湿度对光散射颗粒物传感器的影响研究

宋英石

中环国投（北京）环境信息科技股份有限公司，北京 100089

0 前言

基于激光散射法原理的测量技术被认为是测量颗粒物应用最普遍的技术[1-2]。光散射的理论基础是Mie 散射理论，设备中的抽气泵保持一定的速度抽气，使得样品空气进入样气室；同时，安置在侧方的光源发射光来照射样气室中的样气，由于发射光的频率很快，会保证样气中的任何颗粒物都会被其照射到，光照被颗粒物的表面散射到各个方向，在与光源成一定角度的方向上安装一个光线监测装置，感光元件会接收到被颗粒物散射过来的光，通过对该接收光的监测，系统即可以监测计算通过样气室的颗粒物的浓度。散射光线的强度会与颗粒物的大小有一定关系，通过对不同光线强度的不同脉冲信号的监测计算，还可以得到不同直径颗粒物的数量浓度信息。在一定范围内，检测信号与颗粒物浓度成比例[3]。近些年，基于光散射原理的便携式颗粒传感器作为新型监测设备在环境空气监测领域已经涌现[4]，它的出现引领了新一代监测仪器的发展且占据了相当重要的地位[5]。

1 研究方法

检测相对湿度对颗粒物传感器的影响采用室外对比的方法，在北京市西直门空气质量监测站和上海市嘉定区空气质量监测站分别放置一台细颗粒物PM2.5传感器，对比时间为2016年8月—2017年8月，同时记录环境温湿度。西直门监测站和嘉定监测站所用的细颗粒物PM2.5监测设备为美国Thermo Scientific ™1405 TEOM ™ 连续环境颗粒物监测仪，测量原理为震荡天平法，传感器为光散射传感器。

对比结束后，以空气质量监测站浓度数据作为参比标准，计算传感器监测结果与标准之间的相对偏差，用于表征湿度对传感器的影响。相对偏差（RD）计算公式如下：

2 研究结果

2.1 不同季节颗粒物偏差比较大

通过对比北京和上海全年的测定结果发现，因高湿度造成的偏差与标准方法相比，在北京地区全年传感器测定值比标准方法高估了18.28%，其中在夏秋两个季节高估量最为明显，分别为32.9%和33%，在冬春两个季节，传感器只高估了8.3%和7.6%；在上海测试结果表明，全年传感器测定值比标准方法高估了31.87%，其中秋季高估最为明显，为63%，春季高估量最小，为29%，在夏季和冬季分别有31%和41%的高估。如图1所示。KIM J Y 等人[6]的研究表明，在相对湿度较大的夏季，颗粒物传感器测量准确性低于相对湿度较低的冬季，其研究结果与本研究相似。徐春雨等人[7]的研究表明，传感器方法测定结果与标准方法测定结果偏差92%，但是其评估的时间较短，只对比了40 组数据。在本试验中，我们对比了北京市和上海市全年的数据，更具有代表性，同时评价了四个季节传感器的高估量。

2.2 湿度阈值确定

传感器方法在测定时会因为湿度影响，造成结果与标准方法偏差较大，为准确确定湿度对传感器方法测定结果影响的阈值，分析北京和上海两地传感器在不同湿度环境下的相对偏差，以相对湿度为自变量，以相对偏差为因变量，拟合方程式，经过反复研究，认为二次方程最适合两者之间的曲线关系，如图2所示。通过对拟合曲线求导，找到曲线变化的拐点，即湿度影响的阈值。经计算，北京和上海两地相对湿度影响的阈值分别为59.83%和63.71%，如表1所示。通过对比之前的研究，认为相对湿度对颗粒物监测影响的阈值为RH=60%，这与WANG Y 等人[8]的研究一致。徐春雨等人[7]的研究同样表明，在环境相对湿度≤60%RH 时，对颗粒物传感器影响较小，不需要对结果进行校正。MICHEL G 等人[9]的研究表明，颗粒物光散射系数在相对湿度5%～95%RH范围内不断增加，尤其是相对湿度>60%RH 时增加更为明显，WAN J 等人[10]在相对湿度较低的室内（<60%RH）时，比值与相对湿度无相关关系。

表1 北京和上海两个地点拟合公式参数表

2.3 不同湿度环境产生的偏差不同

通过对北京和上海两地对比发现，不同的湿度梯度，传感器测定结果产生的偏差不同，在相对湿度<60%RH 的环境中，传感器测定值和标准方法测定值的相对偏差<10%。但是在相对湿度>60%RH的情况下，传感器测量结果比标准方法测量结果有明显的高估。测定结果表明，在湿度60%～70%RH 区间，北京和上海的传感器比标准站分别高估了10%和18%。传感器测量的结果比标准站的高估值随着湿度的增加而增大，在相对湿度>90%RH 的环境下，北京和上海的传感器的测定结果分别高估了135%和153%，如图3所示。WANG Y 等人[8]在实验室评估和校准了三个低成本颗粒物传感器，发现光散射率受相对湿度的影响，随着相对湿度的升高持续增加，其研究结果与本试验结果有同样的结论。徐春雨等人[7]同样也发现传感器方法与标准方法测定结果的比值与采样期间环境相对湿度呈正相关，相同质量浓度的颗粒物在较高湿度时通常有更高的光散射测定值。

3 结束语

传感器因其成本低、布点广、监测效率高等特点，越来越受到监测工作的青睐，但是在实践层面需要注意湿度对传感器的影响，特别是在高湿度环境中，对其监测结果带来的高估需要引起重视。通过北京和上海全年的测定结果发现，因高湿度造成的偏差与标准方法相比，在北京地区，全年传感器测定值比标准方法高估了18.28%；在上海测地区，全年传感器测定值比标准方法高估了31.87%。通过对比之前的研究，认为相对湿度对颗粒物监测影响的阈值为RH=60%。在相对湿度<60%RH 的环境中，传感器测定值和标准方法测定值的相对偏差<10%；但是在相对湿度>60%RH 的情况下，传感器测量结果比标准方法测量结果有明显的高估。测定结果表明，在湿度60%～70%RH 区间，北京和上海的传感器比标准站分别高估了10%和18%。传感器测量的结果比标准站高估值，随着湿度的增加而增大，在相对湿度>90%RH 的环境下，北京和上海的传感器的测定结果分别高估了135%和153%。