顆粒物切割器校準裝置的結構設計

董寧 陳益思 李波 劉攀超

（深圳市華測檢測有限公司 廣東深圳 518101）

顆粒物切割器校準裝置的結構設計

董寧 陳益思 李波 劉攀超

（深圳市華測檢測有限公司 廣東深圳 518101）

介紹一種顆粒物切割器的校準裝置，該裝置主要包括：潔凈氣源、混合倉、輸氣管、進樣口及控制系統(tǒng)。潔凈氣源生成的空氣通過進樣口進入主艙體，并將顆粒物吹進主艙體，使顆粒物在主艙體內與氣源提供的空氣混合形成確切濃度的標準樣品，供待校準切割器進行采樣，通過對比確切濃度的標準樣品和待校準切割器所收集到的數(shù)據(jù)對待校準切割器進行校準。本裝置能滿足美國EPA的PM2.5采樣器工作特性檢測程序中靜態(tài)試驗法的要求，為PM2.5切割器的校準提供了一種可行方案。

PM2.5；切割器；校準；靜態(tài)試驗法

1 前言

大氣氣溶膠是地球大氣成分中含量很少的組分，但它對空氣質量、能見度、酸沉降、云和降水、大氣的輻射平衡（進而對全球氣候變化）、平流層和對流層的化學反應等均有重要影響。近10多年來，大量的流行病學研究觀察到人體健康損害與暴露于其中的細顆粒物PM2.5（particulate matter，PM）之間的相關程度顯著高于粗顆粒物。PM2.5，也稱為可入肺顆粒物，是指大氣中空氣動力學直徑小于或等于2.5 μm的細顆粒物。PM2.5粒徑小，富含大量的有毒、有害物質且在大氣中的停留時間長、輸送距離遠，不僅對空氣質量和能見度等有重要影響，而且嚴重威脅到人類健康。PM2.5可以直接進入人類支氣管甚至達到肺泡，對呼吸系統(tǒng)和心血管系統(tǒng)造成傷害，包括呼吸道受刺激、咳嗽、呼吸困難、導致慢性支氣管炎、心律失常、心肺病患者過早死亡等。因此，PM2.5的監(jiān)測及有效治理是我國環(huán)境保護部門及國家政府的目標［1］。

2 PM2.5測量儀器

目前，國際上廣泛用于測定PM2.5的方法有3種：重量法、β射線吸收法和微量振蕩天平法。這些方法的操作步驟主要分為兩步，先把PM2.5與較大顆粒物分離，然后測定分離出來的PM2.5的重量。在PM2.5分離和捕集方面，研發(fā)了PM2.5切割器，其原理是在抽氣泵的作用下，空氣以一定的流速流過切割器時，那些較大的顆粒因為慣性大，撞在涂了油的部件上而被截留，慣性較小的PM2.5絕大部分能隨著空氣順利通過。不過，就PM2.5切割器的捕集能力及效果來說，直徑小于2.5 μm的顆粒并不是全都能通過，直徑恰好為2.5 μm的顆粒有50%的概率能通過切割器，直徑大于2.5 μm的顆粒也并非全被截留。因此利用PM2.5切割器分離捕集細顆粒物，不同現(xiàn)場的采集統(tǒng)計結果與真實值之間可能會存在偏差，造成高估或低估。按照《環(huán)境空氣PM10和PM2.5的測定重量法》［2］的標準要求，動力學直徑3.0 μm以上顆粒的通過率需小于16%，而2.1 μm以下顆粒的通過率要大于84%，進而確定結果落在一個可信的區(qū)間。

顆粒物切割器是用于對直徑為一個特定數(shù)值范圍內的塵埃顆粒進行分離，例如PM2.5切割器是對直徑≤2.5 μm的顆粒進行分離，并且切割器在使用之前須經(jīng)過校準。當前PM2.5的測試方法為通過測量流量、切割器的尺寸，采用數(shù)學公式換算來計算其結果，因此其測量結果會存在較大誤差。為了保證我國PM2.5測量數(shù)據(jù)的準確可靠，滿足PM2.5采樣器、監(jiān)測儀切割特性、濃度檢測的檢定校準需求，建立與世界先進國家具有同等計量技術水平的校準能力，迫切需要開展PM2.5質量濃度的測量溯源性、計量儀器檢定校準方法的研究工作。

3 顆粒物切割器校準裝置原理

由于PM2.5測量和研究起步較晚，針對切割器的切割特性檢測方法，國內尚未出現(xiàn)完善的技術和標準，而國外則已經(jīng)完成切割特性檢測方法的分析與研究。如美國環(huán)境保護署（EPA）規(guī)定了PM2.5切割特性檢測試驗方法［3］，根據(jù)采樣器產生誤差的方式（入口誤差、分餾器誤差、濾波器誤差），來選擇相應的試驗方法。試驗方法分為：全風洞實驗法、風洞入口吸氣試驗法和靜態(tài)試驗法。

本文介紹的顆粒物切割器校準裝置采用靜態(tài)試驗法，其工作原理為：潔凈氣源產生潔凈空氣通入氣溶膠霧化發(fā)生器，形成單分散的氣溶膠標準粒子，經(jīng)溫濕度控制器干燥，由靜電調節(jié)器除去粒子表面電荷，在混合倉內混合均勻，得到標準樣品，然后用待校準切割器對該標準樣品進行采樣，通過對比已知標準樣品和待校準切割器所收集到的數(shù)據(jù)進行校準。校準裝置原理框架圖見圖1。

圖1　顆粒物切割器校準裝置原理框架圖

4 顆粒物切割器校準裝置的結構設計

顆粒物切割器校準裝置包括混合倉、輸氣管、進樣口、進氣嘴、控制系統(tǒng)及出氣口，結構圖見圖2。其中，輸氣管外接潔凈氣源并與混合倉連通；控制系統(tǒng)包括控制器、第一流量控制器、第二流量控制器、溫度控制器及濕度控制器，第一流量控制器、溫度控制器及濕度控制器均與控制器電氣連接，且均裝設在輸氣管上，第二流量控制器裝設于進氣嘴上。

圖2　顆粒物切割器校準裝置的結構圖

混合倉包括主艙體、第一吹氣裝置及第二吹氣裝置。主艙體成圓筒狀，其上端開有供標準粒子進入的進樣口，側壁上設置有與主艙體連通的3個進氣嘴；第一吹氣裝置通過進樣口與主艙體連通，并將標準粒子吹進主艙體；第二吹氣裝置通過進氣嘴與主艙體連通。進氣嘴沿主艙體外壁的切向與主艙體連通，因此，當?shù)诙禋庋b置通過進氣嘴向主艙體內吹氣時，使得主艙體內部形成環(huán)形的氣流。

標準粒子在主艙體內與潔凈氣源提供的空氣混合形成確切濃度的標準樣品，供待校準切割器進行采樣。主艙體的底部設置有出氣口，其上連接有用于和切割器連接的接頭，通過對比確切濃度的標準樣品和待校準切割器所收集到的數(shù)據(jù)對待校準切割器進行校準。

5 結語

本文介紹的“顆粒物切割器的校準裝置”已獲得國家發(fā)明專利授權，專利號：201210056478.7。本專利作為國家質檢總局質檢公益性行業(yè)科研專項項目（項目編號：201310013）的輸出，提供了一種顆粒物切割器的校準裝置，能夠滿足當前我國切割器檢測的需求，為PM2.5領域的研究和監(jiān)測提供可靠的技術保障。

［1］崔延青，王春迎，尚永昌.大氣細粒子監(jiān)測技術進展［J］.中國環(huán)保產業(yè)，2012，4：8-13.

［2］HJ 618-2011環(huán)境空氣PM10和PM2.5的測定標準［S］.

［3］ENVIRONMENTAL PROTECTION AGENCY，Title 40：Protection of Environment，PART 53-AMBIENT AIR MONITORING REFERENCE AND EQUIVALENT METHODS，Subpart F-Procedures for Testing Performance Characteristics of Class II E-quivalent Methods for PM2.5［S］.

Structure Design of Calibration Device of Particulate Matter Separator

Dong Ning，Chen Yisi，Li Bo，Liu Panchao
（Centre Testing International（Shenzhen）Ltd.，Shenzhen，Guangdong，518101）

This article showed a kind of calibration device for calibrating the particulate matter（PM）separator.The device included clean air source，mix chamber，pipeline，sample inlet and control system. The clean air brought the PM into the mix chamber and formed the standard sample for the separator sampling.By comparing the data of the standard sample and the data which the separator sampled，the separator characteristic can be detected.This calibration device is according to the testing method specified in“Ambient air monitoring reference and equivalent methods”by EPA，and can be a good solution for the calibrating of the（PM）separator.

PM2.5；Separator；Calibration；Static Testing Method

TB47

E-mail：dongning@cti-cert.com

國家質檢總局質檢公益性行業(yè)科研專項項目（201310013）

2015-06-01