陳　玲　莫　凡　陽(yáng)金勇　郭　歡

(廣東省計(jì)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(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑≤2.5μm的顆粒物，也稱為細(xì)顆粒物或可入肺顆粒物，隨呼吸道進(jìn)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(jiàn)度降低的主要原因[1]。PM2.5的來(lái)源復(fù)雜，成分自然也很復(fù)雜。對(duì)PM2.5的檢測(cè)，目前國(guó)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(hù)部頒布的HJ618-2011環(huán)境空氣PM10和PM2.5測(cè)定的方法行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[2,3]。國(guó)家環(huán)境保護(hù)部也對(duì)采樣器和檢測(cè)方法提出了技術(shù)要求[4-5]。但實(shí)際操作時(shí)，費(fèi)時(shí)繁瑣。但為了便于操作，很多檢測(cè)部門采用PM2.5監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行直接檢測(cè)，采集和測(cè)量都由儀器自動(dòng)完成，方便快捷。包括重量法，PM2.5測(cè)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(guó)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)方法是重量法，但在實(shí)際應(yīng)用中，快速測(cè)量法是大家常用的測(cè)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(cè)儀還沒(méi)有明確的檢測(cè)認(rèn)證方法，國(guó)家也還沒(méi)有出臺(tái)該類儀器的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)的計(jì)量檢定規(guī)程，PM2.5檢測(cè)儀的質(zhì)量控制依據(jù)缺失。本文從測(cè)試儀的結(jié)構(gòu)和檢測(cè)原理出發(fā)，探討PM2.5檢測(cè)儀的計(jì)量認(rèn)證即質(zhì)量控制方案。

1　PM2.5測(cè)試儀的結(jié)構(gòu)和質(zhì)量控制

PM2.5測(cè)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(cè)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(cè)量?jī)x的簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　PM2.5測(cè)試儀簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)圖

所有PM2.5的測(cè)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(cè)試。對(duì)于第一步樣品的分離采集，國(guó)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(dá)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(guò)切割器，較大的顆粒因?yàn)閼T性大而被涂了油的部件截留，慣性較小的細(xì)顆粒絕大部分隨著空氣流而通過(guò)進(jìn)入測(cè)試系統(tǒng)。區(qū)別只是第二步的濃度測(cè)試，分類也是根據(jù)第二步來(lái)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(cè)量系統(tǒng)則主要包括感應(yīng)裝置和輔助部件。工作時(shí)，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(cè)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(lái)看，PM2.5檢測(cè)儀測(cè)量誤差來(lái)源主要有三個(gè)，包括流量示值的準(zhǔn)確性、切割誤差和感應(yīng)系統(tǒng)測(cè)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(lái)抽取環(huán)境空氣的，用來(lái)保證采樣體積的準(zhǔn)確性。該部分的計(jì)量校準(zhǔn)可依據(jù)JJG 520—2005粉塵采樣器計(jì)量檢定規(guī)程和HJ 618—2011環(huán)境空氣PM10和PM2.5的測(cè)定環(huán)境保護(hù)部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。規(guī)程中明確了檢定項(xiàng)目包括采樣流量誤差、采樣流量穩(wěn)定性、采樣時(shí)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(duì)PM2.5對(duì)采樣器的要求，主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1　PM2.5測(cè)試氣路系統(tǒng)校準(zhǔn)項(xiàng)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(jìn)行PM2.5的捕集。分離效果是影響測(cè)量結(jié)果的一個(gè)非常重要參數(shù)。PM2.5是飄塵中顆粒較小的部分，測(cè)量時(shí)首先要使PM2.5與較大顆粒物切割分離。因此，對(duì)PM2.5測(cè)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(duì)顆粒物的捕集效率為50％時(shí)所對(duì)應(yīng)的粒子空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑。切割器對(duì)顆粒物的捕集效率則有兩種表達(dá)形式：1)捕集效率為16％時(shí)對(duì)應(yīng)的粒子空氣動(dòng)力學(xué)直徑與捕集效率為50％時(shí)對(duì)應(yīng)的粒子空氣動(dòng)力學(xué)直徑的比值；2)捕集效率為50％時(shí)所對(duì)應(yīng)顆粒物的空氣動(dòng)力學(xué)直徑與捕集效率為84％時(shí)對(duì)應(yīng)的空氣動(dòng)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(duì)顆粒物捕集效率為16％時(shí)所對(duì)應(yīng)粒子的空氣動(dòng)力學(xué)直徑；Da50為切割器對(duì)顆粒物捕集效率為50％時(shí)所對(duì)應(yīng)粒子的空氣動(dòng)力學(xué)直徑；Da84為切割器對(duì)顆粒物捕集效率為84％時(shí)所對(duì)應(yīng)粒子的空氣動(dòng)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(cè)量結(jié)果偏大；切割效率較低的話又會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果比真實(shí)值偏小等。HJ 618—2011環(huán)境空氣PM10和PM2.5的測(cè)定重量法中明確規(guī)定了PM2.5測(cè)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(gè)公式均應(yīng)符合。此時(shí)，可選擇靜態(tài)箱實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)粒子對(duì)采樣器的粒子捕集特性進(jìn)行計(jì)量，實(shí)驗(yàn)粒子的七種粒徑要求如表2。

表2　PM2.5測(cè)試儀切割器性能校準(zhǔn)所需粒子

對(duì)每一種粒徑的實(shí)驗(yàn)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(gè)捕集效率值ηDaik，按照式(3)和式(4)分別計(jì)算ηDaik的平均捕集效率ηDai和相對(duì)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(duì)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(shí)，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(shí)驗(yàn)粒子的八種粒徑(Dai)及所對(duì)應(yīng)的采樣器八個(gè)捕集效率值(ηDai)采用多項(xiàng)式回歸方法給出回歸方程，求出A、B、C、D四個(gè)系數(shù)。采樣器的粒子捕集特性由多項(xiàng)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(shí)所對(duì)應(yīng)的空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑Da16，Da50，Da84，計(jì)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(shí)驗(yàn)的方法[8-9]。感應(yīng)系統(tǒng)是獨(dú)立的系統(tǒng)，此時(shí)，可以不裝切割頭。感應(yīng)系統(tǒng)的質(zhì)量控制包括測(cè)量準(zhǔn)確性和測(cè)量重復(fù)性。

首先進(jìn)行示值誤差的校準(zhǔn)。可以采用聚苯乙烯微球形標(biāo)準(zhǔn)粒子(無(wú)大于2.5μm的顆粒)，將其均勻分布控制于一個(gè)實(shí)驗(yàn)箱體中，模擬大氣中顆粒物分布。在實(shí)驗(yàn)箱體中均勻分布的一個(gè)采樣點(diǎn)上分別接上待測(cè)儀器(不帶切割頭)以得到儀器的測(cè)量值，測(cè)量時(shí)可以取3次測(cè)量值的平均值,必要時(shí)進(jìn)行修正；另一個(gè)采樣點(diǎn)上用濾膜收集得到標(biāo)準(zhǔn)值，測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)值的相對(duì)誤差即為儀器的測(cè)量誤差即式(6)。

(6)

將待檢儀器連接于采樣口，開(kāi)機(jī)穩(wěn)定后，重復(fù)測(cè)量6次按照式(7)計(jì)算儀器示值重復(fù)性。

(7)

2　結(jié)論

PM2.5測(cè)試儀在環(huán)境監(jiān)測(cè)中扮演了日益重要的作用，該類儀器計(jì)量性能的優(yōu)劣直接影響了研究結(jié)果和監(jiān)測(cè)結(jié)果的正確與否。目前還沒(méi)有相關(guān)的國(guó)家計(jì)量法規(guī)，本文從計(jì)量學(xué)角度對(duì)該類儀器的質(zhì)量控制方法方法進(jìn)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(jì)量檢測(cè)方法。參考粉塵采樣器國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程、環(huán)境空氣PM10和PM2.5的測(cè)定環(huán)境保護(hù)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(cè)方法，通過(guò)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(duì)PM2.5檢測(cè)儀進(jìn)行質(zhì)量控制。

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