LD-7S型多功能激光粉尘仪及其应用

【核心介绍】本文介绍了具有函数连续湿度自动修正功能的LD-7S多功能精准型激光粉尘仪的主要特点，北京理化分析测试中心将LD-7S激光粉尘仪直读法与滤膜称重法进行了对比测试，实验结果表明，两种测定方法的结果具有一致性和相关性。 　

LD-7S型多功能激光粉尘仪及其应用

王立¹王欣欣²朱芸德¹汪雨² 许志杰¹ 毕昕¹亓学奎²张楠¹ 张金平¹

翟利明¹张晶¹陈舜琮²朱一川¹

（¹北京绿林创新数码科技有限公司 北京100035; ²北京市理化分析测试中心 北京 100089）

摘 要 本文介绍了具有函数连续湿度自动修正功能的LD-7S多功能精准型激光粉尘仪的主要特点，北京理化分析测试中心将LD-7S激光粉尘仪直读法与滤膜称重法进行了对比测试，实验结果表明，两种测定方法的结果具有一致性和相关性。

关键词 颗粒物检测；PM_2.5；激光粉尘仪

中图分类号 R122.2

The LD-7S Multifunctional Laser Dust Monitor and its Application

Wang Li¹, Wang Xinxin² , Zhu Yunde¹, Wang Yu²,Xu Zhijie¹, Bi Xin¹, Qi Xuekui², Zhang Nan¹, Zhang Jinping¹, Zhai Liming¹,Zhang Jing¹, Chen Shuncong²,Zhu Yichun¹

(¹Beijing LvLin Innovative Digital Technology Co. Ltd, Beijing 100035, China; ²Beijing Center for Physical and Chemical Analysis, Beijing 100089, China)

Abstract This article describes the main features of a multifunctional precise laser dust instrument LD-7S, which has the automatical and continuous correction function of humidity.  Researchers from Beijing Center for Physical and Chemical Analysis has made a comparison between the LD-7S laser dust instrument and the dust filter weighing method. Contrast Test indicated that two methods had consistence and correlation.

Key words Particulate matter measurement; PM_2.5; Laser Dust Instrument

随着经济高速发展、机动车辆数量的增加以及城市化进程的加快，我国的雾霾天气呈现增加趋势。国家气象局发布的2014年《中国气候公报》显示^[1]，2014年我国平均霾日17.9天，京津冀霾日61天，较2013年多25天。颗粒物是大气中的主要污染物之一。治理空气污染是一项长期而艰巨的工作，而高效、即时地检测PM_2.5的质量浓度，为评定污染水平和评价治理效果提供定量依据，是治理工作中基础且不可或缺的一环。如何优化检测方法、提高检测仪器的检测效率，是领域内研究关注的热点。

国际上广泛采用的PM_2.5测定方法有重量法、β射线吸收法、微量振荡天平法和光散射法。重量法是我国PM_2.5监测的标准方法，但是由于其为手工方法，需要人工称重，程序繁琐，不能用于实时连续监测^[2]。β射线吸收法、微量振荡天平法和光散射法的PM_2.5测定仪器，都受到空气湿度变化的影响，包括美国TOEM锥体振荡天平颗粒物测定仪以及不同型号的β射线法测尘仪器，公共场所、劳动作业场所现场使用的光散射粉尘仪如美国TSI公司的8520，英国CEL公司的Microdus，日本的LD-3K，德国Hud公司的多道测尘仪等，在高湿度天气下，测量误差成倍增加，TOEM锥体振荡天平颗粒物测定仪甚至会出现负的浓度值^[3]。震荡天平法和β射线吸收法在实际使用过程中，通过历年的技术改进增加了补偿系统，但由于带补偿系统的设备运作比较复杂、成本高、体积重、不便携带，而且对使用环境及使用人员有较高的要求，不适合移动检测及大范围组网在线应用。目前还未见光散射原理的颗粒物检测仪器有针对湿度影响的补偿技术。

本文介绍的LD-7S型多功能激光粉尘仪，通过研究湿度对光散射原理仪器测量值的影响规律，建立了相应的修正函数，解决了国内外同类产品存在的仪器稳定性和环境适应性问题，检测时能够根据环境湿度实时对测量值进行修正，有效降低环境湿度对测量值的影响， 适合应用于大气环境实时监测、公共场所和劳动作业场所卫生监测中的现场采样，以及在线长期实时监控，是一种符合国家标准且具有优良性能价格比的新型PM_2.5测定仪器，为贯彻新修订的《环境空气质量标准》提供了有力的技术支持。

1 LD-7S型多功能激光粉尘仪

LD-7S型多功能激光粉尘仪根据光散射原理设计，仪器以半导体激光器为光源，光电二极管作为检测器。配以冲击式采样器，当含颗粒物的气体以一定的速度（恒流量）进入采样器后，颗粒获得了一定的动能并且有一定的惯性，粒径大于冲击式采样器切割粒径的粒子，因惯性大可以滑过气流而撞在捕集板上沉积下来，而惯性小的颗粒，将随着气流流线运动，进入检测器暗室并被收集在滤膜上。在暗室中，空气中的粉尘在激光照射下产生散射光，前向散射光经光电二极管接收并转换成与散射光强度及粉尘浓度成正比的每分钟脉冲计数，此为粉尘的相对质量浓度，经过质量浓度转换系数转换后可获得粉尘质量浓度。同时，滤膜上收集的样品也可用于重量法进行比对。

1.1 LD-7S主要技术指标

1）  检测灵敏度（相对于校正粒子）：高灵敏度1μg/m³；低灵敏度0.01mg/m³。

2）  测量范围（相对于校正粒子）：高灵敏度（1-10000）μg/m³；低灵敏度（0.01-100）mg/m³。

3）  测量准确度：±10%。

4）  重复性误差：2%。

5）  RS232，RS485等多种通讯接口兼容。

6）  PM_2.5，PM₅，PM₁₀，TSP多切割器兼容。

7）  在满足以下使用环境条件下长期连续可靠工作：

便携仪器：温度：（0~40）℃，相对湿度：<90%；在线仪器：温度：（-10~50）℃，相对湿度：<90%，满足室内外环境日常检测的需要。

1.2 LD-7S主要优点

LD-7S型多功能激光粉尘仪的主要优点表现在：

1）  减轻了温度和零点漂移的影响，仪器的可靠性和稳定性更高。

2）  具有温度和湿度测量及修正功能，排除了环境温湿度对测量值的干扰，大幅提高了仪器的准确度。

3）  具有自动校准零点和测量值功能，以便于在长期连续运行监测系统实现远程校准功能，从而提高了系统数据的可靠性。

4）  硬件与软件设计中加强了对电池的保护，增加了关机充电、充电指示、外接电源接入指示等功能，方便用户随时充电及对电源状态的检查和故障判断，在提高电源的稳定和可靠性的同时提升用户充电操作的便捷性，延长了电池寿命。

2 仪器的比对测试

2.1 仪器

LD-7S 型多功能激光粉尘仪，采样流量为2 L/min，在进气口装有PM_2.5颗粒物切割器，北京绿林创新数码科技有限公司生产。崂应2030型中流量颗粒物采样器，采样流量为100 L/min，青岛崂山应用技术研究所生产。

2.2 实验方法

2.2.1 监测方法

膜称重法采样与自动监测同时进行，采样时间为2015年8月2日至2015年9月3日期间，每日采样时段为上午9点至次日上午9点，采样时间误差＜±0.5 h。采样地点设在北京市理化分析测试中心（116°18'108"E、39°56'50.7"N），采样器采样口距地面高度约为1.5m，距离墙壁1.0 m以上，所有颗粒物监测仪器（包括手工采样器和自动监测仪器）采样头相互距离在1.5 m左右。采样期间环境温度为13-31℃，平均温度为26.2℃，环境相对湿度为42%-89%，平均相对湿度为63.5%。

2.2.2 采样膜的称重及质量浓度计算

本研究使用的Teflon采样膜购自美国Whatman公司。采样前后将膜置于（20±1）℃，相对湿度为±50％的恒温、恒湿条件下24 h，然后称重3次，取均值。在上述条件下再放置24 h后称重取均值，要求两次均值差<0.01 mg，否则重复操作，直到满足要求为止。两次称量滤膜质量之差与换算成标准状况下的采样体积的比值即为采样期间环境空气颗粒物的质量浓度。

2.2.3 质量控制

质控措施为，光散射法与重量法均采集3个平行样。采样前对仪器进行了温度、流量、时间、气压校准， LD-7S型微电脑激光粉尘仪具备零点自动调节功能。测量重复性误差2%，采样中使用湿度修正功能，降低湿度对测量值的影响，提高测量准确度。

2.3 LD-7S 测定结果与膜称重法比对结果

共获得有效数据19组，重量法3台仪器测定结果间的平均相对偏差为（3.5±1.1）%，光散射法三台仪器测定结果间的平均相对偏差为（2.1±0.9）%。见表1。表明两种方法均有良好的精密度。

表1 重量法和LD-7S测量结果的平行性分析

LD-7S测定结果与重量法测定结果如图1所示。采用SPSS软件对两种方法测量结果进行相关性检验，Pearson相关分析表明，两种测定方法的结果呈明显正相关（r=0.958，p<0.01）。

图1 LD-7S与重量法对PM_2.5质量浓度测定结果

将重量法测试数据与LD-7S测量数据进行线性拟合回归分析，以LD-7S测得数据为横轴，重量法测得数据为纵轴，得到PM_2.5比对测试的线性回归曲线，回归曲线的斜率k、截距b和相关系数r的数值，如图2所示。

图2 重量法与LD-7S两种方法测定结果的线性关系

由图2可以看出，回归曲线斜率k，截距b，相关系数r，均符合HJ653-2013^[4]中斜率k(1±0.15)、截距b(0±10μg/m³)、相关系数r(≥0.95)的技术指标要求。

LD-7S多功能激光粉尘仪共运转将近两个月，采样期间温度较高、湿度较大。仪器在运转过程中工作正常，性能稳定，而且在湿度较高的环境运行良好。与重量法测定结果相比，具有良好的相关性，表明具有湿度函数连续自动修正功能的LD-7S能有效消除湿度对颗粒物浓度测量的干扰。

3  结论

实验结果和用户使用情况表明，具有湿度函数连续自动修正功能的LD-7S多功能激光粉尘仪对环境中PM_2.5质量浓度的测量结果与重量法具有良好的相关性，在长期监测运行的过程中，性能稳定，而且在湿度较高的环境运行良好，并能有效消除湿度对颗粒物浓度测量的干扰，是一种具有自主知识产权的新型PM_2.5测定仪器，可适用于各种大气环境监测、劳动作业现场、公共场所卫生检测及科研院所，环境监测部门，各大工矿企业，多家疾病预防控制中心和卫生监督所。

参考文献

[1]中国气象局,中国气候公报, http://www.cma.gov.cn/2011zwxx/2011zxxgk/zxgk/201501/P02015012939

5699895064.pdf .

[2] 冯进. PM_2.5监测技术的发展及测量数据准确性的保障[J]. 计量与测试技术, 2014,41(2): 52-54.

[3] 毛朔南, 马宇明, 蔡治强, 郑海富. PM_2.5检测标准及量值溯源方法现状及进展(续)[J]. 中国计量, 2013,4: 22-24.

[4] HJ 653-2013, 环境空气颗粒物(PM₁₀和PM_2.5)连续自动监测系统技术要求及检测方法[S].