一种将光散射法测得的粒子数浓度转换为质量浓度的方法及检测仪

技术领域

本发明涉及一种浓度转换方法及检测仪，尤其涉及一种将光散射法测得的粒子数浓度转换为质量浓度的方法及检测仪。

背景技术

光散射型颗粒物测量仪测定结果为颗粒污染物的粒子个数（个数/分钟，cpm），单位一般为粒子数浓度量虽然能够一定程度地反应颗粒污染程度，但是由于不同粒子的质量差异非常大，因此不适合用来描述颗粒污染的总体情况，因此颗粒物污染物（包括PM10，PM2.5）的相关标准中采用的都是质量浓度单位（mg/m³）。

在之前的相关研究中，很多人尝试着研究这两种指标的相互关系，发现在一定置信区间范围内，两种指标是可以相互转换的。

卫生部在2001年颁布了相关行业标准WS/T206-2001《公共场所空气中可吸入颗粒物（PM10）测定方法光散射法》，其中对于光散射法测得的粒子数浓度转换为质量浓度数的方法给出了指导，并给出了粒子数浓度与质量浓度转换系数计算公式：

K=C/（R-B）（公式1）

式中：

K-质量浓度转换系数，mg/m3·cpm；

C-称重法测得的质量浓度值，mg/m3；

R-光散射式颗粒检测仪测量值，计数/分（cpm）；

B-光散射式颗粒检测仪基底值，计数/分（cpm）。

通过此方法，可得到转换系数K。同时规定在同一现场，采集12个以上有效样品进行数据统计分析，确认质量浓度和相对质量浓度具有线性回归关系，将其转换系数K的几何平均值作为该场所可吸入颗粒物（PM10）浓度的转换系K值。

在标准中也同时给出K值的指导范围，在公共场所转换系数K为0.02。

这个方法具有很好的指导意义，但该方法建议所有情况下都使用一个K平均值来计算，而这个平均值只是在四个特定室内场所测量得到，这显然是不够的:首先不同颗粒污染浓度下K值的差异明显，都统一成一个值来计算必然会造成很大的误差。其次不同测量环境下大粒径颗粒（粒子半径在10-2.5微米之间）在整个PM10中的比重差异也是很大的，所以需要根据测量环境进行调整。

发明内容

鉴于所述问题，本发明提供一种将光散射法测得的粒子数浓度转换为质量浓度的方法及检测仪，该方法及检测仪考虑了不同浓度的颗粒污染对转换的影响，以及测量环境对转换影响。

本发明的一方面，提供了一种将光散射法测得的粒子数浓度转换为质量浓度的方法，其特征在于，该转换方法采用了非线性转换模型：

$>C_x=w_{x,\mathrm{env}}{C}_0=w_{x,\mathrm{env}}{K}_{1,\mathrm{env}}{(R-B)}^{K_{2,\mathrm{env}}},$>其中

下标x用于标识质量浓度的类型，包括PM10和PM2.5等；

下标env用于标识测量环境，包括室外大气、矿井等；

C_x为目标质量浓度，包括PM10质量浓度C_PM10以及PM2.5质量浓度C_PM2.5等质量浓度；

C₀为基准质量浓度，是从PM10质量浓度C_PM10或PM2.5质量浓度C_PM2.5等质量浓度中选取的一个；

w_x,env为在以下标env标识的测量环境下，所述目标质量浓度C_x对所述基准质量浓度C₀的转换系数；

R为光散射型颗粒物检测仪测量出的空气可吸入颗粒物粒子数浓度；

B为光散射型颗粒物检测仪的基底值；

K_1,env和K_2,env为在以下标env标识的测量环境下所述粒子数浓度R对所述基准质量浓度C₀的转换参数；

根据所述转换模型的测量步骤如下：

以光散射型颗粒物检测仪测量出所述空气可吸入颗粒物的粒子数浓度R；

根据测量环境选取所述转换参数K_1,env和K_2,env；

根据目标质量浓度以及测量环境选取所述转换系数w_x,env；

根据所述转换模型计算出目标质量浓度。

本发明的另一方面，提供了一种标定所述的转换方法中转换参数的方法，其特征在于，所述转换参数K_1,env和K_2,env以单参回归法确定，包括如下步骤：

使用散射型颗粒物测量仪和颗粒物质量浓度测量仪进行多次对照测量；

利用所述对照测量结果，以及关系回归出参数K_2,env，其中，C_1,env、R_1,env和C_2,env、R_2,env为两次质量浓度、粒子数浓度的对比测量结果；

利用所述已经回归出的参数K_2,env以及关系回归出参数K_1,env；

在不同的测量环境下，分别执行所述步骤，以得到不同测量环境下的转换参数K_1,env，K_2,env。

本发明的另一方面，提供了另一种标定所述的转换方法中转换参数的方法，其特征在于，所述转换参数K_1,env和K_2,env以双参回归法确定，包括如下步骤：

选定一种测量环境作为基准测量环境；

在所述基准测量环境下，使用散射型颗粒物测量仪和颗粒物质量浓度测量仪进行多次对照测量；

通过将对照测量结果中粒物粒子数浓度R和基准质量浓度C₀(包括C_PM10或C_PM2.5等)的结果，按所述非线性模型直接进行拟合回归，即可得基准测量环境下基准质量浓度C₀的转换参数K₁，K₂；

通过对比在不同的测量环境中的测量结果，将所述转换参数K_1,env，K_2,env表示为K_1,env=m_env·K₁，K_2,env=n_env·K₂，其中

m_env是在以env标识的环境下，所述转换参数K_1,env与所述基准测量环境下的转换参数K₁的比例系数；

n_env是在以env标识的环境下，所述转换参数K_2,env与所述基准测量环境下的转换参数K₂的比例系数。

本发明的另一方面，提供了一种使用所述浓度转换方法的颗粒物检测仪，包括：

用户设定单元，用于用户设定测量环境，选择要测量的质量浓度类型；

传感器单元，用光散射式颗粒物传感器对所测量空气中的颗粒物产生感应信号；

采集单元，用于定时采集传感器产生的信号；

中央处理单元，将采集到的信号进行处理得到粒子数浓度；

浓度转换单元，按所述用户设定测量环境，将所述粒子数浓度转换为用户选择的质量浓度；

显示单元，将最终结果显示到屏幕；

其特征在于，所述浓度转换单元使用如权利要求1所述的方法进行浓度转换。

所述的检测仪，其特征在于，在所述浓度转换单元使用如权利要求1所述的方法进行浓度转换时，采用权利要求2所述方法标定的转换参数。

所述的检测仪，其特征在于，在所述浓度转换单元使用如权利要求1所述的方法进行浓度转换时，采用权利要求3所述方法标定的转换参数。

所述浓度转换方法及检测仪通过一个非线性模型，考虑了不同颗粒污染浓度下转换的差异，以及在不同测量环境中转换的差异。使得空气可吸入颗粒物粒子数浓度和质量浓度的转换和测量更加准确、且简单易行。

附图说明

图1是根据本发明的第一实施例的转换参数标定过程的流程图；

图2是根据本发明的第二实施例的转换参数标定过程的流程图；

图3是根据本发明的第三实施例的浓度转换过程的流程图；

图4是根据本发明的第四实施例的便携式颗粒物检测仪的结构示意图。

具体实施方式

下面将参考附图，对本发明的具体实施方式进行详细的说明。

第一实施例：

图1是根据本发明的第一实施例的转换参数标定过程的流程图。

如图1所示，在步骤S1010中，将粒子数浓度R和质量浓度C_x的转换模型确定为非线性转换模型$>C_x=w_{\mathrm{env},x}·C_0=w_{\mathrm{env},x}{·K}_{1,\mathrm{env}}{(R-B)}^{K_{2,\mathrm{env}}},$>其中

下标x用于标识质量浓度的类型，包括PM10和PM2.5等；

下标env用于标识测量环境，包括室外大气、矿井等；

C_x为目标质量浓度，包括PM10质量浓度C_PM10以及PM2.5质量浓度C_PM2.5等质量浓度；

C₀为基准质量浓度，是从PM10质量浓度C_PM10或PM2.5质量浓度C_PM2.5等质量浓度中选取的一个；

w_x,env为在以下标env标识的测量环境下，所述目标质量浓度C_x对所述基准质量浓度C₀的转换系数；

R为光散射型颗粒物检测仪测量出的空气可吸入颗粒物粒子数浓度；

B为光散射型颗粒物检测仪的基底值；

K_1,env和K_2,env为在以下标env标识的测量环境下所述粒子数浓度R对所述基准质量浓度C₀的转换参数。

在所述转换模型中，为了能体现出在不同测量环境下因颗粒物的不同来源而造成的粒子数浓度与质量浓度转换的差异，在不同的测量环境中，使用不同的参数K1_,env和K_2,env。例如，在矿井中和在家居住宅中颗粒物的来源显然有很大差异，因而相同粒子数浓度目的污染物的质量会有很大不同，因而所述模型采用不同的转换参数K_1,矿井、K_2,矿井与K_{1,家居住宅}、K_{2,家居住宅}来体现这种差异。

在所述转换模型中，指数参数K_2,env可以反映在不同的粒子数浓度量时，因为大粒径颗粒与小粒径颗粒的比例不同而引起的质量浓度的变化。例如，在实际情况中，在粒子数浓度较少时，大粒径颗粒数量比例相对更高，因而每个颗粒的平均质量大；而随着粒子数浓度增多，大粒径颗粒数量比例逐渐减少，因而每个颗粒的平均质量小。指数参数K_2,env可以反映该特性。

在步骤S1020中，选取一种质量浓度，如PM10或PM2.5等，作为基准质量浓度。在不同测量环境下，使用单参回归法，对粒子数浓度与该基准质量浓度的转换参数进行标定。

其中涉及的各个数量关系的说明如下：

根据步骤S1010所确定的转换方式，在同一测量环境中两次测得的粒子数浓度R_1,env、R_2,env和其质量浓度的对照测量值C_1,env、C_2,env，有如下关系：

公式3、公式4两侧同时相除，那么

对公式5两边取对数，则有

从而，利用公式6通过对照测量值可以用单参回归出参数K_2,env；

之后利用所述非线性转换方式可知

根据公式7，使用已回归出参数K_2,env，可以用单参回归法通过对照测量值回归出参数K_1,env。

综合所述，标定K_1,env和K_2,env的单参数回归步骤如下：

使用散射型颗粒物测量仪和颗粒物质量浓度测量仪进行多次对照测量；

利用所述对照测量结果，以及关系回归出参数K_2,env，其中，C_1,env、R_1,env和C_2,env、R_2,env为两次质量浓度、粒子数浓度的对比测量结果；

利用所述已经回归出的参数K_2,env以及关系回归出参数K_1,env；

在不同的测量环境下执行所述步骤得到不同环境的转换参数K_1,env，K_2,env。

之后，在步骤S1030中，通过在不同测量环境中对不同的质量浓度和基准质量浓度做对照测量，可以标定出不同测量环境中质量浓度C_x与基准质量浓度C₀的转换的转换系数w_env,x；

最后，综合所述结果，即可标定转换参数K_1,env和K_2,env并得到粒子数浓度和质量浓度的转换关系：

$>C_x=w_{\mathrm{env},x}{·K}_{1,\mathrm{env}}{(R-B)}^{K_{2,\mathrm{env}}}.$>

第二实施例：

在本实施例中采用了与第一实施例相同的符号及下标，其意义与第一实施例相同，因而在此不再重复说明。

图2是根据本发明的第二实施例的转换参数标定过程的流程图。

如图2所示，在步骤S2010中，将粒子数浓度R和质量浓度C_x的转换方式确定为非线性转换模型

接下来，执行步骤S2020，在选定的基准测量环境（如室外大气）中，对于基准质量浓度，如PM10或PM2.5等，通过测量多个粒子数浓度和质量浓度的对照值，直接使用双参回归法回归出转换系数K₁和K₂。

然后，在步骤S2030中，通过对比不同测量环境下的转换系数K_1,env和K_2,env与基准的测量环境中回归出转换系数K₁和K₂，可以标定出不同测量环境下，转换系数对应于基准情况下的转换系数的修正系数m_env，n_env，使得K_1,env=m_env·K₁，K_2,env=n_env·K₂。

之后，在步骤S2040中，通过在不同测量环境中对不同的质量浓度和基准质量浓度做对照测量，可以标定出以下标env标识的测量环境中质量浓度C_x与基准质量浓度C₀的转换的转换系数w_env,x；

最后，综合所述结果，即可标定转换参数K_1,env和K_2,env并得到粒子数浓度和质量浓度的转换关系：

$>C_x=w_{\mathrm{env},x}{·K}_{1,\mathrm{env}}{(R-B)}^{K_{2,\mathrm{env}}}.$>

第三实施例：

在本实施例中采用了与第一实施例相同的符号及下标，其意义与第一实施例相同，因而在此不再重复说明。

图3是根据本发明的第三实施例的浓度转换过程的流程图。

参考图3，通过本发明所确定的非线性转换模型，其中转换参数可以由第一实施例或第二实施例所述的方式获得，其转换过程可以由下述步骤来完成：

步骤S3010：以光散射型颗粒物检测仪测量出所述空气可吸入颗粒物的粒子数浓度R；

步骤S3020：根据测量环境确定所述转换参数K_1,env和K_2,env；

步骤S3030：根据目标质量浓度以及测量环境确定所述转换系数w_x,env；

步骤S3040：根据所述转换模型计算出目标质量浓度。

第四实施例：

图4是根据本发明的第四实施例的便携式颗粒物检测仪的结构示意图。

参考图4，便携式颗粒物检测仪100包括：用户设定单元110、传感器单元120、采集单元130、中央处理单元140、浓度转换单元150以及显示单元160。

其中，传感器单元120为光散射式颗粒物传感器；显示单元160为液晶显示屏；浓度转换单元150使用第三实施例所述的方法进行浓度转换，转换参数由第一实施例所述的方法确定或由第二实施例所述的方法确定。

使用时，用户通过用户设定单元110指定测量环境，并选择所需的质量浓度类型，开始测量；之后颗粒污染物透过壳体的进风口进入光散射式颗粒物传感器单元120，传感器单元120对于颗粒物产生感应信号，采集单元130定时采集传感器单元120产生的信号，由中央处理单元140将信号进行处理得到粒子数浓度，然后在浓度转换单元150中使用第三实施例中所述转换方法，按上述用户设定的测量环境和所需的质量浓度类型，转换出用户需要的质量浓度，得到的最终结果通过显示单元160显示出来。

虽然参照附图对根据本发明的实施例进行了如上描述，但是本领域技术人员应当理解，对所述发明所提出的实施例，还可以在不脱离本发明内容的基础上做出各种改进。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书的内容确定。