多组份颗粒物监测技术及应用

◎文/化利东 潘焕双 邓龙龙（安徽蓝盾光电子股份有限公司）

目前大气颗粒物自动监测方法主要有β射线法、振荡天平法（TEOM）和光散射法。一般来讲，基于振荡天平法（TEOM）的自动监测仪的精度和实时性略好，但是仪器结构复杂、体积庞大、价格昂贵，需与FDMS结合使用，一旦缺少FDMS将严重影响PM2.5浓度的测量精度，不符合未来环境监测仪器发展的趋势；而基于β射线法的自动监测系统，虽然可以准确可靠地测量空气中颗粒物的浓度，但测量需要有颗粒物富集的过程，不能及时反映颗粒物浓度变化。以上两种方法的共同缺陷是仪器需要通过切割器切割某一粒径段颗粒物后进行颗粒物浓度测量，因此同一台仪器在同一时间只能测量一个因子，且不能实时反映颗粒物浓度的变化。而利用光散射法测量颗粒物浓度，仪器不仅可以根据需要同时测量多个因子的浓度（如PM10、PM2.5、PM1等），而且还能实时反映每个因子的浓度变化。

一、测量原理

由激光器发出激光照射到待测区的颗粒物上并向各方向发生散射，探测组件则是探测来自前向散射光，再将光信号转换为电信号，根据输出电压的大小来判断颗粒物粒径的大小。所接收的前向散射光信号强度和角度与其所照射的颗粒物粒径大小有关。被照射的颗粒物几乎是依次逐一进入待测区，使每个颗粒物的前向散射也几乎被逐一采集与光电转换。根据米散射原理，通过朗博比尔定律反演得到颗粒物浓度，其散射光的强度可由式（1）、（2）表示[1]：

公式（1）、（2）中：I(θ)为前向散射角为θ的散射光光强；I0为激光器射出光光强；λ为入射光波长；d为颗粒物直径；m为入射光折射率；ρ为颗粒物密度；θ为前向散射角；N为单位体积内颗粒物个数；W为颗粒物的质量浓度。

在设计中,光电二极管探测器接收散射光的角度就是前向散射角，为定值。公式（1）中，I(θ)、I0、N 均是探测器测量得出的，λ为激光的固有波长，是定值，所以从式（1）中可得出颗粒直径d。如果令式（1）中

则K也为已知值。再推导公式（1）和（2）得出公式（3）：

从式（3）中可以明显地看出，某一粒径的颗粒物浓度与前向散射角为θ的散射光光强有关。

二、关键技术组成

该仪器主要由光机模块、激光器驱动模块、信号处理模块等组成。

1.光机模块

光机模块主要由激光器、准直透镜、平凸透镜、光陷阱、气帘和光电二极管探测器组成，激光器发出的调制光经过准直透镜变成平行光经过散射区，照射到颗粒物上发生散射。前向散射光以光轴中心360度向四周发散（见图1）。探测组件以一定角度接收来自前向散射的光信号，然后将不同粒径颗粒物散射光信号转化为不同幅值电信号进行处理。

2.激光器驱动模块

激光器采用半导体激光二极管，其关键技术包括激光器恒功率控制和温控设计，以防止激光器性能参数发生漂移而影响测量效果。

图1 光散射法多组份颗粒物监测示意图

在激光器恒功率控制设计中，采用了德国IC-Haus公司的iC-WJB集成化芯片。对激光器输出功率稳恒控制的同时，还可以通过外部引脚对激光器输出功率进行调节（见图2）。

图2 恒功率控制原理图

半导体激光器是一个热功率器件，温度会随着工作时间的增加而升高，同时半导体激光器也是一个温敏原件，温度变化对激光器的输出和寿命有着很大的影响。本仪器在激光器恒温控制设计中，采用了DS18B20温度探测器采集激光器温度，其温度信息输送至MCU处理器，通过PID算法决定是否执行半导体制冷器（TEC）制冷命令（见图3）。

图3 温度控制原理图

3．信号处理模块

该部分主要完成对颗粒物前向散射的光信号采集，并将光信号转化为电信号进行取样、放大、滤波、解调、甄别。主放大器电路采用低噪声、高共模抑制比的精密运算放大器将脉冲信号放大到适当大小，经由比较器比较脉冲幅值和计数器分档计数后送到MCU进行处理（这就是多组份监测的依据）。调制信号由MCU同一I/O接口输出，用于同步调制激光器和控制乘法器，达到同步调制解调的效果，很好地滤除电噪声（见图4）。

三、实验及分析

图4 信号采集与处理示意图

采用本文所述方法，研发并制作了3台多组份颗粒物监测仪，与手工法[2]仪器、美国metone仪器进行参比。手工仪器是指康姆德润达手工采样器，MetOne激光尘埃粒子计数器，图5和图6为3台多组份颗粒物监测仪小时值的平均值和手工法称量值、metone仪器小时值的趋势和参比结果；图7为3台多组份颗粒物监测仪之间小时测量值的平行性对比，所有数据测量对象均是PM10颗粒物，单位是ug/m3。

图5 多组份颗粒物监测仪与参比仪器小时平均值

图6 多组份颗粒物监测仪实验数据线性图

图7 仪器的平行性

四、结论

按照本文所述原理方法设计的多组份颗粒物监测仪，通过标定可以对不同粒径的颗粒物进行同时检测，仪器之间的平行性为1.7%，斜率为1.045，截距为0.038，相关性为 0.99，满足 HJ653-2013 技术要求[3]，能够实现多组份实时监测。但同时要注意以下几个方面的技术保证：光电探测器的探测面不宜过小，以5mm直径为宜，否则接收光强会有所损失；对采样通道进行合理的保温，防止冷凝水进入探测面；定期用洁净空气对探测面进行反吹；确保对激光器进行恒温和恒功率控制。