浅析传感技术在环境空气监测中的方法适用性

2022-11-23古路路

皮革制作与环保科技 2022年15期

张磊，古路路

（临沂市郯城县环境监控中心，山东临沂 276100）

相较于传统的环境空气监测技术，传感技术不仅操作快捷、相关仪器体积小便于携带，能够进行持续动态监测，且经济成本低，因此被广泛应用于环境空气质量监测。对传感技术在环境空气监测中的方法适用性进行研究分析，则能为传感技术的使用提供依据，继而为环境空气质量监测提供便利。

1 传感技术在环境空气监测中的发展现状

环境监测技术可以全面评估大气污染程度，但在实际使用期间依然存在不足之处[1]。现阶段，相较于其他国家的传感器技术，我国的传感器技术在整体精度上相对较低，使得实验人员在借助传感技术对环境空气进行监测时，经常出现一致性和稳定性不足的情况，难以保证监测结果的准确性[2]。此外，我国对于传感技术在环境空气监测上的应用相对较少，缺乏足够的应用案例，同时也缺少与之相关的新闻报道，传感技术应用还没有得到全面普及和推广。不仅是国内，国外对于传感器在环境监测性能以及影响因素方面也缺乏足够的研究，无法有效地将传感技术应用到环境空气监测当中，因此为了更好地开展监测工作，在进行空气监测的过程中，要对监测区域的整体情况进行综合分析[3]。

目前，国内空气污染问题日益加剧，以PM2.5、PM10为代表的相关污染物造成的地区性空气环境问题日渐突出[4]。因此为了加强对环境空气的监测，可以将传感技术应用到环境空气监测当中。目前，传感技术在环境空气监测当中的应用主要是对空气当中的污染气体以及颗粒物质进行实时监测，通过这种方式来寻找区域当中较为明显的污染源。此外空气监测是科学评价大气质量、有效反映大气质量的控制措施[5]。

本次实验对传感技术在环境空气监测中的方法适用性进行了研究，同时使用三种不同型号的传感器对空气当中的污染气体和颗粒物质进行监测，并以一个月为实验周期，将所得数据进行对比分析，最终对传感技术在环境空气监测中的方法适用性进行验证。

2 传感技术在环境空气监测中的实验

在开始实验前，实验人员选择了市场上3种不同品牌的颗粒物质以及气态污染物传感器（PM10/SO2/NO2/CO/O3），将三台传感器以A、B、C来进行区分，并以此来进行传感技术在环境空气监测中的方法适用性实验。这3台传感器当中除了颗粒物传感器是国产产品以外，其余2台气态污染传感器均为进口产品。其中，颗粒物传感器是基于光散射方法来对环境空气中的颗粒物质进行监测的，而气态污染物传感器则都采用电化学方法来对环境空气中的污染气态进行监测。此外，在使用传感器对区域内环境空气进行监测前，实验人员需要借助气体舱当中的标准物质以及平行一致性来对传感器的性能进行监测，确保传感器监测结果的准确性。同时监测人员在使用传感器对区域内环境空气进行监测时，还要借助组网测试对传感器进行检测，通过这种方式来验证传感器的一致性，避免监测结果存在差异。

除此之外，本次实验与传感器进行对比的国控点监测仪器全部是Ther-mofisher这一品牌，这些仪器的型号为42i，利用化学发光法对NOX/NO/NO2进行监测；43i，通过脉冲紫外荧光法来对环境空气中的SO2进行监测；48i，借助气体滤波相关红外吸收法对环境空气中的CO进行监测；49i，利用紫外分光光度法对环境空气中的O3进行监测；以及TEOM 1405/1405F，使用微量振荡天平法对环境空气中的PM10以及PM2.5进行监测。

本次实验于2017年1月9日-2月9日期间进行，对区域内的环境空气进行24h不间断实时监测。在实验期间，3台传感器采样速度一致，同时所有传感器的进气口都位于同一水平高度，距离地面大约1.5 m的位置，时间分辨率为1 min。实验人员会每隔一小时将传感器读数器平均计算后所得到的值用于研究分析，以此来判断空气当中的颗粒物质和气态污染状况。本次实验监测区域周边主要为住宅区以及办公大厦，在西面400 m的位置是交通干道。通过对区域内的颗粒物质和气态污染进行在线监测，实验人员并未发现区域内有明显的污染源存在，是典型的城区监测点。此外，在用传感器对区域内颗粒物质以及气态污染进行监测时，区域内的相对湿度大概为26%-97%，通过传感器读数器平均计算后得到的平均值为65%，每日的平均气温大概为10 ℃。

当实验人员用传感器对区域内的颗粒物质和气态污染在线监测6个小时后，实验人员发现两台气态污染物传感器的数值均出现了明显的波动，为了保证实验结果的准确性，实验人员决定将这些不合理的异常高值视为无效数据，不将其与其他数据进行对比，这是因为，本次实验研究的主要目的是传感技术在环境空气监测中的方法适用性，不需要考虑季节变化对温度、湿度以及颗粒物浓度的影响。

3 实验结果与讨论

3.1 颗粒物

3.1.1 数据分布与时间序列

通过研究发现，实验用的3台传感器虽然品牌不同，对环境空气的监测方法也不同，但是颗粒物的测定值却具有一致性，并且3台传感器测定值的百分位数十分接近。不过传感器监测到的PM10测定值相较于国控点监测数据偏低，P50值同样比国控点监测到的数据低。通过两组数据的对比，实验人员发现传感器对于PM10的测量准确度比国控监测点低，测量准确度还有待提高。同时在对区域内PM2.5测定值对比后发现，传感器测定值相较于国控点监测数据来说低值较多，但大体上传感器与国控点监测数据分布接近，二者的百分位数基本一致，不过传感器的测定均值相较于国控点监测数据来说偏低。

3.1.2 相关性分析

从权责明确的角度看，成员的权利和集体资产所有权的归属是依照集体经济组织内部成员所占有的份额进行分配的。国家《物权法》规定，所有权可以分为处分、使用、占有以及收益4个方面的权利。所以，应该赋予集体经济组织成员相应的处分权、使用权、占有权以及收益权，允许享有权利的成员在法律许可范围内有偿退出、抵押以及继承。对于成员的责任，要明确集体资产的管理与运营责任主体，组成成员通过成员大会行使集体资产管理的决策权以及监督权，同时实现资产收益的分配与协调，依照权利与责任相统一的基本原则，集体经济组织的成员也应该承担相应的经营管理风险。

实验人员通过对3台传感器所监测到的数据分析后发现，3台传感器的PM2.5和PM10质量浓度的相关系数分别为0.999和1.000，在与国控点监测数据进行对比后，发现传感器监测到的数据与国控点监测到的数据拥有明显的相关性。因此实验人员通过对上述数据的分布结果进行研究分析，从而认为3台传感器PM2.5测定值与国控点监测数据的一致性更高，明显高于PM10，因此在对相关性进行研究分析时，实验人员可以依据传感器测定值进行研究。

3.1.3 准确度分析

根据研究发现，传感器的PM2.5测定值与国控点监测数据之间的误差较小，说明传感器的PM2.5测定值准确度高，可以满足对环境空气中颗粒物质和气态污染监测的要求。并且实验人员通过计算，传感器测定值与国控点监测数据的PM2.5和PM10每小时的质量浓度平均误差分别为-16.0%～-7.3%、-27.8%～-24.5%，这3台传感器当中监测效果最好的是73%的PM2.5和52%的PM2.5，与国控点监测数据的绝对误差大约在±30%以内，可以确保传感器对环境空气监测的准确性。

目前，传感器测定值与国控点监测数据二者之间对于PM2.5存在系统误差，使得二者在对区域环境空气进行监测时，所监测到的数据存在差异，严重影响了监测结果的准确性。简单来说便是当传感器测定值比国控点监测数据低时，在不同质量浓度区间，传感器测定值与国控点监测数据不一致，同时误差分布规律也出现波动，尤其是当区域内PM2.5质量浓度不断升高的情况下，传感器A的测定值与国控点监测数据之间对于PM2.5每小时质量浓度的相对误差会不断减少，使双方的监测数据趋于一致，确保监测结果的准确性。

为了更好地分析传感器的准确度，实验人员将国控点监测数据作为标准，把PM2.5质量浓度按照相关标准进行划分，以此来计算传感器测定值的相对误差，从而掌握传感器对PM2.5质量浓度测量的准确度。当PM2.5质量浓度在0～40这个范围内时，传感器测定值总体来说比国控点监测数据低，二者之间的相对误差保持在-50%～0范围内，并且传感器测定值的具体表现为先不断增大然后再慢慢减少。当PM2.5质量浓度在20左右时，传感器测定值与国控点相对误差最大；当PM2.5质量浓度在40～80范围内时，传感器测定值总体上比国控点监测数据高，二者的相对误差大体分布在±20%范围内，而且传感器测定值与国控点监测数据的相对误差在慢慢减少。此外，PM2.5质量浓度达到80以上时，实验所获得样本数量最少，传感器测定值与国控点监测数据的相对误差较小，特别是当PM2.5质量浓度达到100左右时，传感器测定值和国控点监测数据大体一致。

不仅如此，实验人员在对三台传感器PM2.5数据在不同质量浓度水平下的平均相对误差进行研究，发现当质量浓度在0～20时，传感器A的平均相对误差为-23.1%，传感器B的平均相对误差为-45.0%，传感器C的平均相对误差为-38.7%；当质量浓度在20～40时，传感器A的平均相对误差为-0.1%，传感器B的平均相对误差为-5.9%，传感器C的平均相对误差为-3.6%；当质量浓度在40～60时，传感器A的平均相对误差为4.9%，传感器B的平均相对误差为5.1%，传感器C的平均相对误差为6.1%；当质量浓度在60～80时，传感器A的平均相对误差为3.1%，传感器B的平均相对误差为4.3%，传感器C的平均相对误差为4.8%；当质量浓度在80～100时，传感器A的平均相对误差为-3.0%，传感器B的平均相对误差为-2.3%，传感器C的平均相对误差为-2.0%；在总体范围内，传感器A的平均相对误差为-7.3%，传感器B的平均相对误差为-16.0%，传感器C的平均相对误差为-13.0%。

通过研究发现，相对湿度会对传感器的颗粒物监测产生影响，使得监测结果的准确性难以保证。这是因为当传感器处于高湿度的情况下，其对区域环境空气中颗粒物监测定值会有小幅度升高，导致测定值出现变化，与实际监测结果存在差异。并且当颗粒物吸收了空气中的水分后，颗粒物的平均尺寸会变大，散射光吸收能力提高，最终使得传感器测定值出现变化。同时当区域环境空气中的质量浓度一致时，颗粒物所在的区域湿度越大，其光散射法测定值也就越高，因此可以得出结论，随着区域环境空气湿度的不断增加，传感器A的PM2.5测定值和国控点监测数据之间的相对误差会逐渐减少，特别是当区域环境空气中相对湿度＞80%时，二者之间的相对误差会从负误差变成正误差，从而说明了当区域环境空气湿度较高时，传感器测定值会比国控点监测数据的准确度更高。

如果将相对湿度从20%起每10%设为一档，将其分为8个区间，以此来计算出传感器PM2.5测定值和国控点监测数据之间的相对误差。最终实验人员通过对比发现，当区域环境空气中相对湿度在20%～60%这一范围内时，传感器测定值与国控点监测数据之间的相对误差较大，并且二者之间的相对误差不会随着相对湿度的变化而变化；当区域环境空气中相对湿度＞60%时，传感器测定值与国控点监测数据的平均相对误差会先减小，然后逐渐增大，最终二者之间的相对误差从负误差成为正误差；当区域环境空气中相对湿度在80%～90%时，传感器测定值与国控点监测数据的相对误差最小。由此可知，当区域环境空气中相对湿度不一致时，传感器和国控点监测数据的相关系数R2为0.90～0.95。

3.2 气态污染物

3.2.1 数据分布与时间序列

通过研究发现，3台传感器NO2、SO2和O3的平均测定值具有一致性，相互之间误差不大，虽然3台传感器CO的平均测定值相差比NO2等略高，但是总体上误差不大，不过3台传感器对于区域环境空气中质量浓度分布情况则存在很大的差别。在对区域环境空气气态污染物进行监测时，传感器C对于NO2和CO的测定值出现低值，对于O3测定值的对比，传感器A、B、C作对比，则传感器C测定值更高。总体来说，传感器A和传感器B的数据分布情况相对一致，二者之间没有较大的相对误差，测量结果也基本相同，但与传感器C之间有着明显的差异性，不仅数据分布情况存在差异，测量的结果也存在很大的误差，因此可以确定，传感器之间的一致性还存在很大的缺陷，依然需要不断优化，如此才能保证监测结果的准确性。

根据实验表明，3台传感器的数据变化趋势合理，能够有效表明区域环境空气中气态污染物的变化情况。不仅如此，通过实验数据可以发现，传感器NO2测定值的变化趋势和国控点监测数据基本相同，都呈现出双峰型特征，和相关研究结论保持一致。但是因为实验区域周围车辆不多，所以导致传感器NO2测定值变化趋势没有国控点监测数据变化显著，无法准确反映出区域环境空气中NO2的实际情况。并且传感器O3的低值实际和NO2的高值时间相互对应，并反映出单峰型变化情况，这个分布特点和NO2以及O3之间的光化学反应存在直接关系。除此之外，与国控点监测数据进行对比后，实验人员发现，传感器O3测定值低于国控点监测数据，二者之间的变化趋势也存在差异。而传感器CO测定值则出现双峰型的变化情况，与研究结论相同，但传感器SO2测定值则和国控点监测数据之间存在差异，不仅监测到的质量浓度低，而且还相对稳定，没有呈现出变化规律。

3.2.2 误差分析

国控点仪器与传感器CO和NO2小时质量浓度相对误差较小，能够最大程度符合环境空气实时监测的需要。传感器SO2测定值与国控点监测数据的相对误差较大，二者之间的平均相对误差大约为56%，最小相对误差也已经超过了12%。不过传感器CO、O3、NO2测定值与国控点监测数据之间的相对误差较小，二者之间的平均相对误差大约为90%，传感器CO小时质量浓度与国控点监测数据的相对误差在33%左右，二者之间平均相对误差大约为17%；传感器O3小时质量浓度与国控点监测数据的相对误差大约在50%左右，二者之间平均相对误差大约为35%；而传感器NO2小时质量浓度与国控点监测数据的相对误差大约在40%左右，二者之间的平均相对误差为20%。通过对周边环境进行调查，实验人员发现区域环境范围内没有明显的污染排放源，从而能够确定误差是由监测仪器产生的。

4 实验总结

首先，传感器PM2.5测定值和国控点监测数据二者之间有着直接的联系，通常情况下传感器测定值会低于国控点监测数据。同时3台传感器当中与国控点监测数据误差最小的传感器，其PM2.5小时质量浓度的平均相对误差大约为-7.3%，并且相对误差在±30%左右，由此可以确定传感器PM2.5监测效果更好，准确度更高。

其次，通过研究发现，相对湿度会对传感器PM2.5测定值产生影响，当区域环境空气中相对湿度较高时，传感器PM2.5测定值也会变高，若是区域环境空气中相对湿度为80%～90%，传感器测定值和国控点监测数据相近，二者之间的平均相对误差仅有-0.9%。

最后，根据实验能够发现，传感器气态污染物测定值和国控点监测数据之间存在明显的差异[6]。现阶段，电化学原理气态污染物传感器性能依然存在一定的问题，难以满足区域环境空间监测的需要，因此还要对电化学原理气态污染物传感器性能进行优化升级，使其能够符合监测需要。同时传感器CO和NO2测定值和国控点监测数据变化相同，二者之间平均相对误差分别为17%和20%。而传感器O3测定值则明显低于国控点监测数据，并且二者之间的变化趋势也存在差异。此外，传感器SO2测定值和国控点监测数据之间相对误差较大，二者之间的平均相对误差大约为56%。