張 戟，俞 城

（同濟大學，上海 201804）

2012年中國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局開始實施乘用車內(nèi)空氣質(zhì)量評價指南［1］，其中規(guī)定了車內(nèi)空氣中有機物濃度的要求，包括：苯、甲苯、二甲苯、乙苯、苯乙烯、甲醛、乙醛、丙烯醛，但這些車內(nèi)空氣有機物并不能包含所有的車內(nèi)空氣有毒有害物質(zhì)，顆粒污染物 （PM2.5、PM10）等也是車內(nèi)含量較大的一類有害物質(zhì)。

本文研究對象PM2.5總成傳感器是一種由離心式風扇吸入采樣氣體后，顆粒物經(jīng)過采樣通道中的激光發(fā)射器產(chǎn)生光束照射后，形成散射光線后通過接收端所接收到的光線強度檢測計算出當前氣體中所含有PM2.5顆粒物濃度質(zhì)量。

1 檢測PM2.5顆粒物的影響因素

PM2.5傳感器的工作溫度范圍為-40℃～85℃，由于傳感器中的光學元器件會因為環(huán)境溫度的變化而存在數(shù)值漂移進而產(chǎn)生檢測值偏差，針對此影響需要判斷溫度影響的程度。

從大環(huán)境來說，顆粒物污染源在某一區(qū)域的大氣環(huán)境中分布是均勻的，但從微觀角度來說顆粒物污染源每一個時刻經(jīng)過傳感器光敏區(qū)域時并非都相同，例如前一時間經(jīng)過檢測區(qū)域的顆粒物以0.3～1μm粒徑為主，下一時間則可能為1～2.5μm為主，故PM2.5總成傳感器針對顆粒物濃度采用一段時間的平均值算法，存在短時間的延時性，在外界PM2.5濃度質(zhì)量發(fā)生快速性變化的情況下，實時反映數(shù)值存在一定的遲滯，尤其是在車內(nèi)開啟空氣質(zhì)量凈化模式下，其檢測PM2.5濃度值會滯后，變化速率越大其產(chǎn)生的偏差量也就越大。

2 環(huán)境溫度影響標定臺架搭建

本臺架系統(tǒng)部分參考空氣凈化器的國家GB標準［2］，環(huán)境溫度標定臺架系統(tǒng)主要由步入式溫濕度箱、粒子發(fā)生裝置、攪拌風扇、采樣口及送樣口、空氣過濾器、TSI8530等組成。其中攪拌風扇、空氣過濾器等子系統(tǒng)組成了3立方米實驗艙。

標定氣樣經(jīng)過空氣過濾器過濾后得到潔凈空氣，設(shè)定步入式溫濕度箱達到環(huán)境溫度后，穩(wěn)定運行一段時間直至整個3立方米實驗艙中的溫度穩(wěn)定，通過污染物發(fā)生裝置產(chǎn)生污染源通過采樣口及送樣口送入3立方米實驗艙中，開啟攪拌風扇并打開污染物監(jiān)測裝置 （TSI8530）實時監(jiān)控實驗艙中的顆粒物濃度質(zhì)量，待濃度質(zhì)量穩(wěn)定在1000μg／m3后開始對傳感器進行不同溫度下的檢測濃度標定。由于步入式溫濕度箱要保證整個內(nèi)部環(huán)境的溫度，運行期間處于不停換風狀態(tài)，故整個3立方米實驗艙中的空氣與外部的步入式溫濕度箱中的空氣保證完全隔離狀態(tài)，避免互相干擾。

3 整車內(nèi)部環(huán)境模擬臺架搭建

臺架模擬整車前半身車內(nèi)，其組成包括：模擬乘客艙、鼓風機、新風過濾箱、車載空調(diào)濾芯、煙霧發(fā)生器、煙霧存儲室、回流風扇、采樣口、泄壓閥、數(shù)據(jù)采集儀。在煙霧存儲室由煙霧發(fā)生器燃燒香煙產(chǎn)生PM2.5高濃度顆粒污染物后通過存儲室出口進入模擬乘客艙，回流風扇處于運行中，攪拌艙內(nèi)PM2.5顆粒物使其乘客艙內(nèi)各個點濃度在一個較平均的范圍內(nèi)，PM2.5總成傳感器采樣口模擬整車采樣口，可以安裝在不同位置進行采樣。若不打開新風過濾箱外門，僅開啟鼓風機運行，此時模擬車輛怠速狀態(tài)下內(nèi)循環(huán)模式車內(nèi)顆粒污染物的沉降規(guī)律，若打開新風過濾箱外門，則可模擬車輛怠速狀態(tài)下外循環(huán)模式車內(nèi)的顆粒污染的沉降規(guī)律，主要性能參數(shù)及布置見表1。

表1 整車模擬臺架性能參數(shù)

PM2.5傳感器采樣通道與模擬臺架采樣口進行連接，TSI8530采樣氣管布置在與傳感器采樣口相同位置。對臺架通電運行后，臺架中央的煙霧發(fā)生器會對通過燃燒香煙將顆粒污染物注入至臺架中回流風扇將整個實驗艙高濃度顆粒物擴散至臺架各處，待濃度穩(wěn)定不會出現(xiàn)劇烈波動后，關(guān)閉回流風扇開啟鼓風機與空氣過濾器，鼓風機將空氣過濾器過濾后的潔凈空氣吹入臺架中，調(diào)整鼓風機的轉(zhuǎn)速則可以相對應(yīng)地模擬空調(diào)風量擋位及各個擋位下的空氣凈化效率。若使用模擬外循環(huán)模式，通過外界空氣注入到臺架中，由于臺架有氣密性要求，這種情況下臺架的內(nèi)部氣壓會高于外界氣壓，從而使鼓風機吸風量降低，此時泄壓閥會打開模擬整車乘客艙的泄壓情況來降低內(nèi)部阻力，將多余空氣排出到室外。數(shù)據(jù)采集儀則會在臺架運行時進行實時記錄TSI8530以及車載PM2.5總成傳感器的實時數(shù)據(jù)，對同一時間情況下兩者輸出數(shù)值的偏差程度進行分析。

4 標定修正結(jié)果

以常溫情況 （23℃）為參考基點設(shè)立PM2.5總成傳感器的零偏差位。經(jīng)過標定系數(shù)修正后，平均偏差、最大偏差、最小偏差都在PM2.5總成傳感器的性能要求范圍內(nèi)，平均偏差值控制在-0.46%～0.22%范圍，最大偏差和最小偏差控制在-6.30%～5.22%范圍，反映數(shù)據(jù)離散程度的標準差在標定后與標定前基本無差異，總成傳感器在各低溫環(huán)境情況下其趨勢已接近TSI8530的讀數(shù)變化。

經(jīng)過標定系數(shù)修正后，平均偏差、最大偏差、最小偏差都在PM2.5總成傳感器的性能要求范圍內(nèi)，平均偏差值控制在-0.43%～0.32%范圍，最大偏差和最小偏差控制在-6.56%～6.66%范圍，反映數(shù)據(jù)離散程度的標準差在標定后與標定前基本無差異，總成傳感器在各高溫環(huán)境情況下其趨勢已接近TSI8530的讀數(shù)變化。

在使用整車內(nèi)部環(huán)境模擬臺架進行環(huán)境空氣質(zhì)量凈化速率影響的標定試驗前，預(yù)先制定了臺架的3種凈化效率工作模式：低效凈化模式，中效凈化模式，高效凈化模式。

3種凈化效率模式是結(jié)合某款車型實測的空調(diào)性能以及GB／T 18801-2015空氣凈化器標準制定，根據(jù)標準中的潔凈空氣量CADR計算方法得出空調(diào)的潔凈空氣量后調(diào)試模擬臺架鼓風機轉(zhuǎn)速至相對應(yīng)的凈化效率。

低效凈化模式時，車載PM2.5總成傳感器檢測趨勢與TSI8530一致，并且數(shù)據(jù)基本重合，平均偏差為-3.69%，最大偏差為7.94%。但在中效及高效凈化模式下，車載PM2.5總成傳感器讀數(shù)出現(xiàn)了不同程度的延遲，高效凈化模式下平均偏差在16.71%，最大偏差在27.50%，中效凈化模式下平均偏差為11.50%，最大偏差為17.24%。各個模式下所產(chǎn)生的偏差基本是線性規(guī)律，故可根據(jù)第2章節(jié)的數(shù)學模型進行標定修正。

外循環(huán)情況下，無論任何凈化模式車載PM2.5總成傳感器的讀數(shù)趨勢與TSI8530讀數(shù)趨勢都是一致的。但是第一點總成傳感器存在一定的延遲，第二點從曲線上發(fā)現(xiàn)總成傳感器數(shù)據(jù)變化較平滑，而TSI8530讀數(shù)時常跳變，根據(jù)此現(xiàn)象分析原因為外界空氣進入到臺架內(nèi)部后擾亂了內(nèi)部空氣的均勻度，總成傳感器采集數(shù)據(jù)后是以一段時間的平均值做緩沖平滑處理使其不會出現(xiàn)驟降和驟升等現(xiàn)象，而TSI8530檢測儀器其為每秒實時檢測，故一旦出現(xiàn)濃度不均勻的情況時讀數(shù)會產(chǎn)生跳變。低效凈化模式下平均偏差為15.78%，最大偏差為46.43%。高效凈化模式下平均偏差在29.44%，最大偏差在90.16%，中效凈化模式下平均偏差為26.74%，最大偏差為70.54%。

通過標定系數(shù)修正后，內(nèi)循環(huán)模式下PM2.5總成傳感器讀數(shù)基本與TSI8530讀數(shù)保持一致。低效凈化速率模式下讀數(shù)平均偏差1.07%，最大偏差為8.01%，中效凈化速率模式下平均偏差為3.46%，最大偏差為9.87%，高效凈化速率模式下平均偏差5.51%，最大偏差為11.10%。

通過標定系數(shù)修正后，外循環(huán)模式下PM2.5總成傳感器讀數(shù)基本與TSI8530讀數(shù)保持一致，由于外循環(huán)引入了外界空氣這一影響因子導致檢測區(qū)域內(nèi)的顆粒物濃度質(zhì)量存在不均勻性，故TSI8530檢測數(shù)值存在區(qū)域波動。

針對此類情況下最大偏差量僅作為參考依據(jù)，通過控制平均偏差量來抑制大范圍數(shù)據(jù)的漂移。低效凈化速率模式下讀數(shù)平均偏差-2.07%，最大偏差為37.70%，中效凈化速率模式下平均偏差為-4.58%，最大偏差為-29.49%，高效凈化速率模式下平均偏差3.47%，最大偏差為20.39%。

5 主要結(jié)論

通過參考國標建立了以環(huán)境溫度標定為主的環(huán)境試驗臺架以及以空氣污染物凈化速率為主的模擬整車乘客艙標定臺架。通過低溫標定修正后，使其PM2.5傳感器在低溫檢測結(jié)果上也能滿足整體性能要求。通過高溫標定修正后，使其PM2.5傳感器在高溫檢測結(jié)果上也能滿足整體性能要求。獲得了環(huán)境凈化速率對PM2.5總成傳感器檢測的影響規(guī)律：在模擬內(nèi)循環(huán)情況下隨著凈化速率的提高，總成傳感器當前實時檢測值會發(fā)生延遲，最大的延遲影響程度會達到約20%左右。通過標定后能夠滿足傳感器的性能要求。

6 展望

目前總成傳感器用于標定的顆粒物污染物為香煙燃燒成分，粉塵源成分較單一，并不能代表中國所有地域或其他國家的塵源。

由于對檢測范圍進行了分段標定系數(shù)修正，并且車輛運行在不同工況下標定系數(shù)也不一致，故檢測值從一段范圍區(qū)間變化到另一區(qū)間亦或是車輛工況模式變化時，由于標定系數(shù)的不同，修正后的檢測數(shù)值會有較明顯跳變，目前優(yōu)化后若明顯觀察數(shù)據(jù)還是會有毛刺類型的數(shù)據(jù)產(chǎn)生，需要優(yōu)化工況變化時所帶來數(shù)據(jù)跳變的影響。