自動(dòng)換膜采樣器在監(jiān)測中的影響因素與試驗(yàn)分析

魏樹龍 ，甄 楊 ，陳文亮 ，樊海春 ，汪 峰

（1.天津市計(jì)量監(jiān)督檢測科學(xué)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(xì)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(diǎn)是長時(shí)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(guān)，濃度越高則污染越嚴(yán)重[1-5]。近些年來，伴隨著我國經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，國內(nèi)的大氣污染問題也越來越嚴(yán)重，多地政府相繼發(fā)布霧霾紅色預(yù)警，限制機(jī)動(dòng)車輛單雙號(hào)出行、工廠停工、中小學(xué)停課，大氣環(huán)境污染問題已經(jīng)廣泛影響到了每個(gè)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(yīng)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(dòng)換膜采樣器

自動(dòng)換膜采樣器的工作原理是在特定的流量下進(jìn)行采樣，將空氣中的細(xì)顆粒物采集到濾膜上，當(dāng)某個(gè)濾膜采樣完成后，采樣器將采集完畢的濾膜放置到存儲(chǔ)膜空間，同時(shí)記錄該采樣過程中的累積氣體流量，然后自動(dòng)將下一個(gè)濾膜更換到采集工位，進(jìn)行下一個(gè)采樣過程。采樣完畢后，分別稱量每個(gè)濾膜采樣后質(zhì)量，計(jì)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(jìn)而得出顆粒物的質(zhì)量濃度值。本設(shè)備可實(shí)現(xiàn)連續(xù)采樣、無人監(jiān)守、全天候連續(xù)自動(dòng)換膜采樣。

天津同陽科技發(fā)展有限公司研制的自動(dòng)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(yīng)無人值守運(yùn)行，采用47 mm標(biāo)準(zhǔn)濾膜，用戶可以自行設(shè)定采樣時(shí)間，自動(dòng)更換采樣濾膜 （最多8個(gè)采樣濾膜盒），實(shí)現(xiàn)無人工干預(yù)的情況下連續(xù)進(jìn)行每天的采樣。

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

自動(dòng)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(jìn)行采樣工作時(shí)，待檢測空氣樣品由于氣泵產(chǎn)生的負(fù)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(jī)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(yàn)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(jìn)行研究。

圖2 PM2.5自動(dòng)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(dòng)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(jì)

自動(dòng)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(jì)，選用阿自倍爾株式會(huì)社生產(chǎn)的MQV系列質(zhì)量流量計(jì)，該流量計(jì)的工作原理是將熱源及溫度傳感器安裝在流量計(jì)表體內(nèi)與其構(gòu)成一個(gè)整體，將溫度傳感器分別設(shè)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(gè)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(jì)的準(zhǔn)確度為±1.0%。

依據(jù)JJG 897-1995《質(zhì)量流量計(jì)》檢定規(guī)程[7]，選用鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置 （（0.002～1.8）m3/h，Urel=0.18%（k=2））對質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)行檢定，第i檢定點(diǎn)第j次標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)第j次檢定時(shí)標(biāo)準(zhǔn)器測得的質(zhì)量或總量；tij為第i檢定點(diǎn)第j次檢定時(shí)測得的時(shí)間；（VS）ij為第i檢定點(diǎn)第j次檢定時(shí)標(biāo)準(zhǔn)器測得體積；（ρS）ij為第i檢定點(diǎn)第j次檢定時(shí)標(biāo)準(zhǔn)器處流體密度值。則第i檢定點(diǎn)第j次檢定的流量基本誤差Eij為

式中：qij為流量計(jì)第i檢定點(diǎn)第j次檢定的流量讀數(shù)。

流量計(jì)第i檢定點(diǎn)的重復(fù)性誤差按下式計(jì)算：式中：（Ei）max為各檢定點(diǎn)誤差中的最大值；（Ei）min為各檢定點(diǎn)誤差中的最小值；dn為極差系數(shù)。

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

2.2 密封性試驗(yàn)

自動(dòng)換膜采樣器整機(jī)密封性直接影響采樣的準(zhǔn)確度，密封性試驗(yàn)參照J(rèn)JF 1240-2010《臨界流文丘里噴嘴法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置校準(zhǔn)規(guī)范》7.2.2密封性試驗(yàn)內(nèi)容[8]：

（1）在抽氣泵之前接入一個(gè)嵌入式三通閥門，閥門的另一接口接負(fù)壓壓力表；

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

（3）關(guān)閉三通閥，阻斷抽氣泵和流量計(jì)的流路，關(guān)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(yīng)不超過0.1%。

（5）移除嵌入式三通閥門，恢復(fù)采樣器。

自動(dòng)換膜采樣器密封性試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，符合要求。

表1 密封性試驗(yàn)Tab.1 Sealing test

2.3 高低溫試驗(yàn)

自動(dòng)換膜采樣器的研制是為了替代目前使用較為普遍的手動(dòng)單膜采樣器，進(jìn)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(dòng)換膜采樣器在工作時(shí)，可能會(huì)面對高溫、低溫、大風(fēng)沙等惡劣現(xiàn)場條件，為了評價(jià)自動(dòng)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(yàn)箱（（-40～100）℃，（20～93）%RH，U溫=0.3℃，U濕=2.0%RH（k=2））對自動(dòng)換膜采樣器進(jìn)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(yàn)時(shí)間為8 h。經(jīng)試驗(yàn)觀察，該儀器未出現(xiàn)故障，工作正常，經(jīng)復(fù)測質(zhì)量流量計(jì)誤差試驗(yàn)以及密封性試驗(yàn)均符合要求。

3 試驗(yàn)分析

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

采樣器需在空氣流動(dòng)、通風(fēng)良好的地點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，故試驗(yàn)設(shè)置在樓頂進(jìn)行。在采樣前，需將濾膜在恒溫恒濕試驗(yàn)室內(nèi)用天平進(jìn)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(diǎn)為中北鎮(zhèn)第一小學(xué)，7天測試中連續(xù)4天數(shù)值為最高，中北鎮(zhèn)第二小學(xué)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(xué)，從當(dāng)前測試數(shù)據(jù)來看，PM2.5數(shù)值相對低，4臺(tái)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(dòng)換膜采樣器可實(shí)現(xiàn)對大氣顆粒物的連續(xù)采樣、自動(dòng)換膜、無人監(jiān)守全天候自動(dòng)采樣，本文研究了自動(dòng)換膜采樣器的原理以及測量影響因素，并進(jìn)行了相應(yīng)的試驗(yàn)分析。最終通過比對試驗(yàn)，驗(yàn)證了自動(dòng)換膜采樣器的準(zhǔn)確性。

參考文獻(xiàn)：

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