氣體流速對PM2.5濃度實時測量值的影響

徐雪嬌，賀 慶，宋言明，王 宏

(北京信息科技大學儀器科學與光電工程學院，北京 100016)

0 引言

PM2.5因其粒徑小，可深入到支氣管和肺泡，對人體健康產生嚴重危害，近年來引起廣泛關注[1-3]。目前，空氣凈化器PM2.5檢測儀多采用基于激光散射原理的顆粒物檢測儀。

激光散射法PM2.5濃度檢測儀的測量精度受很多因素的影響，如濕度，粉塵顆粒粒度等。2017年1月，況彩菱對相對濕度對室內PM2.5測量值的影響進行了研究[4-6]。其試驗結果表明：當前PM2.5濃度越高，相對濕度對PM2.5實時測量值的干擾越敏感[7-9]。本試驗依據激光散射法PM2.5濃度檢測儀檢測原理，利用氣泵把氣體抽進散射腔的方法，研究氣體流速對PM2.5濃度檢測結果的影響[10-12]。試驗證明了不同的氣體流速對顆粒物濃度的測量結果有影響，表明檢測儀氣路系統的研究對于準確測量PM2.5濃度和評價PM2.5污染狀況具有重要的現實意義[13]。

1 試驗原理

激光散射法PM2.5濃度測量原理如圖1所示。激光散射顆粒物檢測儀通過氣泵將待測氣溶膠吸入檢測艙，作為待測樣品。激光二極管發出的激光，通過透鏡組被轉換成平行光束；光束照射在流經檢測艙的待測氣溶膠時發生散射；散射光匯聚到光電探測器，被光電探測器接收產生電信號。該電信號正比于氣溶膠的質量濃度。

圖1 測量原理圖

通過特定濃度的氣溶膠，可以建立質量濃度與電信號強度之間的關系。其公式[14]為：

(1)

式中：l為散射顆粒與觀察點距離；k為顆粒物比重；V為空氣體積；λ為入射光波長；I0為入射光強度；I為出射光強度；i1和i2為散射光強垂直和水平分量；i1(θ)和i2(θ)為光強函數；nl(di)為粉塵的歸一化頻率分布函數；d為粒徑。

通過在不同PM2.5濃度下，改變測量系統中氣體的流速，可觀察測量數據的相應變化，得到氣體流速對于PM2.5濃度測量結果的影響規律，從而作為后續設計的補償依據。

2 試驗設計

為了避免外界因素的干擾，本研究設計了如圖2所示的試驗裝置。該裝置總長2 m，高度0.8 m。材質選用有機玻璃，強度較大，耐腐蝕，有較好的透明性和化學穩定性，便于觀察記錄測量儀器數據。以香煙煙霧作為大氣真實PM2.5的模擬物，經過濾網后注入密閉的環境艙內；打開風扇，使空氣中顆粒物濃度均勻；打開PM2.5檢測儀，對其環境的顆粒物濃度進行實時讀數。

圖2 試驗裝置示意圖

本試驗裝置使用SS2325可跟蹤直流穩定電源，控制氣泵的氣體流速，輸出電壓范圍為0～32 V；通過控制氣泵電壓來控制氣泵轉速，從而達到控制氣體流速的目的。本試驗所采用的PM2.5檢測儀，是以658 nm激光為光源的光散射式實時檢測儀。該檢測儀檢測靈敏度為0.001 mg/m3，測量范圍為0.001～0.999 mg/m3，允許誤差為±10%，重復性誤差≤2%。對氣體流速的測量使用順來達微機電系統(microelectro mechanical system,MEMS)氣體流量計，量程范圍為0～10 L/min，分辨率為0.015 L/min(標況)，精度為±(2.0+0.5%FS)。

在環境艙外，采用直流穩定電源給直流氣泵提供不同的電壓，控制氣泵產生不同的氣體流速。電壓與氣泵氣體流速的對應關系如表1所示。同時，打開PM2.5檢測儀，記錄PM2.5測量值隨氣體流速的變化情況。

表1 電壓-流速關系表

參照《空氣凈化器去除PM2.5檢測方法技術規范》，本研究設置氣泵的氣體流速為0、0.21 L/min、0.50 L/min、0.65 L/min、0.94 L/min、1.00 L/min、1.18 L/min、1.32 L/min、1.55 L/min。首先，當PM2.5濃度為0 μg/m3時，在以上流速下分別測量散射光強度；其次，在室內自然環境PM2.5濃度為30 μg/m3條件下，測量不同流速的散射光強度；最后，使用香煙作為PM2.5發生源，在環境艙內點燃香煙，增加PM2.5濃度，待PM2.5分別穩定在50 μg/m3、200 μg/m3、300 μg/m3時，記錄PM2.5測量值隨氣體流速的變化，并分析變化規律。

3 試驗結果與分析

不同顆粒物濃度下，氣體流速對PM2.5濃度測量值的影響曲線如圖3所示。

圖3 氣體流速對PM2.5測量值的影響曲線

由圖3可知，當顆粒物濃度為0時，氣體流速對PM2.5實時測量值影響很小。隨著顆粒物濃度的增加，分三階段考察不同環境氣體流速范圍對PM2.5測量值的影響。第一階段，氣體流速從0 L/min上升到0.5 L/min。此時，氣體流速的變動對測量值有顯著影響，在各個顆粒物濃度下，測量值隨氣體流速的變化都呈現先上升后下降的趨勢。第二階段，氣體流速從0.5 L/min上升到1.18 L/min。此時，各顆粒物濃度下，PM2.5測量值基本恒定。第三階段，氣體流速從1.18 L/min上升到1.55 L/min。此時，不同顆粒物濃度下，PM2.5測量值都被呈單調上升趨勢。這一結果表明:氣體流速對PM2.5的實時測量值是有影響的，并且當前顆粒物濃度越高，影響效果越明顯。這主要是由于，當顆粒物濃度和氣體流速較高時，空氣中大量氣溶膠粒子相互吸附，導致待測氣溶膠粒徑增大。根據Mie散射原理可知，粒子的散射光強度隨粒徑的增大呈遞增趨勢，于是PM2.5檢測值隨氣體流速的增大而升高。當氣體流速較低時，影響因素較復雜，需另作試驗。通過試驗可知，氣體流速在0.8 L/min左右時，測得的原始值比較穩定。這為選擇氣泵的工作轉速提供了可靠依據。

氣泵在高速(≈1.55 L/min)和低速(≈0 L/min)時，在顆粒物濃度分別從高到低和從低到高變化情況下，對PM2.5濃度測量值的影響曲線如圖4所示。

圖4 顆粒物濃度對PM2.5測量值的影響曲線

由圖4可以看出，高氣體流速時，顆粒物濃度無論從高到低還是從低到高，測量值擬合曲線基本重合。顆粒物濃度P=-145.413 27+0.358 64×原始值r，擬合度R2=0.997。低氣體流速時，顆粒物濃度從高到低與從低到高變化，兩條曲線軌跡不一致，無法準確判斷某一光強值下顆粒物的準確濃度。由此可見，氣體流速對顆粒物檢測儀測量精確度的影響不容忽視，選擇合適的氣體流速對提高檢測儀的測量精度具有十分重要的意義。

4 結束語

本文主要通過改變檢測樣本氣體流速的方法，研究在不同初始PM2.5濃度環境下，氣體流速對PM2.5濃度實時測量值的影響。試驗結果表明：在高PM2.5濃度的環境條件下，氣體流速的變化對PM2.5濃度測量值有顯著影響；高氣體流速時，較小顆粒物易于吸附在較大顆粒物上，顆粒物平均粒徑增加，從而使顆粒物對光的散射能力增強，導致儀器的實時測量值增大。因此，在激光散射式PM2.5濃度檢測儀中，穩定氣體流速對于檢測結果的準確性具有重要意義。