魏樹龍 ，甄 楊 ，陳文亮 ，樊海春 ，汪 峰

（1.天津市計量監(jiān)督檢測科學研究院，天津 300192；2.天津同陽科技發(fā)展有限公司，天津 300384）

PM2.5又可稱為細顆粒物，通常指的是直徑小于等于2.5 μm存在于大氣中的顆粒物，其特點是長時間懸浮在空氣中難以沉淀，PM2.5的濃度與大氣污染程度直接相關，濃度越高則污染越嚴重[1-5]。近些年來，伴隨著我國經(jīng)濟的蓬勃發(fā)展，國內(nèi)的大氣污染問題也越來越嚴重，多地政府相繼發(fā)布霧霾紅色預警，限制機動車輛單雙號出行、工廠停工、中小學停課，大氣環(huán)境污染問題已經(jīng)廣泛影響到了每個老百姓的出行和生活。因此，針對大氣空氣質(zhì)量的監(jiān)測，以及相應的大氣污染的治理已經(jīng)成為我國面臨的重大問題[6]。

1 自動換膜采樣器

自動換膜采樣器的工作原理是在特定的流量下進行采樣，將空氣中的細顆粒物采集到濾膜上，當某個濾膜采樣完成后，采樣器將采集完畢的濾膜放置到存儲膜空間，同時記錄該采樣過程中的累積氣體流量，然后自動將下一個濾膜更換到采集工位，進行下一個采樣過程。采樣完畢后，分別稱量每個濾膜采樣后質(zhì)量，計算出采集的顆粒物質(zhì)量，分別除以與該采樣過程的記錄的累積氣體流量，進而得出顆粒物的質(zhì)量濃度值。本設備可實現(xiàn)連續(xù)采樣、無人監(jiān)守、全天候連續(xù)自動換膜采樣。

天津同陽科技發(fā)展有限公司研制的自動換膜采樣器，如圖1所示，由采樣入口、PM10或PM2.5切割器、濾膜夾、連接桿、流量測量及控制裝置、抽氣泵等組成。該儀器可以適應無人值守運行，采用47 mm標準濾膜，用戶可以自行設定采樣時間，自動更換采樣濾膜 （最多8個采樣濾膜盒），實現(xiàn)無人工干預的情況下連續(xù)進行每天的采樣。

圖1 TY-ACF-C型PM2.5自動換膜采樣器Fig.1 TY-ACF-C PM2.5 automatic film change sampler

自動換膜采樣器工作原理如圖2所示，工作流程如圖3所示。在進行采樣工作時，待檢測空氣樣品由于氣泵產(chǎn)生的負壓被吸入采樣器，依次經(jīng)過PM10切割器、PM2.5切割器、連接桿、換膜機構(gòu)、采樣膜、真空過濾器、閥門1、質(zhì)量流量控制器、閥門2、蓄能器、采樣泵，最后經(jīng)排氣閥排放到大氣中。

2 影響因素分析

在前期的采樣過程中，由于現(xiàn)場環(huán)境的限制，使得數(shù)據(jù)質(zhì)量的控制比起試驗室數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制更為困難，更需要引起我們環(huán)境監(jiān)測工作人員的高度重視。下文就采樣過程中樣品引入誤差的原因進行研究。

圖2 PM2.5自動換膜采樣器工作原理Fig.2 Working principle diagram of PM2.5 automatic film changing sampler

圖3 PM2.5自動換膜采樣器換膜工作流程Fig.3 Flow chart of film changing for PM2.5 automatic film change sampler

2.1 質(zhì)量流量計

自動換膜采樣器的流量監(jiān)測單元選用的是熱式質(zhì)量流量計，選用阿自倍爾株式會社生產(chǎn)的MQV系列質(zhì)量流量計，該流量計的工作原理是將熱源及溫度傳感器安裝在流量計表體內(nèi)與其構(gòu)成一個整體，將溫度傳感器分別設置在流體的上游和下游，流經(jīng)表體的一部分規(guī)定量的氣體流入旁通的溫度傳感器，由于兩個溫度傳感器之間的溫差與氣體質(zhì)量流量成正比，所以通過測量溫差可得出流量值。流量計的準確度為±1.0%。

依據(jù)JJG 897-1995《質(zhì)量流量計》檢定規(guī)程[7]，選用鐘罩式氣體流量標準裝置 （（0.002～1.8）m3/h，Urel=0.18%（k=2））對質(zhì)量流量計進行檢定，第i檢定點第j次標準器測得的質(zhì)量流量值（qS）ij或質(zhì)量總量（MS）ij分別為

式中：（MS）ij為第i檢定點第j次檢定時標準器測得的質(zhì)量或總量；tij為第i檢定點第j次檢定時測得的時間；（VS）ij為第i檢定點第j次檢定時標準器測得體積；（ρS）ij為第i檢定點第j次檢定時標準器處流體密度值。則第i檢定點第j次檢定的流量基本誤差Eij為

式中：qij為流量計第i檢定點第j次檢定的流量讀數(shù)。

流量計第i檢定點的重復性誤差按下式計算：式中：（Ei）max為各檢定點誤差中的最大值；（Ei）min為各檢定點誤差中的最小值；dn為極差系數(shù)。

經(jīng)檢定，該流量計的示值誤差為+0.95%，重復性誤差為0.12%，符合1.0級等級要求。為了準確測量采樣流量，在軟件系統(tǒng)里對流量計流量誤差進行了相應的修正。

2.2 密封性試驗

自動換膜采樣器整機密封性直接影響采樣的準確度，密封性試驗參照JJF 1240-2010《臨界流文丘里噴嘴法氣體流量標準裝置校準規(guī)范》7.2.2密封性試驗內(nèi)容[8]：

（1）在抽氣泵之前接入一個嵌入式三通閥門，閥門的另一接口接負壓壓力表；

（2）啟動采樣器抽氣泵，抽取空氣，使采樣器處于部分真空狀態(tài)，負壓壓力表顯示為（30±5）kPa的任一點；

（3）關閉三通閥，阻斷抽氣泵和流量計的流路，關閉抽氣泵；

（4）保持5 min，采樣器內(nèi)絕對壓力和絕對溫度比值的變化率應不超過0.1%。

（5）移除嵌入式三通閥門，恢復采樣器。

自動換膜采樣器密封性試驗結(jié)果如表1所示，符合要求。

表1 密封性試驗Tab.1 Sealing test

2.3 高低溫試驗

自動換膜采樣器的研制是為了替代目前使用較為普遍的手動單膜采樣器，進而可以使環(huán)保部門的現(xiàn)場工作人員避免在惡劣環(huán)境下的戶外工作。由此可見，自動換膜采樣器在工作時，可能會面對高溫、低溫、大風沙等惡劣現(xiàn)場條件，為了評價自動換膜采樣器在高低溫條件下工作狀態(tài)，使用我院步入式高低溫試驗箱（（-40～100）℃，（20～93）%RH，U溫=0.3℃，U濕=2.0%RH（k=2））對自動換膜采樣器進行模擬環(huán)境溫度（-20～50）℃，環(huán)境濕度（25～75）%RH范圍內(nèi)的工作條件，試驗時間為8 h。經(jīng)試驗觀察，該儀器未出現(xiàn)故障，工作正常，經(jīng)復測質(zhì)量流量計誤差試驗以及密封性試驗均符合要求。

3 試驗分析

為了驗證自動換膜采樣器的測量準確性，進行了比對試驗，參與比對的自動換膜采樣器分別為天津同陽科技生產(chǎn)的型號為TY-ACF-C 2臺，美國熱電公司的2025i型采樣器1臺，德國康姆德潤達公司的單膜采樣器1臺，試驗地點分別為中北鎮(zhèn)鎮(zhèn)政府、中北鎮(zhèn)第一小學、中北鎮(zhèn)第二小學、中北鎮(zhèn)希樂城幼兒園；試驗時間為2015年7月31日10時～2015年8月6日10時，共7天，試驗結(jié)果如表2和圖4所示。

采樣器需在空氣流動、通風良好的地點進行試驗，故試驗設置在樓頂進行。在采樣前，需將濾膜在恒溫恒濕試驗室內(nèi)用天平進行稱重；在采樣后，由于濾膜所采集的顆粒物含有易揮發(fā)成分，需將濾膜在恒溫恒濕環(huán)境下靜置24 h，待其內(nèi)部成分穩(wěn)定后再用天平稱重。

數(shù)據(jù)對比如圖4所示，PM2.5數(shù)值相對較高的點為中北鎮(zhèn)第一小學，7天測試中連續(xù)4天數(shù)值為最高，中北鎮(zhèn)第二小學三天為最低，希樂城幼兒園有2天為最低，鎮(zhèn)政府PM2.5值相對平均。中北鎮(zhèn)第二小學，從當前測試數(shù)據(jù)來看，PM2.5數(shù)值相對低，4臺儀器所采集的數(shù)據(jù)以及變化趨勢基本一致。

圖4 PM2.5監(jiān)測數(shù)據(jù)對比圖Fig.4 Test diagram of PM2.5 monitoring comparison

4 結(jié)語

自動換膜采樣器可實現(xiàn)對大氣顆粒物的連續(xù)采樣、自動換膜、無人監(jiān)守全天候自動采樣，本文研究了自動換膜采樣器的原理以及測量影響因素，并進行了相應的試驗分析。最終通過比對試驗，驗證了自動換膜采樣器的準確性。

參考文獻：

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[6] 徐健，馮濤.減少大氣污染的策略研究與改進[J].中國化工貿(mào)易，2013（8）：316.

[7] JJG 897-1995質(zhì)量流量計[S].北京：中國計量出版社，2004

[8] JJF 1240-2010臨界流文丘里噴嘴法氣體流量標準裝置校準規(guī)范[S].北京：中國計量出版社，2010.