传感技术在环境空气监测中的方法适用性管窥

包天 秦绍科

摘要：本文通过使用三台不同类型的传感器空气监测设备，对城市内部空气环境的污染物进行了测定，主要包含了二氧化氮、二氧化硫、臭氧以及一氧化碳污染气体含量监测，通过一个月的监测周期，有效分析了传感器技术在环境空气测量当中的有效操作方式，并且对该技术在环境空气监测当中的适用性进行了深度研究，为我国环境空气监测工作提供了较高的技术保障，有效提高了我国环境空气监测工作开展的整体质量。

关键词：传感技术;空气监测;适用性

中图分类号：X83 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2019）09-00-02

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2019.09.054

The applicability of sensing technology in environmental air monitoring

Bao Tian， Qin Shaoke

（Hangzhou Yimeiyuan Testing Technology Co.， Ltd.， Hangzhou Zhejiang 310000，China）

Abstract： This paper measures the pollutants in the urban air environment by using three different types of sensor air monitoring equipment， including nitrogen dioxide， sulfur dioxide， ozone and carbon monoxide pollution gas content monitoring， through a one-month monitoring cycle. It effectively analyzes the effective operation mode of sensor technology in ambient air measurement， and conducts in-depth research on the applicability of the technology in environmental air monitoring， which provides a high technical guarantee for Chinas environmental air monitoring work and effectively improves it. The overall quality of environmental air monitoring in China.

Key words： Sensing technology; Air monitoring; Applicability

当前我国很多城市当中空气质量低下，环境空气当中存在大量的空气污染物，主要包含了二氧化硫、臭氧、一氧化氮以及其他颗粒物质等，对环境空气的质量形成了严重的影响。在对环境空气进行监测工作当中，通过传统的测量方式尽管准确度良好，但是在實际的操作过程当中监测仪器的体积较大，同时仪器设置的点位有着明显的局限性，不能实现更加灵活的空气质量监测，很难满足空气环境的精细化工作需求。在最近几年的发展过程当中，传感器技术的快速发展，为环境空气质量监测工作建立了全新发展方向，传感器技术在空气监测工作当中的有效应用，具有操作更加快速、体积更小、便于携带，实现了持续动态监测以及整体的经济投入较低等方面优势，在大气网格监测工作和环境空气的质量监测领域当中得到了广泛的运用。

1 传感技术在环境空气监测发展现状

当前我国在传感器技术的发展程度上相比与其他发达国家来讲，在整体的精度方面相对较低，工作过程当中的一致性和稳定性不足，同时我国国内很少有在环境监测工作当中对传感器技术加以充分运用的实例和新闻报道，国内外针对传感器在环境监测性能以及影响因素方面的内容研究也比较浅显。传感器技术在环境空气当中的监测工作，可以实现对空气当中的污染气体以及颗粒物质等实施在线监测，本文通过研究环境空气监测工作当中对传感器技术的适用性，针对三组不同型号的传感器工作监测，实现以一个月为周期的环境空气质量的监测工作，并且对监测完成之后的各项数据进行有效对比，对传感器技术在环境监测工作当中的适应性进行了证明。

2 传感技术在环境空气监测实验分析

选择市面上某品牌的三种不同类型的传感器，对空气当中的颗粒物质以及气态污染物进行了一个月的监测，分别将三台设备记录监测设定为A、B、C三种。其中对空气当中的固体颗粒物检测传感器，为我国国产生产品牌的光散射技术传感器，气体污染物传感器都采用的是进口传感器监测产品。通过电化学的方法来进行检测，在进行正式监测工作之前，通过气体内部的标准物质和气体混合一致性实验进行测试，对传感器组件的优化和选择，在实际的监测工作当中，通过组网测试的方式有效验证了实验监测数据的有效性。

用作传感器监测数据对比的监控设备选择的是Thermofisher品牌，监测工作原理为电化学发光法，检测二氧化碳运用脉冲紫外荧光检测法。通过气体滤波和红外吸收的操作方式，实现了对一氧化氮和一氧化碳等有害物质的吸收和监测，通过紫外分光法对臭氧含量进行监测。

针对某城市的空气环境进行了维持一天的连续监测，使用三台不同的传感器进行同步操作，保持传感器进气口部分在同一个高度范围内，和地面之间的距离保持2m。传感器在监测工作当中，对时间周期的设定为一分钟一次的监测频率，传感器的监测数据采样区间保持一小时为周期。空气监测点位于某城市的住宅区域和办公区域，周围环境没有明显的特殊污染问题，属于比较典型的环境监测区域。环境空气的监测工作当中，需要保持环境湿度在27%～98%之间，平均值为66%，监测过程当中平均日气温为10～12℃。

正式开始监测6h之后，对其中所有的气态污染物以及传感器所收集到的数据进行了分析，通过传感器数据的波动状况，对其中存在不合理或者是异常高出的气体收集参数设定为无效数据，将特殊数据进行舍弃。该研究工作中的主要目的是使用传感器对空气监测工作当中的颗粒物质含量进行监测，不考虑季节变化对环境内部空气的影响。

3 实验结论分析

通过三台不同类型的传感器，对空气当中所含有的颗粒物质检测，均保持较高的水准，其中监测的固体颗粒物质的含量普遍偏高。传感器的颗粒测定值相比于我国部分控制点的监测数据来讲相对较低。相比于国内平均控制点8～9μg/mm?，平均值第9～10μg/mm?。通过该项数据可以看出，传感器所测量的固体颗粒含量，精确度还有待提升，其中传感器的空气固体颗粒物的测定值和我国监控点所得到的数据相比更加复杂，在整体的数据分布上比较接近，在测定的百分位数上基本保持相同，千位数之上略低于国家平均控制点绝对误差小于2μg/mm?。对于监测数据的时间序列进行了有效分析，从中可以看出传感器的监测数据和我国控制点的固体颗粒监测数据基本上保持一致，其中并没有存在明显的不同。

3.1 监测数据和时间

在三台传感器的监测数据和污染气体的质量浓度关系，分别为0.999 和 1.000，和我国标准空气监测数据相比有着一定的关联，对于传感器和国内环境空气控制点的质量浓度数据进行对比和分析，其中系数浓度分别为0.971和0.902，有效结合了上述监测数据的结果进行对比，从中可以看出传感器在测定值方面和国家标准监测数值上精确度略高。

3.2 监测数据相关性分析

通过传感器的测定值和国家控制监测的数据进行对比，监测数据绝对误差上相对较小，并且测量精度更高。通过科学的计算可以看出传感器和国家监测控制点的监测数据，空气的质量浓度平均误差为-16.0%～-7.3%和-27.8%～-24.5%，其中监测工作效果最明显的传感器有73%的PM2和52%的PM2.5时，在监测空气数据的误差保持在±30以内。

传感器和国家内部监测控制点位，在数据之间存在的差异性比较明显。整体上来讲传感器的测定值和国家控制监测数据之间差异不是非常大，在不同的空气质量浓度曲线当中，相对误差的分布规律基本保持相同。随着PM2质量浓度的不断上升，在传感器和国家监控点的监测质量浓度误差范围逐渐缩小，以国家控制监测的数据作为基础，将PM2.5的质量浓度依照每20μg/mm?进行一个层次的划分，有效的计算出传感器测定值和国家监测点之间存在的误差大小。通过数据分析得出传感器在测定的数值上，相比于国家控制点的监测数据稍微偏低，同时在相对误差上基本上保持在-50%～0%的范围之内，整体的数据呈现出先大后小的态势。同时在监测数据20μg/mm?左右平均误差最大，同时在41%～81%之间传感器所监测到的空气质量数据和国家控制点的空气监测数据比稍微偏高，相比误差值保持在20%的范围内，并且整体的素质呈现出下降的态势。在80μg/mm?以上的测量样本上相对较少，同时误差整体也比较小，尤其是在100μg/mm?附近传感器的测定和国家监控点的监测数据基本上保持一致。

4 结束语

国控点的监测儀器和传感器相比，对氧化碳和二氧化碳监测浓度误差值相对较小，可以充分满足实际监测工作当中的实际需求，如果二氧化硫的测定值上误差值相对较大，其中平均的误差值为56%，最小的误差值超过12%，氧化碳臭氧以及二氧化碳的测定误差值基本保持相同，其中90%的一氧化碳在每小时的质量浓度监测场误差值保持在30%以内，平均监测浓度误差值为17%，90%的臭氧在每小时的质量浓度相对误差值在50%之内，平均的误差值大约为35%。通过对国家控制点和传感器的环境监测数据进行综合分析，在监测区域范围内没有明显的污染源排放，可以有效证明实际监测工作当中主要的误差值源自监测仪器本身。

参考文献

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收稿日期：2019-04-02

作者简介：包天（1991-），男，汉族，大专学历，研究方向为空气监测。