多組份顆粒物監測技術及應用

◎文/化利東 潘煥雙 鄧龍龍（安徽藍盾光電子股份有限公司）

目前大氣顆粒物自動監測方法主要有β射線法、振蕩天平法（TEOM）和光散射法。一般來講，基于振蕩天平法（TEOM）的自動監測儀的精度和實時性略好，但是儀器結構復雜、體積龐大、價格昂貴，需與FDMS結合使用，一旦缺少FDMS將嚴重影響PM2.5濃度的測量精度，不符合未來環境監測儀器發展的趨勢；而基于β射線法的自動監測系統，雖然可以準確可靠地測量空氣中顆粒物的濃度，但測量需要有顆粒物富集的過程，不能及時反映顆粒物濃度變化。以上兩種方法的共同缺陷是儀器需要通過切割器切割某一粒徑段顆粒物后進行顆粒物濃度測量，因此同一臺儀器在同一時間只能測量一個因子，且不能實時反映顆粒物濃度的變化。而利用光散射法測量顆粒物濃度，儀器不僅可以根據需要同時測量多個因子的濃度（如PM10、PM2.5、PM1等），而且還能實時反映每個因子的濃度變化。

一、測量原理

由激光器發出激光照射到待測區的顆粒物上并向各方向發生散射，探測組件則是探測來自前向散射光，再將光信號轉換為電信號，根據輸出電壓的大小來判斷顆粒物粒徑的大小。所接收的前向散射光信號強度和角度與其所照射的顆粒物粒徑大小有關。被照射的顆粒物幾乎是依次逐一進入待測區，使每個顆粒物的前向散射也幾乎被逐一采集與光電轉換。根據米散射原理，通過朗博比爾定律反演得到顆粒物濃度，其散射光的強度可由式（1）、（2）表示[1]：

公式（1）、（2）中：I(θ)為前向散射角為θ的散射光光強；I0為激光器射出光光強；λ為入射光波長；d為顆粒物直徑；m為入射光折射率；ρ為顆粒物密度；θ為前向散射角；N為單位體積內顆粒物個數；W為顆粒物的質量濃度。

在設計中,光電二極管探測器接收散射光的角度就是前向散射角，為定值。公式（1）中，I(θ)、I0、N 均是探測器測量得出的，λ為激光的固有波長，是定值，所以從式（1）中可得出顆粒直徑d。如果令式（1）中

則K也為已知值。再推導公式（1）和（2）得出公式（3）：

從式（3）中可以明顯地看出，某一粒徑的顆粒物濃度與前向散射角為θ的散射光光強有關。

二、關鍵技術組成

該儀器主要由光機模塊、激光器驅動模塊、信號處理模塊等組成。

1.光機模塊

光機模塊主要由激光器、準直透鏡、平凸透鏡、光陷阱、氣簾和光電二極管探測器組成，激光器發出的調制光經過準直透鏡變成平行光經過散射區，照射到顆粒物上發生散射。前向散射光以光軸中心360度向四周發散（見圖1）。探測組件以一定角度接收來自前向散射的光信號，然后將不同粒徑顆粒物散射光信號轉化為不同幅值電信號進行處理。

2.激光器驅動模塊

激光器采用半導體激光二極管，其關鍵技術包括激光器恒功率控制和溫控設計，以防止激光器性能參數發生漂移而影響測量效果。

圖1 光散射法多組份顆粒物監測示意圖

在激光器恒功率控制設計中，采用了德國IC-Haus公司的iC-WJB集成化芯片。對激光器輸出功率穩恒控制的同時，還可以通過外部引腳對激光器輸出功率進行調節（見圖2）。

圖2 恒功率控制原理圖

半導體激光器是一個熱功率器件，溫度會隨著工作時間的增加而升高，同時半導體激光器也是一個溫敏原件，溫度變化對激光器的輸出和壽命有著很大的影響。本儀器在激光器恒溫控制設計中，采用了DS18B20溫度探測器采集激光器溫度，其溫度信息輸送至MCU處理器，通過PID算法決定是否執行半導體制冷器（TEC）制冷命令（見圖3）。

圖3 溫度控制原理圖

3．信號處理模塊

該部分主要完成對顆粒物前向散射的光信號采集，并將光信號轉化為電信號進行取樣、放大、濾波、解調、甄別。主放大器電路采用低噪聲、高共模抑制比的精密運算放大器將脈沖信號放大到適當大小，經由比較器比較脈沖幅值和計數器分檔計數后送到MCU進行處理（這就是多組份監測的依據）。調制信號由MCU同一I/O接口輸出，用于同步調制激光器和控制乘法器，達到同步調制解調的效果，很好地濾除電噪聲（見圖4）。

三、實驗及分析

圖4 信號采集與處理示意圖

采用本文所述方法，研發并制作了3臺多組份顆粒物監測儀，與手工法[2]儀器、美國metone儀器進行參比。手工儀器是指康姆德潤達手工采樣器，MetOne激光塵埃粒子計數器，圖5和圖6為3臺多組份顆粒物監測儀小時值的平均值和手工法稱量值、metone儀器小時值的趨勢和參比結果；圖7為3臺多組份顆粒物監測儀之間小時測量值的平行性對比，所有數據測量對象均是PM10顆粒物，單位是ug/m3。

圖5 多組份顆粒物監測儀與參比儀器小時平均值

圖6 多組份顆粒物監測儀實驗數據線性圖

圖7 儀器的平行性

四、結論

按照本文所述原理方法設計的多組份顆粒物監測儀，通過標定可以對不同粒徑的顆粒物進行同時檢測，儀器之間的平行性為1.7%，斜率為1.045，截距為0.038，相關性為 0.99，滿足 HJ653-2013 技術要求[3]，能夠實現多組份實時監測。但同時要注意以下幾個方面的技術保證：光電探測器的探測面不宜過小，以5mm直徑為宜，否則接收光強會有所損失；對采樣通道進行合理的保溫，防止冷凝水進入探測面；定期用潔凈空氣對探測面進行反吹；確保對激光器進行恒溫和恒功率控制。