濕度對光散射顆粒物傳感器的影響研究

宋英石

中環國投（北京）環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測量技術被認為是測量顆粒物應用最普遍的技術[1-2]。光散射的理論基礎是Mie 散射理論，設備中的抽氣泵保持一定的速度抽氣，使得樣品空氣進入樣氣室；同時，安置在側方的光源發射光來照射樣氣室中的樣氣，由于發射光的頻率很快，會保證樣氣中的任何顆粒物都會被其照射到，光照被顆粒物的表面散射到各個方向，在與光源成一定角度的方向上安裝一個光線監測裝置，感光元件會接收到被顆粒物散射過來的光，通過對該接收光的監測，系統即可以監測計算通過樣氣室的顆粒物的濃度。散射光線的強度會與顆粒物的大小有一定關系，通過對不同光線強度的不同脈沖信號的監測計算，還可以得到不同直徑顆粒物的數量濃度信息。在一定范圍內，檢測信號與顆粒物濃度成比例[3]。近些年，基于光散射原理的便攜式顆粒傳感器作為新型監測設備在環境空氣監測領域已經涌現[4]，它的出現引領了新一代監測儀器的發展且占據了相當重要的地位[5]。

1 研究方法

檢測相對濕度對顆粒物傳感器的影響采用室外對比的方法，在北京市西直門空氣質量監測站和上海市嘉定區空氣質量監測站分別放置一臺細顆粒物PM2.5傳感器，對比時間為2016年8月—2017年8月，同時記錄環境溫濕度。西直門監測站和嘉定監測站所用的細顆粒物PM2.5監測設備為美國Thermo Scientific ?1405 TEOM ? 連續環境顆粒物監測儀，測量原理為震蕩天平法，傳感器為光散射傳感器。

對比結束后，以空氣質量監測站濃度數據作為參比標準，計算傳感器監測結果與標準之間的相對偏差，用于表征濕度對傳感器的影響。相對偏差（RD）計算公式如下：

2 研究結果

2.1 不同季節顆粒物偏差比較大

通過對比北京和上海全年的測定結果發現，因高濕度造成的偏差與標準方法相比，在北京地區全年傳感器測定值比標準方法高估了18.28%，其中在夏秋兩個季節高估量最為明顯，分別為32.9%和33%，在冬春兩個季節，傳感器只高估了8.3%和7.6%；在上海測試結果表明，全年傳感器測定值比標準方法高估了31.87%，其中秋季高估最為明顯，為63%，春季高估量最小，為29%，在夏季和冬季分別有31%和41%的高估。如圖1所示。KIM J Y 等人[6]的研究表明，在相對濕度較大的夏季，顆粒物傳感器測量準確性低于相對濕度較低的冬季，其研究結果與本研究相似。徐春雨等人[7]的研究表明，傳感器方法測定結果與標準方法測定結果偏差92%，但是其評估的時間較短，只對比了40 組數據。在本試驗中，我們對比了北京市和上海市全年的數據，更具有代表性，同時評價了四個季節傳感器的高估量。

2.2 濕度閾值確定

傳感器方法在測定時會因為濕度影響，造成結果與標準方法偏差較大，為準確確定濕度對傳感器方法測定結果影響的閾值，分析北京和上海兩地傳感器在不同濕度環境下的相對偏差，以相對濕度為自變量，以相對偏差為因變量，擬合方程式，經過反復研究，認為二次方程最適合兩者之間的曲線關系，如圖2所示。通過對擬合曲線求導，找到曲線變化的拐點，即濕度影響的閾值。經計算，北京和上海兩地相對濕度影響的閾值分別為59.83%和63.71%，如表1所示。通過對比之前的研究，認為相對濕度對顆粒物監測影響的閾值為RH=60%，這與WANG Y 等人[8]的研究一致。徐春雨等人[7]的研究同樣表明，在環境相對濕度≤60%RH 時，對顆粒物傳感器影響較小，不需要對結果進行校正。MICHEL G 等人[9]的研究表明，顆粒物光散射系數在相對濕度5%～95%RH范圍內不斷增加，尤其是相對濕度>60%RH 時增加更為明顯，WAN J 等人[10]在相對濕度較低的室內（<60%RH）時，比值與相對濕度無相關關系。

表1 北京和上海兩個地點擬合公式參數表

2.3 不同濕度環境產生的偏差不同

通過對北京和上海兩地對比發現，不同的濕度梯度，傳感器測定結果產生的偏差不同，在相對濕度<60%RH 的環境中，傳感器測定值和標準方法測定值的相對偏差<10%。但是在相對濕度>60%RH的情況下，傳感器測量結果比標準方法測量結果有明顯的高估。測定結果表明，在濕度60%～70%RH 區間，北京和上海的傳感器比標準站分別高估了10%和18%。傳感器測量的結果比標準站的高估值隨著濕度的增加而增大，在相對濕度>90%RH 的環境下，北京和上海的傳感器的測定結果分別高估了135%和153%，如圖3所示。WANG Y 等人[8]在實驗室評估和校準了三個低成本顆粒物傳感器，發現光散射率受相對濕度的影響，隨著相對濕度的升高持續增加，其研究結果與本試驗結果有同樣的結論。徐春雨等人[7]同樣也發現傳感器方法與標準方法測定結果的比值與采樣期間環境相對濕度呈正相關，相同質量濃度的顆粒物在較高濕度時通常有更高的光散射測定值。

3 結束語

傳感器因其成本低、布點廣、監測效率高等特點，越來越受到監測工作的青睞，但是在實踐層面需要注意濕度對傳感器的影響，特別是在高濕度環境中，對其監測結果帶來的高估需要引起重視。通過北京和上海全年的測定結果發現，因高濕度造成的偏差與標準方法相比，在北京地區，全年傳感器測定值比標準方法高估了18.28%；在上海測地區，全年傳感器測定值比標準方法高估了31.87%。通過對比之前的研究，認為相對濕度對顆粒物監測影響的閾值為RH=60%。在相對濕度<60%RH 的環境中，傳感器測定值和標準方法測定值的相對偏差<10%；但是在相對濕度>60%RH 的情況下，傳感器測量結果比標準方法測量結果有明顯的高估。測定結果表明，在濕度60%～70%RH 區間，北京和上海的傳感器比標準站分別高估了10%和18%。傳感器測量的結果比標準站高估值，隨著濕度的增加而增大，在相對濕度>90%RH 的環境下，北京和上海的傳感器的測定結果分別高估了135%和153%。