CN117705662A - 一种湿度补偿的颗粒物监测设备的质量浓度计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于颗粒物监测技术领域，涉及一种湿度补偿的颗粒物监测设备的质量浓度计算方法，其包括以下步骤：测量环境相对湿度，通过颗粒物监测设备测量环境空气中粒径在4微米以下的不同粒径段的颗粒物粒子数；基于不同粒径段的颗粒物粒子数、不同粒径段的颗粒物粒子数‑质量浓度转换系数和环境相对湿度确定颗粒物粒子数‑质量浓度转化模型；基于所述颗粒物粒子数‑质量浓度转化模型确定所述颗粒物监测设备测量的环境空气中的PM2.5质量浓度。其具备较广的适用性与较高的准确度。
Description
技术领域
本发明属于颗粒物监测技术领域，涉及一种颗粒物监测设备的质量浓度计算方法，尤其涉及一种湿度补偿的颗粒物监测设备的质量浓度计算方法。
背景技术
基于粒径谱方法的颗粒物测量仪器/传感器，也就是，粒径谱仪，近些年来逐渐被应用于监测室外环境空气中的细颗粒物浓度。相比传统光散射原理传感器，基于粒径谱方法的颗粒物测量仪器/传感器的测量精度更高，对空气中颗粒物粒子的粒径段划分更细；相比于β射线法以及震荡天平法，基于粒径谱方法的颗粒物测量仪器/传感器的设备与运维成本更低。
然而，与光散射原理传感器类似，基于粒径谱方法的颗粒物测量仪器/传感器直接测量的是给定时间内不同粒径段颗粒物粒子的个数，但可以以更高精度测量细分不同粒径段的粒子数，而环境监测中对颗粒物的衡量单位是质量浓度，两者间需要进行转换。
此外，环境监测对细颗粒物的测量中，标准方法中计算的是颗粒物的干重质量浓度，而受限于设备成本，基于粒径谱方法的颗粒物测量仪器/传感器无法做到硬件的完全除湿，一般测量的粒子数是颗粒物包含水分的情况下的数据，湿的颗粒物粒子质量较重且半径可能有所变化。并且，高湿度下基于粒径谱方法的颗粒物测量仪器/传感器也可能受到光路中水分影响导致计数失准。
因此，必须想办法减少环境湿度对基于粒径谱方法的颗粒物测量仪器/传感器的影响。目前，行业内对此通常有两类解决方式，其一是在硬件层面通过加装各类除湿装置和除湿环节来对颗粒物进行除湿；其二是通过算法，常见的是在高湿度情况下增加湿度校正因子（即基于测量的粒子数计算质量浓度时，增加一个与湿度相关的补偿变量，通常与湿度线性相关）。
但是，第一种解决方式增加了设备成本，同时无法完全补偿极端情况的湿度影响。第二种解决方法在单通道的光散射法传感器设备上应用效果良好，但是，基于粒径谱方法的颗粒物测量仪器/传感器是多粒径段监测设备，其监测参数远多于单通道的光散射法传感器设备，且湿度对不同粒径段颗粒物的影响机理差异较大，因此现行算法在基于粒径谱方法的颗粒物测量仪器/传感器上的应用效果不佳。
因此，针对上述现有技术中存在的缺陷，需要研发一种新型的湿度补偿的颗粒物监测设备的质量浓度计算方法。
发明内容
为了克服现有技术的缺陷，本发明提出一种湿度补偿的颗粒物监测设备的质量浓度计算方法，其具备较广的适用性与较高的准确度。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种湿度补偿的颗粒物监测设备的质量浓度计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
测量环境相对湿度，通过颗粒物监测设备测量环境空气中粒径在4微米以下的不同粒径段的颗粒物粒子数；
基于不同粒径段的颗粒物粒子数、不同粒径段的颗粒物粒子数-质量浓度转换系数和环境相对湿度确定颗粒物粒子数-质量浓度转化模型；
基于所述颗粒物粒子数-质量浓度转化模型确定所述颗粒物监测设备测量的环境空气中的PM2.5质量浓度。
优选地，环境空气中不同粒径段的颗粒物粒子数包括：粒径段为0-0.5微米的颗粒物粒子数、粒径段为0.5-0.8微米的颗粒物粒子数、粒径段为0.8-1微米的颗粒物粒子数、粒径段为1-1.5微米的颗粒物粒子数、粒径段为1.5-2.5微米的颗粒物粒子数、粒径段为2.5-3微米的颗粒物粒子数和粒径段为3-4微米的颗粒物粒子数。
优选地，
在环境相对湿度小于30%时，所述颗粒物粒子数-质量浓度转化模型为：
；
在环境相对湿度大于等于30%且小于50%时，所述颗粒物粒子数-质量浓度转化模型为：
；
在环境相对湿度大于等于50%且小于75%时，所述颗粒物粒子数-质量浓度转化模型为：
；
在环境相对湿度大于等于75%时，所述颗粒物粒子数-质量浓度转化模型为：
；
式中，是粒径段为0-0.5微米的颗粒物粒子数-质量浓度转换系数，/>是粒径段为0.5-0.8微米的颗粒物粒子数-质量浓度转换系数，/>是粒径段为0.8-1微米的颗粒物粒子数-质量浓度转换系数，/>是粒径段为1-1.5微米的颗粒物粒子数-质量浓度转换系数，/>是粒径段为1.5-2.5微米的颗粒物粒子数-质量浓度转换系数，是粒径段为2.5-3微米的颗粒物粒子数-质量浓度转换系数，/>是粒径段为3-4微米的颗粒物粒子数-质量浓度转换系数，/>是粒径段为0-0.5微米的颗粒物粒子数，是粒径段为0.5-0.8微米的颗粒物粒子数，/>是粒径段为0.8-1微米的颗粒物粒子数，/>是粒径段为1-1.5微米的颗粒物粒子数，/>是粒径段为1.5-2.5微米的颗粒物粒子数，/>是粒径段为2.5-3微米的颗粒物粒子数，/>是粒径段为3-4微米的颗粒物粒子数，/>是环境相对湿度，M是颗粒物监测设备测量的PM2.5质量浓度。
优选地，通过颗粒物监测设备测量环境空气中粒径在4微米以下的不同粒径段的颗粒物粒子数时，平滑处理粒径大于1.5微米的颗粒物粒子数。
优选地，通过颗粒物监测设备测量环境空气中粒径在4微米以下的不同粒径段的颗粒物粒子数时，采样周期为1秒。
优选地，所述平滑处理为：对于粒径大于1.5微米的颗粒物，取5秒内测量的五个颗粒物粒子数的平均值作为其颗粒物粒子数。
优选地，在所述平滑处理时，先剔除五个颗粒物粒子数中的跳变数据，再取剩余的颗粒物粒子数的平均值作为其颗粒物粒子数。
优选地，所述颗粒物监测设备为粒径谱仪。
与现有技术相比，本发明的湿度补偿的颗粒物监测设备的质量浓度计算方法具有如下有益技术效果中的一者或多者：
1、本发明通过湿度补偿具备多粒径段监测能力的颗粒物监测设备的质量浓度计算方法，消除了湿度对质量浓度计算的影响，从而具备较广的适用性。
2、本发明额外引入了更大粒径段的粒子数并考虑了其与湿度的关系，修正补偿了湿度影响，计算准确度更高。
附图说明
图1是本发明的湿度补偿的颗粒物监测设备的质量浓度计算方法的流程图。
具体实施方式
在详细说明本发明的任何实施方式之前，应理解的是，本发明在其应用中并不限于以下描述阐述或以下附图图示的部件的构造和布置细节。本发明能够具有其他实施方式并且能够以各种方式实践或进行。另外，应理解的是，这里使用的措辞和术语出于描述的目的并且不应该被认为是限制性的。本文中使用“包括”或“具有”及其变型意在涵盖下文中陈列的条目及其等同物以及附加条目。除非另有指定或限制，否则术语“安装”、“连接”、“支撑”和“联接”及其变型被广泛地使用并且涵盖直接安装和间接的安装、连接、支撑和联接。此外，“连接”和“联接”不限于物理或机械的连接或联接。
并且，第一方面，在本发明的揭露中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制；第二方面，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。
针对湿度对多粒径段监测设备的质量浓度计算的影响，本发明设计了一种湿度补偿的颗粒物监测设备的质量浓度计算方法，其在将多粒径段监测设备测量的不同粒径段粒子数排除湿度影响后，转换为质量浓度，从而消除了湿度的影响，具备较广的适用性和准确度。
图1示出了本发明的湿度补偿的颗粒物监测设备的质量浓度计算方法的流程图。如图1所示，本发明的湿度补偿的颗粒物监测设备的质量浓度计算方法包括以下步骤：
一、测量环境相对湿度并通过颗粒物监测设备测量环境空气中粒径在4微米以下的不同粒径段的颗粒物粒子数。
通常情况下，颗粒物监测设备虽然能够测量粒径为0-10微米的颗粒物粒子数，但是，在计算环境空气中的PM2.5质量浓度（其是粒径段为0-2.5微米的颗粒物的干重质量浓度，也就是，没有水分情况下的质量浓度）时，只使用粒径在2.5微米以下的颗粒物粒子数，一般是使用0-0.5微米、0.5-1.5微米和1.5-2.5微米三个粒径段的颗粒物粒子数，而不会引入粒径超过2.5微米的颗粒物的测量数据。
不过，发明人经过研究和分析发现，在环境相对湿度较大时，部分原本粒径较小的颗粒物会与水分结合，形成粒径较大的颗粒物且受影响颗粒物的比例与幅度随环境相对湿度增大而增大。这样，在环境相对湿度较大时，通过颗粒物监测设备测量的粒径大于2.5微米的部分颗粒物，在相对湿度为0的情况下，可能是粒径在2.5微米以下的颗粒物。因此，在环境相对湿度较大时，计算环境空气中的PM2.5质量浓度时如果仅仅考虑粒径在2.5微米以下的颗粒物粒子数，将会影响计算准确度。为此，在环境相对湿度较大时，本发明额外引入更大粒径段的颗粒物粒子数，进行反向补偿，以提高计算准确度。
同时，发明人经过研究和分析发现，对于粒径大于4微米的颗粒物，其与PM2.5质量浓度在几乎任何情况下都没有相关性，也就是，无论空气相对湿度有多大，原本粒径在2.5微米以下的颗粒物与水分结合后，其粒径都不可能大于4微米，为此，本发明完全不使用粒径大于4微米的颗粒物粒子数。
并且，发明人经过研究和分析发现，对于粒径在2.5微米以下的颗粒物，在计算PM2.5质量浓度时，如果使用0-0.5微米、0.5-1.5微米和1.5-2.5微米三个粒径段的颗粒物粒子数，其计算精度会降低，为此，对于粒径在2.5微米以下的颗粒物，本发明对其粒径段进行了更精细的划分，划分成五个粒径段，以提高计算精度。
综合以上分析，在本发明中，测量的环境空气中不同粒径段的颗粒物粒子数包括：粒径段为0-0.5微米的颗粒物粒子数、粒径段为0.5-0.8微米的颗粒物粒子数、粒径段为0.8-1微米的颗粒物粒子数、粒径段为1-1.5微米的颗粒物粒子数、粒径段为1.5-2.5微米的颗粒物粒子数、粒径段为2.5-3微米的颗粒物粒子数和粒径段为3-4微米的颗粒物粒子数。其中，每个粒径段的范围都不包括首数，而包括尾数，例如，粒径段为0-0.5微米的颗粒物粒子数不包括粒径为0的颗粒物粒子数，而包括粒径为0.5微米的颗粒物粒子数；粒径段为0.5-0.8微米的颗粒物粒子数不包括粒径为0.5的颗粒物粒子数，而包括粒径为0.8微米的颗粒物粒子数，等等。
此外，在环境空气中的颗粒物中，小粒径的颗粒物的粒子数多，但质量浓度小，单个粒子对PM2.5质量浓度的影响系数小，大粒径的颗粒物的粒子数少，但质量浓度达，单个粒子对PM2.5质量浓度的影响系数大。例如，粒径段为0-0.5微米的颗粒物粒子数为100000个，对应质量浓度为3ug/m3，而粒径段为1.5-2.5微米的颗粒物粒子数为100个，对应质量浓度为40ug/m3。因此，小粒径的颗粒物的粒子数的个别数据异常（例如，实际为100000个，测量测量出来为99998个）几乎不影响结果，而大粒径的颗粒物的粒子数的个别数据异常对结果影响较大，所以需要额外平滑处理大粒径的颗粒物的粒子数数据。也就是，通过颗粒物监测设备测量环境空气中不同粒径段的颗粒物粒子数时，平滑处理粒径大于1.5微米的颗粒物粒子数。
具体地，所述平滑处理为：通过颗粒物监测设备测量环境空气中粒径在4微米以下的不同粒径段的颗粒物粒子数时，采样周期为1秒，但是，对于粒径大于1.5微米的颗粒物，取5秒内测量的五个颗粒物粒子数的平均值作为其颗粒物粒子数。
并且，优选地，在平滑处理时，对于粒径大于1.5微米的颗粒物，先剔除五个颗粒物粒子数中的跳变数据，再取剩余的颗粒物粒子数的平均值作为其颗粒物粒子数。
例如，通过颗粒物监测设备测量的连续5s的环境空气中粒径段为1.5-2.5的颗粒物粒子数为10、11、120、9和10。其中，120明显为跳变数据，因此，需要先剔除掉120，并计算剩余的10、11、9和10的平均值为10。这个平均值10就是环境空气中粒径段为1.5-2.5的颗粒物粒子数。
在本发明中，空气相对湿度可以采用任何现有的测量技术进行测量，本发明不对其进行限制。
二、基于不同粒径段的颗粒物粒子数、不同粒径段的颗粒物粒子数-质量浓度转换系数和环境相对湿度确定颗粒物粒子数-质量浓度转化模型。
在计算PM2.5质量浓度时，如果完全不考虑相对湿度的影响，也就是，对于环境相对湿度为0%条件下的理想情况，基本的颗粒物粒子数-质量浓度转化模型为
。
但是，基于实验室实验数据与研究分析发现：
当环境相对湿度小于30%时，空气中水分基本不会影响粒径段为0-2.5微米的颗粒物粒子的密度。因此，在环境相对湿度小于30%时，所述颗粒物粒子数-质量浓度转化模型为基本的颗粒物粒子数-质量浓度转化模型，即，
。
在环境相对湿度大于等于30%且小于50%时，部分原本粒径较小的颗粒物会与水分结合，形成粒径较大的颗粒物且受影响颗粒物的比例与幅度随环境相对湿度增大而增大；而且，对于粒径大于4微米的颗粒物，其与PM2.5在几乎任何情况下都没有相关性。因此，在环境相对湿度大于等于30%且小于50%时，所述颗粒物粒子数-质量浓度转化模型为：
；
并且，在环境相对湿度大于等于50%且小于75%时，所述颗粒物粒子数-质量浓度转化模型为：
。
同时，在环境相对湿度大于等于75%时，由于空气中水分较多，小粒径的颗粒物与水分结合后粒径变得更大，导致环境空气中几乎没有粒径段为0-0.5微米的颗粒物，因此，在环境相对湿度大于等于75%时，所述颗粒物粒子数-质量浓度转化模型为：
。
在上述式中，是粒径段为0-0.5微米的颗粒物粒子数-质量浓度转换系数，是粒径段为0.5-0.8微米的颗粒物粒子数-质量浓度转换系数，/>是粒径段为0.8-1微米的颗粒物粒子数-质量浓度转换系数，/>是粒径段为1-1.5微米的颗粒物粒子数-质量浓度转换系数，/>是粒径段为1.5-2.5微米的颗粒物粒子数-质量浓度转换系数，/>是粒径段为2.5-3微米的颗粒物粒子数-质量浓度转换系数，/>是粒径段为3-4微米的颗粒物粒子数-质量浓度转换系数，/>是粒径段为0-0.5微米的颗粒物粒子数，/>是粒径段为0.5-0.8微米的颗粒物粒子数，/>是粒径段为0.8-1微米的颗粒物粒子数，/>是粒径段为1-1.5微米的颗粒物粒子数，/>是粒径段为1.5-2.5微米的颗粒物粒子数，/>是粒径段为2.5-3微米的颗粒物粒子数，/>是粒径段为3-4微米的颗粒物粒子数，/>是环境相对湿度，M是颗粒物监测设备测量的PM2.5质量浓度。
其中，、/>、/>、/>、/>、/>和/>均可基于实验室数据、理论计算数据以及实地检测数据获得，为已知量。
并且，通常情况下，的数量级为10e-5，/>的数量级为10e-4，/>的数量级为10e-3，/>的数量级为10e-2，/>的数量级为10e-1，/>的数量级为10e-1，的数量级为10e0。
三、基于所述颗粒物粒子数-质量浓度转化模型确定所述颗粒物监测设备测量的环境空气中的PM2.5质量浓度。
有了所述颗粒物粒子数-质量浓度转化模型，考虑到不同粒径段的颗粒物粒子数-质量浓度转换系数为已知量，即可基于测量的空气相对湿度选择对应的颗粒物粒子数-质量浓度转化模型，并将测量的各粒径段的颗粒物粒子数和空气相对湿度带入对应的颗粒物粒子数-质量浓度转化模型，计算出所述颗粒物监测设备测量的环境空气中的PM2.5质量浓度。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制。本领域的技术人员，依据本发明的思想，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (8)
1.一种湿度补偿的颗粒物监测设备的质量浓度计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
测量环境相对湿度，通过颗粒物监测设备测量环境空气中粒径在4微米以下的不同粒径段的颗粒物粒子数；
基于不同粒径段的颗粒物粒子数、不同粒径段的颗粒物粒子数-质量浓度转换系数和环境相对湿度确定颗粒物粒子数-质量浓度转化模型；
基于所述颗粒物粒子数-质量浓度转化模型确定所述颗粒物监测设备测量的环境空气中的PM2.5质量浓度。
2.根据权利要求1所述的湿度补偿的颗粒物监测设备的质量浓度计算方法，其特征在于，所述环境空气中粒径在4微米以下的不同粒径段的颗粒物粒子数包括：粒径段为0-0.5微米的颗粒物粒子数、粒径段为0.5-0.8微米的颗粒物粒子数、粒径段为0.8-1微米的颗粒物粒子数、粒径段为1-1.5微米的颗粒物粒子数、粒径段为1.5-2.5微米的颗粒物粒子数、粒径段为2.5-3微米的颗粒物粒子数和粒径段为3-4微米的颗粒物粒子数。
3.根据权利要求2所述的湿度补偿的颗粒物监测设备的质量浓度计算方法，其特征在于，
在环境相对湿度小于30%时，所述颗粒物粒子数-质量浓度转化模型为：
；
在环境相对湿度大于等于30%且小于50%时，所述颗粒物粒子数-质量浓度转化模型为：
；
在环境相对湿度大于等于50%且小于75%时，所述颗粒物粒子数-质量浓度转化模型为：
；
在环境相对湿度大于等于75%时，所述颗粒物粒子数-质量浓度转化模型为：
；
式中，是粒径段为0-0.5微米的颗粒物粒子数-质量浓度转换系数，/>是粒径段为0.5-0.8微米的颗粒物粒子数-质量浓度转换系数，/>是粒径段为0.8-1微米的颗粒物粒子数-质量浓度转换系数，/>是粒径段为1-1.5微米的颗粒物粒子数-质量浓度转换系数，/>是粒径段为1.5-2.5微米的颗粒物粒子数-质量浓度转换系数，/>是粒径段为2.5-3微米的颗粒物粒子数-质量浓度转换系数，/>是粒径段为3-4微米的颗粒物粒子数-质量浓度转换系数，/>是粒径段为0-0.5微米的颗粒物粒子数，/>是粒径段为0.5-0.8微米的颗粒物粒子数，/>是粒径段为0.8-1微米的颗粒物粒子数，是粒径段为1-1.5微米的颗粒物粒子数，/>是粒径段为1.5-2.5微米的颗粒物粒子数，/>是粒径段为2.5-3微米的颗粒物粒子数，/>是粒径段为3-4微米的颗粒物粒子数，/>是环境相对湿度，M是颗粒物监测设备测量的PM2.5质量浓度。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的湿度补偿的颗粒物监测设备的质量浓度计算方法，其特征在于，通过颗粒物监测设备测量环境空气中粒径在4微米以下的不同粒径段的颗粒物粒子数时，平滑处理粒径大于1.5微米的颗粒物粒子数。
5.根据权利要求4所述的湿度补偿的颗粒物监测设备的质量浓度计算方法，其特征在于，通过颗粒物监测设备测量环境空气中粒径在4微米以下的不同粒径段的颗粒物粒子数时，采样周期为1秒。
6.根据权利要求5所述的湿度补偿的颗粒物监测设备的质量浓度计算方法，其特征在于，所述平滑处理为：对于粒径大于1.5微米的颗粒物，取5秒内测量的五个颗粒物粒子数的平均值作为其颗粒物粒子数。
7.根据权利要求6所述的湿度补偿的颗粒物监测设备的质量浓度计算方法，其特征在于，在所述平滑处理时，先剔除五个颗粒物粒子数中的跳变数据，再取剩余的颗粒物粒子数的平均值作为其颗粒物粒子数。
8.根据权利要求7所述的湿度补偿的颗粒物监测设备的质量浓度计算方法，其特征在于，所述颗粒物监测设备为粒径谱仪。
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