濕度對光散射顆粒物傳感器的影響研究

宋英石

中環(huán)國投（北京）環(huán)境信息科技股份有限公司，北京 100089

0 前言

基于激光散射法原理的測量技術(shù)被認(rèn)為是測量顆粒物應(yīng)用最普遍的技術(shù)[1-2]。光散射的理論基礎(chǔ)是Mie 散射理論，設(shè)備中的抽氣泵保持一定的速度抽氣，使得樣品空氣進(jìn)入樣氣室；同時，安置在側(cè)方的光源發(fā)射光來照射樣氣室中的樣氣，由于發(fā)射光的頻率很快，會保證樣氣中的任何顆粒物都會被其照射到，光照被顆粒物的表面散射到各個方向，在與光源成一定角度的方向上安裝一個光線監(jiān)測裝置，感光元件會接收到被顆粒物散射過來的光，通過對該接收光的監(jiān)測，系統(tǒng)即可以監(jiān)測計算通過樣氣室的顆粒物的濃度。散射光線的強(qiáng)度會與顆粒物的大小有一定關(guān)系，通過對不同光線強(qiáng)度的不同脈沖信號的監(jiān)測計算，還可以得到不同直徑顆粒物的數(shù)量濃度信息。在一定范圍內(nèi)，檢測信號與顆粒物濃度成比例[3]。近些年，基于光散射原理的便攜式顆粒傳感器作為新型監(jiān)測設(shè)備在環(huán)境空氣監(jiān)測領(lǐng)域已經(jīng)涌現(xiàn)[4]，它的出現(xiàn)引領(lǐng)了新一代監(jiān)測儀器的發(fā)展且占據(jù)了相當(dāng)重要的地位[5]。

1 研究方法

檢測相對濕度對顆粒物傳感器的影響采用室外對比的方法，在北京市西直門空氣質(zhì)量監(jiān)測站和上海市嘉定區(qū)空氣質(zhì)量監(jiān)測站分別放置一臺細(xì)顆粒物PM2.5傳感器，對比時間為2016年8月—2017年8月，同時記錄環(huán)境溫濕度。西直門監(jiān)測站和嘉定監(jiān)測站所用的細(xì)顆粒物PM2.5監(jiān)測設(shè)備為美國Thermo Scientific ?1405 TEOM ? 連續(xù)環(huán)境顆粒物監(jiān)測儀，測量原理為震蕩天平法，傳感器為光散射傳感器。

對比結(jié)束后，以空氣質(zhì)量監(jiān)測站濃度數(shù)據(jù)作為參比標(biāo)準(zhǔn)，計算傳感器監(jiān)測結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)之間的相對偏差，用于表征濕度對傳感器的影響。相對偏差（RD）計算公式如下：

2 研究結(jié)果

2.1 不同季節(jié)顆粒物偏差比較大

通過對比北京和上海全年的測定結(jié)果發(fā)現(xiàn)，因高濕度造成的偏差與標(biāo)準(zhǔn)方法相比，在北京地區(qū)全年傳感器測定值比標(biāo)準(zhǔn)方法高估了18.28%，其中在夏秋兩個季節(jié)高估量最為明顯，分別為32.9%和33%，在冬春兩個季節(jié)，傳感器只高估了8.3%和7.6%；在上海測試結(jié)果表明，全年傳感器測定值比標(biāo)準(zhǔn)方法高估了31.87%，其中秋季高估最為明顯，為63%，春季高估量最小，為29%，在夏季和冬季分別有31%和41%的高估。如圖1所示。KIM J Y 等人[6]的研究表明，在相對濕度較大的夏季，顆粒物傳感器測量準(zhǔn)確性低于相對濕度較低的冬季，其研究結(jié)果與本研究相似。徐春雨等人[7]的研究表明，傳感器方法測定結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)方法測定結(jié)果偏差92%，但是其評估的時間較短，只對比了40 組數(shù)據(jù)。在本試驗中，我們對比了北京市和上海市全年的數(shù)據(jù)，更具有代表性，同時評價了四個季節(jié)傳感器的高估量。

2.2 濕度閾值確定

傳感器方法在測定時會因為濕度影響，造成結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)方法偏差較大，為準(zhǔn)確確定濕度對傳感器方法測定結(jié)果影響的閾值，分析北京和上海兩地傳感器在不同濕度環(huán)境下的相對偏差，以相對濕度為自變量，以相對偏差為因變量，擬合方程式，經(jīng)過反復(fù)研究，認(rèn)為二次方程最適合兩者之間的曲線關(guān)系，如圖2所示。通過對擬合曲線求導(dǎo)，找到曲線變化的拐點，即濕度影響的閾值。經(jīng)計算，北京和上海兩地相對濕度影響的閾值分別為59.83%和63.71%，如表1所示。通過對比之前的研究，認(rèn)為相對濕度對顆粒物監(jiān)測影響的閾值為RH=60%，這與WANG Y 等人[8]的研究一致。徐春雨等人[7]的研究同樣表明，在環(huán)境相對濕度≤60%RH 時，對顆粒物傳感器影響較小，不需要對結(jié)果進(jìn)行校正。MICHEL G 等人[9]的研究表明，顆粒物光散射系數(shù)在相對濕度5%～95%RH范圍內(nèi)不斷增加，尤其是相對濕度>60%RH 時增加更為明顯，WAN J 等人[10]在相對濕度較低的室內(nèi)（<60%RH）時，比值與相對濕度無相關(guān)關(guān)系。

表1 北京和上海兩個地點擬合公式參數(shù)表

2.3 不同濕度環(huán)境產(chǎn)生的偏差不同

通過對北京和上海兩地對比發(fā)現(xiàn)，不同的濕度梯度，傳感器測定結(jié)果產(chǎn)生的偏差不同，在相對濕度<60%RH 的環(huán)境中，傳感器測定值和標(biāo)準(zhǔn)方法測定值的相對偏差<10%。但是在相對濕度>60%RH的情況下，傳感器測量結(jié)果比標(biāo)準(zhǔn)方法測量結(jié)果有明顯的高估。測定結(jié)果表明，在濕度60%～70%RH 區(qū)間，北京和上海的傳感器比標(biāo)準(zhǔn)站分別高估了10%和18%。傳感器測量的結(jié)果比標(biāo)準(zhǔn)站的高估值隨著濕度的增加而增大，在相對濕度>90%RH 的環(huán)境下，北京和上海的傳感器的測定結(jié)果分別高估了135%和153%，如圖3所示。WANG Y 等人[8]在實驗室評估和校準(zhǔn)了三個低成本顆粒物傳感器，發(fā)現(xiàn)光散射率受相對濕度的影響，隨著相對濕度的升高持續(xù)增加，其研究結(jié)果與本試驗結(jié)果有同樣的結(jié)論。徐春雨等人[7]同樣也發(fā)現(xiàn)傳感器方法與標(biāo)準(zhǔn)方法測定結(jié)果的比值與采樣期間環(huán)境相對濕度呈正相關(guān)，相同質(zhì)量濃度的顆粒物在較高濕度時通常有更高的光散射測定值。

3 結(jié)束語

傳感器因其成本低、布點廣、監(jiān)測效率高等特點，越來越受到監(jiān)測工作的青睞，但是在實踐層面需要注意濕度對傳感器的影響，特別是在高濕度環(huán)境中，對其監(jiān)測結(jié)果帶來的高估需要引起重視。通過北京和上海全年的測定結(jié)果發(fā)現(xiàn)，因高濕度造成的偏差與標(biāo)準(zhǔn)方法相比，在北京地區(qū)，全年傳感器測定值比標(biāo)準(zhǔn)方法高估了18.28%；在上海測地區(qū)，全年傳感器測定值比標(biāo)準(zhǔn)方法高估了31.87%。通過對比之前的研究，認(rèn)為相對濕度對顆粒物監(jiān)測影響的閾值為RH=60%。在相對濕度<60%RH 的環(huán)境中，傳感器測定值和標(biāo)準(zhǔn)方法測定值的相對偏差<10%；但是在相對濕度>60%RH 的情況下，傳感器測量結(jié)果比標(biāo)準(zhǔn)方法測量結(jié)果有明顯的高估。測定結(jié)果表明，在濕度60%～70%RH 區(qū)間，北京和上海的傳感器比標(biāo)準(zhǔn)站分別高估了10%和18%。傳感器測量的結(jié)果比標(biāo)準(zhǔn)站高估值，隨著濕度的增加而增大，在相對濕度>90%RH 的環(huán)境下，北京和上海的傳感器的測定結(jié)果分別高估了135%和153%。