CN108426808B - 确定气溶胶中颗粒物质量浓度的颗粒物测量设备及方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于确定具有不同属性的气溶胶中的颗粒物质量浓度的颗粒物测量设备(1)，所述颗粒物测量设备具有气溶胶光度计(2)和评估单元(9)，取决于所述气溶胶中颗粒物质量浓度的光度计测得值能借助于所述气溶胶光度计来测量，所述气溶胶光度计(2)测得的光度计测得值能被输入到所述评估单元并且所输入的光度计测得值能在所述评估单元中处理以输出经校正颗粒物质量浓度值。

Description

确定气溶胶中颗粒物质量浓度的颗粒物测量设备及方法
技术领域
本发明涉及用于确定具有不同属性的气溶胶中的颗粒物质量浓度的颗粒物测量设备以及用于确定具有不同属性的气溶胶中的颗粒物质量浓度的对应方法，该颗粒物测量设备包括气溶胶光度计和评估单元，借助于气溶胶光度计可以测量取决于气溶胶中颗粒物质量浓度的光度计测得值，气溶胶光度计测得的光度计测得值可被输入到评估单元并且在评估单元中可以处理所输入的光度计测得值以输出经校正颗粒物质量浓度值。
背景技术
气溶胶被理解为意指液相或固相颗粒物悬浮在空气或气态的载体气体中。气溶胶被认为是由精细地分布在空气或载体气体中的固体或液体颗粒物形成的分散系。
气溶胶由单个基本特征来表征。单个单独气溶胶颗粒物由三个特征来描述，具体地是形状、大小以及材料。作为许多单独颗粒物的累加或者作为颗粒物集合的气溶胶通过更多属性来更详细地描述，具体而言是浓度和颗粒物大小分布。
光学颗粒物传感器通常用波长范围从600nm到780nm的电磁辐射来工作。
380nm到780nm的波长范围也被称为光，因为它位于人眼可感知的范围内。
此后，术语“光”因此也将被使用来代替术语“电磁辐射”，因为术语“光”包括通常用于光学颗粒物传感器的电磁波长范围。
通常使用约655nm的波长，因为存在具有这一波长的非常经济的激光二极管作为所需光的源。
为了测量颗粒物质量浓度，使用气溶胶光度计(APM)，它们在技术文献中也被称为“光散射浊度计”。
气溶胶光度计测量颗粒物集合中的浓度。测量结果是颗粒物质量浓度。这通常按mg/m3来标明。
归因于它们的操作原理，气溶胶光度计可以用于最高几百mg/m3的颗粒物质量浓度。
激光二极管或发光二极管(LED)被用作气溶胶光度计的单色光源。LED被用在经济型气溶胶光度计中。在原理上，光学烟雾检测器例如落在气溶胶光度计的群体中。
在气溶胶光度计的情形中，必须定期作出零点调整，因为污染和环境影响导致零点的飘移。高质量气溶胶光度计设置有用于能够自动地执行这一零点调整的装置。为此，气溶胶首先被引导通过过滤器或经过分离器，以便测量体中不再有任何可检测颗粒物。随后所记录的“校正值”被存储并从后续气溶胶测量中的光度计测得值中减去。差随后被输出为光度计测量值。
在进行城市中的环境测量时，气溶胶光度计是合适的测量装置。在高负载城市中，有时测量到0.4mg/m3以上的局部颗粒物质量浓度。
另一类光学颗粒物传感器包括光学颗粒物计数器(OPC)。这些测量装置也使用气溶胶中的光散射的效果。然而，与气溶胶光度计相对比，不测量颗粒物集合，而是改为测量各单独颗粒物。为此，光学和电气要求比气溶胶光度计的情形高得多。在气溶胶光度计的情形中，检测由数千颗粒物散射的光。因为在光学颗粒物计数器的情形中，只检测由一单独颗粒物散射的光，所以高得多的敏感度和/或光强度是必需的。
在光学颗粒物计数器的情形中，光学测量体(在气溶胶光度计中可容易地是几百到几千mm3)必须小得多。如果例如要使用光学颗粒物计数器无差错地测量每立方厘米1000个颗粒物，则光学测量体的大小必须只能是约0.5mm3。因而确保只有一个颗粒物位于光学测量体中，直至每立方厘米1000个颗粒物的特定浓度数。例如，在上海，在PM2.5空气负载为120μg/m3的情形下，每立方厘米约有1000个颗粒物。
在更高的颗粒物数目浓度下，发生所谓的一致性误差。
从而在光学测量体中同时存在多种颗粒物。这些颗粒物随后作为单独颗粒物被检测且被分类成不正确的大小类别。这在测量结果中产生误差。
这些一致性误差意指在上述情形中，从120μg/m3的相对低负载开始，这一光学颗粒物计数器不能再使用。
然而，与气溶胶光度计相比，光学颗粒物计数器的确具有与它们的可使用浓度范围有关的一些技术优点。
光学颗粒物计数器不具有零点漂移，因为信号形状(而非信号值)被评估。
除了颗粒物的数目之外，颗粒物大小分布(PSD)也可在信号形状的基础上被检测。
光学颗粒物计数器通过将检测到的颗粒物大小划分成各大小类别(库)并测量每一大小类别或每一库的出现频率来计算气溶胶中的颗粒物质量浓度。每一大小类别或每一库被指派特定加权因子，该加权因子乘以出现频率给出了这一大小类别或这一库的颗粒物质量。
如果所有相关大小类别或库的颗粒物质量被加在一起，则这给出总质量浓度。
为了计算PM2.5，直至2.5μm直径颗粒物大小的所有大小类别或库的颗粒物质量被加在一起。
为了计算PM10，直至10μm颗粒物大小的所有大小类别或库的颗粒物质量被加在一起。
光学颗粒物计数器按稳健得多的方式对气溶胶中的颗粒物大小分布的变化作出响应。如果气溶胶中的颗粒物大小分布朝大颗粒物变化，则气溶胶光度计低估了质量，因为颗粒物的质量按表面积的平方来增长。然而，散射光与表面成线性。
上文已提及的气溶胶光度计(APM)是相对简单结构的测量工具。使用基于这一种类的气溶胶光度计的颗粒物测量设备，因此一般只可能估计空气或载体气体中的颗粒物质量浓度，因为气溶胶光度计总是检测位于测量体中的所有气溶胶组分的总体的光学属性。气溶胶光度计测量颗粒物集合。从散射光的检测信号不能获得与各单独颗粒物有关的信息。
为了从检测到的信号中获得正确的颗粒物质量浓度，必须满足一关键前提，具体而言是要作为颗粒物集合来测量的气溶胶的复杂属性必须与用于气溶胶光度计的校准的气溶胶的那些属性相对应。
气溶胶的复杂属性是颗粒物大小、颗粒物大小分布、湿度、折射率、以及密度。
首先假定要测量的气溶胶的复杂属性是已知的且是恒定的。
随后例如如下执行校准：
用要测量的气溶胶来校准气溶胶光度计。这一点的规程在气溶胶光度计的手册中和由测量装置制造商所提供的操作指南中详细描述。在此，气溶胶的质量浓度总是在足够时间段上使用气溶胶光度计的工厂校准设置来测量，并且气溶胶在气溶胶光度计之后被引导穿过过滤器或在分离器上。在测量结束时，通过称量来确定所沉积的质量。称量的结果不受光学颗粒物属性的影响，也没有被各单独颗粒物的颗粒物大小分布或密度差所歪曲。
随后根据所获得的两个测得值计算校正因子K。这一值K作为校正因子被存储在气溶胶光度计中，也被称为校准因子或特定校准值。气溶胶光度计的光度计测得值随后乘以K以得到正确颗粒物质量浓度。
在要测量的气溶胶的复杂气溶胶属性中的一者或多者变化时发生问题。
例如，工厂校准因子可在环境测量中导致颗粒物质量浓度的高估。
工厂校准是使用测试灰尘来执行的。所使用的测试灰尘被称为“Arizona RoadDust A1”。这一灰尘根据ISO12103A1来标准化。
高估的原因尤其是与环境空气中灰尘颗粒物的平均密度相比，校准灰尘的不同密度。
环境空气中的平均灰尘密度不是恒定的，而是取决于许多环境因素。在文献中，通常发现1.6到1.7g/cm3的值。然而，校准灰尘具有2.65g/cm3的密度。
发明内容
从以上讨论的现有技术出发，本发明的目标是提供一种用于确定具有不同属性的气溶胶中的颗粒物质量浓度的颗粒物测量设备以及对应方法，当在不同区域中的不同气溶胶属性(这可导致大测量偏差)和气溶胶属性的季节变化(例如，在冬季考虑增加的供暖操作，这同样可导致大测量偏差)两者必须被纳入考虑和/或补偿时，该设备和方法分别可被使用和执行以按移动的方式(例如，在车辆中)确定颗粒物质量浓度。
这一目标如下达成：针对不同气溶胶的相应校准因子被存储在评估单元的存储器中；颗粒物测量设备具有光学颗粒物计数器，气溶胶的颗粒物大小分布能借助于光学颗粒物计数器来检测并能被输入到颗粒物测量设备的评估单元；当前由光学颗粒物计数器检测的颗粒物大小分布能在评估单元中与存储在评估单元的存储器中的与所存储的校准因子相关联的不同气溶胶的颗粒物大小分布相比较；以及借助于评估单元，能选择与其颗粒物大小分布具有与当前由光学颗粒物计数器检测的颗粒物大小分布的最高匹配的气溶胶相关联的所存储的校准因子来用于确定当前测量的气溶胶的颗粒物质量浓度。关于根据本发明的方法，该目标如下达成：存储针对不同气溶胶的相应校准因子；借助于光学颗粒物计数器来检测气溶胶的颗粒物大小分布；将当前由光学颗粒物计数器检测的颗粒物大小分布与关联于所存储的校准因子的不同气溶胶的所存储的颗粒物大小分布相比较；以及选择与其颗粒物大小分布具有与当前由光学颗粒物计数器检测的颗粒物大小分布的最高匹配的气溶胶相关联的所存储的校准因子来用于确定当前测量的气溶胶的颗粒物质量浓度。
根据本发明，可提供当前要测量的气溶胶的经校正颗粒物质量浓度值，与现有技术已知的颗粒物测量设备和对应方法的情形相比，该经校正值与要测量或检测的气溶胶的实际颗粒物质量浓度值更好地相对应。
根据本发明的颗粒物测量设备和根据本发明的方法的有利发展，在颗粒物测量设备的评估单元中从其颗粒物大小分布具有与当前由光学颗粒物计数器检测的颗粒物大小分布的最高匹配的两个所存储的校准因子中内插经适应的校准因子，且经适应的校准因子能被用作用于确定所测量的气溶胶的颗粒物质量浓度的基础。经校正颗粒物质量浓度值因而可更接近当前测量的气溶胶的实际颗粒物质量浓度值。
为了避免校正颗粒物质量浓度值的突变，如果在经内插校准因子由于由光学颗粒物计数器检测的颗粒物大小分布的变化而变化的情况下，能形成用于确定所测量的气溶胶的颗粒物质量浓度的基础的校准因子能在预定义时段期间在颗粒物测量设备的评估单元中从在该变化之前使用的经内插校准因子渐变或逐渐过渡到该变化之后的经内插校准因子，则这是有利的。
附图说明
将参考附图在一实施例的基础上更详细地解释本发明，附图中：
图1示出了根据本发明的用于确定具有不同属性的气溶胶中的颗粒物质量浓度的颗粒物测量设备的实施例的基本描绘；以及
图2示出了描绘不同气溶胶的颗粒物大小分布的图表。
具体实施方式
在图1的基本描绘中示出的根据本发明的颗粒物测量设备1的实施例被用来确定具有不同属性的气溶胶中的颗粒物质量浓度。在可借助于图1中所示的颗粒物测量设备1的实施例执行的用于确定气溶胶质量浓度的方法中，自动确定颗粒物测量设备1的气溶胶光度计2的最接近匹配校准因子K，其中这一校正因子K是根据校正因子的场来确定的，如下文将更详细地描述的。
气溶胶光度计2具有被配置成激光二极管或发光二极管(LED)的单色光源3。气溶胶光度计2的单色光源3发出的光辐射在光学透镜4中集束。离开光学透镜4的光束穿过产生要测量的气溶胶的气流5。光由气流5中包含的气溶胶的颗粒物在之后布置的另外的光学透镜6或反射器7的方向上反射。借助于两个光学透镜4、5，提供了在图1中的原理上描绘的测量体8。由于其中提供的气溶胶的颗粒物而在测量体8中定向在反射器7的方向上且借助光学透镜6来集束的光辐射在反射器7处被检测，其中与检测到的光辐射相对应的光度计测得值被转发给颗粒物测量设备1的评估单元9。
从气溶胶光度计2的反射器7转发给评估单元9的光度计测得值与测量体8中提供或检测到的颗粒物负载相对应。
因为在同等颗粒物负载下在其颗粒物大小分布(PSD)方面不同的各气溶胶导致在气溶胶光度计2的反射器7处检测到并转发给颗粒物测量设备1的评估单元9的不同光度计测得值，所以输入到颗粒物测量设备1的评估单元9的光度计测得值能在评估单元9中处理以便能够从评估单元9输出经校正颗粒物质量浓度值，这更好地对应于要测量的气溶胶的实际颗粒物质量浓度值。
为此，图1中所示的颗粒物测量设备1被设计有光学颗粒物计数器10。
图1中示出的颗粒物测量设备1的光学颗粒物计数器10同样具有可被形成为激光二极管或发光二极管(LED)的单色光源11。单色光源11发出光辐射，这在光学透镜12中被集束。在光学透镜12中集束的光束穿过携带要测量的气溶胶的气流13。光学颗粒物计数器10的测量体14显著小于气溶胶光度计2的测量体8。这在图1中所示的光学颗粒物计数器10的示例性实施例中达成，与气溶胶光度计2的光学透镜4相比，单色光源11所发出的光借助于光学透镜12被聚焦得多得多。光学颗粒物计数器10的测量体14在考虑要测量的气溶胶的可预期值的情况下被确定尺寸，使得在其中仅提供气溶胶的单个颗粒物。在光学颗粒物计数器10的测量体14中由光学颗粒物计数器10反射的光辐射被光学透镜15定向到光学颗粒物计数器10的在光束路径上布置在光学透镜15之后的反射器16。对于连同气流13一起流过光学颗粒物计数器10的测量体14的气溶胶的每一单独颗粒物，与单独颗粒物相对应的单独测得值因而在光学颗粒物计数器10的反射器16处转发给颗粒物测量设备1的评估单元9。每一单独测得值与要测量的气溶胶的单个颗粒物所反射并由光学透镜15定向到光学颗粒物计数器10的反射器16的光相对应。
与上述气溶胶光度计2相对比，光学颗粒物计数器(OPC)检测各单独颗粒物。这一种类的光学颗粒物计数器10被用来测量相对低的颗粒物浓度，例如在内部空间中。在它们的应用领域的范围内，即相对低到平均颗粒物数目浓度(这通常处于每立方厘米1000和20000颗粒物之间)，借助于光学颗粒物计数器10来得到与气溶胶中的颗粒物数目和颗粒物大小分布有关的高质量信息是可能的。从而提供了气溶胶的不能借助于气溶胶光度计2获得的两个参数。
在此，气溶胶的颗粒物大小分布要被评估为可称为气溶胶的“指纹”。与所讨论的气溶胶相关联的校准因子K可基于这一“指纹”来确定并可在评估单元中的评估中纳入考虑。
在测量时段的过程期间要测量的不同气溶胶的校准因子K1、K2、K3和K4被存储在图1中所示的颗粒物测量设备1的评估单元9的存储器17中并且各自与相应气溶胶相关联。不同气溶胶因而具有不同校准因子。另外，对于将其相关联的校准因子存储在评估单元9的存储器17中的每一气溶胶，相关联的颗粒物大小分布也被存储在存储器17中作为所讨论的气溶胶的“指纹”。
图2示出了四个不同气溶胶A1、A2、A3和A4的颗粒物直径和颗粒物数目或标准化颗粒物数目，其中作为比较示出了由上海的道路灰尘所形成的气溶胶。
在根据本发明的颗粒物测量设备或随其执行的用于确定具有不同属性的气溶胶中的颗粒物质量浓度的方法的情形中，在启动颗粒物测量设备1之前，使用在测量时段期间将预期的所有气溶胶来校准气溶胶光度计2。然而，存储在评估单元9的存储器17中的校准表不仅包含以此方式确定的校准因子。除每一校准因子之外，相关联的气溶胶的颗粒物大小分布也被存储。
根据已知模式识别方法来查明当前测量的气溶胶与评估单元9的存储器17中存储的校准表中列出其校准因子和颗粒物大小分布的气溶胶之间的与“指纹”或颗粒物大小分布相关的匹配。这一种类的模式识别方法一般给出0(不匹配)和1(完全匹配)之间的匹配值。
如果在评估单元9的评估期间发现匹配值达到或超过自由地可预定义或可预定的阈值(例如可以是0.9)，则可直接应用能根据校准表导出的校准因子。
要测量的气溶胶中的季节变化(例如，在炎热时段开始时)导致相关于气溶胶的组成在炎热时段开始之前的气溶胶状态与炎热时段开始之后的气溶胶状态之间的过渡状态，因为一般并非所有供暖设备同时开启。这一状态过渡可持续几星期。
相应地，在按移动方式(例如，在机动车中)使用的颗粒物测量设备1的情形中，过渡状态可以发生在从工业城镇到乡村环境等的行程期间。
如果对于当前借助于颗粒物测量设备1测量的气溶胶，不可能找出录入到校准表的具有与当前被测量的气溶胶的高匹配值的气溶胶，则校准因子K可借助于数值方法内插在具有与当前被测量的气溶胶的最高匹配值的气溶胶的两个表条目之间。
这将在下文在颗粒物测量设备1的评估单元9中创建的结果表的基础上更详细地解释。这一结果表被呈现如下：
Figure BDA0001580041320000081
Figure BDA0001580041320000091
该表的左手列示出了该表中存储的四个气溶胶的编号。该表的右手列示出了与相应气溶胶相关联的校准因子。该表的中间列示出了当前测量的气溶胶与存储在表中的气溶胶之间的匹配值。
从以上示出的结果表中可以清楚，当前测量的气溶胶具有与气溶胶No.2的匹配值0.8，且具有与气溶胶No.3的匹配值0.7。气溶胶No.2被指派校准因子2.0，而气溶胶No.3被指派校准因子3.0。因为气溶胶2号和3号具有与当前测量的气溶胶的最高匹配，具体而言是0.8和0.7，所以内插校准因子被如下计算：
K内插＝(0.8x 2.0+0.7x 3.0)/(0.8+0.7)＝2.47。
内插校准因子可在任何时刻确定。所确定的内插校准因子被使用，直至确定了新内插校准因子。
另外，对于其中不可能确定内插校准因子的情形，可以定义回落水平。这可以是例如只能在结果表中找到低匹配值(例如，排除低于0.25的匹配值)的情形。随后使用定义为标准的校准因子。
新确定的校准因子不必被立即用在评估单元9中的评估中，因为这可能导致评估单元9所输出的经校正颗粒物质量浓度值的跳变，这对于用户而言可能是不悦的。
相反，可能在可称为任意可预定义时间区间中从当前校准因子渐进地过渡或渐变到新确定的校准因子。取决于应用，可预定义时间区间可被选择成在几秒钟和几小时或几天之间。
在此后呈现的进一步表中，示出了不同气溶胶A1、A2、A3以及道路灰尘的颗粒物大小分布(PSD)。在该表中，颗粒物大小分布被标准化成具有最大直径1μm的颗粒物的颗粒物数目。
作为颗粒物大小分布或“指纹”的示例，从图2中所示的图表中取得颗粒物大小2μm、4μm以及6μm的标准化值并将其存储在该表中。
气溶胶 2μm 4μm 6μm 校准值
A1 0.26 0.1 0.048 K1
A2 0.16 0.058 0.014 K2
A3 0.18 0.068 0.022 K3
道路灰尘 0.21 0.03 0.005 K4
上述方法也可容易地与光学颗粒物计数器10一起使用，因为要检测或要测量的气溶胶的颗粒物大小分布的确是借助于这样的计数器来提供的。
光学颗粒物计数器10通过将检测到的颗粒物大小划分成各大小类别(库)并检测每一大小类别的颗粒物数目来计算要测量的气溶胶中的颗粒物质量浓度。
每一大小类别或每一库被指派特定加权因子，该加权因子在乘以颗粒物的数目时给出了这一大小类别或这一库的颗粒物质量。
如果所有相关大小类别或库的颗粒物质量被相加，则这给出总颗粒物质量浓度。
为了例如计算最大颗粒物直径为2.5μm的总颗粒物质量浓度(简称为PM2.5)，最高为该最大颗粒物大小(2.5μm直径)的所有大小类别或库的颗粒物质量被相加在一起。
为了计算PM10，最高为具有10μm直径的最大颗粒物大小的所有大小类别或库的颗粒物质量被相加在一起。
在气溶胶中的颗粒物的密度偏离已确定的校准因子K的密度时，在测得值中发生误差。
在只使用光学颗粒物计数器10时，借助于颗粒物大小分布的“指纹”根据校准表来确定最合适校准因子K因而是有利的。

Claims (4)

1.一种用于确定具有不同属性的气溶胶中的颗粒物质量浓度的颗粒物测量设备，所述颗粒物测量设备包括气溶胶光度计（2）和评估单元（9），取决于所述气溶胶中颗粒物质量浓度的光度计测得值能借助于所述气溶胶光度计来测量，所述气溶胶光度计（2）测得的光度计测得值能被输入到所述评估单元并且所输入的光度计测得值能在所述评估单元中处理以输出经校正颗粒物质量浓度值，所述颗粒物测量设备的特征在于：针对不同气溶胶的相应校准因子被存储在所述评估单元（9）的存储器（17）中；所述颗粒物测量设备（1）具有光学颗粒物计数器（10），气溶胶的颗粒物大小分布能借助于所述光学颗粒物计数器来检测并能被输入到所述颗粒物测量设备（1）的所述评估单元（9）；当前由所述光学颗粒物计数器（10）检测的颗粒物大小分布能在所述评估单元（9）中与存储在所述评估单元（9）的存储器（17）中的与所存储的校准因子相关联的不同气溶胶的颗粒物大小分布相比较；以及借助于所述评估单元（9），能选择与其颗粒物大小分布具有与当前由所述光学颗粒物计数器（10）检测的颗粒物大小分布的最高匹配的气溶胶相关联的所存储的校准因子来用于确定当前测量的气溶胶的颗粒物质量浓度；
其中，在所述颗粒物测量设备的所述评估单元（9）中，经适应的校准因子能从其颗粒物大小分布具有与当前由所述光学颗粒物计数器（10）检测的颗粒物大小分布的最高匹配的两个所存储的校准因子中内插，且能被用作用于确定被测量的气溶胶的颗粒物质量浓度的基础。
2.如权利要求1所述的颗粒物测量设备，其特征在于，所述颗粒物测量设备的评估单元（9）在经内插校准因子由于由光学颗粒物计数器（10）检测的颗粒物大小分布的变化而变化的情况下，能形成用于确定所测量的气溶胶的颗粒物质量浓度的基础的校准因子能在预定义时段期间从在所述变化之前使用的经内插校准因子渐进过渡到所述变化之后的经内插校准因子。
3.一种用于确定具有不同属性的气溶胶中的颗粒物质量浓度的方法，其中取决于所述气溶胶中颗粒物质量浓度的光度计测得值能借助于气溶胶光度计（2）来测量并且所述光度计测得值被处理以输出经校正颗粒物质量浓度值，所述方法的特征在于：存储针对不同气溶胶的相应校准因子；借助于光学颗粒物计数器（10）来检测气溶胶的颗粒物大小分布；将当前由光学颗粒物计数器（10）检测的颗粒物大小分布与关联于所存储的校准因子的不同气溶胶的所存储的颗粒物大小分布相比较；以及选择与其颗粒物大小分布具有与当前由所述光学颗粒物计数器（10）检测的颗粒物大小分布的最高匹配的气溶胶相关联的所存储的校准因子来用于确定当前测量的气溶胶的颗粒物质量浓度；其中，从其颗粒物大小分布具有与当前由所述光学颗粒物计数器（10）检测的颗粒物大小分布的最高匹配的两个所存储的校准因子中内插经适应的校准因子，且将所述经适应的校准因子用作用于确定被测量的气溶胶的颗粒物质量浓度的基础。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，在经内插校准因子由于由光学颗粒物计数器（10）检测的颗粒物大小分布的变化而变化的情况下，能形成用于确定所测量的气溶胶的颗粒物质量浓度的基础的校准因子在预定义时段期间从在所述变化之前使用的经内插校准因子渐进过渡到所述变化之后的经内插校准因子。
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