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低成本气溶胶质量浓度专业传感器的介绍和比较

Sinan Sousan , Kirsten Koehler , Geb Thomas , Jae Hong Park , Michael Hillman , AndrewHalterman , and Thomas M. Peters

摘要

低成本传感器能有效的测量环境气溶胶和二手烟在家庭中的质量浓度，但它们的使用浓度与职业设置有关尚未得到证实。我们用三种低成本传感器（来自亚利桑那州的DC1700和来自夏普的两个商品传感器）、气溶胶光度计和最高浓度达到6500mu;g/m³的参考仪器，测量了四种气溶胶（盐，道路灰尘，焊接烟雾和柴油废气）的浓度。原始数据被用来评估传感器的精度和拟合方程来计算质量浓度。与参考仪器相比，EPA和NIOSH协议用于评估低成本传感器的质量浓度。根据预期DC1700的检测效率在0.1mu;m范围内为0.04%，在5mu;m范围内为108%，同时有观察到细颗粒和粗颗粒的分类错误。DC1700的原始数据具有比两个夏普器件（CV＝25%和17%）更高的精度（较低的变异系数，CV＝7.4%），这是由于制造商校准的差异造成的。

气溶胶类型强烈影响传感器响应，表明需要现场校准，以将传感器输出转换为质量浓度。同时，校准后用低成本传感器估计的质量浓度与参考仪器的结果高度相关（R²＝0.99）。这些结果表明，DC1700和夏普传感器可用于估算气溶胶在与工作场所有关的浓度时的气溶胶质量浓度。

介绍

环境和职业原因暴露于细颗粒物（颗粒小于2.5mu;m）和粗颗粒物（颗粒在2.5mu;m和10mu;m之间）与不良的健康影响和死亡率增加有关（Grant 2009; Dockery et al. 1993）。这种暴露包括灰尘、海盐、汽车尾气、工业排放物、焊接烟雾、锯末、动物粪便和农作物粉尘（Seinfeld and Pandis 2012）。暴露于特定的气溶胶导致特定的不利健康后果：煤矿粉尘对不良呼吸变化（Henneberger and Attfield 1997）；焊接烟雾对呼吸系统疾病和肺癌（Antonini 2003）；柴油烟雾对肺部疾病（Hart et al. 2012）和肺癌（Lipsett and Campleman 2000）。

美国政府使用根据质量分类的规章来保护公众和工人原理可吸入颗粒物的有害影响。国家环境空气质量标准（NAQSS）在环境保护局（EPA）的授权下，规定环境颗粒物直径低于2.5mu;m的粒子（PM_2.5）应当小于每天35 mu;g/m³和每年15 mu;g/m³，小于10mu;m的颗粒物质量浓度应小于150 mu;g/m³ 每天 (EPA 2013)。在工作场所，雇主必须证明工人的个人接触不超过职业安全和健康管理局（OSHA）规定的职业接触限值。对于特定的化合物（OSHA 2006），总粉尘含量低、有时低很多的颗粒的8小时里时间加权平均曝光极限为15000mu;g/m³。矿山安全和健康管理局（MSHA）也有8小时里时间加权平均暴露限值来保护矿工（MSHA 2014-A）。这些机构指定使用基于过滤器的采样器来测量气溶胶质量浓度，计算为收集在过滤器上被重力采样的颗粒的质量，被重力采样除以采样空气的体积。虽然用这些采样器进行的测量具有较高的准确度和精密度，但重量取样和分析是耗时的，并且没有关于质量浓度的时间变化的指示。

在某些情况下，这些机构允许使用基于重量测量以外的原理的仪器，只要它们通过严格等效测试即可。例如，MSHA已授权使用小型锥形元件振荡微天平（TEOMS）在地下矿山进行个人取样（MSHA 2014-B）。这些仪器是小巧的，并且提供了与重量抽样高度相关的测量，但是它们是昂贵的(gt;$15,000)。EPA在40 CFR第53部分(EPA 2006)中定义了相当严格的等效抽样方法标准——联邦等效方法(FEMs)。符合这些标准的仪器包括环境版本的TEOM和beta衰减监测器(BAMs)。这些仪器提供连续、实时的质量浓度(Grover et al. 2005;Macias和Husar 1976;Takahashi et al. 2008)，但是价格昂贵(gt;$20,000)和大。OSHA没有类似的程序。

基于光散射的仪器使粒子浓度的实时测量大大低于重量和等效方法。例如，集成的散射计，测量由粒子在大范围的角度上散射的光，并且必须与质量浓度相关(Heintzenberg和Charlson 1996)。光度计提供了一种实时的质量浓度的指示，它可以从一个小角度的粒子集合散射出来，通常在入射光的90度(Gorner et al. 1995)。测光计，如个人资料(pDR-1500, Thermo Scientific, USA)和DustTrakII (8532;美国TSI)是经常用于监测职业暴露的便携式光度计。光学粒子计数器(OPCs)利用散射的大小为不同的粒子尺寸提供实时数字浓度测量(Peters等人，2006)。我们称这些设备为中等成本，有nephen和pho度计，通常从$3,000到$10,000和OPCs从$7,000到$15,000。

最近，几家制造商引进了低成本的气溶胶传感器，利用光散射来提供空气微粒浓度的信息。DC1700(~ $400，美国Dylos公司)是一种商用激光粒子计数器，用于在一个完整的、随时可用的包(与风扇一起拉空气通过，数字读数和数据记录能力)中用于家庭使用，它提供了精细和大颗粒(Unger 2011)的数字浓度。夏普电子(Sharp Electronics)推出了基于光度反应的极低成本传感器(夏普GP, 12美元，GP2Y1010AU0F；夏普DN，21美元，DN7C3CA006，夏普电子，日本)。这些传感器是用于集成到其他产品，如空调和空气净化器，因此如果用于空气取样需要一个微控制器用于数据记录。

环境和室内研究表明，低成本传感器与用中、高成本仪器测量的质量浓度相关联(Wang et al. 2015; Steinle et al. 2015; Holstius et al. 2014; Northcross et al. 2013)。Semple et al.(2013)在室内暴露于二手烟浓度的情况下，测试了DC1700对室内曝光度的测定，并报告了0.86的测定系数(R²)。Holstius等人(2014)在一个城市环境中观察到，用OPC (~ $12,000, GRIMM, Model 1.108, GRIMM Aerosol Technixk GmbH amp; Co., Ainring, Germany)测量的与DC1700一致的(R² = 0.99)的数量或质量浓度(R² = 0.99)。Steinle et al.(2015)发现，使用DC1700测量的浓度与在城市(R² = 0.7)和农村地区(R² = 0.9)的TEOM (Thermo Fisher Scientific Inc.， USA)测量的质量浓度一致。相比于美国TSI, Budde et al.(2012)的Sharp GP传感器，观察到的平均绝对误差小于20 g/m³，其浓度范围从20 g/m³到160 g/m³。Wang et al.(2015)在Sharp GP sensor和SidePak(美国TSI Inc.)之间发现了0.98的高相关性(R²)。关于这些传感器在工作场所使用职业气溶胶的有效性没有可用文献。

因此，目前的研究目的是评估低成本的气溶胶传感器(DC1700和2个夏普传感器)在不同气溶胶的性能和在职业环境中经常发生的高浓度的表现。首先，我们评估了DC1700是否能够正确地计数和大小颗粒进入精细和粗糙的箱子。我们评估了传感器的精度，并开发了将传感器原始输出转化为质量浓度的方程。然后，我们将估计的质量浓度与调整到重力质量的高成本仪器进行了比较。

方法和材料

低成本传感器

本研究中使用的所有气溶胶仪器的规格如表1所示。在实验前，所有中成本和高成本的仪器都进行了校准和维护。所有的低成本传感器都是首次使用。在2014年开始实验之前，我们从6个供应商那里找到了低成本的传感器(这三个测试是在这个工作中测试的，还有两个来自Shinyei和SYhitech的传感器)。我们无法从Shinyei传感器获得可靠的结果，并由于资源的限制最终决定不测试SYhitech传感器。

DC1700显示和存储颗粒数浓度(颗粒/0.01 ft³)在两个尺寸范围内:大于0.5mu;m(称为小容器，尽管这个箱子包括小颗粒和大颗粒);大于2.5mu;m(称为大仓)。为了与系统国际单位保持一致，我们将DC1700的数浓度体积单位转换为/cm³。根据制造商的说法，虽然仪器提供的数据远高于此，但粒子在小于106粒子/cm³的情况下一致性小于10%。浓度大于231粒子/cm³导致内部日志记录器滚至零，导致高度集中的不可靠测量(Semple et al. 2013)。DC1700是制造商为室内使用设计的一个独立的设备，可以无需准备或设置立即工作。

这次测试了两种夏普颗粒物传感器：夏普GP和夏普DN。两传感器的传感区域紧凑(0.046米times;0.046米times;0.0176米)，有一个红外二极管照亮粒子集体，还有一个定位在入射光90°的光电晶体管捕获粒子的光散射。根据制造商的设计，夏普GP传感器的灵敏度（0.5V/0.1mg/m³）是夏普DN传感器（1V/0.1mg/m3）的一半。夏普GP无法通过设备吸取气溶胶。与此相反，在传感区域的出口处有一个虚拟冲击器和一个风扇。小于2.mu;m的粒子通过虚拟冲击器进入传感区。我们使用了一台微型计算机，每4秒钟就能获取和记录数据。

DC1700检测效率

我们利用图1所示的实验装置，测量了7个单分散粒子尺寸的DC1700的检测效率。使用含盐溶液(NaCl 0.9 wt. %， Fisher Scientific, USA)的collison型雾化器(NaCl 0.9 wt %， Fisher Scientific, USA)用于产生飞沫，然后干燥后形成固体盐颗粒。这些多分散的盐颗粒通过一个静电分类器(EC; 美国TSI 3080)生产单分散的直径0.1mu;m,0.2mu;m和0.3mu;m的盐颗粒。0.1mu;m、0.2mu;m和0.3mu;m粒子的移动直径由表S1(在线补充信息)的参数转化为气动直径，分别相当于空气动力学直径是0.16mu;m,0.3mu;m和0.4mu;m。较大的单分散粒子由振动孔气溶胶发生器（VOAG; 3450, TSI, USA）生成。VOAG是通过一个20mu;m的孔口，油酸作为溶质(A195-500, Fisher Scientific, USA)和异丙醇作为溶剂(A464-4, Fisher Scientific, USA)来操作的。气体进出体积比率是1:64000、1:2370和1:517，分别生成1.3mu;m，2mu;m，3mu;m和5mu;m大小的粒子。液体原料提供速度范围从2.3times;10minus;5到4.2times;10minus;5立方厘米/分钟和68 - 87 kHz的频率。

单分散气溶胶被移动到一个取样室(0.26 m 0.31 m 0.15 m)，一个DC1700被放置在取样室内，参考仪器直接从室内取样。参考仪器由一个检测3.0mu;m以下粒子的缩聚粒子计数器(CPC; 3007, TSI, United States)和一个检测1.0mu;m以上粒子的空气动力粒子测量器(APS; 3321, TSI, United States)组成。APS也用于验证颗粒尺寸大于0.5mu;m。带取样器（切割粒径0.804mu;m）的SMPS (SMPS; SMPS-C 5.402, Grimm, Germany)用来验证单分散粒子的生成，并确保VOAG生成最小的亚微米气溶胶粒子（lt;10粒子/立方厘米）。

对于每个粒子大小（0.1，0.2，0.3，1.3，2，3和5mu;m），使用DC1700和参考工具采样十分钟的粒子数浓度。我们把CPC和APS的数据平均起来，以匹配DC1700的一分钟数据。探测效率(eta;D)计算了细粒子（0.5 -2.5mu;m之间),粗粒子(大于2.5mu;m),和总粒子(粒子大于0.5mu;m)如下:

其中N_DC1700是由DC1700测量的浓度，N_Ref是由参考仪器测量的数字浓度。不同的颗粒大小采用不同的浓度：细粒子用小容器报告减去大容器报告的数浓度，粗粒子用大容器报告数值，总粒子用小容器报告的数值。

低成本传感器的性能

实验设置—性能测试的实验设置如图2-A所示。试验室包括一个混合区(0.64 mtimes; 0.64 mtimes; 0.66 m)和一个取样区(0.53 mtimes; 0.64 mtimes; 0.66 m)，由位于测试室中间的穿孔板隔开。穿孔板包含600个均匀间隔的孔，每个孔直径为0.6 cm。穿孔板提供了均匀的气流，在取样区域内没有死区。从发电系统出来的气溶胶由两个HEPA过滤器(0.25 m³ /min)的清洁空气稀释，并与混合区的一个小风扇混合。采样区的风速为0.01 m/s，导致雷诺数为400(层流)。每个低成本传感器(DC1700、Sharp DN和Sharp GP)和1个pDR-1500放在有空气吸入口(截止直径为10mu;m)的采样区域内。pDR-1500开启时在采样出口使用37毫米玻璃微细纤维过滤器(934-AH, Whatman, USA)。高成本参考仪器在试验室内，直接从取样区域取样。

采用图2-B所示的四种不同气溶胶生

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