微量振荡天平法确定激光粉尘仪大气颗粒物转换系数

简亚婷，高 军，肖卫民，赖新忠，高艳玲

微量振荡天平法确定激光粉尘仪大气颗粒物转换系数

*简亚婷1，高 军1，肖卫民2，赖新忠2，高艳玲2

(1.同济大学暖通空调及燃气研究所，上海 201804；2.飞利浦（中国）研究院，上海 200233)

本研究确定了某激光粉尘仪测试上海市环境大气颗粒物（PM10和PM2.5）的质量浓度转换系数K值。利用激光粉尘仪和TEOM RP 1400a型监测仪，同时对选定的环境监测站同一监测点的环境大气颗粒物（PM10和PM2.5）进行了测定，得出了该激光粉尘仪测试上海市环境大气颗粒物（PM10和PM2.5）的质量浓度转换系数K值呈基本正态分布，分别为0.00594和0.00158。

微量振荡天平法；激光粉尘仪；质量浓度转换系数K值；环境大气颗粒物（PM10和PM2.5）

当今社会的雾霾天气越来越严重，环境大气颗粒物的质量浓度引起了人们的广泛关注，如果能随时随地知道大气中PM10及PM2.5的浓度成为越来越多人们的需求。我国的环境监测站多采用振荡天平法，即TEOM RP 1400a型大气环境监测仪来实时监测环境空气质量系数，因为该仪器精度高、受干扰物和不确定影响因素少，然而振荡天平法虽然精度高，但其成本高、体积重，不便携带。而常用的便携式粉尘测定仪­—激光粉尘仪就能解决这些问题。利用光散射原理制成的快速测尘仪具有体积小、重量轻、灵敏性高、操作简便、可现场快速直读的特征，适于实现在线实时连续监测等优点[1-4]。但是常用的激光粉尘仪到底多大程度可信，还值得研究，而且该仪器测得的是相对质量浓度（CPM），需经质量浓度转换系数K转换后才能使用，因此质量浓度转换系数K对使用激光粉尘仪测量可吸入颗粒物质量浓度具有重要的意义。现有的关于浓度转换系数K值的研究多数采用滤膜称重法[4-6]已经确定了公共场所、铁路行业、煤矿行业、水泥厂等劳动作业现场的K值[7-9]。但该方法涉及的实验仪器繁多、步骤繁琐、耗时长、误差大，不能快速得出K值。已有研究表明不同地区的K值也存在差异[7-9]，而目前尚无应用激光粉尘仪测定上海市大气环境颗粒物的浓度转换系数K值的相关研究报道。

为了确定激光粉尘仪测定环境大气颗粒物的准确度和相应的质量浓度转换系数K值，我们选择了LD-6S型多功能激光粉尘仪作为激光粉尘仪的代表，利用微量振荡天平法（直接称量法），针对由它测定上海市环境大气颗粒物（PM10和PM2.5）的质量浓度转换系数K值进行了探讨。

1 浓度测定与K值计算方法

LD-6S型多功能激光粉尘仪为北京绿林创新数码科技有限公司生产的快速测尘仪，其测定原理是当光照射在空气中悬浮的粒子上时，产生光散射，在光学系统和粉尘性质一定的条件下，散射光强度与粉尘浓度成比例。光散射法测定空气中的粉尘浓度是通过测量散射光强度，经过转换求得粉尘质量浓度的方法[10]。

微量振荡天平法是美国R&P公司生产的TEOM RP 1400a环境大气颗粒物监测，它的原理是在质量传感器内使用一个振荡空心锥形管，在其振荡端安装可更换的滤膜，振荡频率取决于锥形管特征和其质量。当采样气流通过滤膜时，其中的颗粒物沉积在滤膜上，滤膜的质量变化导致振荡频率的变化，通过振荡频率变化计算出沉积在滤膜上颗粒物的质量，再根据流量、现场环境温度和气压计算出该时段颗粒物标准的质量浓度。因此，可以认为微量振荡天平法是一种直接质量测量法——称量法，其测量的准确性基本取决于采样流量[10]，这保证了微量振荡天平法监测仪的精确性。

微量振荡天平法是分别同时利用激光粉尘仪和振荡天平测定同一监测点的大气颗粒物中PM10和PM2.5的浓度值，并得到相对质量浓度值R和质量浓度值C，再利用公式（1）分别求得PM10和PM2.5的质量浓度转换系数K值。

质量浓度转换系数K值的计算公式：

(1)

式中：K：质量浓度转换系数，mg/（m³x CPM）；

C：由TEOM RP 1400a 环境大气颗粒物监测仪测出的环境大气颗粒物（PM10或PM2.5的质量浓度，mg/m³；

R：由LD-6S型多功能激光粉尘仪测出的环境大气颗粒物（PM10或PM2.5）的相对质量浓度，CPM。

2 测定对象与实验方法

以上海市杨浦区环境监测站内设置的空气质量自动连续监测点为测定对象，该站位于住宅和文教区，测量点100 m范围内主要是居民住宅小区，100~500 m范围内主要有学校、公园、体育馆和居民住宅小区，无高大建筑物和主要交通要道。同时我们用激光粉尘仪和监测站内的环境大气颗粒物监测仪这两台仪器测定环境大气颗粒物PM10和PM2.5的浓度。

为保证实验的质量，在进行现场测量之前，分别对激光粉尘仪进行了流量、浓度、时间的校准；对环境大气颗粒物监测仪进行了流量、温度、气压和质量传感器的校准。两台测试仪器的型号和生产厂家分别为：LD-6S型多功能激光粉尘仪，北京绿林创新数码科技有限公司生产，仪器编号：9001075H； TEOM RP 1400a 环境大气颗粒物监测仪：美国R＆P公司生产。

为防止两台仪器的采样口互相干扰对颗粒物样品的采集，将激光粉尘仪放置在距监测站监测点平行相距约1 m处，两仪器采样口平行放置，距地面高度约为13 m，周围无建筑物墙壁。设置激光粉尘仪与环境大气颗粒物监测仪整点同步采样，每分钟采样1次，各采样6 h，对PM10和PM2.5分别各采样1天。采样时注意更换LD-6S型多功能激光粉尘仪的PM10与PM2.5切割头。

3 测定结果

3.1 异常值的剔除

本研究主要利用箱形图法来剔除试验异常值。箱形图主要包含五个数据节点，将一组数据从大到小排列，分别计算出它的上边缘，上四分位数Q1，中位数，下四分位数Q3，下边缘。箱形图识别异常值的标准是：异常值被定义为小于Q1-1.5IQR或大于Q3 + 1.5IQR的值，其中IQR为四分位间距，IQR = Q3 - Q1。具体画法是在Q3 + 1.5IQR和Q1-1.5IQR处画两条与中位线一样的线段，这两条线段为异常值截断点，称其为内限；在Q3 + 3IQR和Q1 - 3IQR处画两条线段，称其为外限。处于内限以外位置的点表示的数据都是异常值，其中在内限与外限之间的异常值为温和的异常值，用“〇”标出；在外限以外的为极端的异常值，用“*”标出。

利用SPSS软件绘制箱形图剔除异常值，得出以下结果。如图1所示，TEOM监测仪测量PM10得到的360个数据中，有7个异常值，分别是第30、35、36、37、133、134、135等7个点，其中第133、134、135三个异常值偏大，第30、35、36、37四个异常值偏小，应予以剔除，保留其余353个有效值。如图2、图3、图4所示，图中无异常值，所测数据皆为有效值。但因为计算K值需要成对数据，因此只保留激光粉尘仪测定PM10的353个数据，剔除与图1对应的激光粉尘仪测量值。PM2.5所测得的两组数据因无异常值出现，保留有效数据360个。

本次试验测定场所的相对湿度范围为40%~60%，共获得激光粉尘仪测量的PM10和PM2.5的质量浓度C数据各360个，其中保留PM10有效数据353个，PM2.5有效数据360个；TEOM监测仪测量的PM10和PM2.5的相对质量浓度值R各360个，其中保留PM10有效数据353个，PM2.5有效数据360个。

图1 TEOM监测仪测量PM10试验数据箱形图

图2 激光粉尘仪测量PM10试验数据箱形图

图3 TEOM监测仪测量PM2.5试验数据箱形图

图4 激光粉尘仪测量PM2.5试验数据箱形图

3.2 采样测量曲线图的对比与分析

图5和图6是利用LD-6S激光粉尘仪与TEOM RP 1400a环境大气颗粒物监测仪分别对大气PM10与PM2.5的质量浓度进行测量后所得数据的对比图，其中激光粉尘仪的K值取仪器默认值0.01。

图5 LD-6S激光粉尘仪与TEOM RP 1400a环境大气颗粒物监测仪对大气PM10质量浓度的测量对比

图6 LD-6S激光粉尘仪与TEOM RP 1400a环境大气颗粒物监测仪对大气PM10质量浓度的测量对比

从图5及图6可知，LD-6S与TEOM测量的结果变化曲线具有相似的变化趋势，这两图显示了LD-6S激光粉尘仪与TEOM测量的结果有非常好的一致性，两种仪器所测数据之间呈线性关系，质量浓度转换系数K值即为放大系数。常用的激光粉尘仪的准确度和可信度高，日常生活中可以利用激光粉尘仪随时随地获知环境大气颗粒物的质量浓度。

3.3 K值的分析

采用Excel和SPSS软件对测量所得数据进行计算和统计分析。

3.3.1 K值的频率分布

利用公式（1）计算得到PM10和PM2.5的浓度转换系数K值各350个，保留有效数据350个。分别用PM10和PM2.5的浓度转换系数K值按从小到大的顺序排列，其频数分布情况见图7和图8。

图7 PM10 K值频率分布

图8 PM2.5 K值频率分布

表1 PM10与PM2.5的浓度转换系数K值统计量

由图7可知PM10的K值呈近似正态分布。由表1知道PM10的K值最小值为0.0021，最大值为0.0137，标准差为0.0017 均值为0.00594，均值的标准误差为0.0009。由图8可知PM2.5的K值呈近似正态分布。经计算得出PM2.5的K值最小值为0.0002，最大值为0.0029，标准差为0.0007，均值为0.00158，均值的标准误差为0.00004。

3.3.2 CPM与质量浓度C的相关性分析

如图9、图10所示：图中45°黑直线是参考线，横轴是实际观测的累积概率，纵轴是服从正态分布的期望概率值。所测得的PM10和PM2.5数据散点是紧贴45°线的，可知TEOM RP 1400a环境大气颗粒物监测仪所测得的质量浓度C基本服从正态分布，可进行线性回归拟合。

图9 PM10质量浓度C与对应CPM值回归标准化残差的标准P-P图

图10 PM2.5质量浓度C与对应CPM值回归标准化残差的标准P-P图

由表2可知，PM10 K值的回归方程为1 = 0.014 + 0.4051，CPM和质量浓度C之间的相关系数为0.562，达到了0.001的显著性水平，两者的相关显著。PM2.5 K值的回归方程为2 = -0.004 + 0.2152，PM2.5的CPM和质量浓度C之间的相关系数为0.702，达到了0.001的显著性水平，两者的相关显著。

表2 CPM与PM10和PM2.5质量浓度C相关性分析

4 结论

通过对LD-6S型多功能激光粉尘仪和 TEOM RP 1400a 环境大气颗粒物监测仪所测数据分析可得：LD-6S型多功能激光粉尘仪对上海市环境大气颗粒物PM10的浓度转换系数K值为0.00594，PM2.5的浓度转换系数K值为0.00158。LD-6S型多功能激光粉尘仪和TEOM RP 1400a环境大气颗粒物监测仪测量数据具有很好的一致性，激光粉尘仪测得数据值得信赖。

由CPM与质量浓度C的相关性分析结果可知：利用微量振荡天平法确定激光粉尘仪的浓度转换系数K值是可行的。相比于常规的滤膜称重法确定K值，微量振荡天平法具有方便、快捷、准确的优点。利用此法可以将微量振荡天平法监测仪测量准确度高和光散射法粉尘仪便携带、可快读的优点结合起来，用便携粉尘仪对大气雾霾等其他颗粒进行随时随地监测、污染源调查和应急事故监测等非环境预报类的测试，可以实现环境颗粒物污染的客观、便携式对比测试、分析和判断。

[1] 刘国珍，赵学武. 对数相对质量浓度与质量浓度K值研究[J]. 铁道劳动安全卫生与环保,1993,20(1):66-68.

[2] 谈立峰，秦黎霞，刘海荣，等. 激光粉尘仪测定空气中可吸入颗粒物[J]. 环境与健康杂志,2000,17(5): 295-297.

[3] 朱一川，张晶，周文刚，等. 粉尘监测方法的相关标准及光散射式快速测尘仪器最新进展 [C]. 北京:化学工业出版社, 2007:473-474.

[4] 谭洪，吴法章. 光散射数字粉尘计在粉尘测定中的应用[J]. 铁道劳动安全卫生与环保,1995, 22(1): 71-73.

[5] 谈立峰，陈小岳，刘海荣，等. 光散射法替代滤膜称重法在公共场所空气可吸入颗粒物监测中的应用研究[J]. 中国公共卫生, 2000,16(11): 1015-1017.

[6] 张晶，朱一川，周文刚. 光散射法在室内环境 PM10 检测中的应用及测尘仪器最新进展[J]. 环境与健康杂志, 2008,25(3): 267-269.

[7] 胡志杰，郭敏. P-5L_2粉尘仪测定车库内燃煤烟尘及K值研究[J]. 中国卫生工程学, 2000,9(4): 16-17.

[8] 谭洪，呼东风，吴旭琨. 水泥生产中粉尘质量浓度转换K值的研究[J]. 职业医学, 1990,17(5): 266-268.

[9] 沈倩敏，岳俊霞. 三种粉尘质量浓度转换系数K值的探讨[J]. 中国城乡企业卫生, 2001(2): 12-13.

[10] 王小群，田宏迩. 南京地区P-5L2型数字粉尘仪换算系数K值的测定[J]. 铁道劳动安全卫生与环保, 2007, 34(2): 88-91.

USING TAPERED ELEMENT OSCILLATING MICROBALANCE METHOD TO DETERMINE THE CONVERSION COEFFICIENT OF ATMOSPHERIC PARTICULATE MATTER TESTED BY LASER DUST MONITOR

*JIAN Ya-ting1, GAO Jun1, XIAO Wei-min2, LAI Xin-zhong2, GAO Yan-lin2

(1.Institute of HVAC Engineering, College of Mechanical Engineering, Tongji University, Shanghai 201804，China；2. Philips Research China, Shanghai 200233，China)

This paper has determined the mass concentration conversion coefficient of the atmospheric particulates (PM10 and PM2.5) in Shanghai, tested by Laser Dust Monitor. The Laser Dust Monitor and TEOM RP 1400a type’s Atmospheric Particulates Monitor in Shanghai Yangpu District Environmental Monitoring Station are used to test the mass concentration of the atmospheric particulates (PM10 and PM2.5) at the same testing point and time. The mass concentration conversion coefficient of the Shanghai atmospheric particulate (PM10 and PM2.5) tested using Laser Dust Monitor are obtained, the K values basicly appear normal distribution with the values of 0.00594 and 0.00158 respectively.

tapered element oscillating microbalance method; LD-6S laser dust monitor; mass concentration conversion coefficient (K); environmental atmospheric particulates (PM10 and PM2.5)

X851

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2014.03.001

1674-8085(2014)03-0001-06

2014-02-09；

2014-03-11

国家自然科学基金项目（50908163）；上海市科委人才资助项目(11QA1406800)

*简亚婷(1990-)，女，福建龙岩人，硕士生，主要从事供热供燃气通风空调专业应用研究(E-mail: artingjane@gmail.com);

高 军(1977-)，男，浙江萧山人，副教授，博士，主要从事室内空气品质厨房通风技术研究(E-mail: gaojun-hvac@tongji.edu.cn);

肖卫民(1973-)，男，湖南益阳人，高级研究员，博士，主要从事分子生物学研究( Email: weimin.xiao@philips.com);

赖新忠(1970-)，男，江西赣州人，主任研究员，博士，主要从事应用化学研究(Email: matt.lai@philips.com);

高艳玲(1978-)，女，吉林人，资深研究员，博士，主要从事食品科学研究(Email:maggie.gao@philips.com).