微型空气质量监测仪的研究

高建民

(天津同阳科技发展有限公司 天津300384)

0 引 言

当今，大气污染的情况仍然不很乐观，大气监测逐渐向精细化监测方向发展。精细化大气监测目前最可行的方案是网格化监测，即在一个监测区域内间隔一定距离或范围设置多个空气质量监测设备，以测量具体的粉尘颗粒浓度和污染气体浓度。一个城市会设置数十到数百个监测点。准确和精细的网格化大气监测可以快速感知和定位污染事件，及时采取控制措施，达到事半功倍的控制和治理效果。从新的大气监测标准到行业专家公开信息来看，网格化、精细化是个大趋势。已经发布的标准有河北的 DB13，主要测量项要求：PM2.5、SO2、NO2、CO、O3等。目前多地采用此类微型站作为突发污染情况的侦测和执法用途，甚至对辖区空气质量进行排名和奖罚。因此，对微型站的稳定性和准确性提出了更高的要求。

目前的微型站均采用光散射颗粒物测量技术进行 PM2.5的监测，采用电化学法对气态污染物进行监测。但是光散射颗粒物监测的准确性离国标法还有较大差距，其长期稳定性和对于不同粒径颗粒物的测量准确性还需要进一步优化和提升。电化学测量气体污染物浓度方面，也存在一些需要改进的问题。电化学传感器对温度、湿度非常敏感，在环境变化较大时，测量准确性受到非常大的影响，误差较大。

本研究是以自动“测-控”为核心的系统。系统分别利用电化学法原理的气体传感器与激光散射原理的颗粒物传感器对 NO2、SO2、CO、O3、PM2.5等被监测物质进行实时监测，同时系统集成气象模块对环境中的温度、湿度等气象参数进行监测，并配备视频监控系统同步监控现场实时环境。

1 设计思路

为了能够全方位监测空气质量情况，微型大气质量监测仪设计为可以测量 PM2.5、SO2、NO2、CO、O3、温度、湿度、气压、风速和风向。微型空气站的应用场合是密集布点安装，因而其设计思路是：小体积、低成本、低功耗和便于安装。每个传感器都采用模块化设计，独立工作，可以单独更换和维修。

颗粒物检测采用光散射技术，技术成熟，体积小，低功耗，维护少，是微型大气监测仪测量PM2.5参数的首选技术。

NO2、SO2、CO 和 O3等气态污染物采用电化学传感器检测技术。响应灵敏，体积小，成本低。

对于温度、湿度、气压、风速和风向采用一体式气象五参传感器，可以降低监测仪的体积。

2 详细设计

2.1 总体设计

图1 系统框图Fig.1 System chart

监测仪系统采用模块化设计，主要由主板、电化学传感器模块、颗粒物传感器模块、气象五参传感器、DTU、报警器、电源以及通讯接口组成。每种传感器都是独立模块，直接输出检测数据。如图 1所示，主板通过 RS485、RS232和 UART通讯接口与各传感器进行通讯。系统的总电源为12V直流电源，12V在主板上转换为可控制的 12V和 5V。气象五参传感器、报警器和DTU采用12V供电，电化学传感器模块和颗粒物模块采用5V供电。主板采集各传感器的数据，并将各监测数据传输给 DTU，通过 4G网络传送给软件平台。软件平台对数据进行存储、显示和分析。平台还可以实现异常监控、统计分析、污染溯源、历史查询等更深入的功能。

2.2 电化学传感器模块

电化学传感器模块是监测仪研究中的最重要部分之一，实现对大气中NO2、SO2、CO、O34种气体浓度的检测。

核心传感器采用进口的三电极电化学传感器。电化学传感器模块由5V进行供电。图2是电化学传感器模块原理图。U3运放组成恒电位电路，连接到电化学传感器的 CE和 RE电极上。有了此恒定电位，电化学传感器可以处于稳定工作状态。当有可检测气体时，气体和电化学传感器产生氧化或还原反应，产生微弱电流，在 WE电极上输出。输出电流的大小和气体的浓度呈线性关系。检测出 WE输出电流的大小即可以运算得出气体的浓度值。运放U2组成跨阻放大和滤波电路，可以将电流信号转换为电压信号，并进行放大和滤波，提高信号信噪比。放大倍数由 R9进行调节，适用于不同的传感器和量程。Q1用于对传感器进行保护。当系统断电时，Q1会将 RE和 WE短路，电化学传感器将处于关断保护状态，不会影响使用寿命。另外，当系统重新通电后，系统可以快速进入工作状态，避免漫长的预热状态时间。R3、R5和R6用于调节电化学传感器的偏置电压。

图2 电化学传感器检测电路Fig.2 Electrochemical sensor detection circuit

2.3 颗粒物传感器

颗粒物传感器可以实现PM2.5颗粒物浓度的检测。

传感器采用激光散射技术，由激光光源系统、气路系统、散射光接收系统和检测电路等组成，激光光源系统包括激光二极管，激光二极管的光路上依次设有聚焦透镜、准直透镜、柱透镜。气路系统包括切割器，气体以一定的流速及流量经过切割器切割后从进气口经过光敏区，然后从出气口经过气体处理系统排出。

散射光接收系统包括反射镜和光电探测器，反射镜对颗粒物的散射光进行反射，并被光电探测器接收，除此之外，探测器接收粒子的直接散射光。

被测气体通过气路进气口经过切割器保留小于等于 2.5μm的颗粒物，控制气体使其一定的流速及流量通过光敏区，当激光照射颗粒物时，入射光会发生散射。用光电探测器接收颗粒物的直接散射光和被反射镜反射的散射光，并将光信号转化为电信号，输出电流值。

根据电流值及探测器的响应度等参数可以进行电信号与光信号的转换，得出散射光强 Is。已知激光二极管功率即可得到入射光强，根据 Mie散射原理中单个粒子散射光强与入射光强、粒子直径的关系，即可求得参与散射的 PM2.5个数。然后再根据 PM2.5的密度和体积，计算得出大气中颗粒物的质量浓度值。

3 实验及数据

空气质量监测仪设计完成后，在室外环境中，与国标法仪器进行了长时间的对比测试，测试结果良好，准确性和稳定性都达到国家标准要求。

对比测试参比仪器采用了国标法中性能较高的Thermofisher的系列仪器。详细仪器型号见表1。

从户外的对比数据(图 3)中可以看出，本文监测仪数据和国标法仪器的相关性非常好，误差也比较小，达到了较高的精度，可以满足日常监测使用。

表1 对比实验参比仪器列表Tab.1 List of comparative experimental reference instruments

图3 实验数据对比Fig.3 Experimental data comparison

4 总 结

本文介绍了一种微型空气质量监测仪，阐述了其主要传感器模块的实现原理和方法。通过户外与国标法仪器的对比实验，该微型空气质量监测仪能够较好地反映空气质量情况，与国标法误差较小，达到了预期的研究目标。当然，微型空气质量监测仪和国标法还存在较大差距，在特殊天气和场合下，还存在误差较大的问题。两者在成本、建设难度和运维频次等方面差距较大。微型监测仪优势是成本低，少维护，适合于密集布点，可以在某些场合代替国标空气站使用。未来，需要针对微型空气质量监测仪的测量精度和稳定性做进一步研究，以提高其应用范围。