朱曉艷 佟海波

摘 要：粉塵濃度測(cè)量?jī)x是用于測(cè)量懸浮在空氣中顆粒物質(zhì)量濃度的儀器，被廣泛地用于大氣及工業(yè)揚(yáng)塵監(jiān)測(cè)，其測(cè)量結(jié)果對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重要的指示作用，準(zhǔn)確與否直接關(guān)系到大氣污染情況，對(duì)評(píng)價(jià)環(huán)保政策和舉措發(fā)揮具有重要的意義。本文從研究現(xiàn)狀入手，分析目前粉塵濃度測(cè)量?jī)x檢定裝置存在的弊端和需要改進(jìn)的方向，為我國(guó)粉塵濃度測(cè)量?jī)x的溯源提供科學(xué)可靠的技術(shù)保障。

關(guān)鍵詞：粉塵測(cè)量?jī)x，檢定裝置，環(huán)境監(jiān)測(cè)

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2023.04.031

Study on the Calibration Device of Dust Concentration Measuring Instrument

ZHU Xiao-yan1 TONG Hai-bo2

（1. Linyi City Inspection and Testing Center；2. Linyi City Government Affairs Service Center）

Abstract： The dust concentration measuring instrument is an instrument used to measure the mass concentration of particulate matter suspended in the air. It is widely used in the monitoring of atmospheric and industrial dust. Its measurement results play an important role in ecological environment protection. Whether it is accurate or not is directly related to air pollution， and it is of great signifi cance to evaluate the actual effectiveness of environmental protection policies and measures. Starting from the current research situation， this paper analyzes the shortcomings of the current dust concentration meter verifi cation device and the direction that needs to be improved， which provides a scientifi c and reliable technical guarantee for the traceability of dust concentration meters in China.

Keywords： dust measuring instrument， verifi cation device， environmental monitoring

1 引 言

眾所周知，粉塵作為一種氣溶膠，長(zhǎng)時(shí)間懸浮在空氣中，易被人體吸入，濃度達(dá)到一定水平，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成粉塵爆炸等事故，對(duì)空氣造成污染的同時(shí)也對(duì)人體健康產(chǎn)生較大的影響，現(xiàn)行有效的JJG 846-2015《粉塵濃度測(cè)量?jī)x檢定規(guī)程》[1]，對(duì)粉塵濃度測(cè)量?jī)x（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“粉塵儀”）的檢定有了明確的規(guī)定，因此，研制粉塵儀檢定裝置，實(shí)現(xiàn)粉塵儀的量值溯源，確保量值準(zhǔn)確可靠，對(duì)保證生產(chǎn)環(huán)境和人身安全具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 發(fā)展現(xiàn)狀分析

2.1 粉塵儀的發(fā)展及現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)的粉塵儀主要分為濾膜稱(chēng)重式、光散射式和β射線(xiàn)吸收式粉塵儀，后兩者將粉塵濃度信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，可用于粉塵濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2.1.1 濾膜稱(chēng)重式粉塵儀

濾膜稱(chēng)重式粉塵儀設(shè)計(jì)的原理簡(jiǎn)單，通過(guò)濾膜采樣前后的質(zhì)量不同來(lái)設(shè)計(jì)。濾膜稱(chēng)重式粉塵儀采樣器采集待測(cè)環(huán)境一定體積空氣后，樣本中包含的顆粒物逐步沉積至濾膜上，利用天平稱(chēng)取采樣前后濾膜的質(zhì)量，質(zhì)量濃度則為濾膜質(zhì)量差值與樣本體積的比值，其測(cè)量結(jié)果為絕對(duì)質(zhì)量濃度，比較準(zhǔn)確，受所檢測(cè)顆粒物的物理特性干擾較小。但在實(shí)際操作過(guò)程中，因其不易攜帶、測(cè)量耗用時(shí)間較長(zhǎng)、工作效率低、受氣流及溫度等因素影響較大等原因，實(shí)時(shí)濃度無(wú)法獲得，濾膜稱(chēng)重式粉塵儀使用范圍受到限制。

2.1.2 β射線(xiàn)法吸收式粉塵儀

β射線(xiàn)法吸收式粉塵儀基于β射線(xiàn)通過(guò)介質(zhì)強(qiáng)度發(fā)生衰減原理設(shè)計(jì)，其減弱程度取決于介質(zhì)層的質(zhì)量厚度，不易受顆粒的粒徑等物理性質(zhì)的影響，在一定范圍內(nèi)服從指數(shù)規(guī)律[2]。β射線(xiàn)法吸收式粉塵儀通過(guò)內(nèi)置采樣泵把待測(cè)環(huán)境的空氣抽入樣品收集管中，樣品穿透濾膜時(shí)，將顆粒物截留在濾膜上，β射線(xiàn)對(duì)濾膜進(jìn)行照射，強(qiáng)度衰減，通過(guò)衰減的具體程度計(jì)算得出質(zhì)量濃度。因β射線(xiàn)法吸收式粉塵儀，濾膜安裝在儀器內(nèi)部，長(zhǎng)時(shí)間使用后其穩(wěn)定性將發(fā)生改變，使用的普遍程度不高。

2.1.3 光散射式粉塵儀

光散射式粉塵儀根據(jù)粉塵的散射光量與粉塵質(zhì)量濃度成正比理論設(shè)計(jì)。光散射式粉塵儀光源發(fā)出光束后，照射到待測(cè)樣品上，部分光束被散射，光電探測(cè)器將接收到的散射光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，處理得到相應(yīng)的質(zhì)量濃度，具有測(cè)量快速靈敏、支持連續(xù)測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，是一種使用較為廣泛的粉塵儀，但長(zhǎng)時(shí)間使用，光路會(huì)被污染，測(cè)量準(zhǔn)確度會(huì)降低。

綜上所述，不同類(lèi)型的粉塵儀測(cè)量結(jié)果因測(cè)量原理的不同而存在差異，因此，統(tǒng)一檢定標(biāo)準(zhǔn)，研制對(duì)粉塵儀整體性能進(jìn)行評(píng)價(jià)的檢定裝置是十分有必要的。

2.2 粉塵儀檢定裝置的發(fā)展現(xiàn)狀分析

國(guó)內(nèi)對(duì)粉塵儀檢定裝置的研究起步較晚，自2015年國(guó)家頒布了粉塵儀檢定規(guī)程，確定了檢定方法后，國(guó)家才陸續(xù)對(duì)粉塵儀檢定裝置開(kāi)始研究。2015年前，因國(guó)家只頒布光散射式粉塵儀的檢定規(guī)程，國(guó)內(nèi)還停留在對(duì)光散射式粉塵儀檢定裝置的研究上。重慶煤科院研究的粉塵濃度測(cè)量?jī)x計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，北京市計(jì)量檢測(cè)科學(xué)研究院和華東計(jì)量科學(xué)院聯(lián)合研究的微塵粉塵儀的校準(zhǔn)裝置上，雖然都有較大的突破，但仍有所爭(zhēng)議，并未達(dá)成一致意見(jiàn)，仍然滿(mǎn)足不了計(jì)量檢定及相關(guān)部門(mén)的需求[3]。

3 粉塵儀檢定裝置的研究方向

對(duì)于粉塵儀的檢定方法，JJG 846—2015《粉塵濃度測(cè)量?jī)x》中規(guī)定，模擬不同濃度的被測(cè)環(huán)境后，通過(guò)電子天平對(duì)濾膜采樣稱(chēng)重、與標(biāo)準(zhǔn)采樣裝置數(shù)值比較等方式，對(duì)示值誤差、示值重復(fù)性、絕緣電阻、絕緣強(qiáng)度等項(xiàng)目進(jìn)行檢定，來(lái)實(shí)現(xiàn)被測(cè)粉塵儀的量值傳遞。絕緣電阻和絕緣強(qiáng)度的測(cè)量方法比較簡(jiǎn)單，分別由技術(shù)成熟、簡(jiǎn)單易購(gòu)的絕緣電阻表和耐壓測(cè)試儀測(cè)得，而示值誤差、示值重復(fù)性的測(cè)量因沒(méi)有數(shù)值標(biāo)定準(zhǔn)確的瓶裝顆粒物氣溶膠標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，只能通過(guò)粉塵發(fā)生裝置，實(shí)時(shí)發(fā)生顆粒物氣溶膠來(lái)完成[4]，因此研制性能穩(wěn)定的粉塵發(fā)生裝置和標(biāo)準(zhǔn)采樣裝置是重點(diǎn)和難點(diǎn)所在。

3.1 粉塵發(fā)生裝置的研制方向

粉塵發(fā)生裝置就是要搭建一個(gè)穩(wěn)定的、均勻的粉塵模擬環(huán)境，對(duì)于穩(wěn)定性和均勻性的要求，JJG 846—2015《粉塵濃度測(cè)量?jī)x》中明確指出，“測(cè)試段中參考粉塵儀采樣口和受檢粉塵儀采樣口兩個(gè)采樣點(diǎn)三次相同測(cè)量平均值的偏差應(yīng)不大于 5% ； 中心點(diǎn)穩(wěn)定性（ 連續(xù)相同測(cè)量6次）實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差應(yīng)不大于5%”。而兩個(gè)點(diǎn)三次測(cè)量和6次連續(xù)相同測(cè)量的時(shí)間規(guī)程并沒(méi)有明確規(guī)定，這給粉塵發(fā)生裝置的研制和評(píng)價(jià)帶來(lái)了困難。

目前，比較常見(jiàn)的粉塵發(fā)生裝置是通過(guò)氣溶膠發(fā)生裝置制備氣溶膠，并在風(fēng)筒中擴(kuò)散來(lái)完成。氣溶膠制備裝置受粉塵粒徑、濃度、采樣流量、沉降速度等原因，難以靠一臺(tái)粉塵發(fā)生裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)所有粉塵環(huán)境的模擬。根據(jù)市場(chǎng)常見(jiàn)的粉塵儀，研制性能穩(wěn)定的高濃度粉塵發(fā)生裝置（10～1000）mg/m3和低濃度粉塵發(fā)生裝置（0.1～10）mg/m3是發(fā)展趨勢(shì)和方向。氣溶膠發(fā)生裝置一般基于高壓霧化法、超聲波霧化法和流化床氣溶膠發(fā)生原理設(shè)計(jì)，查清楚發(fā)生原理對(duì)氣溶膠發(fā)生裝置的研究有著重要的意義。

影響均勻性和穩(wěn)定性的另一重要因素就是擴(kuò)散風(fēng)筒內(nèi)氣溶膠顆粒的流動(dòng)方式，而擴(kuò)散流動(dòng)方式又跟風(fēng)筒內(nèi)的引流風(fēng)速有著密不可分的關(guān)系。引流風(fēng)速對(duì)氣溶膠的流動(dòng)狀態(tài)影響顯著，若風(fēng)速過(guò)小，氣溶膠就過(guò)早沉降，出現(xiàn)堵塞，風(fēng)速越大，氣溶膠擴(kuò)散的流動(dòng)就越趨向均勻穩(wěn)定，達(dá)到氣溶膠理想的擴(kuò)散流動(dòng)狀態(tài)，因此，確定適合的引流風(fēng)速也是研制粉塵發(fā)生裝置的又一關(guān)鍵所在。

3.2 標(biāo)準(zhǔn)采樣裝置的研制方向

由此可知，采樣流量對(duì)標(biāo)準(zhǔn)采樣裝置有著較大的影響。被市面大多企業(yè)所接受的質(zhì)量流量計(jì)，常被廣泛地用于小流量氣體測(cè)量控制領(lǐng)域，但當(dāng)用于標(biāo)準(zhǔn)采樣裝置時(shí)，隨著采樣時(shí)間的增加，越來(lái)越多的粉塵顆粒吸附到濾膜上，常常會(huì)引起濾膜堵塞，因此用質(zhì)量流量計(jì)難以控制穩(wěn)定的采樣流量，從而導(dǎo)致求得的標(biāo)準(zhǔn)粉塵的質(zhì)量濃度與實(shí)際質(zhì)量濃度存在較大誤差。解決標(biāo)準(zhǔn)采樣器穩(wěn)定和濾膜不易堵塞問(wèn)題成了研制標(biāo)準(zhǔn)采樣裝置的難點(diǎn)，質(zhì)量流量控制器則可以控制穩(wěn)定采樣流量，或可以根據(jù)流量變化直接輸出采樣體積，從而確保樣品體積的準(zhǔn)確性，求得的標(biāo)準(zhǔn)粉塵的質(zhì)量濃度更加可靠。

4 結(jié) 語(yǔ)

總的來(lái)說(shuō)，研制性能穩(wěn)定、便于攜帶、操作簡(jiǎn)便的粉塵濃度測(cè)量?jī)x檢定裝置，對(duì)環(huán)境保護(hù)和工業(yè)生產(chǎn)有著十分重要的作用，但隨著科技的發(fā)展，粉塵傳感器被廣泛應(yīng)用，固定在環(huán)境檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)，難以拆卸，重復(fù)的拆裝也會(huì)對(duì)儀器的性能有較大的影響，因此研制在線(xiàn)粉塵儀檢定裝置，來(lái)替代傳統(tǒng)的粉塵儀檢定裝置更應(yīng)該是今后努力的方向，從而推動(dòng)粉塵儀計(jì)量檢定工作達(dá)到新的高度和新的水平。

參考文獻(xiàn)

[1]粉塵濃度測(cè)量?jī)x檢定規(guī)程：JJG 846—2015.北京：中國(guó)質(zhì)量出版社，2015.

[2]張洋.低濃度粉塵計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)檢定裝置的研究[D].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2020.

[3]劉穎，王龍，周中木.粉塵濃度測(cè)定儀示值誤差校準(zhǔn)不確定度評(píng)定[J].工業(yè)計(jì)量，2019，29（S1）：49-50.

[4]張國(guó)城，沈正生，趙紅達(dá)，等.粉塵儀檢定裝置穩(wěn)定性的考察[J].計(jì)量技術(shù)，2017（9）：39-42.

作者簡(jiǎn)介

朱曉艷，高級(jí)工程師，碩士研究生，研究方向?yàn)橛?jì)量管理和計(jì)量檢定。

佟海波，工程師，碩士研究生，研究方向?yàn)榄h(huán)境保護(hù)。

（責(zé)任編輯：劉憲銀）