微型空氣質量監測儀的研究

高建民

(天津同陽科技發展有限公司 天津300384)

0 引 言

當今，大氣污染的情況仍然不很樂觀，大氣監測逐漸向精細化監測方向發展。精細化大氣監測目前最可行的方案是網格化監測，即在一個監測區域內間隔一定距離或范圍設置多個空氣質量監測設備，以測量具體的粉塵顆粒濃度和污染氣體濃度。一個城市會設置數十到數百個監測點。準確和精細的網格化大氣監測可以快速感知和定位污染事件，及時采取控制措施，達到事半功倍的控制和治理效果。從新的大氣監測標準到行業專家公開信息來看，網格化、精細化是個大趨勢。已經發布的標準有河北的 DB13，主要測量項要求：PM2.5、SO2、NO2、CO、O3等。目前多地采用此類微型站作為突發污染情況的偵測和執法用途，甚至對轄區空氣質量進行排名和獎罰。因此，對微型站的穩定性和準確性提出了更高的要求。

目前的微型站均采用光散射顆粒物測量技術進行 PM2.5的監測，采用電化學法對氣態污染物進行監測。但是光散射顆粒物監測的準確性離國標法還有較大差距，其長期穩定性和對于不同粒徑顆粒物的測量準確性還需要進一步優化和提升。電化學測量氣體污染物濃度方面，也存在一些需要改進的問題。電化學傳感器對溫度、濕度非常敏感，在環境變化較大時，測量準確性受到非常大的影響，誤差較大。

本研究是以自動“測-控”為核心的系統。系統分別利用電化學法原理的氣體傳感器與激光散射原理的顆粒物傳感器對 NO2、SO2、CO、O3、PM2.5等被監測物質進行實時監測，同時系統集成氣象模塊對環境中的溫度、濕度等氣象參數進行監測，并配備視頻監控系統同步監控現場實時環境。

1 設計思路

為了能夠全方位監測空氣質量情況，微型大氣質量監測儀設計為可以測量 PM2.5、SO2、NO2、CO、O3、溫度、濕度、氣壓、風速和風向。微型空氣站的應用場合是密集布點安裝，因而其設計思路是：小體積、低成本、低功耗和便于安裝。每個傳感器都采用模塊化設計，獨立工作，可以單獨更換和維修。

顆粒物檢測采用光散射技術，技術成熟，體積小，低功耗，維護少，是微型大氣監測儀測量PM2.5參數的首選技術。

NO2、SO2、CO 和 O3等氣態污染物采用電化學傳感器檢測技術。響應靈敏，體積小，成本低。

對于溫度、濕度、氣壓、風速和風向采用一體式氣象五參傳感器，可以降低監測儀的體積。

2 詳細設計

2.1 總體設計

圖1 系統框圖Fig.1 System chart

監測儀系統采用模塊化設計，主要由主板、電化學傳感器模塊、顆粒物傳感器模塊、氣象五參傳感器、DTU、報警器、電源以及通訊接口組成。每種傳感器都是獨立模塊，直接輸出檢測數據。如圖 1所示，主板通過 RS485、RS232和 UART通訊接口與各傳感器進行通訊。系統的總電源為12V直流電源，12V在主板上轉換為可控制的 12V和 5V。氣象五參傳感器、報警器和DTU采用12V供電，電化學傳感器模塊和顆粒物模塊采用5V供電。主板采集各傳感器的數據，并將各監測數據傳輸給 DTU，通過 4G網絡傳送給軟件平臺。軟件平臺對數據進行存儲、顯示和分析。平臺還可以實現異常監控、統計分析、污染溯源、歷史查詢等更深入的功能。

2.2 電化學傳感器模塊

電化學傳感器模塊是監測儀研究中的最重要部分之一，實現對大氣中NO2、SO2、CO、O34種氣體濃度的檢測。

核心傳感器采用進口的三電極電化學傳感器。電化學傳感器模塊由5V進行供電。圖2是電化學傳感器模塊原理圖。U3運放組成恒電位電路，連接到電化學傳感器的 CE和 RE電極上。有了此恒定電位，電化學傳感器可以處于穩定工作狀態。當有可檢測氣體時，氣體和電化學傳感器產生氧化或還原反應，產生微弱電流，在 WE電極上輸出。輸出電流的大小和氣體的濃度呈線性關系。檢測出 WE輸出電流的大小即可以運算得出氣體的濃度值。運放U2組成跨阻放大和濾波電路，可以將電流信號轉換為電壓信號，并進行放大和濾波，提高信號信噪比。放大倍數由 R9進行調節，適用于不同的傳感器和量程。Q1用于對傳感器進行保護。當系統斷電時，Q1會將 RE和 WE短路，電化學傳感器將處于關斷保護狀態，不會影響使用壽命。另外，當系統重新通電后，系統可以快速進入工作狀態，避免漫長的預熱狀態時間。R3、R5和R6用于調節電化學傳感器的偏置電壓。

圖2 電化學傳感器檢測電路Fig.2 Electrochemical sensor detection circuit

2.3 顆粒物傳感器

顆粒物傳感器可以實現PM2.5顆粒物濃度的檢測。

傳感器采用激光散射技術，由激光光源系統、氣路系統、散射光接收系統和檢測電路等組成，激光光源系統包括激光二極管，激光二極管的光路上依次設有聚焦透鏡、準直透鏡、柱透鏡。氣路系統包括切割器，氣體以一定的流速及流量經過切割器切割后從進氣口經過光敏區，然后從出氣口經過氣體處理系統排出。

散射光接收系統包括反射鏡和光電探測器，反射鏡對顆粒物的散射光進行反射，并被光電探測器接收，除此之外，探測器接收粒子的直接散射光。

被測氣體通過氣路進氣口經過切割器保留小于等于 2.5μm的顆粒物，控制氣體使其一定的流速及流量通過光敏區，當激光照射顆粒物時，入射光會發生散射。用光電探測器接收顆粒物的直接散射光和被反射鏡反射的散射光，并將光信號轉化為電信號，輸出電流值。

根據電流值及探測器的響應度等參數可以進行電信號與光信號的轉換，得出散射光強 Is。已知激光二極管功率即可得到入射光強，根據 Mie散射原理中單個粒子散射光強與入射光強、粒子直徑的關系，即可求得參與散射的 PM2.5個數。然后再根據 PM2.5的密度和體積，計算得出大氣中顆粒物的質量濃度值。

3 實驗及數據

空氣質量監測儀設計完成后，在室外環境中，與國標法儀器進行了長時間的對比測試，測試結果良好，準確性和穩定性都達到國家標準要求。

對比測試參比儀器采用了國標法中性能較高的Thermofisher的系列儀器。詳細儀器型號見表1。

從戶外的對比數據(圖 3)中可以看出，本文監測儀數據和國標法儀器的相關性非常好，誤差也比較小，達到了較高的精度，可以滿足日常監測使用。

表1 對比實驗參比儀器列表Tab.1 List of comparative experimental reference instruments

圖3 實驗數據對比Fig.3 Experimental data comparison

4 總 結

本文介紹了一種微型空氣質量監測儀，闡述了其主要傳感器模塊的實現原理和方法。通過戶外與國標法儀器的對比實驗，該微型空氣質量監測儀能夠較好地反映空氣質量情況，與國標法誤差較小，達到了預期的研究目標。當然，微型空氣質量監測儀和國標法還存在較大差距，在特殊天氣和場合下，還存在誤差較大的問題。兩者在成本、建設難度和運維頻次等方面差距較大。微型監測儀優勢是成本低，少維護，適合于密集布點，可以在某些場合代替國標空氣站使用。未來，需要針對微型空氣質量監測儀的測量精度和穩定性做進一步研究，以提高其應用范圍。