自動換膜采樣器在監測中的影響因素與試驗分析

魏樹龍 ，甄 楊 ，陳文亮 ，樊海春 ，汪 峰

（1.天津市計量監督檢測科學研究院，天津 300192；2.天津同陽科技發展有限公司，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，伴隨著我國經濟的蓬勃發展，國內的大氣污染問題也越來越嚴重，多地政府相繼發布霧霾紅色預警，限制機動車輛單雙號出行、工廠停工、中小學停課，大氣環境污染問題已經廣泛影響到了每個老百姓的出行和生活。因此，針對大氣空氣質量的監測，以及相應的大氣污染的治理已經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量，計算出采集的顆粒物質量，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量濃度值。本設備可實現連續采樣、無人監守、全天候連續自動換膜采樣。

天津同陽科技發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），實現無人工干預的情況下連續進行每天的采樣。

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生的負壓被吸入采樣器，依次經過PM10切割器、PM2.5切割器、連接桿、換膜機構、采樣膜、真空過濾器、閥門1、質量流量控制器、閥門2、蓄能器、采樣泵，最后經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，由于現場環境的限制，使得數據質量的控制比起試驗室數據的質量控制更為困難，更需要引起我們環境監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 質量流量計

自動換膜采樣器的流量監測單元選用的是熱式質量流量計，選用阿自倍爾株式會社生產的MQV系列質量流量計，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與其構成一個整體，將溫度傳感器分別設置在流體的上游和下游，流經表體的一部分規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JJG 897-1995《質量流量計》檢定規程[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））對質量流量計進行檢定，第i檢定點第j次標準器測得的質量流量值（qS）ij或質量總量（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。

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。

經檢定，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范》7.2.2密封性試驗內容[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，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，進而可以使環保部門的現場工作人員避免在惡劣環境下的戶外工作。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，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境溫度（-20～50）℃，環境濕度（25～75）%RH范圍內的工作條件，試驗時間為8 h。經試驗觀察，該儀器未出現故障，工作正常，經復測質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鎮政府、中北鎮第一小學、中北鎮第二小學、中北鎮希樂城幼兒園；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成分，需將濾膜在恒溫恒濕環境下靜置24 h，待其內部成分穩定后再用天平稱重。

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

圖4 PM2.5監測數據對比圖Fig.4 Test diagram of PM2.5 monitoring comparison

4 結語

自動換膜采樣器可實現對大氣顆粒物的連續采樣、自動換膜、無人監守全天候自動采樣，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：

[1] 汪雁.PM2.5大氣環境質量管理技術框架綜述[J].科技風，2013（23）：5.

[2] 滕世長，李冰菲.PM2.5概述與自動監測技術淺析[J].科技創新與應用，2013（7）：122.

[3] H.A.Gray，G.R.Cass，J.J.Huntzicker，et al.Characteristics of atmospherics organic and element carbon particles concentration in Los Angeles.Environment Science&Technology，1986.

[4] 潘本鋒.關于環境領域英文符號PM2.5中文名稱的建議[J].中國科技術語，2013（2）：29-30.

[5] 廖旭.廈門市城區空氣中的微生物組成及分布特征[D].廈門：集美大學，2013.

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

[7] JJG 897-1995質量流量計[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范[S].北京：中國計量出版社，2010.