气体流速对PM2.5浓度实时测量值的影响

徐雪娇，贺 庆，宋言明，王 宏

(北京信息科技大学仪器科学与光电工程学院，北京 100016)

0 引言

PM2.5因其粒径小，可深入到支气管和肺泡，对人体健康产生严重危害，近年来引起广泛关注[1-3]。目前，空气净化器PM2.5检测仪多采用基于激光散射原理的颗粒物检测仪。

激光散射法PM2.5浓度检测仪的测量精度受很多因素的影响，如湿度，粉尘颗粒粒度等。2017年1月，况彩菱对相对湿度对室内PM2.5测量值的影响进行了研究[4-6]。其试验结果表明：当前PM2.5浓度越高，相对湿度对PM2.5实时测量值的干扰越敏感[7-9]。本试验依据激光散射法PM2.5浓度检测仪检测原理，利用气泵把气体抽进散射腔的方法，研究气体流速对PM2.5浓度检测结果的影响[10-12]。试验证明了不同的气体流速对颗粒物浓度的测量结果有影响，表明检测仪气路系统的研究对于准确测量PM2.5浓度和评价PM2.5污染状况具有重要的现实意义[13]。

1 试验原理

激光散射法PM2.5浓度测量原理如图1所示。激光散射颗粒物检测仪通过气泵将待测气溶胶吸入检测舱，作为待测样品。激光二极管发出的激光，通过透镜组被转换成平行光束；光束照射在流经检测舱的待测气溶胶时发生散射；散射光汇聚到光电探测器，被光电探测器接收产生电信号。该电信号正比于气溶胶的质量浓度。

图1 测量原理图

通过特定浓度的气溶胶，可以建立质量浓度与电信号强度之间的关系。其公式[14]为：

(1)

式中：l为散射颗粒与观察点距离；k为颗粒物比重；V为空气体积；λ为入射光波长；I0为入射光强度；I为出射光强度；i1和i2为散射光强垂直和水平分量；i1(θ)和i2(θ)为光强函数；nl(di)为粉尘的归一化频率分布函数；d为粒径。

通过在不同PM2.5浓度下，改变测量系统中气体的流速，可观察测量数据的相应变化，得到气体流速对于PM2.5浓度测量结果的影响规律，从而作为后续设计的补偿依据。

2 试验设计

为了避免外界因素的干扰，本研究设计了如图2所示的试验装置。该装置总长2 m，高度0.8 m。材质选用有机玻璃，强度较大，耐腐蚀，有较好的透明性和化学稳定性，便于观察记录测量仪器数据。以香烟烟雾作为大气真实PM2.5的模拟物，经过滤网后注入密闭的环境舱内；打开风扇，使空气中颗粒物浓度均匀；打开PM2.5检测仪，对其环境的颗粒物浓度进行实时读数。

图2 试验装置示意图

本试验装置使用SS2325可跟踪直流稳定电源，控制气泵的气体流速，输出电压范围为0～32 V；通过控制气泵电压来控制气泵转速，从而达到控制气体流速的目的。本试验所采用的PM2.5检测仪，是以658 nm激光为光源的光散射式实时检测仪。该检测仪检测灵敏度为0.001 mg/m3，测量范围为0.001～0.999 mg/m3，允许误差为±10%，重复性误差≤2%。对气体流速的测量使用顺来达微机电系统(microelectro mechanical system,MEMS)气体流量计，量程范围为0～10 L/min，分辨率为0.015 L/min(标况)，精度为±(2.0+0.5%FS)。

在环境舱外，采用直流稳定电源给直流气泵提供不同的电压，控制气泵产生不同的气体流速。电压与气泵气体流速的对应关系如表1所示。同时，打开PM2.5检测仪，记录PM2.5测量值随气体流速的变化情况。

表1 电压-流速关系表

参照《空气净化器去除PM2.5检测方法技术规范》，本研究设置气泵的气体流速为0、0.21 L/min、0.50 L/min、0.65 L/min、0.94 L/min、1.00 L/min、1.18 L/min、1.32 L/min、1.55 L/min。首先，当PM2.5浓度为0 μg/m3时，在以上流速下分别测量散射光强度；其次，在室内自然环境PM2.5浓度为30 μg/m3条件下，测量不同流速的散射光强度；最后，使用香烟作为PM2.5发生源，在环境舱内点燃香烟，增加PM2.5浓度，待PM2.5分别稳定在50 μg/m3、200 μg/m3、300 μg/m3时，记录PM2.5测量值随气体流速的变化，并分析变化规律。

3 试验结果与分析

不同颗粒物浓度下，气体流速对PM2.5浓度测量值的影响曲线如图3所示。

图3 气体流速对PM2.5测量值的影响曲线

由图3可知，当颗粒物浓度为0时，气体流速对PM2.5实时测量值影响很小。随着颗粒物浓度的增加，分三阶段考察不同环境气体流速范围对PM2.5测量值的影响。第一阶段，气体流速从0 L/min上升到0.5 L/min。此时，气体流速的变动对测量值有显著影响，在各个颗粒物浓度下，测量值随气体流速的变化都呈现先上升后下降的趋势。第二阶段，气体流速从0.5 L/min上升到1.18 L/min。此时，各颗粒物浓度下，PM2.5测量值基本恒定。第三阶段，气体流速从1.18 L/min上升到1.55 L/min。此时，不同颗粒物浓度下，PM2.5测量值都被呈单调上升趋势。这一结果表明:气体流速对PM2.5的实时测量值是有影响的，并且当前颗粒物浓度越高，影响效果越明显。这主要是由于，当颗粒物浓度和气体流速较高时，空气中大量气溶胶粒子相互吸附，导致待测气溶胶粒径增大。根据Mie散射原理可知，粒子的散射光强度随粒径的增大呈递增趋势，于是PM2.5检测值随气体流速的增大而升高。当气体流速较低时，影响因素较复杂，需另作试验。通过试验可知，气体流速在0.8 L/min左右时，测得的原始值比较稳定。这为选择气泵的工作转速提供了可靠依据。

气泵在高速(≈1.55 L/min)和低速(≈0 L/min)时，在颗粒物浓度分别从高到低和从低到高变化情况下，对PM2.5浓度测量值的影响曲线如图4所示。

图4 颗粒物浓度对PM2.5测量值的影响曲线

由图4可以看出，高气体流速时，颗粒物浓度无论从高到低还是从低到高，测量值拟合曲线基本重合。颗粒物浓度P=-145.413 27+0.358 64×原始值r，拟合度R2=0.997。低气体流速时，颗粒物浓度从高到低与从低到高变化，两条曲线轨迹不一致，无法准确判断某一光强值下颗粒物的准确浓度。由此可见，气体流速对颗粒物检测仪测量精确度的影响不容忽视，选择合适的气体流速对提高检测仪的测量精度具有十分重要的意义。

4 结束语

本文主要通过改变检测样本气体流速的方法，研究在不同初始PM2.5浓度环境下，气体流速对PM2.5浓度实时测量值的影响。试验结果表明：在高PM2.5浓度的环境条件下，气体流速的变化对PM2.5浓度测量值有显著影响；高气体流速时，较小颗粒物易于吸附在较大颗粒物上，颗粒物平均粒径增加，从而使颗粒物对光的散射能力增强，导致仪器的实时测量值增大。因此，在激光散射式PM2.5浓度检测仪中，稳定气体流速对于检测结果的准确性具有重要意义。