光散射法扬尘监测仪关键设计与数据分析

文/童军华 潘焕双 化利东（安徽蓝盾光电子股份有限公司）

环境空气颗粒物的监测方法有多种，目前国内外主流的监测方法主要有β 射线法、振荡天平法（重量法）和光散射法。β 射线法仪器测量精度较高，运行及维护成本低，缺点是测量周期长，一般每小时出一组数据，仪器成本较高。振荡天平法仪器测量精度较高，能实时显示数据并根据需要的时间出数据，缺点是仪器成本高，要得出更精确的测量数据需要配置膜动态测量系统（FDMS）对数据进行补偿，而该套系统成本高，操作难度较大，运行及维护成本都高。考虑综合成本等因素，前两种方法不适合城市、工业园区等大空间范围高密度网格化环境空气颗粒物的监测需求。光散射法扬尘监测仪采用常规的半导体激光器、光电探测器、电子元器件及光学器件，制造成本低，时间分辨率高，体积小，能实时显示测量数据，适合于更精细化的网格布点监测，也可用于环境车上进行流动监测。但该仪器的缺点是，如果没有考虑环境湿度对测量结果的影响，则其测量精度及稳定性都不理想。本文主要是针对光散射法扬尘监测仪采样气路、温湿度控制、零点校准及气体反吹进行关键设计，以应对环境湿度对测量结果的影响，提高仪器的监测精度及稳定性，并对关键设计前后的测量数据进行对比分析。

一、光散射法颗粒物测量基本原理

基于光散射的粒子测量方法是以光的散射理论为基础的颗粒物测量方法，是目前应用最为广泛的颗粒物测量方法之一。光散射扬尘监测仪采用前向散射法，根据不同浓度颗粒物近前向散射光特性，在入射光不变的情况下，近前向散射的光强度与颗粒物质量浓度成正比。具体地，当一束光通过气溶胶，其光强因气溶胶中颗粒物对光的吸收和散射作用而减弱，通过测定参比光强和光束经过气溶胶后的光强来测定气溶胶中颗粒物的浓度。

光散射法扬尘测量系统原理如图1 所示，一束稳定的激光经准直镜至空气流照射到颗粒物群上，一方面垂直穿透空气流及汇聚镜的入射光到达光陷阱被吸收，另一方面入射光在颗粒群处发生前向散射，再通过小孔光阑射向汇聚镜聚焦于光电探测器上，通过将光信号转换为电信号，利用基于米氏（MIE)理论的算法，得到该颗粒物群的质量浓度。

图1 光散射法扬尘测量基本原理简图

二、光散射扬尘监测仪关键设计

由于环境空气中颗粒物浓度深受环境湿度、温度等的影响，光电探测器对前向散射光强度的探测也受光学透镜洁净度的影响，正确对仪器的本底测量或零点校准也至关重要。因此，仅根据图1 中的方法直接搭建的监测设备不能用于对实际环境中的颗粒物进行准确测量与环境评估。为解决这些问题，本文对光散射扬尘监测仪作了关键设计。

1.温湿度动态控制系统设计

环境空气中的湿度对光散射扬尘仪测量精度影响非常严重。水气在颗粒物表面凝结，导致颗粒物尺寸、形状及折射率发生改变。一方面影响切割器对颗粒物的切割效率，另一方面折射率及散射率的变化使光电探测器探测到的光强也发生改变。给被测颗粒物加热能改变其水分含量。所以，在基本设计的基础上增加温湿度动态控制系统（DHS）,可以消除环境空气湿度大对颗粒物（扬尘、PM10、PM2.5）的测量影响。即在切割器与光学气室之间的采样输送管上增加一个加热装置、一个温度传感器、一个湿度传感器、一块控制电路板及其控制软件等组成的温湿度动态控制系统。监测仪在采样过程中，当湿度传感器感知到其湿度大于等于某值时，DHS 给出指令，加热器开始加热。湿度越大，加热功率越大。随着湿度的降低，加热功率也随之降低，直到湿度小于某值时，DHS 发出指令停止加热。该系统所发出的启动与停止加热的湿度值与不同的区域、不同的季节及仪器本身的特性有关，此值可以在测量现场设定。

2.零点校准及光学气室清洁设计

与大多数计量仪器一样，零点校准是必要的。采用何种方式采样以方便自动进行零点校准非常重要。经过多种方案的对比，最终选定了一个比较满意的方案。在切割器与光学气室之间的采样管上增加一个两位三通电磁阀及其控制软件，并在电磁阀一出口气路上增加一颗粒物过滤器。需要测量时，控制软件将仪器切换至测量模式，在气泵的作用下其空气路径为：空气→切割器→采样管（含DHS）→电磁阀→光学气室→气泵→排出，完成颗粒物浓度的测量。需要进行零点校准时，控制软件将仪器切换至校准模式，其空气路径变为：空气→校准管→颗粒物过滤器→电磁阀→光学气室→气泵→排出，这样就完成了零点校准。

在正常测量期间，空气中的PM2.5、PM10、扬尘等颗粒物会对光学气室里的光学镜片产生污染，影响测量结果。为了消除影响，必须定期清理光学气室里的气路及镜片污染。如前所述，在零点校准模式下，进入光学气室的空气是经过过滤的、接近洁净的空气，可以用来对镜片进行反吹，能起到清洁镜片的作用，仪器的此种状态称为反吹模式。

测量模式、校准模式及反吹模式切换时间可在控制软件中设置好，以完成自动切换。同时，在操作界面上也设置了手动按钮，需要时可进行手动切换。关键设计后的光散射扬尘监测仪流程如图2 所示。

图2 光散射扬尘监测仪流程图

三、测试过程及数据分析

将关键设计前后的两款光散射扬尘监测仪用于现场进行比对测试，测试点选在安徽某市颗粒物监测国控点，国控点安装的是PM2.5 和PM10 监测仪。现场分别用两款扬尘监测仪对PM2.5 和PM10 进行测量，时间为1 个月。为简便起见，本文只截取了各10 天的PM10 数据进行了对比。

1.关键设计前测量数据比较

2020 年6 月，将关键设计前的扬尘监测仪安装在安徽某市国控点附近进行测试，将测得的1 个月数据与国控站点同期数据进行一一比对，发现两者PM10 和PM2.5 的数据趋势未能很好吻合，图3 是截取10 天的PM10 数据趋势图。

图3 关键设计前光散射扬尘监测仪与国控点测量数据对比图

2.关键设计后测量数据比较

2020 年7 月，将优化后仪器投放到同一点位，并进行了为期1 个月的PM2.5 及PM10 测量，将其与国控点的测量设备的数据进行对比，两者的测量数据非常吻合，图4 为截取前10 天的PM10 数据趋势图。

图4 关键设计后光散射扬尘监测仪与国控点测量数据对比图

3.关键设计前后的比较分析

关键设计之前光散扬尘监测仪设备颗粒物监测数值波动较大，光散射扬尘仪与国控点β 射线监测仪测量的颗粒物浓度差异较大，尤其在高浓度值状态下，光散射扬尘仪监测数据远低于β 射线法，无法跟随，数据趋势不佳。进行关键设计之后，对比同一站点监测数据，光散射扬尘仪监测数据颗粒物数据与国控站点的β 射线法数据对比拟合度非常高，PM10 和PM2.5 测量数据趋势一致性都很好。

四、结语

通过对光散射扬尘监测仪关键设计及对外场实验测试的数据分析，可以得出以下结论：进行关键设计之前，光散射扬尘仪监测量的颗粒物数据易受到周边环境的影响，测量数据的波动性较大，采样的空气中不同的湿度差异对设备最终测量造成影响。其原因是环境空气颗粒物高浓度时，光散射扬尘仪与β 射线法监测仪测量误差较大，数据趋势无法跟上，尤其是对于大颗粒物PM10。这是因为，环境空气中颗粒物浓度较高时，受空气湿度影响，整个光学气室内气路易堵塞，光学镜片易污染，水分参与了计量，本底测量不准确。进行关键设计之后，对光散射扬尘监测仪室增加温湿度动态控制系统（DHS）使待测量的颗粒物湿度得到改善，增加了零点校准模式使本底测量更加准确，反吹也使光学气室得到清洁，提高了监测数据的稳定性及准确性。