光散射法揚塵監測儀關鍵設計與數據分析

文/童軍華 潘煥雙 化利東（安徽藍盾光電子股份有限公司）

環境空氣顆粒物的監測方法有多種，目前國內外主流的監測方法主要有β 射線法、振蕩天平法（重量法）和光散射法。β 射線法儀器測量精度較高，運行及維護成本低，缺點是測量周期長，一般每小時出一組數據，儀器成本較高。振蕩天平法儀器測量精度較高，能實時顯示數據并根據需要的時間出數據，缺點是儀器成本高，要得出更精確的測量數據需要配置膜動態測量系統（FDMS）對數據進行補償，而該套系統成本高，操作難度較大，運行及維護成本都高。考慮綜合成本等因素，前兩種方法不適合城市、工業園區等大空間范圍高密度網格化環境空氣顆粒物的監測需求。光散射法揚塵監測儀采用常規的半導體激光器、光電探測器、電子元器件及光學器件，制造成本低，時間分辨率高，體積小，能實時顯示測量數據，適合于更精細化的網格布點監測，也可用于環境車上進行流動監測。但該儀器的缺點是，如果沒有考慮環境濕度對測量結果的影響，則其測量精度及穩定性都不理想。本文主要是針對光散射法揚塵監測儀采樣氣路、溫濕度控制、零點校準及氣體反吹進行關鍵設計，以應對環境濕度對測量結果的影響，提高儀器的監測精度及穩定性，并對關鍵設計前后的測量數據進行對比分析。

一、光散射法顆粒物測量基本原理

基于光散射的粒子測量方法是以光的散射理論為基礎的顆粒物測量方法，是目前應用最為廣泛的顆粒物測量方法之一。光散射揚塵監測儀采用前向散射法，根據不同濃度顆粒物近前向散射光特性，在入射光不變的情況下，近前向散射的光強度與顆粒物質量濃度成正比。具體地，當一束光通過氣溶膠，其光強因氣溶膠中顆粒物對光的吸收和散射作用而減弱，通過測定參比光強和光束經過氣溶膠后的光強來測定氣溶膠中顆粒物的濃度。

光散射法揚塵測量系統原理如圖1 所示，一束穩定的激光經準直鏡至空氣流照射到顆粒物群上，一方面垂直穿透空氣流及匯聚鏡的入射光到達光陷阱被吸收，另一方面入射光在顆粒群處發生前向散射，再通過小孔光闌射向匯聚鏡聚焦于光電探測器上，通過將光信號轉換為電信號，利用基于米氏（MIE)理論的算法，得到該顆粒物群的質量濃度。

圖1 光散射法揚塵測量基本原理簡圖

二、光散射揚塵監測儀關鍵設計

由于環境空氣中顆粒物濃度深受環境濕度、溫度等的影響，光電探測器對前向散射光強度的探測也受光學透鏡潔凈度的影響，正確對儀器的本底測量或零點校準也至關重要。因此，僅根據圖1 中的方法直接搭建的監測設備不能用于對實際環境中的顆粒物進行準確測量與環境評估。為解決這些問題，本文對光散射揚塵監測儀作了關鍵設計。

1.溫濕度動態控制系統設計

環境空氣中的濕度對光散射揚塵儀測量精度影響非常嚴重。水氣在顆粒物表面凝結，導致顆粒物尺寸、形狀及折射率發生改變。一方面影響切割器對顆粒物的切割效率，另一方面折射率及散射率的變化使光電探測器探測到的光強也發生改變。給被測顆粒物加熱能改變其水分含量。所以，在基本設計的基礎上增加溫濕度動態控制系統（DHS）,可以消除環境空氣濕度大對顆粒物（揚塵、PM10、PM2.5）的測量影響。即在切割器與光學氣室之間的采樣輸送管上增加一個加熱裝置、一個溫度傳感器、一個濕度傳感器、一塊控制電路板及其控制軟件等組成的溫濕度動態控制系統。監測儀在采樣過程中，當濕度傳感器感知到其濕度大于等于某值時，DHS 給出指令，加熱器開始加熱。濕度越大，加熱功率越大。隨著濕度的降低，加熱功率也隨之降低，直到濕度小于某值時，DHS 發出指令停止加熱。該系統所發出的啟動與停止加熱的濕度值與不同的區域、不同的季節及儀器本身的特性有關，此值可以在測量現場設定。

2.零點校準及光學氣室清潔設計

與大多數計量儀器一樣，零點校準是必要的。采用何種方式采樣以方便自動進行零點校準非常重要。經過多種方案的對比，最終選定了一個比較滿意的方案。在切割器與光學氣室之間的采樣管上增加一個兩位三通電磁閥及其控制軟件，并在電磁閥一出口氣路上增加一顆粒物過濾器。需要測量時，控制軟件將儀器切換至測量模式，在氣泵的作用下其空氣路徑為：空氣→切割器→采樣管（含DHS）→電磁閥→光學氣室→氣泵→排出，完成顆粒物濃度的測量。需要進行零點校準時，控制軟件將儀器切換至校準模式，其空氣路徑變為：空氣→校準管→顆粒物過濾器→電磁閥→光學氣室→氣泵→排出，這樣就完成了零點校準。

在正常測量期間，空氣中的PM2.5、PM10、揚塵等顆粒物會對光學氣室里的光學鏡片產生污染，影響測量結果。為了消除影響，必須定期清理光學氣室里的氣路及鏡片污染。如前所述，在零點校準模式下，進入光學氣室的空氣是經過過濾的、接近潔凈的空氣，可以用來對鏡片進行反吹，能起到清潔鏡片的作用，儀器的此種狀態稱為反吹模式。

測量模式、校準模式及反吹模式切換時間可在控制軟件中設置好，以完成自動切換。同時，在操作界面上也設置了手動按鈕，需要時可進行手動切換。關鍵設計后的光散射揚塵監測儀流程如圖2 所示。

圖2 光散射揚塵監測儀流程圖

三、測試過程及數據分析

將關鍵設計前后的兩款光散射揚塵監測儀用于現場進行比對測試，測試點選在安徽某市顆粒物監測國控點，國控點安裝的是PM2.5 和PM10 監測儀。現場分別用兩款揚塵監測儀對PM2.5 和PM10 進行測量，時間為1 個月。為簡便起見，本文只截取了各10 天的PM10 數據進行了對比。

1.關鍵設計前測量數據比較

2020 年6 月，將關鍵設計前的揚塵監測儀安裝在安徽某市國控點附近進行測試，將測得的1 個月數據與國控站點同期數據進行一一比對，發現兩者PM10 和PM2.5 的數據趨勢未能很好吻合，圖3 是截取10 天的PM10 數據趨勢圖。

圖3 關鍵設計前光散射揚塵監測儀與國控點測量數據對比圖

2.關鍵設計后測量數據比較

2020 年7 月，將優化后儀器投放到同一點位，并進行了為期1 個月的PM2.5 及PM10 測量，將其與國控點的測量設備的數據進行對比，兩者的測量數據非常吻合，圖4 為截取前10 天的PM10 數據趨勢圖。

圖4 關鍵設計后光散射揚塵監測儀與國控點測量數據對比圖

3.關鍵設計前后的比較分析

關鍵設計之前光散揚塵監測儀設備顆粒物監測數值波動較大，光散射揚塵儀與國控點β 射線監測儀測量的顆粒物濃度差異較大，尤其在高濃度值狀態下，光散射揚塵儀監測數據遠低于β 射線法，無法跟隨，數據趨勢不佳。進行關鍵設計之后，對比同一站點監測數據，光散射揚塵儀監測數據顆粒物數據與國控站點的β 射線法數據對比擬合度非常高，PM10 和PM2.5 測量數據趨勢一致性都很好。

四、結語

通過對光散射揚塵監測儀關鍵設計及對外場實驗測試的數據分析，可以得出以下結論：進行關鍵設計之前，光散射揚塵儀監測量的顆粒物數據易受到周邊環境的影響，測量數據的波動性較大，采樣的空氣中不同的濕度差異對設備最終測量造成影響。其原因是環境空氣顆粒物高濃度時，光散射揚塵儀與β 射線法監測儀測量誤差較大，數據趨勢無法跟上，尤其是對于大顆粒物PM10。這是因為，環境空氣中顆粒物濃度較高時，受空氣濕度影響，整個光學氣室內氣路易堵塞，光學鏡片易污染，水分參與了計量，本底測量不準確。進行關鍵設計之后，對光散射揚塵監測儀室增加溫濕度動態控制系統（DHS）使待測量的顆粒物濕度得到改善，增加了零點校準模式使本底測量更加準確，反吹也使光學氣室得到清潔，提高了監測數據的穩定性及準確性。