動態(tài)濕度控制系統(tǒng)在大氣顆粒物監(jiān)測儀中的應用

◎文/劉宏 潘煥雙 化利東 曹永（安徽藍盾光電子股份有限公司）

大氣顆粒物PM10和PM2.5是大氣中主要的污染成分之一，是各級監(jiān)控點的必測數(shù)據(jù)。監(jiān)控點所測數(shù)據(jù)經(jīng)相關(guān)部門審核后會向社會發(fā)布，因此，發(fā)布數(shù)據(jù)的準確性尤為重要。但大氣顆粒物的成分比較復雜，含有在各種環(huán)境下所形成的遇高溫易揮發(fā)的化合物，以及在不同地域不同環(huán)境下所容納的水分。采樣時如果沒有對大氣的水分進行合理的處理，其測量結(jié)果會高于實際測量值；而采樣時如果對采樣氣體進行高溫加熱，則會使大氣顆粒物中某些化合物分解揮發(fā)，其測量結(jié)果會低于實際測量值。因此，為了更準確、更真實地監(jiān)測大氣顆粒物的濃度，有必要研究氣體采樣過程中濕度的控制，以保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的有效性。

一、大氣顆粒物濃度監(jiān)測原理

由14C發(fā)射出來高能量的β射線粒子，碰到塵粒子時能量減退或被粒子吸收，監(jiān)測到的β粒子的數(shù)量減少，減少量是由位于β發(fā)射源和檢測β射線的探測器之間的吸收物質(zhì)的質(zhì)量決定的。通過吸收物質(zhì)(如紙帶上的塵)后，β射線粒子的衰減量接近指數(shù)[1]。

大氣顆粒物監(jiān)測儀在實際的測量中所測量的值是大氣顆粒物的濃度值，其公式是：

式（1）中，Mc是監(jiān)測儀器所測得的大氣顆粒物的濃度（單位μg/m3），A是采樣時留在濾紙帶上的塵斑面積（單位cm2），Q是采樣流量（單位l/min），△T是一個塵斑采集時所用時間（單位min）。因為塵斑的面積A、采樣流量Q、采集時間△T、μm都是定值，而I0和I是由監(jiān)測儀器分別在采樣之前及之后測定得到，并自動保存儀器的存儲器內(nèi)。所以，濃度值Mc與采樣流量Q成反比。

另一個理論公式是氣體狀態(tài)方程，即：

式（2）中，P—大氣壓；T—采樣口處的溫度；V—氣體體積；C—常數(shù)。在該式中，由于在同一地區(qū)其大氣壓P幾乎恒定，故氣體體積V與大氣溫度T成正比。

從上述兩個公式中可看出，溫度變化引起體積變化，體積變化又引起流量變化。但無論如何變化，其溫度與體積的變化都滿足上述氣態(tài)方程要求。

二、濕度控制實驗方法

1.實驗條件

無塵、恒溫實驗室1間，十萬之一電子天平1臺，手工大氣顆粒物采樣器3臺，β射線法大氣顆粒物監(jiān)測儀3臺。

2.實驗方案

在每臺β射線法大氣顆粒物監(jiān)測儀的采樣管上設(shè)置加熱裝置，用于對采樣的氣體加熱。加熱方式有恒溫加熱系統(tǒng)和濕度動態(tài)控制加熱系統(tǒng)。恒溫加熱是指監(jiān)測儀在采樣過程中持續(xù)不間斷對采樣管進行加熱，加熱溫度不變。濕度動態(tài)控制系統(tǒng)加熱是監(jiān)測儀在采樣過程中，系統(tǒng)根據(jù)采集氣體的濕度來自動調(diào)節(jié)加熱功率，也就是加

圖1 動態(tài)濕度控制系統(tǒng)加熱流程圖

圖1中，環(huán)境溫濕度是指大氣顆粒物切割器進氣口處溫濕度，采樣溫濕度是指采樣塵斑處樣氣的溫濕度，而管壁溫度是指采樣管加熱處的管壁溫度。流程中的目標值是通過多次實驗得出的，用當前的采樣濕度與目標值進行PID計算，得到占空比，實現(xiàn)連續(xù)自動調(diào)節(jié)加熱功率，改變采樣氣體中水分的汽化速度。如果加熱時采樣管管壁溫度過高，易引起不安全問題。所以，對管壁的溫度進行高溫限制也是必要的，當高于此值時就停止加熱。熱占空比，使其濕度達到預期的值，該值可以設(shè)定，目的是通過實驗來尋找最佳濕度控制點，使其不影響顆粒物濃度值的有效性。圖1是濕度動態(tài)控制系統(tǒng)的加熱流程圖。

三、數(shù)據(jù)采集

將3臺手工大氣顆粒物采樣器和3臺β射線法大氣顆粒物監(jiān)測儀置于實驗區(qū)，設(shè)置動態(tài)控制系統(tǒng)濕度控制點，每個控制點都進行連續(xù)15天的采樣，分別得出每個控制點每天的24h均值，即每天的3臺手工大氣顆粒物采樣器，3臺恒溫加熱控制的監(jiān)測儀測量均值或動態(tài)濕度控制系統(tǒng)監(jiān)測儀的測量均值。由于數(shù)據(jù)量大，擇錄了90℃恒溫加熱的測量數(shù)據(jù)、控制濕度為（20%～30%）RH的測量數(shù)據(jù)以及控制濕度為（30%～40%）RH的測量數(shù)據(jù)（表略），繪制成圖2—圖4的坐標圖。

圖2 90℃恒溫加熱測量值趨勢線

圖3 濕度控制為（20%～30%）RH加熱測量值趨勢線

圖4 濕度控制為（30%～40%）RH加熱測量值趨勢線

國家環(huán)保部2013年發(fā)布的行業(yè)標準《環(huán)境空氣顆粒物（PM10和PM2.5）連續(xù)自動監(jiān)測系統(tǒng)安裝和驗收技術(shù)規(guī)范》[2]（HJ655-2013）中要求線性方式中R、K、B分別為：R≥0.95（其中 PM2.5 R≥0.93）；0.85≤K≤1.15；-10≤B≤+10。對照可見，圖2中，K和B均不滿足規(guī)范要求；圖3中，B不能滿足規(guī)范要求；圖4中，R、B、K均能滿足規(guī)范要求。

四、數(shù)據(jù)分析與結(jié)論

上述的實驗數(shù)據(jù)表明：

（1）90℃恒溫加熱沒達到預想的效果，與手工采樣的數(shù)據(jù)相比，斜率K和截距B都超出了規(guī)范的要求。從所得的數(shù)據(jù)看，其恒溫加熱所采集的值普遍比手工采樣的值要低，這說明所采集的顆粒物有加熱揮發(fā)的可能。

（2）采用濕度控制點為（20～30）%RH加熱時，其采集的數(shù)據(jù)與手工采樣的值相比，其斜率正常，但要低截距超標。從所得數(shù)據(jù)看，所采集的值也是普遍低于手工采樣的值。這說明氣體水分汽化過多或顆粒物有可能過于干燥而揮發(fā)。

（3）采用濕度控制點為（30～40）%RH加熱采樣時，與手工采樣相比，其線性關(guān)系非常好，斜率、截距與前2組相比皆有很大改善，此濕度控制點比較理想。

綜上所述，動態(tài)濕度控制系統(tǒng)在大氣顆粒物監(jiān)測過程中非常重要。不同地域、不同氣候條下樣氣中含水量不同對測量結(jié)果帶來的影響也會不同，因此，針對不同環(huán)境下大氣顆粒物的在線監(jiān)測應選擇合適的濕度控制參數(shù)。