淺談粉塵濃度測量儀檢定裝置

朱曉艷 佟海波

摘 要：粉塵濃度測量儀是用于測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)揚塵監(jiān)測，其測量結果對生態(tài)環(huán)境保護具有重要的指示作用，準確與否直接關系到大氣污染情況，對評價環(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量儀檢定裝置存在的弊端和需要改進的方向，為我國粉塵濃度測量儀的溯源提供科學可靠的技術保障。

關鍵詞：粉塵測量儀，檢定裝置，環(huán)境監(jiān)測

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，長時間懸浮在空氣中，易被人體吸入，濃度達到一定水平，嚴重時還會造成粉塵爆炸等事故，對空氣造成污染的同時也對人體健康產(chǎn)生較大的影響，現(xiàn)行有效的JJG 846-2015《粉塵濃度測量儀檢定規(guī)程》[1]，對粉塵濃度測量儀（以下簡稱“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，實現(xiàn)粉塵儀的量值溯源，確保量值準確可靠，對保證生產(chǎn)環(huán)境和人身安全具有重要的現(xiàn)實意義。

2 發(fā)展現(xiàn)狀分析

2.1 粉塵儀的發(fā)展及現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)的粉塵儀主要分為濾膜稱重式、光散射式和β射線吸收式粉塵儀，后兩者將粉塵濃度信號轉(zhuǎn)化成電信號，可用于粉塵濃度的實時監(jiān)測。

2.1.1 濾膜稱重式粉塵儀

濾膜稱重式粉塵儀設計的原理簡單，通過濾膜采樣前后的質(zhì)量不同來設計。濾膜稱重式粉塵儀采樣器采集待測環(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，其測量結果為絕對質(zhì)量濃度，比較準確，受所檢測顆粒物的物理特性干擾較小。但在實際操作過程中，因其不易攜帶、測量耗用時間較長、工作效率低、受氣流及溫度等因素影響較大等原因，實時濃度無法獲得，濾膜稱重式粉塵儀使用范圍受到限制。

2.1.2 β射線法吸收式粉塵儀

β射線法吸收式粉塵儀基于β射線通過介質(zhì)強度發(fā)生衰減原理設計，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射線法吸收式粉塵儀通過內(nèi)置采樣泵把待測環(huán)境的空氣抽入樣品收集管中，樣品穿透濾膜時，將顆粒物截留在濾膜上，β射線對濾膜進行照射，強度衰減，通過衰減的具體程度計算得出質(zhì)量濃度。因β射線法吸收式粉塵儀，濾膜安裝在儀器內(nèi)部，長時間使用后其穩(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計。光散射式粉塵儀光源發(fā)出光束后，照射到待測樣品上，部分光束被散射，光電探測器將接收到的散射光信號轉(zhuǎn)換為電信號，處理得到相應的質(zhì)量濃度，具有測量快速靈敏、支持連續(xù)測量等優(yōu)點，是一種使用較為廣泛的粉塵儀，但長時間使用，光路會被污染，測量準確度會降低。

綜上所述，不同類型的粉塵儀測量結果因測量原理的不同而存在差異，因此，統(tǒng)一檢定標準，研制對粉塵儀整體性能進行評價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

國內(nèi)對粉塵儀檢定裝置的研究起步較晚，自2015年國家頒布了粉塵儀檢定規(guī)程，確定了檢定方法后，國家才陸續(xù)對粉塵儀檢定裝置開始研究。2015年前，因國家只頒布光散射式粉塵儀的檢定規(guī)程，國內(nèi)還停留在對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量儀計量標準，北京市計量檢測科學研究院和華東計量科學院聯(lián)合研究的微塵粉塵儀的校準裝置上，雖然都有較大的突破，但仍有所爭議，并未達成一致意見，仍然滿足不了計量檢定及相關部門的需求[3]。

3 粉塵儀檢定裝置的研究方向

對于粉塵儀的檢定方法，JJG 846—2015《粉塵濃度測量儀》中規(guī)定，模擬不同濃度的被測環(huán)境后，通過電子天平對濾膜采樣稱重、與標準采樣裝置數(shù)值比較等方式，對示值誤差、示值重復性、絕緣電阻、絕緣強度等項目進行檢定，來實現(xiàn)被測粉塵儀的量值傳遞。絕緣電阻和絕緣強度的測量方法比較簡單，分別由技術成熟、簡單易購的絕緣電阻表和耐壓測試儀測得，而示值誤差、示值重復性的測量因沒有數(shù)值標定準確的瓶裝顆粒物氣溶膠標準物質(zhì)，只能通過粉塵發(fā)生裝置，實時發(fā)生顆粒物氣溶膠來完成[4]，因此研制性能穩(wěn)定的粉塵發(fā)生裝置和標準采樣裝置是重點和難點所在。

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穩(wěn)定的、均勻的粉塵模擬環(huán)境，對于穩(wěn)定性和均勻性的要求，JJG 846—2015《粉塵濃度測量儀》中明確指出，“測試段中參考粉塵儀采樣口和受檢粉塵儀采樣口兩個采樣點三次相同測量平均值的偏差應不大于 5% ； 中心點穩(wěn)定性（ 連續(xù)相同測量6次）實驗標準偏差應不大于5%”。而兩個點三次測量和6次連續(xù)相同測量的時間規(guī)程并沒有明確規(guī)定，這給粉塵發(fā)生裝置的研制和評價帶來了困難。

目前，比較常見的粉塵發(fā)生裝置是通過氣溶膠發(fā)生裝置制備氣溶膠，并在風筒中擴散來完成。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，難以靠一臺粉塵發(fā)生裝置來實現(xiàn)所有粉塵環(huán)境的模擬。根據(jù)市場常見的粉塵儀，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)生原理設計，查清楚發(fā)生原理對氣溶膠發(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散風筒內(nèi)氣溶膠顆粒的流動方式，而擴散流動方式又跟風筒內(nèi)的引流風速有著密不可分的關系。引流風速對氣溶膠的流動狀態(tài)影響顯著，若風速過小，氣溶膠就過早沉降，出現(xiàn)堵塞，風速越大，氣溶膠擴散的流動就越趨向均勻穩(wěn)定，達到氣溶膠理想的擴散流動狀態(tài)，因此，確定適合的引流風速也是研制粉塵發(fā)生裝置的又一關鍵所在。

3.2 標準采樣裝置的研制方向

由此可知，采樣流量對標準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，常被廣泛地用于小流量氣體測量控制領域，但當用于標準采樣裝置時，隨著采樣時間的增加，越來越多的粉塵顆粒吸附到濾膜上，常常會引起濾膜堵塞，因此用質(zhì)量流量計難以控制穩(wěn)定的采樣流量，從而導致求得的標準粉塵的質(zhì)量濃度與實際質(zhì)量濃度存在較大誤差。解決標準采樣器穩(wěn)定和濾膜不易堵塞問題成了研制標準采樣裝置的難點，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確性，求得的標準粉塵的質(zhì)量濃度更加可靠。

4 結 語

總的來說，研制性能穩(wěn)定、便于攜帶、操作簡便的粉塵濃度測量儀檢定裝置，對環(huán)境保護和工業(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用，固定在環(huán)境檢測現(xiàn)場，難以拆卸，重復的拆裝也會對儀器的性能有較大的影響，因此研制在線粉塵儀檢定裝置，來替代傳統(tǒng)的粉塵儀檢定裝置更應該是今后努力的方向，從而推動粉塵儀計量檢定工作達到新的高度和新的水平。

參考文獻

[1]粉塵濃度測量儀檢定規(guī)程：JJG 846—2015.北京：中國質(zhì)量出版社，2015.

[2]張洋.低濃度粉塵計量標準檢定裝置的研究[D].徐州：中國礦業(yè)大學，2020.

[3]劉穎，王龍，周中木.粉塵濃度測定儀示值誤差校準不確定度評定[J].工業(yè)計量，2019，29（S1）：49-50.

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

作者簡介

朱曉艷，高級工程師，碩士研究生，研究方向為計量管理和計量檢定。

佟海波，工程師，碩士研究生，研究方向為環(huán)境保護。

（責任編輯：劉憲銀）