极端颗粒物浓度环境对低成本光散射颗粒物传感器性能影响

吴 丹， 张国城， 赵晓宁， 赵红达， 吕 超， 刘晨照， 李晶晶

(北京市计量检测科学研究院，北京 100029)

1 引 言

当前实施的环境空气质量国控点监测系统采用大型环境空气监测站，其单点检测成本高达上百万，布点数量有限，以点代面的方法导致时效性不足，达不到精细化管控的目标。光散射颗粒物传感器[1，2]具有体积小、可瞬时检测、价格低廉等优势，被广泛应用到大气环境网格化监测中。然而，由于其结构简单，体积小，缺乏自清洁功能，容易在光路接收器和气流转弯处积灰，在遇到如沙尘暴、高扬灰施工现场等极端颗粒物环境浓度条件下，可能影响其测量准确性[3，4],但尚无标准涉及相关检测。

目前一些研究者针对该类低成本颗粒物传感器的检测限、线性响应、准确性、重复性等方面进行了测试[5～10]。Wang Y等[5]研究了3种光散射颗粒物传感器，发现在0～1 000 μg/m3(质量浓度，以下简称浓度)内线性响应较好，R2(线性相关性)均大于0.891 4；Zamora等[6]发现3类攀藤传感器在监测不同尘源类型时，R2值对所有来源均大于0.86，但与参考仪器相比，其准确性约为13%～90%。

上述研究是针对颗粒物性质、环境因素等对低成本光散射颗粒物与参比仪器的线性响应和准确性的影响；然而，环境突发变化和长期超高浓度环境中使用时，传感器性能的稳定性才是检验传感器在实际使用中监测数据可靠性的关键，目前尚未见有关报道。此外，不少厂家为了进一步降低成本，将家用型(检测量程：0～1 000 μg/m3)的光散射传感器应用在扬尘监测系统中，为了达到《粉尘浓度测量仪型式评价大纲》等[11，12]检测量程0～10 mg/m3的要求，将校准系数增大数10倍，检测其实际应用，往往不能完全适用于现场使用。

因此，为了对低成本光散射颗粒物传感器应对突发环境变化和极端环境使用下的性能稳定性进行检测，本文采用远超环境浓度的粉尘浓度进行传感器的淹没实验，并进行了多轮浓度交替实验，模拟极端环境浓度条件下对低成本光散射颗粒物传感器的性能进行评价。

2 材料与装置

2.1 颗粒物表征仪表

以LPM1000型数字粉尘测量仪作为参考粉尘仪，测量范围0.00～50.00 mg/m3。低成本颗粒物传感器选取了广泛应用的4个厂家(其代称分别为PT，NF，SF，YT)的4款产品，；另有市场占有率比较高、品牌比较长久的LL的中端产品作为对比，详细产品信息见表1所示。其中YT传感器在测试前经二次校准，测量范围扩大到适用于0～10 mg/m3。

此外，考虑到现有传感器的粒径识别功能的不完善，本文中所有研究数据均为传感器能测量的最大粒径范围，即PM10的实际测量数据，不考虑PM2.5和PM1.0的监测数据。

2.2 发尘装置

发尘装置采用某厂家LYFJ-50低浓度粉尘仪检定装置，发尘范围0～50 mg/m3，粉尘类型为煤粉[3]。结构主要包括4个部分[13，14]：发尘装置、扩散舱、混匀舱、检测舱，见图1所示。

图1 LYFJ-50低浓度粉尘仪检定装置Fig.1 LYFJ-50 low concentration dust instrument verification device

3 测试方法

3.1 参考粉尘仪校准

根据JJG 846—2015中要求，针对低浓度(≤10 mg/m3)粉尘测量仪的检定可采取与参考粉尘仪比对的方法。利用称重法对LPM1000型数字粉尘测量仪进行校准。校准结果显示：测量范围为0～50.0 mg/m3的LPM1000型数字粉尘测量仪，最大允许误差±5%，示值重复性≤3%，可满足作为参考粉尘仪的要求。

表1 低成本光散射颗粒物传感器及监测仪相关信息Tab.1 Information about low cost light scattering particle sensors and monitors

3.2 平行性测定

根据HJ 653—2013标准，在同一试验环境条件下，对3台同一型号传感器进行平行性测试。测试样品远远大于10组，记录每个传感器的PM10测量值，计算3台传感器测试结果的相对标准偏差：

(1)

计算3台传感器的平行性：

(2)

式中：P为仪器平行性；n为数据组个数。

3.2 高浓度淹没实验方法

高浓度淹没实验的目的是为了评价传感器在遇到突发环境浓度变化时(如沙尘暴、北方起大风等)，以及长期处于较高浓度且颗粒物粒径较大的环境监测时，对颗粒物浓度监测传感器性能的影响。被测光散射颗粒物传感器均为出厂状态，未针对煤粉进行针对性校准，随后对其线性响应进行评价。由于所有传感器均为户外使用，且使用于扬尘在线监测系统中，因此，测试量程依据粉尘仪型式评价大纲选取0～10 mg/m3。

图2 高浓度淹没实验示意图Fig.2 Schematic diagram of high concentration flooding experiment

图2为高浓度淹没实验示意图，实验共分为3个阶段：第一阶段对所有被测光散射颗粒物传感器进行初始测定，测量浓度范围，浓度检测点分别为测量量程的20%，50%，80%浓度点附近；第二阶段，对所有被测光散射颗粒物传感器进行2轮浓度交替实验，即发尘浓度从2 mg/m3→5 mg/m3→8 mg/m3→5 mg/m3→2 mg/m3，对传感器浓度变化梯度进行1轮完整测试；在第三阶段实验开始前，发生满量程浓度(10 mg/m3)粉尘，维持30 min，让所有被测光散射颗粒物传感器连续采样；第三阶段在完成高浓度淹没实验后，对所有被测光散射颗粒物传感器进行4轮浓度交替实验。

高浓度淹没实验过程中，对被测光散射颗粒物传感器PM10测量值与参比粉尘仪的线性相关性、零点漂移和平行性进行测定。其中，线性相关性和平行性检测贯穿于所有阶段，零点检测分布在每一阶段结束后。

4 实验结果及分析

4.1 被测光散射颗粒物传感器线性分析

高浓度淹没实验前，对被测光散射颗粒物传感器进行了检测，与参比粉尘仪进行线性相关性比较，检测结果见图3。

图3 高浓度淹没实验前传感器与参比值的线性Fig.3 Linearity of sensors and reference before high concentration submergence experiment

由图3可知：4种低成本颗粒物传感器和中端粉尘测量仪与参比粉尘仪的测量结果均成线性。R2的数值从大到小依次是LL(0.998 98)>YT(0.983 62)>PT(0.965 55)>SF(0.962 38)>NF(0.893 86)>0.89，结果表明所有传感器在正常使用情况下，与参比粉尘仪线性相关性较高；经校准后，测量准确性也较高[11]。

4.2 高浓度淹没实验结果

高浓度淹没实验3个阶段实验结果见图4所示。第一阶段所有传感器和监测仪的测量值与参比粉尘仪的线性均较好，与图3一致；第二阶段1个浓度交替循环实验中，传感器和监测仪均在正常使用的情况下，其监测结果基本与参比粉尘仪的线性较好，其中NF传感器的检测结果在浓度上升阶段出现了偏差，但依旧能够随着发尘浓度的降低而降低。

图4 高浓度淹没实验结果图Fig.4 Results of high concentration inundation experiment

在进入第三阶段前，进行了为期30 min的 10 mg/m3的高浓度淹没实验，结束后进行了2轮浓度交替实验。检测结果显示，PT、SF传感器和LL监测仪与参比线性依旧较好，且不同浓度点的测量值均保持在一个相对稳定的状态，即这两类传感器和监测仪不受高浓度淹没实验的影响，性能保持较好。但YT和NF这两款传感器则在高浓度淹没试验后出现了测量值的波动，其中，YT传感器测量浓度明显偏高，且在浓度从高到低循环时，其测量值降低出现了明显的延迟甚至降不下来；NF传感器的测量值也同样出现了浓度延迟变化的现象，且出现了一高一低的浓度变化情况，基本不随外界浓度变化而发生变化。

4.3 平行性结果

对于高浓度淹没实验结束前、后表现相对较好的PT和SF两款传感器的平行性进行了检测，检测结果见图5。在高浓度淹没实验前(即第一、二阶段实验)，PT和SF传感器平行性结果分别为18.9%和7.6%；在高浓度淹没实验结束后，PT和SF传感器平行性结果分别为16.3%和5.6%。实验结果表明，在传感器本身性能较好的情况下，同一型号传感器平行性的测量结果受到高浓度淹没实验的影响较小。

图5 PT和SF传感器的平行性Fig.5 Parallelism of PT and SF sensors

4.4 零点漂移

通过在3个不同阶段实验结束后对仪器零点进行测量，结果见图6所示。测量结果表明PT、SF、LL三款传感器的零点在3次测量过程中并没有发生漂移，而NF和YT的零点测量结果则随着测量次数的增多发生了漂移。

图6 3次零点测量变化情况Fig.6 Changes of 3 times in zero point measurement

4.5 结果分析

不同厂家传感器在未进行高浓度淹没实验前，依据与参比仪器的线性响应来说，性能状况均较好，说明厂家传感器在出厂后性能较好；即使是在超量程使用状态下，监测数据与参比仪器也有较高的相关性，能通过校准适用于户外测量。但在高浓度淹没实验结束后，YT和NF传感器与参比仪器监测数据相关性较差，相对应的，这两类传感器的零点测量值也在不同实验阶段发生了漂移；而性能相对稳定的PT、SF和LL传感器的零点则没有发生漂移，且高浓度淹没实验前后与参比仪器均具有较好的线性响应。传感器在经历高浓度淹没实验后，极高浓度的粉尘会累积在传感器内部，或部分沉积在光接收器表面，即使在相对清洁的环境中进行零点测量时，也会由于气流携带积尘或光接收器污染降低零点校准的有效性，利用已经发生漂移的零点对测量值进行修正，则会导致传感器监测数据相对于实际值偏大，影响测量准确性。

此外，本实验中使用的传感器，除SF以外，监测量程均为0～1 000 μg/m3，其中YT传感器则是通过改变校准系数来扩大其浓度测量范围的。仪器厂家为了扩大传感器的量程适用范围，对传感器进行二次校准时会受到传感器初始校准数学模型的影响，可能会造成传感器的线性响应问题。由实验结果来看，超量程使用传感器会给传感器后期监测数据准确性造成隐患。因而，有必要在型式评价实验等质量把关环节增加传感器对极端环境条件下性能的考察。

5 结 论

目前粉尘仪性能测试的相关标准和规则，未涉及到特殊应用场景和极端气候条件下的性能测试。低成本传感器因其价格、体积优势，广泛应用于包括扬尘在线监测仪等的综合性监测系统内，直接参与我国生态环境监测网络的建设。但目前对于低成本光散射颗粒物传感器评价方法和标准的缺失，导致家用型传感器在工业监测系统中的滥用。有必要制定针对性光散射颗粒物传感器的测试方法和规范标准[15]。本文通过高浓度淹没实验，模拟突发环境变化和极端环境使用场景，对颗粒物传感器的线性响应、平行性和零点漂移进行了检测，采用该试验方法，可在一定程度上对性能存在较大问题的颗粒物传感器进行筛查，达到市场应用前检测的目的。