陳　玲　莫　凡　陽金勇　郭　歡

(廣東省計量科學(xué)研究院，廣州 510300)

0　引言

PM2.5指環(huán)境空氣中空氣動力學(xué)當(dāng)量直徑≤2.5μm的顆粒物，也稱為細顆粒物或可入肺顆粒物，隨呼吸道進入肺部并沉積。雖然是空氣中含量較小的組分，但相比于PM10(粒徑≤10μm)和TSP(粒徑≤100μm)，PM2.5更易吸附大量的有毒、有害物質(zhì)，是空氣中各種有毒物質(zhì)的載體，是灰霾天氣的能見度降低的主要原因[1]。PM2.5的來源復(fù)雜，成分自然也很復(fù)雜。對PM2.5的檢測，目前國家標(biāo)準(zhǔn)方法還是采用重量法，技術(shù)依據(jù)主要是2011年環(huán)境保護部頒布的HJ618-2011環(huán)境空氣PM10和PM2.5測定的方法行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[2,3]。國家環(huán)境保護部也對采樣器和檢測方法提出了技術(shù)要求[4-5]。但實際操作時，費時繁瑣。但為了便于操作，很多檢測部門采用PM2.5監(jiān)測儀進行直接檢測，采集和測量都由儀器自動完成，方便快捷。包括重量法，PM2.5測試儀主要有微振蕩天平法、β-射線衰減法和光散射濁度法[6]。雖然我國測量標(biāo)準(zhǔn)方法是重量法，但在實際應(yīng)用中，快速測量法是大家常用的測量方法，即微振蕩天平法和β-射線衰減法的儀器占主流。

目前PM2.5檢測儀還沒有明確的檢測認證方法，國家也還沒有出臺該類儀器的國家標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)的計量檢定規(guī)程，PM2.5檢測儀的質(zhì)量控制依據(jù)缺失。本文從測試儀的結(jié)構(gòu)和檢測原理出發(fā)，探討PM2.5檢測儀的計量認證即質(zhì)量控制方案。

1　PM2.5測試儀的結(jié)構(gòu)和質(zhì)量控制

PM2.5測試儀主要由氣路系統(tǒng)、采樣系統(tǒng)(預(yù)捕集器)、感應(yīng)系統(tǒng)(測量系統(tǒng))和顯示系統(tǒng)組成。采樣系統(tǒng)的核心部件為預(yù)捕集器，預(yù)捕集器主要有水平淘析器、慣性沖擊器、旋風(fēng)分離器和向心分離器等類型。測量儀的簡易結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　PM2.5測試儀簡易結(jié)構(gòu)圖

所有PM2.5的測試均分為兩步，第一步是樣品的分離采集，第二步是分離采集得到樣品的測試。對于第一步樣品的分離采集，國內(nèi)外所采用的方法基本一致,均由具有特殊結(jié)構(gòu)的切割器及其產(chǎn)生的特定空氣流速達到分離效果。其基本原理是：在抽氣泵的作用下，空氣以一定的流速流過切割器，較大的顆粒因為慣性大而被涂了油的部件截留，慣性較小的細顆粒絕大部分隨著空氣流而通過進入測試系統(tǒng)。區(qū)別只是第二步的濃度測試，分類也是根據(jù)第二步來分的。

氣路系統(tǒng)的核心為采樣泵，采樣系統(tǒng)主要包括切割器和采樣頭，測量系統(tǒng)則主要包括感應(yīng)裝置和輔助部件。工作時，采樣泵抽取環(huán)境空氣，抽取的環(huán)境空氣以準(zhǔn)確流量流經(jīng)捕集系統(tǒng)里的采樣頭和切割系統(tǒng)，得到符合技術(shù)要求的顆粒物樣品，儀器測量系統(tǒng)得到準(zhǔn)確顆粒物質(zhì)量，然后根據(jù)收集這些顆粒物所采環(huán)境空氣的體積得到準(zhǔn)確濃度。從儀器結(jié)構(gòu)和工作原理來看，PM2.5檢測儀測量誤差來源主要有三個，包括流量示值的準(zhǔn)確性、切割誤差和感應(yīng)系統(tǒng)測量準(zhǔn)確性。

1.1　氣路系統(tǒng)

氣路系統(tǒng)是控制采樣流速來抽取環(huán)境空氣的，用來保證采樣體積的準(zhǔn)確性。該部分的計量校準(zhǔn)可依據(jù)JJG 520—2005粉塵采樣器計量檢定規(guī)程和HJ 618—2011環(huán)境空氣PM10和PM2.5的測定環(huán)境保護部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。規(guī)程中明確了檢定項目包括采樣流量誤差、采樣流量穩(wěn)定性、采樣時間誤差和采樣體積誤差[4,7]。主要檢定設(shè)備為流量標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。參照該規(guī)程和HJ 618—2011中對PM2.5對采樣器的要求，主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1　PM2.5測試氣路系統(tǒng)校準(zhǔn)項目和技術(shù)指標(biāo)

1.2　捕集系統(tǒng)

捕集系統(tǒng)的核心為切割器，將PM2.5與空氣中其他顆粒物切割分離，進行PM2.5的捕集。分離效果是影響測量結(jié)果的一個非常重要參數(shù)。PM2.5是飄塵中顆粒較小的部分，測量時首先要使PM2.5與較大顆粒物切割分離。因此，對PM2.5測試儀的切割效果，要有明確的技術(shù)指標(biāo)，主要包括切割粒徑Da50值和捕集效率的幾何標(biāo)準(zhǔn)偏差σg[3-4]。

Da50指切割器對顆粒物的捕集效率為50％時所對應(yīng)的粒子空氣動力學(xué)當(dāng)量直徑。切割器對顆粒物的捕集效率則有兩種表達形式：1)捕集效率為16％時對應(yīng)的粒子空氣動力學(xué)直徑與捕集效率為50％時對應(yīng)的粒子空氣動力學(xué)直徑的比值；2)捕集效率為50％時所對應(yīng)顆粒物的空氣動力學(xué)直徑與捕集效率為84％時對應(yīng)的空氣動力學(xué)直徑直徑的比值，如式(1)、式(2)所示。

(1)

(2)

式中，σg為捕集效率的幾何標(biāo)準(zhǔn)差；Da16為切割器對顆粒物捕集效率為16％時所對應(yīng)粒子的空氣動力學(xué)直徑；Da50為切割器對顆粒物捕集效率為50％時所對應(yīng)粒子的空氣動力學(xué)直徑；Da84為切割器對顆粒物捕集效率為84％時所對應(yīng)粒子的空氣動力學(xué)直徑。

切割Da50值偏大，則切割粒子中較大的粒子偏多，直接導(dǎo)致了測量結(jié)果偏大；切割效率較低的話又會導(dǎo)致測量結(jié)果比真實值偏小等。HJ 618—2011環(huán)境空氣PM10和PM2.5的測定重量法中明確規(guī)定了PM2.5測試儀切割器切割粒子Da50=(2.5±0.2)μm，捕集效率的幾何標(biāo)準(zhǔn)偏差為σg=1.2±0.1，上述兩個公式均應(yīng)符合。此時，可選擇靜態(tài)箱實驗方法[8]，選擇采用八種不同粒徑單分散相(σg≤1.1)聚苯乙烯微球或熒光素銨作為實驗粒子對采樣器的粒子捕集特性進行計量，實驗粒子的七種粒徑要求如表2。

表2　PM2.5測試儀切割器性能校準(zhǔn)所需粒子

對每一種粒徑的實驗粒子Dai(i=1～8)，采樣三次(k=3)，經(jīng)分析后得出采樣器該粒徑下的三個捕集效率值ηDaik，按照式(3)和式(4)分別計算ηDaik的平均捕集效率ηDai和相對標(biāo)準(zhǔn)偏差Cvi。

(3)

(4)

式中：Cvi為某種粒徑下捕集效率的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差；ηDai為某種粒徑下的捕集效率平均值；ηDaik為某種粒徑下的捕集效率。

當(dāng)Cvi≤15％時，ηDaik為該粒徑下的捕集效率，否則，該粒徑的捕集效率應(yīng)該重做。

將實驗粒子的八種粒徑(Dai)及所對應(yīng)的采樣器八個捕集效率值(ηDai)采用多項式回歸方法給出回歸方程，求出A、B、C、D四個系數(shù)。采樣器的粒子捕集特性由多項式回歸方程式(5)表示。

(5)

由回歸方程求出采樣器捕集效率為16％，50％，84％時所對應(yīng)的空氣動力學(xué)當(dāng)量直徑Da16，Da50，Da84，計算切割粒徑Da50值和幾何標(biāo)準(zhǔn)偏差σg[6]。

1.3　感應(yīng)系統(tǒng)

同樣，感應(yīng)系統(tǒng)的質(zhì)量控制也可采用靜態(tài)實驗的方法[8-9]。感應(yīng)系統(tǒng)是獨立的系統(tǒng)，此時，可以不裝切割頭。感應(yīng)系統(tǒng)的質(zhì)量控制包括測量準(zhǔn)確性和測量重復(fù)性。

首先進行示值誤差的校準(zhǔn)?？梢圆捎镁郾揭蚁┪⑶蛐螛?biāo)準(zhǔn)粒子(無大于2.5μm的顆粒)，將其均勻分布控制于一個實驗箱體中，模擬大氣中顆粒物分布。在實驗箱體中均勻分布的一個采樣點上分別接上待測儀器(不帶切割頭)以得到儀器的測量值，測量時可以取3次測量值的平均值,必要時進行修正；另一個采樣點上用濾膜收集得到標(biāo)準(zhǔn)值，測量值與標(biāo)準(zhǔn)值的相對誤差即為儀器的測量誤差即式(6)。

(6)

將待檢儀器連接于采樣口，開機穩(wěn)定后，重復(fù)測量6次按照式(7)計算儀器示值重復(fù)性。

(7)

2　結(jié)論

PM2.5測試儀在環(huán)境監(jiān)測中扮演了日益重要的作用，該類儀器計量性能的優(yōu)劣直接影響了研究結(jié)果和監(jiān)測結(jié)果的正確與否。目前還沒有相關(guān)的國家計量法規(guī)，本文從計量學(xué)角度對該類儀器的質(zhì)量控制方法方法進行了研究探討，依據(jù)該類儀器的結(jié)構(gòu)原理提出了該類儀器的計量檢測方法。參考粉塵采樣器國家計量檢定規(guī)程、環(huán)境空氣PM10和PM2.5的測定環(huán)境保護部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和環(huán)境空氣顆粒物(PM10和PM2.5)采樣器技術(shù)要求及檢測方法，通過控制氣路系統(tǒng)部分的流量示值誤差、流量穩(wěn)定性，捕集系統(tǒng)的切割粒子Da50值和捕集效率的幾何標(biāo)準(zhǔn)偏差σg以及感應(yīng)系統(tǒng)的示值誤差和穩(wěn)定性對PM2.5檢測儀進行質(zhì)量控制。

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