淺析傳感技術在環境空氣監測中的方法適用性

張 磊，古路路

（臨沂市郯城縣環境監控中心，山東 臨沂 276100）

相較于傳統的環境空氣監測技術，傳感技術不僅操作快捷、相關儀器體積小便于攜帶，能夠進行持續動態監測，且經濟成本低，因此被廣泛應用于環境空氣質量監測。對傳感技術在環境空氣監測中的方法適用性進行研究分析，則能為傳感技術的使用提供依據，繼而為環境空氣質量監測提供便利。

1 傳感技術在環境空氣監測中的發展現狀

環境監測技術可以全面評估大氣污染程度，但在實際使用期間依然存在不足之處[1]。現階段，相較于其他國家的傳感器技術，我國的傳感器技術在整體精度上相對較低，使得實驗人員在借助傳感技術對環境空氣進行監測時，經常出現一致性和穩定性不足的情況，難以保證監測結果的準確性[2]。此外，我國對于傳感技術在環境空氣監測上的應用相對較少，缺乏足夠的應用案例，同時也缺少與之相關的新聞報道，傳感技術應用還沒有得到全面普及和推廣。不僅是國內，國外對于傳感器在環境監測性能以及影響因素方面也缺乏足夠的研究，無法有效地將傳感技術應用到環境空氣監測當中，因此為了更好地開展監測工作，在進行空氣監測的過程中，要對監測區域的整體情況進行綜合分析[3]。

目前，國內空氣污染問題日益加劇，以PM2.5、PM10為代表的相關污染物造成的地區性空氣環境問題日漸突出[4]。因此為了加強對環境空氣的監測，可以將傳感技術應用到環境空氣監測當中。目前，傳感技術在環境空氣監測當中的應用主要是對空氣當中的污染氣體以及顆粒物質進行實時監測，通過這種方式來尋找區域當中較為明顯的污染源。此外空氣監測是科學評價大氣質量、有效反映大氣質量的控制措施[5]。

本次實驗對傳感技術在環境空氣監測中的方法適用性進行了研究，同時使用三種不同型號的傳感器對空氣當中的污染氣體和顆粒物質進行監測，并以一個月為實驗周期，將所得數據進行對比分析，最終對傳感技術在環境空氣監測中的方法適用性進行驗證。

2 傳感技術在環境空氣監測中的實驗

在開始實驗前，實驗人員選擇了市場上3種不同品牌的顆粒物質以及氣態污染物傳感器（PM10/SO2/NO2/CO/O3），將三臺傳感器以A、B、C來進行區分，并以此來進行傳感技術在環境空氣監測中的方法適用性實驗。這3臺傳感器當中除了顆粒物傳感器是國產產品以外，其余2臺氣態污染傳感器均為進口產品。其中，顆粒物傳感器是基于光散射方法來對環境空氣中的顆粒物質進行監測的，而氣態污染物傳感器則都采用電化學方法來對環境空氣中的污染氣態進行監測。此外，在使用傳感器對區域內環境空氣進行監測前，實驗人員需要借助氣體艙當中的標準物質以及平行一致性來對傳感器的性能進行監測，確保傳感器監測結果的準確性。同時監測人員在使用傳感器對區域內環境空氣進行監測時，還要借助組網測試對傳感器進行檢測，通過這種方式來驗證傳感器的一致性，避免監測結果存在差異。

除此之外，本次實驗與傳感器進行對比的國控點監測儀器全部是Ther-mofisher這一品牌，這些儀器的型號為42i，利用化學發光法對NOX/NO/NO2進行監測；43i，通過脈沖紫外熒光法來對環境空氣中的SO2進行監測；48i，借助氣體濾波相關紅外吸收法對環境空氣中的CO進行監測；49i，利用紫外分光光度法對環境空氣中的O3進行監測；以及TEOM 1405/1405F，使用微量振蕩天平法對環境空氣中的PM10以及PM2.5進行監測。

本次實驗于2017年1月9日-2月9日期間進行，對區域內的環境空氣進行24h不間斷實時監測。在實驗期間，3臺傳感器采樣速度一致，同時所有傳感器的進氣口都位于同一水平高度，距離地面大約1.5 m的位置，時間分辨率為1 min。實驗人員會每隔一小時將傳感器讀數器平均計算后所得到的值用于研究分析，以此來判斷空氣當中的顆粒物質和氣態污染狀況。本次實驗監測區域周邊主要為住宅區以及辦公大廈，在西面400 m的位置是交通干道。通過對區域內的顆粒物質和氣態污染進行在線監測，實驗人員并未發現區域內有明顯的污染源存在，是典型的城區監測點。此外，在用傳感器對區域內顆粒物質以及氣態污染進行監測時，區域內的相對濕度大概為26%-97%，通過傳感器讀數器平均計算后得到的平均值為65%，每日的平均氣溫大概為10 ℃。

當實驗人員用傳感器對區域內的顆粒物質和氣態污染在線監測6個小時后，實驗人員發現兩臺氣態污染物傳感器的數值均出現了明顯的波動，為了保證實驗結果的準確性，實驗人員決定將這些不合理的異常高值視為無效數據，不將其與其他數據進行對比，這是因為，本次實驗研究的主要目的是傳感技術在環境空氣監測中的方法適用性，不需要考慮季節變化對溫度、濕度以及顆粒物濃度的影響。

3 實驗結果與討論

3.1 顆粒物

3.1.1 數據分布與時間序列

通過研究發現，實驗用的3臺傳感器雖然品牌不同，對環境空氣的監測方法也不同，但是顆粒物的測定值卻具有一致性，并且3臺傳感器測定值的百分位數十分接近。不過傳感器監測到的PM10測定值相較于國控點監測數據偏低，P50值同樣比國控點監測到的數據低。通過兩組數據的對比，實驗人員發現傳感器對于PM10的測量準確度比國控監測點低，測量準確度還有待提高。同時在對區域內PM2.5測定值對比后發現，傳感器測定值相較于國控點監測數據來說低值較多，但大體上傳感器與國控點監測數據分布接近，二者的百分位數基本一致，不過傳感器的測定均值相較于國控點監測數據來說偏低。

3.1.2 相關性分析

從權責明確的角度看，成員的權利和集體資產所有權的歸屬是依照集體經濟組織內部成員所占有的份額進行分配的。國家《物權法》規定，所有權可以分為處分、使用、占有以及收益4個方面的權利。所以，應該賦予集體經濟組織成員相應的處分權、使用權、占有權以及收益權，允許享有權利的成員在法律許可范圍內有償退出、抵押以及繼承。對于成員的責任，要明確集體資產的管理與運營責任主體，組成成員通過成員大會行使集體資產管理的決策權以及監督權，同時實現資產收益的分配與協調，依照權利與責任相統一的基本原則，集體經濟組織的成員也應該承擔相應的經營管理風險。

實驗人員通過對3臺傳感器所監測到的數據分析后發現，3臺傳感器的PM2.5和PM10質量濃度的相關系數分別為0.999和1.000，在與國控點監測數據進行對比后，發現傳感器監測到的數據與國控點監測到的數據擁有明顯的相關性。因此實驗人員通過對上述數據的分布結果進行研究分析，從而認為3臺傳感器PM2.5測定值與國控點監測數據的一致性更高，明顯高于PM10，因此在對相關性進行研究分析時，實驗人員可以依據傳感器測定值進行研究。

3.1.3 準確度分析

根據研究發現，傳感器的PM2.5測定值與國控點監測數據之間的誤差較小，說明傳感器的PM2.5測定值準確度高，可以滿足對環境空氣中顆粒物質和氣態污染監測的要求。并且實驗人員通過計算，傳感器測定值與國控點監測數據的PM2.5和PM10每小時的質量濃度平均誤差分別為-16.0%～-7.3%、-27.8%～-24.5%，這3臺傳感器當中監測效果最好的是73%的PM2.5和52%的PM2.5，與國控點監測數據的絕對誤差大約在±30%以內，可以確保傳感器對環境空氣監測的準確性。

目前，傳感器測定值與國控點監測數據二者之間對于PM2.5存在系統誤差，使得二者在對區域環境空氣進行監測時，所監測到的數據存在差異，嚴重影響了監測結果的準確性。簡單來說便是當傳感器測定值比國控點監測數據低時，在不同質量濃度區間，傳感器測定值與國控點監測數據不一致，同時誤差分布規律也出現波動，尤其是當區域內PM2.5質量濃度不斷升高的情況下，傳感器A的測定值與國控點監測數據之間對于PM2.5每小時質量濃度的相對誤差會不斷減少，使雙方的監測數據趨于一致，確保監測結果的準確性。

為了更好地分析傳感器的準確度，實驗人員將國控點監測數據作為標準，把PM2.5質量濃度按照相關標準進行劃分，以此來計算傳感器測定值的相對誤差，從而掌握傳感器對PM2.5質量濃度測量的準確度。當PM2.5質量濃度在0～40這個范圍內時，傳感器測定值總體來說比國控點監測數據低，二者之間的相對誤差保持在-50%～0范圍內，并且傳感器測定值的具體表現為先不斷增大然后再慢慢減少。當PM2.5質量濃度在20左右時，傳感器測定值與國控點相對誤差最大；當PM2.5質量濃度在40～80范圍內時，傳感器測定值總體上比國控點監測數據高，二者的相對誤差大體分布在±20%范圍內，而且傳感器測定值與國控點監測數據的相對誤差在慢慢減少。此外，PM2.5質量濃度達到80以上時，實驗所獲得樣本數量最少，傳感器測定值與國控點監測數據的相對誤差較小，特別是當PM2.5質量濃度達到100左右時，傳感器測定值和國控點監測數據大體一致。

不僅如此，實驗人員在對三臺傳感器PM2.5數據在不同質量濃度水平下的平均相對誤差進行研究，發現當質量濃度在0～20時，傳感器A的平均相對誤差為-23.1%，傳感器B的平均相對誤差為-45.0%，傳感器C的平均相對誤差為-38.7%；當質量濃度在20～40時，傳感器A的平均相對誤差為-0.1%，傳感器B的平均相對誤差為-5.9%，傳感器C的平均相對誤差為-3.6%；當質量濃度在40～60時，傳感器A的平均相對誤差為4.9%，傳感器B的平均相對誤差為5.1%，傳感器C的平均相對誤差為6.1%；當質量濃度在60～80時，傳感器A的平均相對誤差為3.1%，傳感器B的平均相對誤差為4.3%，傳感器C的平均相對誤差為4.8%；當質量濃度在80～100時，傳感器A的平均相對誤差為-3.0%，傳感器B的平均相對誤差為-2.3%，傳感器C的平均相對誤差為-2.0%；在總體范圍內，傳感器A的平均相對誤差為-7.3%，傳感器B的平均相對誤差為-16.0%，傳感器C的平均相對誤差為-13.0%。

通過研究發現，相對濕度會對傳感器的顆粒物監測產生影響，使得監測結果的準確性難以保證。這是因為當傳感器處于高濕度的情況下，其對區域環境空氣中顆粒物監測定值會有小幅度升高，導致測定值出現變化，與實際監測結果存在差異。并且當顆粒物吸收了空氣中的水分后，顆粒物的平均尺寸會變大，散射光吸收能力提高，最終使得傳感器測定值出現變化。同時當區域環境空氣中的質量濃度一致時，顆粒物所在的區域濕度越大，其光散射法測定值也就越高，因此可以得出結論，隨著區域環境空氣濕度的不斷增加，傳感器A的PM2.5測定值和國控點監測數據之間的相對誤差會逐漸減少，特別是當區域環境空氣中相對濕度＞80%時，二者之間的相對誤差會從負誤差變成正誤差，從而說明了當區域環境空氣濕度較高時，傳感器測定值會比國控點監測數據的準確度更高。

如果將相對濕度從20%起每10%設為一檔，將其分為8個區間，以此來計算出傳感器PM2.5測定值和國控點監測數據之間的相對誤差。最終實驗人員通過對比發現，當區域環境空氣中相對濕度在20%～60%這一范圍內時，傳感器測定值與國控點監測數據之間的相對誤差較大，并且二者之間的相對誤差不會隨著相對濕度的變化而變化；當區域環境空氣中相對濕度＞60%時，傳感器測定值與國控點監測數據的平均相對誤差會先減小，然后逐漸增大，最終二者之間的相對誤差從負誤差成為正誤差；當區域環境空氣中相對濕度在80%～90%時，傳感器測定值與國控點監測數據的相對誤差最小。由此可知，當區域環境空氣中相對濕度不一致時，傳感器和國控點監測數據的相關系數R2為0.90～0.95。

3.2 氣態污染物

3.2.1 數據分布與時間序列

通過研究發現，3臺傳感器NO2、SO2和O3的平均測定值具有一致性，相互之間誤差不大，雖然3臺傳感器CO的平均測定值相差比NO2等略高，但是總體上誤差不大，不過3臺傳感器對于區域環境空氣中質量濃度分布情況則存在很大的差別。在對區域環境空氣氣態污染物進行監測時，傳感器C對于NO2和CO的測定值出現低值，對于O3測定值的對比，傳感器A、B、C作對比，則傳感器C測定值更高?？傮w來說，傳感器A和傳感器B的數據分布情況相對一致，二者之間沒有較大的相對誤差，測量結果也基本相同，但與傳感器C之間有著明顯的差異性，不僅數據分布情況存在差異，測量的結果也存在很大的誤差，因此可以確定，傳感器之間的一致性還存在很大的缺陷，依然需要不斷優化，如此才能保證監測結果的準確性。

根據實驗表明，3臺傳感器的數據變化趨勢合理，能夠有效表明區域環境空氣中氣態污染物的變化情況。不僅如此，通過實驗數據可以發現，傳感器NO2測定值的變化趨勢和國控點監測數據基本相同，都呈現出雙峰型特征，和相關研究結論保持一致。但是因為實驗區域周圍車輛不多，所以導致傳感器NO2測定值變化趨勢沒有國控點監測數據變化顯著，無法準確反映出區域環境空氣中NO2的實際情況。并且傳感器O3的低值實際和NO2的高值時間相互對應，并反映出單峰型變化情況，這個分布特點和NO2以及O3之間的光化學反應存在直接關系。除此之外，與國控點監測數據進行對比后，實驗人員發現，傳感器O3測定值低于國控點監測數據，二者之間的變化趨勢也存在差異。而傳感器CO測定值則出現雙峰型的變化情況，與研究結論相同，但傳感器SO2測定值則和國控點監測數據之間存在差異，不僅監測到的質量濃度低，而且還相對穩定，沒有呈現出變化規律。

3.2.2 誤差分析

國控點儀器與傳感器CO和NO2小時質量濃度相對誤差較小，能夠最大程度符合環境空氣實時監測的需要。傳感器SO2測定值與國控點監測數據的相對誤差較大，二者之間的平均相對誤差大約為56%，最小相對誤差也已經超過了12%。不過傳感器CO、O3、NO2測定值與國控點監測數據之間的相對誤差較小，二者之間的平均相對誤差大約為90%，傳感器CO小時質量濃度與國控點監測數據的相對誤差在33%左右，二者之間平均相對誤差大約為17%；傳感器O3小時質量濃度與國控點監測數據的相對誤差大約在50%左右，二者之間平均相對誤差大約為35%；而傳感器NO2小時質量濃度與國控點監測數據的相對誤差大約在40%左右，二者之間的平均相對誤差為20%。通過對周邊環境進行調查，實驗人員發現區域環境范圍內沒有明顯的污染排放源，從而能夠確定誤差是由監測儀器產生的。

4 實驗總結

首先，傳感器PM2.5測定值和國控點監測數據二者之間有著直接的聯系，通常情況下傳感器測定值會低于國控點監測數據。同時3臺傳感器當中與國控點監測數據誤差最小的傳感器，其PM2.5小時質量濃度的平均相對誤差大約為-7.3%，并且相對誤差在±30%左右，由此可以確定傳感器PM2.5監測效果更好，準確度更高。

其次，通過研究發現，相對濕度會對傳感器PM2.5測定值產生影響，當區域環境空氣中相對濕度較高時，傳感器PM2.5測定值也會變高，若是區域環境空氣中相對濕度為80%～90%，傳感器測定值和國控點監測數據相近，二者之間的平均相對誤差僅有-0.9%。

最后，根據實驗能夠發現，傳感器氣態污染物測定值和國控點監測數據之間存在明顯的差異[6]?，F階段，電化學原理氣態污染物傳感器性能依然存在一定的問題，難以滿足區域環境空間監測的需要，因此還要對電化學原理氣態污染物傳感器性能進行優化升級，使其能夠符合監測需要。同時傳感器CO和NO2測定值和國控點監測數據變化相同，二者之間平均相對誤差分別為17%和20%。而傳感器O3測定值則明顯低于國控點監測數據，并且二者之間的變化趨勢也存在差異。此外，傳感器SO2測定值和國控點監測數據之間相對誤差較大，二者之間的平均相對誤差大約為56%。

5 結論

綜上所述，根據對國家控制點和傳感器的實驗研究發現，在監測區域內沒有發現較為明顯的污染源排放，由此可以確認在日常工作中誤差值主要來自監測儀器本身，因此必須加強傳感技術在環境空氣監測中的應用。