气体流速对PM2.5浓度实时测量值的影响
2019-05-16徐雪娇宋言明
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。