沈正生 張國城 范人杰 施偉雄 張慶暖

(1.北京市計(jì)量檢測科學(xué)研究院，北京 100029；2.常熟市礦山機(jī)電器材有限公司，常熟 215500； 3.張家港朗億機(jī)電設(shè)備有限公司，張家港 215600)

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一種低濃度粉塵儀檢定裝置的建立與應(yīng)用*

沈正生1張國城1范人杰2施偉雄3張慶暖1

(1.北京市計(jì)量檢測科學(xué)研究院，北京 100029；2.常熟市礦山機(jī)電器材有限公司，常熟 215500； 3.張家港朗億機(jī)電設(shè)備有限公司，張家港 215600)

利用Wright系統(tǒng)作為發(fā)塵裝置，設(shè)計(jì)了錐形過渡到圓柱形的擴(kuò)散系統(tǒng)，以濾膜稱重法作為溯源方法，建立了低濃度粉塵儀檢定裝置。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該檢定裝置具有連續(xù)工作時(shí)間長，響應(yīng)時(shí)間快，均勻性和穩(wěn)定性好，智能化、易于清洗、檢測成本低等特點(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)粉塵儀在線無損檢測，可用于各類型低濃度粉塵儀、煙塵測試儀的計(jì)量檢測工作。

低濃度；粉塵儀；檢定裝置；均勻性；穩(wěn)定性

0 引言

粉塵儀監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性，對于環(huán)保部門公布的大氣污染情況，及評價(jià)環(huán)保政策和措施的效果，具有重要意義，甚至影響政府部門的公信力。要實(shí)現(xiàn)粉塵儀的量值溯源，無論是現(xiàn)行的JJG 846—1993《光散射式數(shù)字粉塵測試儀檢定規(guī)程》[1]，還是正在修訂中的《粉塵儀檢定規(guī)程》，都是得建立在粉塵儀檢定裝置上。但是，目前無論是國內(nèi)還是國外，都沒有成型的低濃度粉塵儀檢定裝置，導(dǎo)致國內(nèi)很多省份粉塵儀的計(jì)量檢測工作不能開展起來。

粉塵儀檢定裝置的難點(diǎn)在于，顆粒物的再懸浮和擴(kuò)散過程。目前典型的再懸浮系統(tǒng)是Wright粉塵喂料系統(tǒng)和流化床系統(tǒng)[2]。后者適用的粒徑范圍和粉塵材質(zhì)廣，但是存在均勻性、穩(wěn)定性不夠理想的缺點(diǎn)[3-4]，且系統(tǒng)不容易清洗[2,5]。為此，我們利用Wright系統(tǒng)作為發(fā)塵裝置，建立了低濃度粉塵儀檢定裝置。

1 檢定裝置工作原理

所建立的裝置為LYFJ-50型低濃度粉塵儀檢定裝置，結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要可分為發(fā)塵部分、擴(kuò)散腔、檢測腔和除塵部分。該裝置高約4m，其中檢測腔長度和寬度分別為0.9m。

1.發(fā)塵裝置；2.塵箱；3.被檢粉塵儀；4.濾膜采樣裝置；5.風(fēng)機(jī)圖1 低濃度粉塵檢定裝置

發(fā)塵裝置采用Wright原理，即利用旋轉(zhuǎn)的刷子以一個(gè)恒定的速度磨蝕壓縮的塵柱，形成大量分散顆粒物，再被高壓氣流帶出進(jìn)入稀釋腔；同時(shí)有一管路為潔凈空氣，可對粉塵濃度進(jìn)一步稀釋。粉塵氣溶膠經(jīng)過2m多長的沉降和稀釋混勻過程，進(jìn)入檢測腔。檢測腔面積足夠大，底部安裝有稀疏橫豎排列的鐵架，用于安放多個(gè)被檢測粉塵儀和安裝濾膜采樣裝置(其截面積與檢測腔橫截面相比可忽略不計(jì)，可認(rèn)為對檢測腔內(nèi)氣溶膠氣流沒有干擾)。在裝置底部安裝一個(gè)風(fēng)機(jī)，產(chǎn)生一定的負(fù)壓，一方面為過濾過的潔凈空氣進(jìn)入稀釋腔提供動力，另一方面將穿過檢測器的粉塵氣溶膠吸走，避免因粉塵在底部的吸附和累積對產(chǎn)生的粉塵氣溶膠產(chǎn)生干擾。

2 檢定裝置的特點(diǎn)

1)將傳統(tǒng)的稀釋腔分成了稀釋腔和檢測腔兩部分。粉塵由細(xì)管路進(jìn)入錐形結(jié)構(gòu)，運(yùn)輸空間慢慢擴(kuò)大，有利于粉塵氣溶膠的緩慢稀釋和擴(kuò)散，再過渡到圓柱形結(jié)構(gòu)，有利于粉塵氣溶膠的進(jìn)一步混勻并穩(wěn)定下來。

2)通過風(fēng)機(jī)維持內(nèi)部處于負(fù)壓狀態(tài)，起稀釋作用的潔凈空氣通過負(fù)壓源源不斷進(jìn)入稀釋腔。稀釋氣體的進(jìn)入和稀釋過程是緩慢的，對于風(fēng)機(jī)的風(fēng)量功率，經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)優(yōu)化，設(shè)定為60m3/h，內(nèi)部氣溶膠下降速度較慢，在0.03m/s左右(由風(fēng)量換算得到)，有利于維持粉塵氣溶膠的穩(wěn)定性和均勻性。

2.1 實(shí)現(xiàn)在線無損檢測

國內(nèi)常見的粉塵檢定裝置中，被檢粉塵儀和濾膜采樣裝置放置在粉塵稀釋腔外，然后，通過一定長度的塑膠管與稀釋腔內(nèi)的等速采樣頭相連接。由于塑膠管對粉塵有吸附作用，且連接的管路具有一定的彎曲角度，甚至可能出現(xiàn)若干近似90°角的彎曲，這造成粉塵，特別是大顆粒粉塵，在運(yùn)輸過程中損失很大。

相比之下，該檢定裝置的檢測腔面積大，且可打開操作，可放置多個(gè)被測粉塵儀和濾膜采樣裝置，不會對粉塵氣溶膠的穩(wěn)定性產(chǎn)生顯著影響，避免了管路運(yùn)輸造成的損失，有利于提高檢定結(jié)果的準(zhǔn)確性。

為了避免偶爾產(chǎn)生的大顆粒物的干擾，濾膜采樣裝置上方裝有百葉窗結(jié)構(gòu)，避免大顆粒物直接垂直進(jìn)入濾膜。

2.2 適用范圍廣

檢測腔有三面為玻璃窗結(jié)構(gòu)，便于觀察內(nèi)部被檢測粉塵儀的數(shù)據(jù)；其中有一面為可拉開式結(jié)構(gòu)，方便對檢測腔內(nèi)部儀器進(jìn)行擺放、安裝、調(diào)試等操作。同時(shí)另兩面的玻璃窗可根據(jù)被檢儀器的需要進(jìn)行適當(dāng)改造，如為一些具有長探頭煙塵測試儀的安裝提供窗口。所以，該檢定裝置能適合于各種尺寸粉塵儀或煙塵測試儀的計(jì)量檢測，適用范圍廣。

2.3 智能化

2.3.1 目標(biāo)濃度的快速設(shè)置

由于風(fēng)機(jī)的風(fēng)量相對固定，塵柱損耗的質(zhì)量與發(fā)塵裝置中刷子的轉(zhuǎn)速成線性關(guān)系，如圖2所示。所以，只要在初次實(shí)驗(yàn)時(shí)，確定發(fā)塵轉(zhuǎn)速與粉塵濃度的關(guān)系，就能在后期的實(shí)驗(yàn)中，通過調(diào)整發(fā)塵轉(zhuǎn)速，快速產(chǎn)生目標(biāo)濃度附近的粉塵氣溶膠。

圖2 發(fā)塵轉(zhuǎn)速與粉塵濃度的關(guān)系

2.3.2 粉塵濃度監(jiān)測的記錄和存儲

該裝置檢測腔可放置數(shù)字粉塵監(jiān)測儀，監(jiān)測腔內(nèi)粉塵濃度的變化，并可將數(shù)據(jù)線傳輸?shù)诫娔X，實(shí)現(xiàn)記錄并存儲監(jiān)測數(shù)據(jù)。對于需要長時(shí)間采樣的低濃度實(shí)驗(yàn)，可通過監(jiān)測數(shù)據(jù)查看采樣期間的粉塵穩(wěn)定性情況，以判斷檢測結(jié)果的科學(xué)性。

2.3.3 定時(shí)關(guān)閉功能

通過設(shè)置采樣時(shí)間或總采樣體積，可實(shí)現(xiàn)濾膜采樣裝置的定時(shí)關(guān)閉，同時(shí)可設(shè)置整套裝置的關(guān)閉時(shí)間。這特別適用于無人值守的長時(shí)間采樣，提高了粉塵儀檢測效率。同時(shí)可通過監(jiān)測儀的數(shù)據(jù)記錄，對期間裝置的運(yùn)行情況進(jìn)行復(fù)查。

2.3.4 自我保護(hù)功能

對于發(fā)塵裝置，由于塵柱處于封閉狀態(tài)不可見，如果塵柱消耗完而未來得及更換，將導(dǎo)致發(fā)塵裝置的損壞。為此，該系統(tǒng)可設(shè)置塵柱長度和粉塵剩余預(yù)警，當(dāng)塵柱長度小于預(yù)警長度時(shí)，將發(fā)出警報(bào)并停止發(fā)塵裝置的運(yùn)作，實(shí)現(xiàn)裝置的自我保護(hù)。

2.4 易于清潔

對于流化床發(fā)塵裝置，特別是TOPAS公司生產(chǎn)的SAG410/L履帶式發(fā)塵裝置[2]、SAG410/U載圈式發(fā)塵裝置[5]，清洗時(shí)甚至需要拆開多個(gè)管路和精密部件，不僅耗費(fèi)大量時(shí)間，而且容易損壞部件。本裝置采用的Wright發(fā)塵系統(tǒng)，由于塵柱處于封閉狀態(tài)，在消耗完之前無需更換和打開清洗，即使需要也可快速更換；設(shè)計(jì)的擴(kuò)散腔和檢測腔由于空間大，方便清洗，甚至可通過增大裝置內(nèi)部負(fù)壓，實(shí)現(xiàn)裝置的簡單自動化清洗，這都將顯著提高粉塵儀計(jì)量檢測效率。

2.5 檢測成本低

該裝置采用的顆粒物標(biāo)物是經(jīng)氣流粉碎制備的煙煤，原料成本低；Wright發(fā)塵系統(tǒng)的粉塵標(biāo)物利用率很高，除了少于剩余預(yù)警部分需舍棄外，其他均能轉(zhuǎn)化為粉塵氣溶膠。而流化床發(fā)塵裝置，往往得加入過量的粉塵標(biāo)物，且不再回收利用，導(dǎo)致粉塵標(biāo)物的大量浪費(fèi)。因此，本檢定裝置將大大降低粉塵儀計(jì)量檢測成本。

3 檢定裝置性能指標(biāo)

3.1 粒徑范圍

本裝置所用的煙煤顆粒物標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，經(jīng)JL-1177型激光粒度測試儀測得的粒徑D50=1.265μm(D50是指粒徑在該值之下占總體積50%，下同)，D75=2.140μm，D84=2.709μm，體積平均粒徑為1.698μm，如圖3所示。所以，該顆粒物標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的粒徑80%在2.5μm以下，99%在10μm以下，不僅能勝任各種粉塵儀的計(jì)量檢測，還可以用于PM10和PM2.5監(jiān)測儀的計(jì)量檢測。

圖3 所用粉塵的粒徑分布圖

3.2 濃度范圍

該檢定裝置的最佳發(fā)塵濃度范圍為0～50mg/m3，但實(shí)際最高濃度可達(dá)到200mg/m3，而濃度過高時(shí)，容易造成粉塵濃度不穩(wěn)定，且容易在內(nèi)部管壁上發(fā)生吸附和沉積，此時(shí)建議改用高濃度粉塵儀檢定裝置。

3.3 均勻性

在檢測腔正中間安裝1#濾膜采樣裝置，位置保持不變；在操作平臺內(nèi)距離1#采樣裝置相鄰和東、西、南、北各28cm處安裝2#濾膜采樣裝置。發(fā)塵濃度保持在5mg/m3左右，兩個(gè)裝置的采樣流量均為20L/min，采樣時(shí)間均為20min，以2#和1#測量結(jié)果之差除以兩者平均值作為相對偏差，來考核裝置的均勻性；每個(gè)位置各測量2次，檢測結(jié)果如表1，滿足任意兩點(diǎn)相對偏差≤5%的穩(wěn)定性要求。

（一）創(chuàng)設(shè)和諧、活潑、民主、愉悅的教學(xué)氛圍，為融入情感教育提供必要的條件。教師在思想品德課的教學(xué)中要以快樂、積極向上的熱情奔放的情緒來對祖國的未來——初中學(xué)生進(jìn)行影響與培養(yǎng)，讓學(xué)生從小樹立自信、自立、積極向上的情感，用熱心為人民服務(wù)的高尚情操樹立為人民服務(wù)，我?guī)腿?、人幫我的信念?/p>

表1 均勻性數(shù)據(jù)

3.4 穩(wěn)定性

采用常熟礦山機(jī)電器材有限公司生產(chǎn)的CLD-50數(shù)字粉塵測量儀作為監(jiān)測儀器，該儀器位置放于中心位置保持不變，數(shù)據(jù)1min采集一次(該數(shù)據(jù)為1min內(nèi)的平均值)，假設(shè)該儀器重復(fù)性足夠好，其示值變化能反映檢測腔內(nèi)粉塵濃度的變化。等粉塵濃度調(diào)整到目標(biāo)值并至少穩(wěn)定5min后，保持檢定裝置各參數(shù)不變，用監(jiān)測儀持續(xù)采集一定時(shí)間，再把該時(shí)間均勻分成6段(多余的舍棄)，每段時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)取平均值，得到6個(gè)數(shù)據(jù)，再計(jì)算相對標(biāo)準(zhǔn)偏差，用來作為評價(jià)檢定裝置穩(wěn)定性的依據(jù)。

3.4.1 短期穩(wěn)定性

目標(biāo)濃度分別設(shè)置為1mg/m3、2mg/m3、3mg/m3和4mg/m3左右，分別采集20min，結(jié)果如圖4所示。以每3min數(shù)據(jù)取平均，得到6個(gè)數(shù)據(jù)的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差，結(jié)果分別為：2.8%、2.3%、2.3%和2.4%。

圖4 不同粉塵濃度下的短期穩(wěn)定性曲線

3.4.2 長期穩(wěn)定性

目標(biāo)濃度設(shè)置為1mg/m3，穩(wěn)定后粉塵測量儀持續(xù)采集數(shù)據(jù)150min，結(jié)果如圖5所示。以每25min數(shù)據(jù)取平均，得到6個(gè)數(shù)據(jù)：0.968、0.953、0.947、0.936、0.908、0.857(mg/m3)，計(jì)算得到相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為4.3%。以上結(jié)果表明，裝置的穩(wěn)定性滿足連續(xù)6次測量結(jié)果相對標(biāo)準(zhǔn)偏差≤5%的要求。

圖5 粉塵濃度長期穩(wěn)定性曲線

響應(yīng)時(shí)間為粉塵濃度從低濃度調(diào)整到高濃度，從調(diào)整到達(dá)到90%目標(biāo)濃度所需要的時(shí)間。粉塵濃度分別由2mg/m3調(diào)整到5mg/m3、10mg/m3和15mg/m3左右，粉塵測量儀1min采集一個(gè)數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖6所示，該裝置響應(yīng)時(shí)間≤5min。

圖6 檢定裝置響應(yīng)時(shí)間

3.6 持續(xù)運(yùn)行時(shí)間

由于該裝置各部件可連續(xù)運(yùn)行，所以，持續(xù)發(fā)塵時(shí)間主要取決于發(fā)塵裝置中壓縮塵柱的消耗情況。壓縮的塵柱長度8cm，直徑1.6cm，重量約19g左右；風(fēng)機(jī)抽氣風(fēng)量為60m3/h。如果發(fā)塵濃度為5mg/m3，可持續(xù)發(fā)塵63h；如果發(fā)塵濃度為0.5mg/m3，可持續(xù)26天。

4 應(yīng)用案例

利用該檢定裝置對Thermo的PMCEM在線煙塵測試儀進(jìn)行檢測，以濾膜稱重(采樣流量：20L/min)結(jié)果作為參考標(biāo)準(zhǔn)值，以采樣時(shí)間內(nèi)煙塵測試儀測量結(jié)果平均值作為儀器示值，檢測結(jié)果如表2所示：

表2 Thermo煙塵測試儀檢測結(jié)果

以濃度為3mg/m3左右的數(shù)據(jù)來考察儀器的穩(wěn)定性，共得到6個(gè)數(shù)據(jù)為：3.49、3.43、3.30、3.33、3.39、3.26(mg/m3)，計(jì)算得到相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.5%。結(jié)果表明，該煙塵測試儀性能指標(biāo)良好，該檢定裝置能用于粉塵和煙塵測試儀的計(jì)量檢測工作。

5 結(jié)論

綜上所述，LYFJ-50型低濃度粉塵儀檢定裝置通過Wright發(fā)塵裝置和錐形-圓筒形擴(kuò)散腔的結(jié)合，提高了發(fā)塵濃度的均勻性和穩(wěn)定性，具有響應(yīng)時(shí)間快、連續(xù)工作時(shí)間長的特點(diǎn)，且檢測腔的設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)被檢測粉塵儀和濾膜采樣裝置的在線無損耗檢測，提高了檢測結(jié)果準(zhǔn)確性；同時(shí)該系統(tǒng)還具有易于清潔、檢測成本低和智能化設(shè)置的有點(diǎn)，可適用于各類型低濃度粉塵儀、煙塵測試儀的計(jì)量檢測。

[1] JJG 846—1993 光散射式數(shù)字粉塵測試儀檢定規(guī)程.北京：中國計(jì)量出版社，1993

[2] 黃玉虎，等.顆粒物再懸浮和檢測系統(tǒng)的性能指標(biāo).過程工程學(xué)報(bào)，2009(9)

[3] 劉龍波，王旭輝，張自祿.投料式流化床氣溶膠發(fā)生器的研制及應(yīng)用.過程工程學(xué)報(bào)，2002，2(增刊)

[4] 李永旺，趙長遂，吳新，等.新型流化床氣溶膠發(fā)生裝置及其特性.東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2005，35(5)

[5] 沈正生，張國城.大氣顆粒物在線監(jiān)管技術(shù)體系研究.計(jì)量學(xué)報(bào)，2010，31(5A)

*國家質(zhì)檢總局科技計(jì)劃項(xiàng)目(2011QK041)

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.10.13