(zhì)量濃度產(chǎn)生一定的影響，特別是相對(duì)濕度的影響更加明顯。當(dāng)空氣中的相對(duì)濕度較大時(shí)，很小的濕度變化就能造成很大的誤差，激光粉塵儀的讀數(shù)會(huì)隨相對(duì)濕度的增加而偏大（特別是相對(duì)其濕度＞60%情況下），這是由粉塵中的吸濕性成份生長(zhǎng)造成平均粒徑的增大引起的，因此環(huán)境中的相對(duì)濕度對(duì)激光粉塵儀檢測(cè)結(jié)果的影響變得不可忽略。

當(dāng)前，用來降低相對(duì)濕度對(duì)懸浮顆粒物質(zhì)量濃度測(cè)量的影響的方法較多，本文通過引入SHT71傳感器構(gòu)成濕度檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)獲取環(huán)境中的濕度數(shù)據(jù)，同時(shí)根據(jù)空氣中的粉塵性質(zhì)選擇濕度修正函數(shù)，來修正由于濕度變化所帶來的粉塵濃度影響。

2.濕度修正公式

目前，國(guó)內(nèi)外采用光散射濃度測(cè)量法的粉塵檢測(cè)儀器普遍使用光度計(jì)法，即基于散射光與粉塵質(zhì)量濃度成比例原理的光散射粉塵質(zhì)量濃度測(cè)量法。其計(jì)算公式為C=K×(R-B)，K為總粉塵質(zhì)量濃度轉(zhuǎn)換系數(shù)，C為總粉塵質(zhì)量濃度，R為相對(duì)質(zhì)量濃度，B為粉塵儀基底值，其中每分鐘的脈沖計(jì)數(shù)用CPM表示，K值是在常溫常濕（T＝23±2℃，RH＝30%±4%）下通過稱重法標(biāo)定得到的。由上文的論述可知，當(dāng)空氣中的濕度發(fā)生較大的變化尤其是RH＞60%時(shí)，常溫常濕下標(biāo)定得到的K值已不能適應(yīng)外部條件的變化，所以需要根據(jù)空氣中濕度引入相應(yīng)的修正因子CF修正其帶來的誤差，使K能夠適應(yīng)環(huán)境濕度所帶來的影響。

在此基礎(chǔ)上，本文使用LD-3C激光粉塵儀作為數(shù)據(jù)采集對(duì)象，以TSI DUSTTRAK Ⅱ（以下簡(jiǎn)稱TSI）的檢測(cè)值作為質(zhì)量濃度的真實(shí)值。在LD-3C的進(jìn)氣口放置加濕設(shè)備，控制樣本濕度變化，同時(shí)記錄各濕度值下LD-3C檢測(cè)到的粉塵濃度值，與未設(shè)加濕設(shè)備下TSI采集到的數(shù)據(jù)相比較，結(jié)果顯示，不同濕度對(duì)粉塵檢測(cè)結(jié)果存在不同程度的影響。當(dāng)相對(duì)濕度(RH)較小時(shí)(RH＜60%)，RH變化對(duì)粉塵測(cè)試結(jié)果的影響并不大，大約在4%以內(nèi)；但隨著RH的增大(尤其是RH＞60%)，濕度的變化對(duì)激光粉塵儀測(cè)量結(jié)果的影響逐漸變大，這說明我們需要建立分段函數(shù)進(jìn)行濕度修正。根據(jù)濕度對(duì)粉塵檢測(cè)結(jié)果的影響，濕度修正函數(shù)被分成(0%～60%)、（60%～75%）、（75%～85%）、（85%～95）四段。為了獲取各段的修正函數(shù)CF（RH），本文以檢測(cè)到的各濕度值CF平均值作為初值，通過高斯牛頓迭代法獲取各濕度值的CF值，之后采用非線性最小二乘法擬合各濕度段的修正因子，得出一組以相對(duì)濕度為變量的經(jīng)驗(yàn)濕度修正函數(shù)CF（RH），將其代入粉塵濃度計(jì)算公式CCF=中，即可得到修正后的粉塵濃度。

（作者單位：江蘇淮安技師學(xué)院）