吳 丹， 張國城， 趙曉寧， 趙紅達(dá)， 呂 超， 劉晨照， 李晶晶

(北京市計(jì)量檢測科學(xué)研究院，北京 100029)

1 引 言

當(dāng)前實(shí)施的環(huán)境空氣質(zhì)量國控點(diǎn)監(jiān)測系統(tǒng)采用大型環(huán)境空氣監(jiān)測站，其單點(diǎn)檢測成本高達(dá)上百萬，布點(diǎn)數(shù)量有限，以點(diǎn)代面的方法導(dǎo)致時(shí)效性不足，達(dá)不到精細(xì)化管控的目標(biāo)。光散射顆粒物傳感器[1，2]具有體積小、可瞬時(shí)檢測、價(jià)格低廉等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用到大氣環(huán)境網(wǎng)格化監(jiān)測中。然而，由于其結(jié)構(gòu)簡單，體積小，缺乏自清潔功能，容易在光路接收器和氣流轉(zhuǎn)彎處積灰，在遇到如沙塵暴、高揚(yáng)灰施工現(xiàn)場等極端顆粒物環(huán)境濃度條件下，可能影響其測量準(zhǔn)確性[3，4],但尚無標(biāo)準(zhǔn)涉及相關(guān)檢測。

目前一些研究者針對該類低成本顆粒物傳感器的檢測限、線性響應(yīng)、準(zhǔn)確性、重復(fù)性等方面進(jìn)行了測試[5～10]。Wang Y等[5]研究了3種光散射顆粒物傳感器，發(fā)現(xiàn)在0～1 000 μg/m3(質(zhì)量濃度，以下簡稱濃度)內(nèi)線性響應(yīng)較好，R2(線性相關(guān)性)均大于0.891 4；Zamora等[6]發(fā)現(xiàn)3類攀藤傳感器在監(jiān)測不同塵源類型時(shí)，R2值對所有來源均大于0.86，但與參考儀器相比，其準(zhǔn)確性約為13%～90%。

上述研究是針對顆粒物性質(zhì)、環(huán)境因素等對低成本光散射顆粒物與參比儀器的線性響應(yīng)和準(zhǔn)確性的影響；然而，環(huán)境突發(fā)變化和長期超高濃度環(huán)境中使用時(shí)，傳感器性能的穩(wěn)定性才是檢驗(yàn)傳感器在實(shí)際使用中監(jiān)測數(shù)據(jù)可靠性的關(guān)鍵，目前尚未見有關(guān)報(bào)道。此外，不少廠家為了進(jìn)一步降低成本，將家用型(檢測量程：0～1 000 μg/m3)的光散射傳感器應(yīng)用在揚(yáng)塵監(jiān)測系統(tǒng)中，為了達(dá)到《粉塵濃度測量儀型式評價(jià)大綱》等[11，12]檢測量程0～10 mg/m3的要求，將校準(zhǔn)系數(shù)增大數(shù)10倍，檢測其實(shí)際應(yīng)用，往往不能完全適用于現(xiàn)場使用。

因此，為了對低成本光散射顆粒物傳感器應(yīng)對突發(fā)環(huán)境變化和極端環(huán)境使用下的性能穩(wěn)定性進(jìn)行檢測，本文采用遠(yuǎn)超環(huán)境濃度的粉塵濃度進(jìn)行傳感器的淹沒實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行了多輪濃度交替實(shí)驗(yàn)，模擬極端環(huán)境濃度條件下對低成本光散射顆粒物傳感器的性能進(jìn)行評價(jià)。

2 材料與裝置

2.1 顆粒物表征儀表

以LPM1000型數(shù)字粉塵測量儀作為參考粉塵儀，測量范圍0.00～50.00 mg/m3。低成本顆粒物傳感器選取了廣泛應(yīng)用的4個(gè)廠家(其代稱分別為PT，NF，SF，YT)的4款產(chǎn)品，；另有市場占有率比較高、品牌比較長久的LL的中端產(chǎn)品作為對比，詳細(xì)產(chǎn)品信息見表1所示。其中YT傳感器在測試前經(jīng)二次校準(zhǔn)，測量范圍擴(kuò)大到適用于0～10 mg/m3。

此外，考慮到現(xiàn)有傳感器的粒徑識別功能的不完善，本文中所有研究數(shù)據(jù)均為傳感器能測量的最大粒徑范圍，即PM10的實(shí)際測量數(shù)據(jù)，不考慮PM2.5和PM1.0的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

2.2 發(fā)塵裝置

發(fā)塵裝置采用某廠家LYFJ-50低濃度粉塵儀檢定裝置，發(fā)塵范圍0～50 mg/m3，粉塵類型為煤粉[3]。結(jié)構(gòu)主要包括4個(gè)部分[13，14]：發(fā)塵裝置、擴(kuò)散艙、混勻艙、檢測艙，見圖1所示。

圖1 LYFJ-50低濃度粉塵儀檢定裝置Fig.1 LYFJ-50 low concentration dust instrument verification device

3 測試方法

3.1 參考粉塵儀校準(zhǔn)

根據(jù)JJG 846—2015中要求，針對低濃度(≤10 mg/m3)粉塵測量儀的檢定可采取與參考粉塵儀比對的方法。利用稱重法對LPM1000型數(shù)字粉塵測量儀進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)結(jié)果顯示：測量范圍為0～50.0 mg/m3的LPM1000型數(shù)字粉塵測量儀，最大允許誤差±5%，示值重復(fù)性≤3%，可滿足作為參考粉塵儀的要求。

表1 低成本光散射顆粒物傳感器及監(jiān)測儀相關(guān)信息Tab.1 Information about low cost light scattering particle sensors and monitors

3.2 平行性測定

根據(jù)HJ 653—2013標(biāo)準(zhǔn)，在同一試驗(yàn)環(huán)境條件下，對3臺同一型號傳感器進(jìn)行平行性測試。測試樣品遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于10組，記錄每個(gè)傳感器的PM10測量值，計(jì)算3臺傳感器測試結(jié)果的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差：

(1)

計(jì)算3臺傳感器的平行性：

(2)

式中：P為儀器平行性；n為數(shù)據(jù)組個(gè)數(shù)。

3.2 高濃度淹沒實(shí)驗(yàn)方法

高濃度淹沒實(shí)驗(yàn)的目的是為了評價(jià)傳感器在遇到突發(fā)環(huán)境濃度變化時(shí)(如沙塵暴、北方起大風(fēng)等)，以及長期處于較高濃度且顆粒物粒徑較大的環(huán)境監(jiān)測時(shí)，對顆粒物濃度監(jiān)測傳感器性能的影響。被測光散射顆粒物傳感器均為出廠狀態(tài)，未針對煤粉進(jìn)行針對性校準(zhǔn)，隨后對其線性響應(yīng)進(jìn)行評價(jià)。由于所有傳感器均為戶外使用，且使用于揚(yáng)塵在線監(jiān)測系統(tǒng)中，因此，測試量程依據(jù)粉塵儀型式評價(jià)大綱選取0～10 mg/m3。

圖2 高濃度淹沒實(shí)驗(yàn)示意圖Fig.2 Schematic diagram of high concentration flooding experiment

圖2為高濃度淹沒實(shí)驗(yàn)示意圖，實(shí)驗(yàn)共分為3個(gè)階段：第一階段對所有被測光散射顆粒物傳感器進(jìn)行初始測定，測量濃度范圍，濃度檢測點(diǎn)分別為測量量程的20%，50%，80%濃度點(diǎn)附近；第二階段，對所有被測光散射顆粒物傳感器進(jìn)行2輪濃度交替實(shí)驗(yàn)，即發(fā)塵濃度從2 mg/m3→5 mg/m3→8 mg/m3→5 mg/m3→2 mg/m3，對傳感器濃度變化梯度進(jìn)行1輪完整測試；在第三階段實(shí)驗(yàn)開始前，發(fā)生滿量程濃度(10 mg/m3)粉塵，維持30 min，讓所有被測光散射顆粒物傳感器連續(xù)采樣；第三階段在完成高濃度淹沒實(shí)驗(yàn)后，對所有被測光散射顆粒物傳感器進(jìn)行4輪濃度交替實(shí)驗(yàn)。

高濃度淹沒實(shí)驗(yàn)過程中，對被測光散射顆粒物傳感器PM10測量值與參比粉塵儀的線性相關(guān)性、零點(diǎn)漂移和平行性進(jìn)行測定。其中，線性相關(guān)性和平行性檢測貫穿于所有階段，零點(diǎn)檢測分布在每一階段結(jié)束后。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 被測光散射顆粒物傳感器線性分析

高濃度淹沒實(shí)驗(yàn)前，對被測光散射顆粒物傳感器進(jìn)行了檢測，與參比粉塵儀進(jìn)行線性相關(guān)性比較，檢測結(jié)果見圖3。

圖3 高濃度淹沒實(shí)驗(yàn)前傳感器與參比值的線性Fig.3 Linearity of sensors and reference before high concentration submergence experiment

由圖3可知：4種低成本顆粒物傳感器和中端粉塵測量儀與參比粉塵儀的測量結(jié)果均成線性。R2的數(shù)值從大到小依次是LL(0.998 98)>YT(0.983 62)>PT(0.965 55)>SF(0.962 38)>NF(0.893 86)>0.89，結(jié)果表明所有傳感器在正常使用情況下，與參比粉塵儀線性相關(guān)性較高；經(jīng)校準(zhǔn)后，測量準(zhǔn)確性也較高[11]。

4.2 高濃度淹沒實(shí)驗(yàn)結(jié)果

高濃度淹沒實(shí)驗(yàn)3個(gè)階段實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖4所示。第一階段所有傳感器和監(jiān)測儀的測量值與參比粉塵儀的線性均較好，與圖3一致；第二階段1個(gè)濃度交替循環(huán)實(shí)驗(yàn)中，傳感器和監(jiān)測儀均在正常使用的情況下，其監(jiān)測結(jié)果基本與參比粉塵儀的線性較好，其中NF傳感器的檢測結(jié)果在濃度上升階段出現(xiàn)了偏差，但依舊能夠隨著發(fā)塵濃度的降低而降低。

圖4 高濃度淹沒實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖Fig.4 Results of high concentration inundation experiment

在進(jìn)入第三階段前，進(jìn)行了為期30 min的 10 mg/m3的高濃度淹沒實(shí)驗(yàn)，結(jié)束后進(jìn)行了2輪濃度交替實(shí)驗(yàn)。檢測結(jié)果顯示，PT、SF傳感器和LL監(jiān)測儀與參比線性依舊較好，且不同濃度點(diǎn)的測量值均保持在一個(gè)相對穩(wěn)定的狀態(tài)，即這兩類傳感器和監(jiān)測儀不受高濃度淹沒實(shí)驗(yàn)的影響，性能保持較好。但YT和NF這兩款傳感器則在高濃度淹沒試驗(yàn)后出現(xiàn)了測量值的波動(dòng)，其中，YT傳感器測量濃度明顯偏高，且在濃度從高到低循環(huán)時(shí)，其測量值降低出現(xiàn)了明顯的延遲甚至降不下來；NF傳感器的測量值也同樣出現(xiàn)了濃度延遲變化的現(xiàn)象，且出現(xiàn)了一高一低的濃度變化情況，基本不隨外界濃度變化而發(fā)生變化。

4.3 平行性結(jié)果

對于高濃度淹沒實(shí)驗(yàn)結(jié)束前、后表現(xiàn)相對較好的PT和SF兩款傳感器的平行性進(jìn)行了檢測，檢測結(jié)果見圖5。在高濃度淹沒實(shí)驗(yàn)前(即第一、二階段實(shí)驗(yàn))，PT和SF傳感器平行性結(jié)果分別為18.9%和7.6%；在高濃度淹沒實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，PT和SF傳感器平行性結(jié)果分別為16.3%和5.6%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在傳感器本身性能較好的情況下，同一型號傳感器平行性的測量結(jié)果受到高濃度淹沒實(shí)驗(yàn)的影響較小。

圖5 PT和SF傳感器的平行性Fig.5 Parallelism of PT and SF sensors

4.4 零點(diǎn)漂移

通過在3個(gè)不同階段實(shí)驗(yàn)結(jié)束后對儀器零點(diǎn)進(jìn)行測量，結(jié)果見圖6所示。測量結(jié)果表明PT、SF、LL三款傳感器的零點(diǎn)在3次測量過程中并沒有發(fā)生漂移，而NF和YT的零點(diǎn)測量結(jié)果則隨著測量次數(shù)的增多發(fā)生了漂移。

圖6 3次零點(diǎn)測量變化情況Fig.6 Changes of 3 times in zero point measurement

4.5 結(jié)果分析

不同廠家傳感器在未進(jìn)行高濃度淹沒實(shí)驗(yàn)前，依據(jù)與參比儀器的線性響應(yīng)來說，性能狀況均較好，說明廠家傳感器在出廠后性能較好；即使是在超量程使用狀態(tài)下，監(jiān)測數(shù)據(jù)與參比儀器也有較高的相關(guān)性，能通過校準(zhǔn)適用于戶外測量。但在高濃度淹沒實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，YT和NF傳感器與參比儀器監(jiān)測數(shù)據(jù)相關(guān)性較差，相對應(yīng)的，這兩類傳感器的零點(diǎn)測量值也在不同實(shí)驗(yàn)階段發(fā)生了漂移；而性能相對穩(wěn)定的PT、SF和LL傳感器的零點(diǎn)則沒有發(fā)生漂移，且高濃度淹沒實(shí)驗(yàn)前后與參比儀器均具有較好的線性響應(yīng)。傳感器在經(jīng)歷高濃度淹沒實(shí)驗(yàn)后，極高濃度的粉塵會累積在傳感器內(nèi)部，或部分沉積在光接收器表面，即使在相對清潔的環(huán)境中進(jìn)行零點(diǎn)測量時(shí)，也會由于氣流攜帶積塵或光接收器污染降低零點(diǎn)校準(zhǔn)的有效性，利用已經(jīng)發(fā)生漂移的零點(diǎn)對測量值進(jìn)行修正，則會導(dǎo)致傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)相對于實(shí)際值偏大，影響測量準(zhǔn)確性。

此外，本實(shí)驗(yàn)中使用的傳感器，除SF以外，監(jiān)測量程均為0～1 000 μg/m3，其中YT傳感器則是通過改變校準(zhǔn)系數(shù)來擴(kuò)大其濃度測量范圍的。儀器廠家為了擴(kuò)大傳感器的量程適用范圍，對傳感器進(jìn)行二次校準(zhǔn)時(shí)會受到傳感器初始校準(zhǔn)數(shù)學(xué)模型的影響，可能會造成傳感器的線性響應(yīng)問題。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，超量程使用傳感器會給傳感器后期監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性造成隱患。因而，有必要在型式評價(jià)實(shí)驗(yàn)等質(zhì)量把關(guān)環(huán)節(jié)增加傳感器對極端環(huán)境條件下性能的考察。

5 結(jié) 論

目前粉塵儀性能測試的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)則，未涉及到特殊應(yīng)用場景和極端氣候條件下的性能測試。低成本傳感器因其價(jià)格、體積優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于包括揚(yáng)塵在線監(jiān)測儀等的綜合性監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)，直接參與我國生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)。但目前對于低成本光散射顆粒物傳感器評價(jià)方法和標(biāo)準(zhǔn)的缺失，導(dǎo)致家用型傳感器在工業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)中的濫用。有必要制定針對性光散射顆粒物傳感器的測試方法和規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)[15]。本文通過高濃度淹沒實(shí)驗(yàn)，模擬突發(fā)環(huán)境變化和極端環(huán)境使用場景，對顆粒物傳感器的線性響應(yīng)、平行性和零點(diǎn)漂移進(jìn)行了檢測，采用該試驗(yàn)方法，可在一定程度上對性能存在較大問題的顆粒物傳感器進(jìn)行篩查，達(dá)到市場應(yīng)用前檢測的目的。