簡亞婷，高 軍，肖衛(wèi)民，賴新忠，高艷玲

微量振蕩天平法確定激光粉塵儀大氣顆粒物轉換系數(shù)

*簡亞婷1，高 軍1，肖衛(wèi)民2，賴新忠2，高艷玲2

(1.同濟大學暖通空調及燃氣研究所，上海 201804；2.飛利浦（中國）研究院，上海 200233)

本研究確定了某激光粉塵儀測試上海市環(huán)境大氣顆粒物（PM10和PM2.5）的質量濃度轉換系數(shù)K值。利用激光粉塵儀和TEOM RP 1400a型監(jiān)測儀，同時對選定的環(huán)境監(jiān)測站同一監(jiān)測點的環(huán)境大氣顆粒物（PM10和PM2.5）進行了測定，得出了該激光粉塵儀測試上海市環(huán)境大氣顆粒物（PM10和PM2.5）的質量濃度轉換系數(shù)K值呈基本正態(tài)分布，分別為0.00594和0.00158。

微量振蕩天平法；激光粉塵儀；質量濃度轉換系數(shù)K值；環(huán)境大氣顆粒物（PM10和PM2.5）

當今社會的霧霾天氣越來越嚴重，環(huán)境大氣顆粒物的質量濃度引起了人們的廣泛關注，如果能隨時隨地知道大氣中PM10及PM2.5的濃度成為越來越多人們的需求。我國的環(huán)境監(jiān)測站多采用振蕩天平法，即TEOM RP 1400a型大氣環(huán)境監(jiān)測儀來實時監(jiān)測環(huán)境空氣質量系數(shù)，因為該儀器精度高、受干擾物和不確定影響因素少，然而振蕩天平法雖然精度高，但其成本高、體積重，不便攜帶。而常用的便攜式粉塵測定儀-—激光粉塵儀就能解決這些問題。利用光散射原理制成的快速測塵儀具有體積小、重量輕、靈敏性高、操作簡便、可現(xiàn)場快速直讀的特征，適于實現(xiàn)在線實時連續(xù)監(jiān)測等優(yōu)點[1-4]。但是常用的激光粉塵儀到底多大程度可信，還值得研究，而且該儀器測得的是相對質量濃度（CPM），需經質量濃度轉換系數(shù)K轉換后才能使用，因此質量濃度轉換系數(shù)K對使用激光粉塵儀測量可吸入顆粒物質量濃度具有重要的意義。現(xiàn)有的關于濃度轉換系數(shù)K值的研究多數(shù)采用濾膜稱重法[4-6]已經確定了公共場所、鐵路行業(yè)、煤礦行業(yè)、水泥廠等勞動作業(yè)現(xiàn)場的K值[7-9]。但該方法涉及的實驗儀器繁多、步驟繁瑣、耗時長、誤差大，不能快速得出K值。已有研究表明不同地區(qū)的K值也存在差異[7-9]，而目前尚無應用激光粉塵儀測定上海市大氣環(huán)境顆粒物的濃度轉換系數(shù)K值的相關研究報道。

為了確定激光粉塵儀測定環(huán)境大氣顆粒物的準確度和相應的質量濃度轉換系數(shù)K值，我們選擇了LD-6S型多功能激光粉塵儀作為激光粉塵儀的代表，利用微量振蕩天平法（直接稱量法），針對由它測定上海市環(huán)境大氣顆粒物（PM10和PM2.5）的質量濃度轉換系數(shù)K值進行了探討。

1 濃度測定與K值計算方法

LD-6S型多功能激光粉塵儀為北京綠林創(chuàng)新數(shù)碼科技有限公司生產的快速測塵儀，其測定原理是當光照射在空氣中懸浮的粒子上時，產生光散射，在光學系統(tǒng)和粉塵性質一定的條件下，散射光強度與粉塵濃度成比例。光散射法測定空氣中的粉塵濃度是通過測量散射光強度，經過轉換求得粉塵質量濃度的方法[10]。

微量振蕩天平法是美國R&P公司生產的TEOM RP 1400a環(huán)境大氣顆粒物監(jiān)測，它的原理是在質量傳感器內使用一個振蕩空心錐形管，在其振蕩端安裝可更換的濾膜，振蕩頻率取決于錐形管特征和其質量。當采樣氣流通過濾膜時，其中的顆粒物沉積在濾膜上，濾膜的質量變化導致振蕩頻率的變化，通過振蕩頻率變化計算出沉積在濾膜上顆粒物的質量，再根據(jù)流量、現(xiàn)場環(huán)境溫度和氣壓計算出該時段顆粒物標準的質量濃度。因此，可以認為微量振蕩天平法是一種直接質量測量法——稱量法，其測量的準確性基本取決于采樣流量[10]，這保證了微量振蕩天平法監(jiān)測儀的精確性。

微量振蕩天平法是分別同時利用激光粉塵儀和振蕩天平測定同一監(jiān)測點的大氣顆粒物中PM10和PM2.5的濃度值，并得到相對質量濃度值R和質量濃度值C，再利用公式（1）分別求得PM10和PM2.5的質量濃度轉換系數(shù)K值。

質量濃度轉換系數(shù)K值的計算公式：

(1)

式中：K：質量濃度轉換系數(shù)，mg/（m3x CPM）；

C：由TEOM RP 1400a 環(huán)境大氣顆粒物監(jiān)測儀測出的環(huán)境大氣顆粒物（PM10或PM2.5的質量濃度，mg/m3；

R：由LD-6S型多功能激光粉塵儀測出的環(huán)境大氣顆粒物（PM10或PM2.5）的相對質量濃度，CPM。

2 測定對象與實驗方法

以上海市楊浦區(qū)環(huán)境監(jiān)測站內設置的空氣質量自動連續(xù)監(jiān)測點為測定對象，該站位于住宅和文教區(qū)，測量點100 m范圍內主要是居民住宅小區(qū)，100~500 m范圍內主要有學校、公園、體育館和居民住宅小區(qū)，無高大建筑物和主要交通要道。同時我們用激光粉塵儀和監(jiān)測站內的環(huán)境大氣顆粒物監(jiān)測儀這兩臺儀器測定環(huán)境大氣顆粒物PM10和PM2.5的濃度。

為保證實驗的質量，在進行現(xiàn)場測量之前，分別對激光粉塵儀進行了流量、濃度、時間的校準；對環(huán)境大氣顆粒物監(jiān)測儀進行了流量、溫度、氣壓和質量傳感器的校準。兩臺測試儀器的型號和生產廠家分別為：LD-6S型多功能激光粉塵儀，北京綠林創(chuàng)新數(shù)碼科技有限公司生產，儀器編號：9001075H； TEOM RP 1400a 環(huán)境大氣顆粒物監(jiān)測儀：美國R＆P公司生產。

為防止兩臺儀器的采樣口互相干擾對顆粒物樣品的采集，將激光粉塵儀放置在距監(jiān)測站監(jiān)測點平行相距約1 m處，兩儀器采樣口平行放置，距地面高度約為13 m，周圍無建筑物墻壁。設置激光粉塵儀與環(huán)境大氣顆粒物監(jiān)測儀整點同步采樣，每分鐘采樣1次，各采樣6 h，對PM10和PM2.5分別各采樣1天。采樣時注意更換LD-6S型多功能激光粉塵儀的PM10與PM2.5切割頭。

3 測定結果

3.1 異常值的剔除

本研究主要利用箱形圖法來剔除試驗異常值。箱形圖主要包含五個數(shù)據(jù)節(jié)點，將一組數(shù)據(jù)從大到小排列，分別計算出它的上邊緣，上四分位數(shù)Q1，中位數(shù)，下四分位數(shù)Q3，下邊緣。箱形圖識別異常值的標準是：異常值被定義為小于Q1-1.5IQR或大于Q3 + 1.5IQR的值，其中IQR為四分位間距，IQR = Q3 - Q1。具體畫法是在Q3 + 1.5IQR和Q1-1.5IQR處畫兩條與中位線一樣的線段，這兩條線段為異常值截斷點，稱其為內限；在Q3 + 3IQR和Q1 - 3IQR處畫兩條線段，稱其為外限。處于內限以外位置的點表示的數(shù)據(jù)都是異常值，其中在內限與外限之間的異常值為溫和的異常值，用“〇”標出；在外限以外的為極端的異常值，用“*”標出。

利用SPSS軟件繪制箱形圖剔除異常值，得出以下結果。如圖1所示，TEOM監(jiān)測儀測量PM10得到的360個數(shù)據(jù)中，有7個異常值，分別是第30、35、36、37、133、134、135等7個點，其中第133、134、135三個異常值偏大，第30、35、36、37四個異常值偏小，應予以剔除，保留其余353個有效值。如圖2、圖3、圖4所示，圖中無異常值，所測數(shù)據(jù)皆為有效值。但因為計算K值需要成對數(shù)據(jù)，因此只保留激光粉塵儀測定PM10的353個數(shù)據(jù)，剔除與圖1對應的激光粉塵儀測量值。PM2.5所測得的兩組數(shù)據(jù)因無異常值出現(xiàn)，保留有效數(shù)據(jù)360個。

本次試驗測定場所的相對濕度范圍為40%~60%，共獲得激光粉塵儀測量的PM10和PM2.5的質量濃度C數(shù)據(jù)各360個，其中保留PM10有效數(shù)據(jù)353個，PM2.5有效數(shù)據(jù)360個；TEOM監(jiān)測儀測量的PM10和PM2.5的相對質量濃度值R各360個，其中保留PM10有效數(shù)據(jù)353個，PM2.5有效數(shù)據(jù)360個。

圖1 TEOM監(jiān)測儀測量PM10試驗數(shù)據(jù)箱形圖

圖2 激光粉塵儀測量PM10試驗數(shù)據(jù)箱形圖

圖3 TEOM監(jiān)測儀測量PM2.5試驗數(shù)據(jù)箱形圖

圖4 激光粉塵儀測量PM2.5試驗數(shù)據(jù)箱形圖

3.2 采樣測量曲線圖的對比與分析

圖5和圖6是利用LD-6S激光粉塵儀與TEOM RP 1400a環(huán)境大氣顆粒物監(jiān)測儀分別對大氣PM10與PM2.5的質量濃度進行測量后所得數(shù)據(jù)的對比圖，其中激光粉塵儀的K值取儀器默認值0.01。

圖5 LD-6S激光粉塵儀與TEOM RP 1400a環(huán)境大氣顆粒物監(jiān)測儀對大氣PM10質量濃度的測量對比

圖6 LD-6S激光粉塵儀與TEOM RP 1400a環(huán)境大氣顆粒物監(jiān)測儀對大氣PM10質量濃度的測量對比

從圖5及圖6可知，LD-6S與TEOM測量的結果變化曲線具有相似的變化趨勢，這兩圖顯示了LD-6S激光粉塵儀與TEOM測量的結果有非常好的一致性，兩種儀器所測數(shù)據(jù)之間呈線性關系，質量濃度轉換系數(shù)K值即為放大系數(shù)。常用的激光粉塵儀的準確度和可信度高，日常生活中可以利用激光粉塵儀隨時隨地獲知環(huán)境大氣顆粒物的質量濃度。

3.3 K值的分析

采用Excel和SPSS軟件對測量所得數(shù)據(jù)進行計算和統(tǒng)計分析。

3.3.1 K值的頻率分布

利用公式（1）計算得到PM10和PM2.5的濃度轉換系數(shù)K值各350個，保留有效數(shù)據(jù)350個。分別用PM10和PM2.5的濃度轉換系數(shù)K值按從小到大的順序排列，其頻數(shù)分布情況見圖7和圖8。

圖7 PM10 K值頻率分布

圖8 PM2.5 K值頻率分布

表1 PM10與PM2.5的濃度轉換系數(shù)K值統(tǒng)計量

由圖7可知PM10的K值呈近似正態(tài)分布。由表1知道PM10的K值最小值為0.0021，最大值為0.0137，標準差為0.0017 均值為0.00594，均值的標準誤差為0.0009。由圖8可知PM2.5的K值呈近似正態(tài)分布。經計算得出PM2.5的K值最小值為0.0002，最大值為0.0029，標準差為0.0007，均值為0.00158，均值的標準誤差為0.00004。

3.3.2 CPM與質量濃度C的相關性分析

如圖9、圖10所示：圖中45°黑直線是參考線，橫軸是實際觀測的累積概率，縱軸是服從正態(tài)分布的期望概率值。所測得的PM10和PM2.5數(shù)據(jù)散點是緊貼45°線的，可知TEOM RP 1400a環(huán)境大氣顆粒物監(jiān)測儀所測得的質量濃度C基本服從正態(tài)分布，可進行線性回歸擬合。

圖9 PM10質量濃度C與對應CPM值回歸標準化殘差的標準P-P圖

圖10 PM2.5質量濃度C與對應CPM值回歸標準化殘差的標準P-P圖

由表2可知，PM10 K值的回歸方程為1 = 0.014 + 0.4051，CPM和質量濃度C之間的相關系數(shù)為0.562，達到了0.001的顯著性水平，兩者的相關顯著。PM2.5 K值的回歸方程為2 = -0.004 + 0.2152，PM2.5的CPM和質量濃度C之間的相關系數(shù)為0.702，達到了0.001的顯著性水平，兩者的相關顯著。

表2 CPM與PM10和PM2.5質量濃度C相關性分析

4 結論

通過對LD-6S型多功能激光粉塵儀和 TEOM RP 1400a 環(huán)境大氣顆粒物監(jiān)測儀所測數(shù)據(jù)分析可得：LD-6S型多功能激光粉塵儀對上海市環(huán)境大氣顆粒物PM10的濃度轉換系數(shù)K值為0.00594，PM2.5的濃度轉換系數(shù)K值為0.00158。LD-6S型多功能激光粉塵儀和TEOM RP 1400a環(huán)境大氣顆粒物監(jiān)測儀測量數(shù)據(jù)具有很好的一致性，激光粉塵儀測得數(shù)據(jù)值得信賴。

由CPM與質量濃度C的相關性分析結果可知：利用微量振蕩天平法確定激光粉塵儀的濃度轉換系數(shù)K值是可行的。相比于常規(guī)的濾膜稱重法確定K值，微量振蕩天平法具有方便、快捷、準確的優(yōu)點。利用此法可以將微量振蕩天平法監(jiān)測儀測量準確度高和光散射法粉塵儀便攜帶、可快讀的優(yōu)點結合起來，用便攜粉塵儀對大氣霧霾等其他顆粒進行隨時隨地監(jiān)測、污染源調查和應急事故監(jiān)測等非環(huán)境預報類的測試，可以實現(xiàn)環(huán)境顆粒物污染的客觀、便攜式對比測試、分析和判斷。

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USING TAPERED ELEMENT OSCILLATING MICROBALANCE METHOD TO DETERMINE THE CONVERSION COEFFICIENT OF ATMOSPHERIC PARTICULATE MATTER TESTED BY LASER DUST MONITOR

*JIAN Ya-ting1, GAO Jun1, XIAO Wei-min2, LAI Xin-zhong2, GAO Yan-lin2

(1.Institute of HVAC Engineering, College of Mechanical Engineering, Tongji University, Shanghai 201804，China；2. Philips Research China, Shanghai 200233，China)

This paper has determined the mass concentration conversion coefficient of the atmospheric particulates (PM10 and PM2.5) in Shanghai, tested by Laser Dust Monitor. The Laser Dust Monitor and TEOM RP 1400a type’s Atmospheric Particulates Monitor in Shanghai Yangpu District Environmental Monitoring Station are used to test the mass concentration of the atmospheric particulates (PM10 and PM2.5) at the same testing point and time. The mass concentration conversion coefficient of the Shanghai atmospheric particulate (PM10 and PM2.5) tested using Laser Dust Monitor are obtained, the K values basicly appear normal distribution with the values of 0.00594 and 0.00158 respectively.

tapered element oscillating microbalance method; LD-6S laser dust monitor; mass concentration conversion coefficient (K); environmental atmospheric particulates (PM10 and PM2.5)

X851

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2014.03.001

1674-8085(2014)03-0001-06

2014-02-09；

2014-03-11

國家自然科學基金項目（50908163）；上海市科委人才資助項目(11QA1406800)

*簡亞婷(1990-)，女，福建龍巖人，碩士生，主要從事供熱供燃氣通風空調專業(yè)應用研究(E-mail: artingjane@gmail.com);

高 軍(1977-)，男，浙江蕭山人，副教授，博士，主要從事室內空氣品質廚房通風技術研究(E-mail: gaojun-hvac@#edu.cn);

肖衛(wèi)民(1973-)，男，湖南益陽人，高級研究員，博士，主要從事分子生物學研究( Email: weimin.xiao@philips.com);

賴新忠(1970-)，男，江西贛州人，主任研究員，博士，主要從事應用化學研究(Email: matt.lai@philips.com);

高艷玲(1978-)，女，吉林人，資深研究員，博士，主要從事食品科學研究(Email:maggie.gao@philips.com).