光散射法扬尘在线监测仪自动校零模式及其影响.pdf

引用格式：引用格式：吴丹,赵红达,张国城,等.光散射法扬尘在线监测仪自动校零模式及其影响J.中国测试，2023,49(9):133-138.WUDan,ZHAOHongda,ZHANGGuocheng,etal.StudyonautomaticzerocorrectionmodeanditsinfluenceonlightscatteringonlinedustmonitorJ.ChinaMeasurement&Test,2023,49(9):133-138.DOI:10.11857/j.issn.1674-5124.2021100078光散射法扬尘在线监测仪自动校零模式及其影响吴丹，赵红达，张国城，刘佳琪，沈上圯，田莹(国家生态环境监测治理产品质量监督检验中心（北京）北京市计量检测科学研究院，北京100029)摘要:自动校零功能是要求光散射法扬尘在线监测仪在长期使用过程中数据漂移后进行自我修正，以减少缺乏自净功能带来的测量误差。该文搭建扬尘监测仪校准装置，探究市场上常见 3 类自动校零结构（无切换阀、前置切换阀、后置切换阀）高浓度淹没实验前后对零点测量效率、仪器采样流量、测量误差的影响。研究发现 3 种结构仅能实现“零点测量”，未实现零点校准，而零点测量效率为无切换阀后置切换阀前置切换阀。此外，前置切换阀积灰容易造成传感器二次污染，后置切换阀易造成传感器污染，均会影响传感器测量误差。因此，光散射扬尘在线监测仪需与传感器校零算法或定期清洗等方式相结合来最终实现目的，现有标准、规范需进一步细化对自动校零功能的检测方法和性能指标的设定，从而提高扬尘在线监测仪测量准确性和稳定性。关键词:光散射法;扬尘在线监测仪;自动校零;零点测量效率中图分类号:TB9文献标志码:A文章编号:16745124(2023)09013306Study on automatic zero correction mode and its influence onlight scattering online dust monitorWUDan,ZHAOHongda,ZHANGGuocheng,LIUJiaqi,SHENShangyi,TIANYing(NationalQualitySupervisionandInspectionCenterforEco-environmentalProducts,BeijingInstituteofMetrology,Beijing100029,China)Abstract:Automaticzerocalibrationfunctionwererequiredtolightscatteringonlinedustmonitorstoself-correctedafterdatadriftintheprocessoflong-termuse,soastoreducethemeasurementerrorcausedbylackofself-cleaningfunction.Adustmonitorcalibrationdevicewassetuptostudytheeffectsofautomaticzerocalibrationstructuresincludingnoswitchingvalve,frontswitchingvalveandrearswitchingvalveandthehigh-concentrationinundateexperimentonzero-pointmeasurementefficiency,instrumentsamplingflowrateandmeasurementerroroftheonlinedustmonitors.Itisfoundthatthethreestructurescanonlyrealizezeropointmeasurement,butfailedinzeropointcalibration.Thezeropointmeasurementefficiencyis:noswitchingvalverearswitchvalvefrontswitchvalve.Inaddition,thedustaccumulationofthefrontswitchingvalveiseasyto收稿日期:2021-10-14；收到修改稿日期:2021-12-29基金项目:国家质量基础的共性技术研究与应用国家重点研发计划（2017YFF0205504）；中国计量测试学会第五届中国科协青年人才托举项目（YESS20200257）；北京市计量检测科学研究院自主课题项目（KJ2021-15）；国家市场监督管理总局技术保障专项项目（2020YJ004）作者简介:吴丹（1991-），女，四川夹江县人，高级工程师，博士，主要从事颗粒物检测相关研究。通信作者:张国城（1980-），男，福建永春县人，正高级工程师，博士，长期从事化学分析与环境监测仪器的计量检测研究。第49卷第9期中国测试Vol.49No.92023年9月CHINAMEASUREMENT&TESTSeptember,2023causesecondarypollutionofthesensor,andthedustaccumulationoftherearswitchingvalveiseasytocausesecondpollutionofthesensor,whichbothaffectedthesensormeasurementerror.Therefore,theonlinelightscatteringdustmonitorshouldbecombinedwithsensorzerocalibrationalgorithmorperiodiccleaningtoachievethefinalgoal.Theexistingstandardsandspecificationsneedtofurtherrefinethedetectionmethodofautomaticzerocalibrationfunctionandthesettingofperformanceindicators,soastoimprovetheaccuracyandstabilityofonlinedustmonitormeasurement.Keywords:lightscattering;on-linedustmonitor;automaticzerocorrection;zeromeasurementefficiency0 引言扬尘污染分为自然扬尘和人为扬尘。其中，人为扬尘污染来源包括道路扬尘、工地扬尘等。人为扬尘是城市大气 PM10的主要来源之一，对城市空气污染的贡献率也在逐步增大1。很多研究表明，全球范围内（如韩国、美国、中国等），扬尘排放的PM10能占到城市总 PM10排放的 40%及以上。PM10被称为可吸入颗粒物，其浓度的上升能引起咳嗽等呼吸道疾病、肺功能减弱及哮踹疾病的发生1。近年来，扬尘在线监测仪、微型空气监测站等高效率、高覆盖率、网络化的在线监测方法应运而生2-4，被广泛用于道路及工地等多场景扬尘颗粒物浓度的监测。通过网格化配置低成本光散射原理传感器，可实现污染源的快速识别和污染防控，适用于面源扬尘管理和精细化治理，目前已广泛应用于扬尘在线实时监测5。随着运营时间的推移，逐渐发现光散射法扬尘在线监测仪数据易发生漂移，且容易受到环境因素的影响，造成监测数据的不准确性4。基于此，周期性地对仪器进行零点校准能避免传感器因为污染或关键部件（如光源、检测器）性能漂移等造成的数据漂移，对降低运维成本，保障数据稳定性和有效性有重要作用。因此，在中环协（北京）认证中心的环保产品认证实施规则 CCAEPI-RG-Y-030-2016粉尘噪声在线监测系统6中对该类在线监测仪器进行了一项功能要求，即“自动校零”功能。但由于该认证规则中对于功能项没有明确的检测说明和指标要求，使得现有扬尘在线监测仪的“自动校零”功能成为了一个无法验证的功能。为评价现有“自动校零”功能是否真实有效，本文搭建了扬尘监测仪校准装置，归纳了现有扬尘在线监测系统中常见的 3 种“自动校零”功能结构，分别评价了这 3 种功能结构下，监测仪流量、数据监测结果以及污染发生后功能的实现情况，期望对该类仪器更好实现“自动校零”功能提供技术支持，并最终为解决扬尘在线监测仪数据漂移和产品的设计改进提供建议。1 材料与方法1.1 测试装置扬尘监测仪校准装置由 7 部分组成（如图 1 所示），包括雾化发尘器、扩散舱、检测舱、参考仪器、滤膜采样装置、控制部分、滤膜采样泵7。(a)扬尘监测仪校准装置(b)采样口81091112364571.雾化发尘器；2.扩散舱；3.检测舱；4.参考仪器；5.滤膜采样装置；6.控制部分；7.滤膜采样泵；8.被检仪器采样口 1（本实验使用采样口）；9.被检仪器采样口 2；10.参比仪器采样口；11.滤膜采样装置采样口。图 1 扬尘监测仪校准装置随后对扬尘监测仪校准装置进行性能测试，发生 5mg/m3左右的颗粒物浓度，利用滤膜采样装置对两个采样口分别进行 3 次测量，随后在中心点进行 6 次测量，分别计算两个采样点间偏差和中心点稳定性，计算结果如表 1 所示。该装置符合 JJG8462015粉尘浓度测量仪8计量检定规程中对低浓度 0.110mg/m3粉尘检定设备的要求，即参考仪器采样口和受检测量仪采样口两个采样点测量的偏差5%，中心点稳定性实验标准偏差5%。1.2 标准仪器参考粉尘仪采用张家港朗亿机电设备有限公司的LPM1000 烟尘粉尘浓度测量仪，量程0.110mg/m3，利用滤膜采样装置对其测量范围内进行校准，溯源至重量法，校准后测量误差 4.5%，重复性误差 2.1%，134中国测试2023年9月符合 JJG8462015粉尘浓度测量仪检定规程中作为参考粉尘仪的技术要求。标准流量计为 TSI4000。尘源采用 ISOA1 尘（亚利桑那 A1 尘）。1.3 高浓度淹没实验为了研究传感器受到高浓度污染后的自动校零效果，从而探究污染前后不同自动校零结构的校零效率和对测量的影响，对仪器进行了高浓度淹没实验，该实验将扬尘在线监测仪放于沙尘试验箱中，程序设置为 IP5X，粉尘用量为 2kg/m3，气流速度：2.5m/s。进行 1h 的正常采样测量，模拟较长时间测量或极端环境的测量情况9。2 实验结果2.1 自动校零功能结构“自动校零功能”是指在测量过程中，由于仪器内部器件的零点产生漂移，即零输入时也存在测量误差，消除这种误差的方法称为自动校零。实际上，自动校零功能的实现应该分为 2 个部分，1）对零点产生的漂移进行测量；2）对零点产生的漂移进行校准（即消除）。也就是说，自动校零功能的实现除了增加零点自动测量的结构外，还需要对该结构测出来的零点进行软件方面的校准，才能真正认为实现了“自动校零功能”。因此，首先要实现零点自动测量的功能。根据现有广泛应用的扬尘在线监测仪中自动校零功能的结构设计可实现零点的自动测量，目前主要有 3 种主流结构设计，其结构示意图及产品实例图如图 2 所示。本文中探究的“自动校零”功能结构实际上是对于产生洁净气路不同的方式：（a）无切换阀：仅依靠周期性的停止采样泵，实现无气流通过传感器，达到相对洁净的测量状态；（b）前置切换阀：利用切换阀改变进气端，在此进气端连接过滤膜实现洁净空气的测量状态；（c）后置切换阀：过滤膜置于传感器后端，经过滤后的洁净空气进入采样泵，当开启“零点校准”功能后，洁净空气经切换阀回流至传感器进气端，实现洁净空气的测量状态。这 3 种自动校零结构均能实现零点的测量，但存在一定差异。采样进气端采样进气端采样进气端传感器采样泵传感器切换阀采样泵传感器采样泵排气端排气端排气端过滤膜过滤膜自动校零进气端自动校零进气端切换阀(a)无切换阀(c)后置切换阀(b)前置切换阀图 2 3 种自动校零功能结构及产品示意图及产品实例图2.2 自动校零结构的影响由于不同厂家传感器、采样泵、仪器其他结构、仪器校准方式等均不同，若分别采用图 2 中的 3 台仪器分别对自动校零结构分别进行评价，其测试结表 1 扬尘监测仪校准装置性能测试测量值123456参考仪器测量值/（mgm3）5.135.325.24/被检仪器测量值/（mgm3）5.325.395.46/中心点测量值/（mgm3）5.355.265.345.345.365.42采样点间偏差/%3.1中心点稳定性/%1.0第49卷第9期吴丹，等：光散射法扬尘在线监测仪自动校零模式及其影响135果并不具有可比性，且无法排除其他因素的影响，从而无法客观评价 3 种自动校零结构的差异。因此，为了排除其他变量的影响，本文选用同一台仪器，分别还原常见的 3 种自动校零结构，开展评价，使评价结果更具有可比性和可信度。2.2.1零点测量效率本文利用扬尘监测仪校准装置，依次发生低浓度和高浓度粉尘气溶胶，针对同一台仪器改变不同的自动校零结构，对零点测量的效率进行测试，如图 3 所示。研究发现，零点测量效率（与所用时间呈负相关）由高到底顺序为：无切换阀后置切换阀前置切换阀，说明阻止气流的进入（关泵）比通过复杂管路的洁净气流效率更高。而在同样有切换阀的复杂管路情况下，其零点测量效率也存在差异，前置切换阀的零点测量效率远远低于后置切换阀的原因可能是切换阀前置时，常规测量时会导致切换阀内部积灰，当改变前置切换阀的气路时，洁净空气会携带切换阀内部积灰进入检测器，而只有将切换阀内部积灰部分吹净后才能实现真正意义上的零点测量，从而极大地降低了零点测量效率；而对于后置切换阀，由于采样泵前有过滤器，很好地阻挡了颗粒物对泵及切换阀的污染，从而保证了循环气路的洁净度。10203001912时间/s1020300时间/s1020300时间/s低浓度高浓度浓度/(mgm3)浓度/(mgm3)浓度/(mgm3)(a)无切换阀51015(b)前置切换阀0.20.4102030(c)后置切换阀图 3 3 种自动校零功能结构校零效率此外，无切换阀和后置切换阀结构的自动校零所用时间基本不受粉尘浓度的影响，而前置切换阀在高浓度粉尘条件下与低浓度粉尘条件下的零点测量效率不一致，可能与切换阀积灰程度有关，也可能仪器内部提前设置相关浓度变化程序有关，其实际影响因素还需进一步探究。因此，就零点测量效率来说，无切换阀和后置切换阀都能具有较高的零点测量效率，且不会造成仪器的二次污染，优于前置切换阀的校零结构。2.2.2采样流量不同的自动校零结构会改变管路的走向和长短，严重影响扬尘在线监测仪的实际采样流量。本文采用经溯源的流量计分别测试了泵的初始流量及 3 种不同结构下采样端流量，测试结果如表 2 所示。研究发现初始流量为 6.07L/min 的泵，在接入检测器、切换阀和管路后，流量大幅下降，甚至不足初始流量的 1/2。此外，不同结构的采样流量不同，对流量影响程度从大到小为：无切换阀后置切换阀前置切换阀，这主要与管路的复杂程度有关。但无论采样流量如何变化，只要满足检测器的流量要求，就能在不同流量条件下进行校准，实现准确测量。表 2 不同校零结构下采样端流量初始流量/（Lmin1）自动校零方式流量/（Lmin1）无切换阀前置后置6.073.642.082.142.2.3测量误差由于要求扬尘在线监测仪器具有自动校零功能，厂家为了加工方便，大部分采用前置切换阀自动校零结构，因此，本研究以前置切换阀结构作为初始结构进行仪器校准，校准后选取量程范围 0.110mg/m3的 20%、50%、80%的浓度作为测量点；随后对同一台仪器（同一传感器），通过改变自动校零结构，分别测试无切换阀和后置切换阀这两种校零方式下测量误差，如图 4 所示。根据图 4 发现，无切换阀和后置切换阀的自动136中国测试2023年9月校零结构的测量正误差陡然上升，说明这两种结构会导致测量结果增大，进一步验证了切换阀前置时确实会阻碍颗粒物的进入并积尘，从而低估测量浓度。因此，虽然三种结构选用同一个传感器，但是未标定之前，测量结果差异很大，甚至出现标定后系数显著偏离正常区间的情况。这也说明扬尘在线监测仪出厂标定的重要性，及切换阀前置的不合理性。2.3 高浓度淹没实验的影响2.3.1零点测量效率将仪器放于砂尘实验箱中进行高浓度淹没实验，实现人为污染。随后对仪器分别在 3 种自动校零结构下进行零点测量效率的测试，并对比了高浓度淹没实验前的数据（来自图 3 部分数据），如图 5 所示。高浓度淹没实验前高浓度淹没实验后10203000.29120.4时间/s浓度/(mgm3)(a)无切换阀10203000.214280.4时间/s浓度/(mgm3)(c)后置切换阀1020300时间/s浓度/(mgm3)69123(b)前置切换阀图 5 3 种自动校零功能结构高浓度淹没实验前后校零效率对比由图 5 可知，就零点测量效率而言，高浓度淹没实验并不会对其零点测量效率产生影响，甚至在后置切换阀的情况下出现了浓度拐点提前的现象。值得关注的是，在（a）无切换阀和（c）后置切换阀两种结构下，高浓度淹没实验后的最终零点测量数值均高于高浓度淹没实验前的值，甚至在（a）结构下，随着校零时间的延长，测量值有所上升，说明高浓度淹没实验确实造成了传感器的污染，使得测量数据发生了漂移。此外，（b）前置切换阀结构条件下，高浓度淹没实验后浓度测量值仍然以一种恒定速率在 30s 时间内达到 0，即使在传感器受到污染的情况下，在设定 30s 的时间内示值必定为 0，进一步验证了本文对该仪器具有内置自动校零程序，而非实际测量值的猜想。2.3.2测量误差由图 4 可知，无切换阀或切换阀后置这两种结构对测量结果影响差异性不大，主要是因为这两种方法在进入传感器之前都没有阻碍，因此将其作为一类，选取无切换阀的结构为代表，与切换阀前置的方式进行高浓度淹没实验后的测量误差比对，如图 6 所示（部分数据来自图 4）。50050100150200示值误差/%无切换阀前置切换阀20%50%80%高浓度淹没前高浓度淹没后高浓度淹没前高浓度淹没后图 6 高浓度淹没实验前后，不同自动校零结构测量示值误差比对由图 6 可知，高浓度淹没试验后，前置切换阀结构测量误差增大，而无切换阀结构测量误差减小，这主要是由于高浓度淹没实验造成传感器污染后，其测量值相较于高浓度淹没实验前偏低，进一步加大了负误差，而降低了正误差。说明不论哪种自动50050100150200示值误差/%无切换阀后置切换阀前置切换阀自动校零功能20%50%80%图 4 3 种自动校零功能结构测量示值误差第49卷第9期吴丹，等：光散射法扬尘在线监测仪自动校零模式及其影响137校零结构，虽然误差变化情况不同，但测量值均偏低，这主要是因为光学接收器的污染降低了散射光强，从而使得测量值降低。3 结束语本文通过对 3 种主流“自动校零”功能结构进行评价，虽然有 3 种结构形式，但根据测试结果可知主要有两大类，一类是切换阀置于传感器之前，另一类是传感器前无切换阀（包括两种形式：无切换阀或切换阀后置）。对比这 3 种结构的零点测量结果、效率以及对采样流量、测量误差的影响，发现：1）虽然 3 种结构均能实现“零点”的测量，但传感器前无切换阀这类零点测量效率明显高于前置切换阀类，且不受浓度变化的影响，而前置切换阀会积灰，造成对光学传感器的二次污染；2）自动校零的结构会影响仪器最终的采样流量，但经校准后不会影响传感器测量准确性；3）受污染是导致传感器发生数据漂移的主要原因之一，其影响会降低传感器对颗粒物浓度的灵敏性，从而低估污染情况。总的来说，无切换阀和后置切换阀的结构优于前置切换阀，而后置切换阀优于无切换阀，反吹洁净气流能起到一定程度清洁检测器的作用，延缓检测器污染。除此之外，有个别产品以关闭光源的形式实现零点测量以评估检测器的漂移。不管哪种形式，均仅能实现仪器对“零点”的测量，并没有进行软件方面的校准，并不具有“自动校准”的功能，且存在人为设置既定校零程序的可能。现有市场上大量的扬尘在线监测仪“自动校零功能”并不能靠改变“结构”去实现，该结构仅能实现零点的测量，而不能自动校准传感器因污染而导致的数据漂移，只有通过“零点测量结构”设计和传感器污染校准算法相结合才能最终解决扬尘在线监测仪在长期使用中污染造成的数据漂移的问题，因而，有必要对该项功能设置一定的测试方案和性能指标，进一步提高测量准确性和稳定性。参考文献董发勤,刘明学,耿迎雪,等.超细大气矿物颗粒物界面反应及生物活性研究新进展J.中国测试,2013,39(2):59-63.1秦孝良,侯鲁健,高健,等.基于移动传感器的城市道路颗粒物污染特征J.中国环境科学,2020,40(3):948-955.2贾松林,苏林,陶金花,等.卫星遥感监测近地表细颗粒物多元回归方法研究J.中国环境科学,2014,34(3):565-573.3郭英哲,高健,王文兴,等.低成本大气颗粒物传感器的室外环境性能评测研究J.中国环境科学,2020,40(12):5133-5141.4丁波,蔡新华.布下“天罗地网”监测动静结合开发绿色数据引擎扬尘精细监管的上海追求J.中国生态文明,2020(5):30-33.5中环协(北京)认证中心.粉尘噪声在线监测系统:CCAEPI-RG-Y-030-2016S.2016.6吴丹,张国城,赵晓宁.光散射法颗粒物监测仪粒径识别检测装置的搭建及方法研究J.计量学报,2021,42(3):388-394.7粉尘浓度测量仪:JJG846-2015S.北京:中国标准出版社,2015.8吴丹,张国城,赵晓宁,等.极端颗粒物浓度环境对低成本光散射颗粒物传感器性能影响J.计量学报,2021,42(12):1670-1674.9(编辑:莫婕)138中国测试2023年9月