关于空气质量检测的颗粒物感测

作者:Livio Lattanzio, 博士, 盛思锐颗粒物传感器产品经理

颗粒物(简称为“PM”)是悬浮固体颗粒与小液滴的混合物,可被吸入体内并可能导致严重健康问题。PM 包括特性(即形状、光学属性、尺寸和成分)各异的各种颗粒,但最常见的是按粒径分为几个子类。不同类别的颗粒物通常按照普通命名法“PMx”进行报告,其中“x”指悬浮颗粒混合物或“气溶胶”中的最大颗粒直径。例如,PM2.5 通常指直径为 2.5 微米及更小的可吸入颗粒,PM10 指直径为 10 微米及更小的颗粒,等等。在历史上,为了评估我们呼吸的空气质量,各国政府曾将特定颗粒物种类 PM10 和 PM2.5 定为重要的监测指标 , 。这是因为PM10 颗粒会刺激眼睛和喉咙等外露器官黏膜,PM2.5 颗粒会一路通过肺部进入肺泡。PM1.0 和 PM4.0 等新颗粒物种类也将列入空气质量监测设备的监测范围。这些新的测量结果可以为传统的 PM10 和 PM2.5 指标提供其它补充信息,以便进行更好的颗粒污染分析以及根据检测的气溶胶类型(例如室内尘埃与烟雾)研发适用于特定环境的监测设备。

颗粒物一般定义包括粒径不小于 100 纳米的颗粒。而小于 100 纳米的颗粒则按“超微颗粒”(或“UFP”)进行报告,本文将不予论述。在上述颗粒物定义范围内 — 包括粒径从 0.1 到 10 微米的颗粒,颗粒越小,它们便能越深入地穿过我们的呼吸道进入血液中,给我们的健康带来更大的危害。世界卫生组织 (WHO) 将悬浮颗粒物报告为 1 类致癌物 和人类健康面临的最大环境风险,每年约有 1/9 的死亡人群是因其而丧生 。图 1 显示了常见污染源的粒径范围,包括清除此种污染物所用的过滤技术(改编自 John Wiley and Sons 2006 年出版的“住宅建设最佳实践指南”)。

历史上,人们曾用“质量浓度”(单位:μg/m3)测量 PM 值。这背后的原因在于,传统上最为准确的 PM 测量方法是重量测定法。这种测量程序利用预先称重的过滤器收集周围环境中按粒径进行预分类的颗粒(例如让粒径小于 2.5 微米的所有颗粒进入)。在采样期(通常为 24 小时)结束之际,对过滤器进行称重,确定集聚的颗粒物总重量(单位为 μg)。然后用过滤器质量增大值除以空气在 24 小时通过过滤器的总体积,得到质量浓度(单位为 μg/m3) 。虽然长期以来重量测定法一直被视为最准确的质量浓度测定方法,但这种方法在日常应用的普及当中存在某些限制,诸如:测量仪器笨重,价格昂贵,每次测量只能处理一种 PM 粒径(例如 PM2.5),无法进行实时采样,而且无法输出颗粒计数

因此,实时光学颗粒计数器 (OPC) 逐渐进入了空气质量监测市场。这种仪器基于不同的光学原理 — 通常是散射或吸收原理,其中最常用的光线散射。在 OPC 中,颗粒通过光源(通常是激光束),使入射光产生散射(或吸收)。然后散射光被光电二极管检测到,转化为实时颗粒计数和质量浓度值。

目前,光学检测是应用最为广泛的技术。这是因为光学检测易于使用,而且具有无与伦比的性价比。近年来,OPC 已经小型化至足以集成到空调设备、空气质量监测器和空气净化器当中,可用于调节和控制家庭、汽车和室外环境的空气质量。

虽然 OPC 的基本原理看起来很简单,但从实施角度看,并非所有 OPC 都以相同方式工作,其测量的空气质量主要取决于设备工程设计。光学原理对计算颗粒数量非常有效,但这种设备主要用于估算颗粒物质量浓度,而且由于颗粒物具有不同光学属性(例如形状和颜色)及不同质量密度,导致设备容易产生估算误差。因此质量估算好坏在很大程度上取决于生产商将测得光学信号转化为颗粒物质量浓度的算法。此外,内部气流工程对传感器精度和漂移也有显著影响,因为颗粒很容易积聚在光学元件(激光器、光电二极管、束流捕集器)上,如果工程设计不当,就会导致元件性能随时间流失而逐渐下降。

工作原理

虽然 OPC 的基本原理看起来很简单,但从实施角度看,并非所有 OPC 都以相同方式工作,其测量的空气质量主要取决于设备工程设计。光学原理对计算颗粒数量非常有效,但这种设备主要用于估算颗粒物质量浓度,而且由于颗粒物具有不同光学属性(例如形状和颜色)及不同质量密度,导致设备容易产生估算误差。因此质量估算好坏在很大程度上取决于生产商将测得光学信号转化为颗粒物质量浓度的算法。此外,内部气流工程对传感器精度和漂移也有显著影响,因为颗粒很容易积聚在光学元件(激光器、光电二极管、束流捕集器)上,如果工程设计不当,就会导致元件性能随时间流失而逐渐下降。

颗粒成分识别

如上所述,生产商算法以及恰当的前端电子元件设计使质量浓度估计与检测到的散射光存在根本性差异。市场上大多数廉价颗粒物传感器在校准时假定质量密度保持不变,然后用检测到的颗粒数乘以质量密度,计算质量浓度。这种假设仅在传感器测量单一颗粒(例如烟草烟雾)时有效,但在实际情况中,我们在日常生活中会遇到多种具有不同光学性质的颗粒,从“重质”的室内尘埃到“轻质”燃烧颗粒等不一而足(参见图 4)。盛思锐专有的先进算法可对不同类型的颗粒物和更高分辨率的颗粒尺寸区间进行更精确的估算。与市场上最先进的消费型颗粒物传感器相比,这种算法还可以提供尺寸区间输出 — PM4.0。由于对不同气溶胶测量精度高,而且能以更高分辨率显示尺寸区间数,因此用户可以根据颗粒成分识别开发新的用例。图 5 利用盛思锐控制中心软件,展示了这一功能。柱状图显示利用 SPS30 测量的实时测得质量浓度区间。左图显示为火柴烟雾的实时测量结果,很明显,颗粒越小含量越高。右图显示为亚利桑那试验粉尘的测量结果,很明显,颗粒越大含量越高。这种简单而有效的试验显示了 SPS30 先进尺寸分区功能的价值以及根据颗粒成分检测开发新应用的可能性。

防尘

所述,由于灰尘会积聚在颗粒物传感器的激光器、光电二极管和束流捕集器(用于吸收激光和避免产生寄生散射)等重要光学零件上,因此传感器在原则上很容易受到输出漂移的影响。根据 20 多年来为多个严苛市场和应用(例如汽车、医学、工业和智慧能源)开发流量传感器设计的经验,盛思锐工程师开发出一种创新的专有流径技术并将其整合到 SPS 30 中,用于防止灰尘和污物积聚在光学元件上。图 6 为可靠性试验结果,其中传感器暴露在相当于北京五年粉尘量的环境下。此图清楚地表明,流径可保护重要光学元件免受粉尘影响,即使在压力试验后,激光器和光电二极管也非常干净,没有任何粉尘(图中未显示亦受积尘保护的束流捕集器)。

总结

简而言之,盛思锐的防尘和先进尺寸分区技术为多种行业应用(包括空气质量监测、空气净化器和暖通空调)带来了增值作用。在设备整个使用寿命内工作的传感器可确保向终端用户提供优良空气质量,并提高能效和强化可持续运行。先进的尺寸分区功能和更高的精度有助于按照检测颗粒成分采取具体行动,并根据在设备运行期间收集的污染物类型信息,改善过滤器使用寿命期间的监测。

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11/2021
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