一種新型振蕩天平及其計算方法的討論

樊海春，張 濤，汪 鋒，張雪嶺

(天津同陽科技發(fā)展有限公司 天津 300456)

大氣顆粒物是環(huán)境在線監(jiān)測的一個熱點，研究表明，顆粒物是導致能見度退化、引起區(qū)域灰霾現(xiàn)象的主要原因，尤其是細顆粒物(PM2.5)。與較粗的大氣顆粒物相比，細顆粒物的粒徑小，表面積大，活性強，易附帶有毒、有害物質(重金屬、持久性有機物等)，且在大氣中停留時間長、輸送距離遠，對人體健康和大氣環(huán)境質量的影響更大。因此，對大氣顆粒物質量濃度的在線監(jiān)測對掌握大氣顆粒物的污染水平、變化趨勢以及政府決策非常重要。在大氣環(huán)境監(jiān)測領域，基于振蕩天平技術檢測 PM2.5的裝置目前有兩類：錐管微量振蕩天平(TEOM)和復合管微量振蕩天平(CEOM)。

2012年 GB 3095—2012《環(huán)境空氣質量標準》發(fā)布以來，空氣質量自動監(jiān)測站普遍配備了顆粒物在線監(jiān)測儀，用于實時測量環(huán)境空氣中的可吸入顆粒物(PM10)和細顆粒物(PM2.5)。顆粒物在線監(jiān)測國標法中有兩種測量方法——β射線法和振蕩天平法。振蕩天平法屬于直接測量方法，在測量精度上與β射線法相比具有很大優(yōu)勢；不過振蕩天平法顆粒物監(jiān)測儀在對大氣顆粒物的觀測過程中易受環(huán)境大氣濕度和濾膜中吸附的水氣的影響。因此，國內外的振蕩天平生產(chǎn)廠家普遍將濾膜稱量室溫度設定高于環(huán)境溫度，以排除濕度對監(jiān)測結果的影響。但是，由于濾膜稱量室溫度高于實際環(huán)境溫度，會使附集在濾膜上的顆粒物中低揮發(fā)性物質快速揮發(fā)，造成顆粒物濃度測值偏低。這是振蕩天平法顆粒物監(jiān)測儀監(jiān)測結果存在負誤差的主要原因。

采用平衡稱重室與實時稱重室并行稱重，可以有效降低大氣顆粒物中的水汽對稱重結果的影響，并且能夠避免水汽揮發(fā)導致測量濃度偏低的問題。

圖 1為新型振蕩天平中實時稱重室和平衡稱重室的結構示意圖。

圖1 新型振蕩天平實時稱重室和平衡稱重室的結構示意圖Fig.1 Structure diagram of real time weighing chamber and balanced weighing chamber of oscillating balance

如圖1所示，新型振蕩天平包括實時稱重室100和平衡稱重室 200，這兩個稱重室中均包括稱重腔體110，空心錐形管 120，設置在稱重腔體 110內，其頂端設置有濾膜 121，其底部設置有固定接口 122。空心錐形管 120利用氣流從其內部通過時附著在濾膜121上的大氣顆粒物，從而改變該空心錐形管120的諧振頻率，求得大氣顆粒物質量；流量計設置在空心錐形管120的出口處，用于測量通過空心錐形管120的氣流流量。

采用平衡稱重室 200與實時稱重室 100并行稱重，通過溫濕度調節(jié)裝置消除濾膜121上附著的大氣顆粒物中的水氣。采用此種設置，可以使振蕩天平省去常規(guī)的膜校準系統(tǒng)，并采用與 HJ,656—2013《環(huán)境空氣顆粒物(PM2.5)手工監(jiān)測方法(重量法)技術規(guī)范》一致的除濕方法，提高了測量精度，并且在維護難度、成本上與“膜補償”技術相比有很大進步；同時，通過溫濕度調節(jié)裝置消除水汽的過程中，還能夠維持平衡稱重室200內的溫度在合理的范圍內，從而緩解附集在濾膜 121上的大氣顆粒物中易揮發(fā)性物質快速揮發(fā)導致顆粒物濃度測值偏低的問題。

如圖 1所示，溫濕度調節(jié)裝置包括：加熱裝置210，用于改變平衡稱重室 200內的溫度；干燥裝置220，用于改變平衡稱重室 200內的濕度；溫濕度傳感器230，用于實時監(jiān)測平衡稱重室200內的溫度與濕度。內設控制裝置可根據(jù)溫濕度傳感器230的測量結果控制加熱裝置210和干燥裝置220開啟或閉合，通過控制加熱裝置210開啟或閉合，能夠將平衡稱重室 200內溫度控制在 15～30,℃之間，避免由于溫度過高導致易揮發(fā)物質揮發(fā)，同時通過加熱裝置210與干燥裝置 220共同配合，能夠加快干燥速度，縮短靜置平衡時間，干燥裝置220可采用不與大氣顆粒物發(fā)生化學反應的物理干燥劑或化學干燥劑。

如圖1所示，加熱裝置210和溫濕度傳感器230均包括N個，N個加熱裝置210和溫濕度傳感器230間隔設置在稱重腔體 110的內壁上(N≥2)，采用多個加熱裝置 210與溫濕度傳感器 230間隔排列在平衡稱重室200內部，能夠使平衡稱重室200內的溫濕度分布更均勻，并且溫濕度傳感器的測量結果更精確，從而使大氣顆粒物濃度的修正結果更準確。

該振蕩天平還包括：切割器 300，用于切割采樣大氣顆粒物；分流裝置 400，用于將切割器 300排出的氣流分別輸送至實時稱重室 100和平衡稱重室200中；流量控制器 500，用于控制通過實時稱重室100和平衡稱重室 200的氣流流量。實際使用時，通過切割器300切割采樣需采集的大氣顆粒物，將采集的含有大氣顆粒物的氣流通過分流裝置 400分別輸送至實時稱重室100和平衡稱重室200中，再通過流量控制器 500分別控制通過實時稱重室 100或平衡稱重室200的氣流流量，從而實現(xiàn)對大氣顆粒物的高效采集。

平衡稱重室 200內的溫度為 15～30,℃，調節(jié)精度為 1,℃，能夠避免易揮發(fā)物質揮發(fā)；平衡稱重室200內的濕度為 45%～55%,RH，通過設置平衡稱重室 200的濕度范圍，能夠有效判斷此時附著在濾膜121上的大氣顆粒物中的水分含量。

稱重腔體 110的頂部和底部分別設置有進氣口和出氣口；空心錐形管120豎直設置在稱重腔體110的底部，其頂端與進氣口相對設置，其底端與出氣口連通。切割器 500采樣的大氣顆粒物為 PM2.5和PM10，它們對人體健康和大氣環(huán)境質量的影響更大，更需要被實時檢測。

綜上所述，振蕩天平采用平衡稱重室與實時稱重室并行稱重，并利用平衡稱重室的測量結果對實時稱重室進行校正，從而有效降低大氣顆粒物中的水氣對稱重結果的影響，使測量結果更準確。

目前市場上主流的振蕩天平法監(jiān)測儀為克服在實際應用中顆粒物監(jiān)測值與手工濾膜采樣器數(shù)據(jù)對比中存在的負誤差，采用了“膜補償”技術，其原理是在樣品通道增加特制裝置，以分時項濾膜輪換輸送實際樣品氣與經(jīng)冷凝、過濾處理后的樣品氣，從而能對顆粒物濃度數(shù)據(jù)進行“補償”。然而在實際應用中，特別是在我國沿海和低海拔地區(qū)，“膜補償”技術裝置因日常維護標定操作過于復雜、頻繁，穩(wěn)定性、耐用性難以適應檢測技術標準要求，已較少在空氣質量自動監(jiān)測站裝配使用。

“膜補償”技術裝置通過冷凝、過濾處理后的樣品氣，會導致大氣顆粒物中易揮發(fā)物質損耗，因而導致測量結果出現(xiàn)負偏差。在 HJ,656—2013《環(huán)境空氣顆粒物(PM2.5)手工監(jiān)測方法(重量法)技術規(guī)范》中已經(jīng)對去除水氣的方法予以說明，手工濾膜采樣器為規(guī)避空氣中水汽對采樣結果的影響，采用將濾膜放在恒溫恒濕設備中平衡至少24,h后進行稱量。

此種新型的振蕩天平濾膜自動校準方法，通過在振蕩天平內增加平衡稱重室設計，用于產(chǎn)生補償因子，平衡稱重室采用恒溫恒濕設計，溫度控制在 15～30,℃內任意一點，控溫精度±1,℃，濕度控制在(50±5)%,RH，同時根據(jù)室外濕度和平衡稱重室測量結果，通過平衡算法得出補償因子，并在振蕩天平在線監(jiān)測數(shù)據(jù)中加入補償因子，產(chǎn)生實時數(shù)據(jù)，使得此數(shù)據(jù)更接近于真實數(shù)據(jù)。