自動(dòng)換膜采樣器在線采樣的環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)分析

甄 楊

（天津市計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)科學(xué)研究院，天津300192）

環(huán)境問(wèn)題是當(dāng)今國(guó)際社會(huì)所面臨的普遍問(wèn)題，而這些問(wèn)題中又以大氣污染問(wèn)題為重中之重，空氣質(zhì)量直接關(guān)乎每個(gè)人的身體健康，空氣質(zhì)量問(wèn)題中又以細(xì)顆粒物（PM2.5）的污染所占比例甚大[1-3]。近些年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，大氣污染的問(wèn)題隨之越來(lái)越嚴(yán)重，全國(guó)各地PM2.5 污染的現(xiàn)象普遍發(fā)生，PM2.5 數(shù)值達(dá)標(biāo)的省市很少，尤其以京津冀地區(qū)空氣質(zhì)量問(wèn)題較為嚴(yán)重，時(shí)常出現(xiàn)連續(xù)的霧霾天[4]。國(guó)務(wù)院發(fā)布的《“十三五”生態(tài)環(huán)境保護(hù)規(guī)劃》[5]文件顯示，“十三五”期間地級(jí)及以上城市空氣質(zhì)量?jī)?yōu)良天數(shù)比由2015年的76.7%， 提升到80%以上，包括PM2.5 在內(nèi)的細(xì)顆粒物未達(dá)標(biāo)地級(jí)及以上城市濃度5年累計(jì)下降18%，地級(jí)及以上城市重度及以上污染天數(shù)比例5年累計(jì)下降25%。由此可見(jiàn)，對(duì)空氣質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)， 并對(duì)大氣污染進(jìn)行治理，是我國(guó)當(dāng)前面臨的重大問(wèn)題[6]。

1 自動(dòng)換膜采樣器

目前，國(guó)際上對(duì)于大氣細(xì)顆粒物PM2.5 的質(zhì)量濃度測(cè)量原理分為兩類4 種：1）等效法，包括光散射法、β 射線法和微量震蕩天平法等，該類方法可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)在線測(cè)量；2）參比法，主要指稱量法，通過(guò)對(duì)大氣顆粒物的采樣稱量， 得出PM2.5 的質(zhì)量濃度，該方法為大氣顆粒物的直接測(cè)量法。

從計(jì)量的量值溯源角度來(lái)看，以等效法為原理的測(cè)量設(shè)備均無(wú)法實(shí)現(xiàn)直接的量值溯源，而以參比法為原理的稱量式測(cè)量設(shè)備采樣大氣的顆粒物質(zhì)量可以溯源至天平——國(guó)家計(jì)量院的質(zhì)量基準(zhǔn)，采樣空氣的體積可以溯源至氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置——國(guó)家計(jì)量院pVTt 法流量基準(zhǔn)。因此，以稱量法為原理的、可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換膜在線測(cè)量的自動(dòng)換膜采樣器， 是大氣細(xì)顆粒物測(cè)量最直接和最可靠的方法，同時(shí)也可以作為比較標(biāo)準(zhǔn)，在線校準(zhǔn)等效法原理的PM2.5 測(cè)量設(shè)備。TY-ACF-C 型PM2.5 自動(dòng)換膜采樣器如圖1所示。

圖1 TY-ACF-C 型PM2.5 自動(dòng)換膜采樣器Fig.1 TY-ACF-C’s PM2.5 automatic film change sampler

自動(dòng)換膜采樣器的工作原理如圖2所示。采樣器在進(jìn)行采樣工作時(shí)，待檢測(cè)空氣樣品由于氣泵產(chǎn)生的負(fù)壓被吸入采樣器， 依次經(jīng)過(guò)PM10 切割器→PM2.5 切割器→連接桿→換膜機(jī)構(gòu)→采樣膜→真空過(guò)濾器→閥門1→質(zhì)量流量控制器→閥門2→蓄能器→采樣泵，最后經(jīng)排氣閥排放到大氣中。采樣器實(shí)時(shí)測(cè)量流量計(jì)前壓力、流量計(jì)前溫度、環(huán)境大氣壓、環(huán)境溫度等參數(shù)對(duì)采樣流量進(jìn)行控制。

圖2 PM2.5 自動(dòng)換膜采樣器工作原理Fig.2 Working principle of PM2.5 automatic film changing sampler

PM2.5 自動(dòng)換膜采樣器的控制系統(tǒng)主要由主處理器、觸摸屏、外部存儲(chǔ)卡和傳感器接口組成。主處理器通過(guò)儀器系統(tǒng)內(nèi)部的各種傳感器采集環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、環(huán)境壓力、采樣室溫度和采樣壓力等數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理，將各種參數(shù)實(shí)時(shí)顯示到觸摸屏上，同時(shí)將數(shù)據(jù)保存到外部存儲(chǔ)卡中，用戶可以將數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)接口進(jìn)行下載。其控制系統(tǒng)的組成如圖3所示。

自動(dòng)換膜采樣器屬于小流量采樣器， 依據(jù)HJ 93—2013《環(huán)境空氣顆粒物（PM10 和PM2.5）采樣器技術(shù)要求及檢測(cè)方法》[7]， 其工作點(diǎn)流量為16.67 L/min，累積標(biāo)況體積示值誤差±5%。因此，衡量自動(dòng)換膜采樣器在線采樣過(guò)程中的重要參數(shù)是采樣流量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

2 環(huán)境性能試驗(yàn)

由于我國(guó)地域廣大，同一區(qū)域季節(jié)溫度差異很大，且同一季節(jié)不同區(qū)域溫度差異也很大，溫度差異甚至超過(guò)50 ℃。自動(dòng)換膜采樣器作為一種在線采樣的環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備， 在工作時(shí)需要外供220 V 交流電。當(dāng)采樣器供電電源不穩(wěn)定或者受到外界電磁干擾后能否正常運(yùn)行，流量采集數(shù)據(jù)是否穩(wěn)定，以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能是否仍然符合要求等，都需要進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)研究。因此，為了驗(yàn)證自動(dòng)換膜采樣器在線采樣流量的穩(wěn)定性，分別進(jìn)行了4 種狀態(tài)的采集流量試驗(yàn)，即標(biāo)況試驗(yàn)狀態(tài)、高低溫試驗(yàn)狀態(tài)、電壓變化試驗(yàn)狀態(tài)、電磁兼容試驗(yàn)狀態(tài)。

圖3 自動(dòng)換膜采樣器控制系統(tǒng)組成Fig.3 Composition of control system for automatic film-changing sampler

2.1 標(biāo)況試驗(yàn)

由于膜式燃?xì)獗韺儆诩儥C(jī)械式的容積式計(jì)量?jī)x器，其計(jì)量性能不受外界電源抗擾度、電磁環(huán)境的變化。因此，選用1 臺(tái)G1.6 型膜式燃?xì)獗?，其工作流量范圍?.016～2.5 m3/h，準(zhǔn)確度等級(jí)為1.5 級(jí)。該燃?xì)獗碓诓蓸悠鞴ぷ髁髁?6.67 L/min 的條件下，采用鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行校準(zhǔn)， 其擴(kuò)展不確定度Urel=0.18%，k=2。再將該膜式燃?xì)獗碜鳛闃?biāo)準(zhǔn)表，連接在自動(dòng)換膜采樣器的入口端，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下（實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度20 ℃，大氣壓力101.3 kPa）對(duì)自動(dòng)換膜采樣器進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)時(shí)間為5×24 h，校準(zhǔn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下流量采集數(shù)據(jù)Tab.1 Flow data acquisition in standard state

2.2 高低溫試驗(yàn)

采用相同的試驗(yàn)方法，將試驗(yàn)設(shè)備放入天津市計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)科學(xué)研究院步入式高低溫試驗(yàn)箱，依據(jù)GB/T 2423.1—2008 和GB/T2423.2—2008[8-9]，對(duì)自動(dòng)換膜采樣器采樣流量驗(yàn)證試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行模擬環(huán)境溫度-10～40 ℃范圍內(nèi)的工作條件，試驗(yàn)時(shí)間為5×24 h。高低溫試驗(yàn)如圖4所示，采樣界面如圖5所示。試驗(yàn)過(guò)程中，儀器工作狀態(tài)正常，采樣校準(zhǔn)結(jié)果見(jiàn)表2。

圖4 高低溫試驗(yàn)Fig.4 High and low temperature experiment

圖5 采樣界面Fig.5 Sampling interface

表2 高低溫狀態(tài)下流量采集數(shù)據(jù)Tab.2 Flow data acquisition at high and low temperature

2.3 電壓變化抗擾度試驗(yàn)

為了評(píng)價(jià)由于連接至電網(wǎng)的負(fù)荷連續(xù)變化而引起的電壓變化，或者由電網(wǎng)、電力設(shè)施的故障或負(fù)荷突然出現(xiàn)大的變化而引起的電壓暫降，是否影響采樣器的工作狀態(tài)以及流量采集準(zhǔn)確性， 依據(jù)GB/T 17626.11—2008[10]，對(duì)自動(dòng)換膜采樣器采樣流量驗(yàn)證試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(yàn)。試驗(yàn)采用天津市計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)科學(xué)研究院抗擾度綜合測(cè)試儀（如圖6所示），環(huán)境溫度20.0 ℃，供電電壓AC 220 V，50 Hz； 短時(shí)電壓跌落80%UT，持續(xù)時(shí)間300 ms，循環(huán)試驗(yàn)10 次；試驗(yàn)時(shí)間5×24 h，其中在前3 天施加電壓變化。試驗(yàn)過(guò)程中，采樣器工作正常，采樣校準(zhǔn)結(jié)果見(jiàn)表3。

圖6 電壓變化抗擾度試驗(yàn)Fig.6 Voltage variation immunity experiment

表3 電壓變化抗擾度試驗(yàn)流量采集數(shù)據(jù)Tab.3 Flow data acquisition of voltage variation

2.4 射頻電磁場(chǎng)輻射抗擾度試驗(yàn)

為驗(yàn)證自動(dòng)換膜采樣器的電磁兼容敏感性，依據(jù)GB/T 17626.3—2016[11]，利用天津市計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)科學(xué)研究院3 m 法電波暗室，對(duì)自動(dòng)換膜采樣器采樣流量驗(yàn)證試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了電磁兼容試驗(yàn)。試驗(yàn)條件：環(huán)境溫度21.0 ℃，供電電壓AC 220 V，50 Hz；試驗(yàn)場(chǎng)強(qiáng)10 V/m（未調(diào)制），頻率范圍1000～4000 MHz，調(diào)制幅度80%，1 kHz；掃描步進(jìn)1%。電磁兼容試驗(yàn)如圖7所示，試驗(yàn)時(shí)間為5×24 h。試驗(yàn)過(guò)程中，采樣器工作正常，采樣校準(zhǔn)結(jié)果見(jiàn)表4。

圖7 電磁兼容試驗(yàn)Fig.7 Electromagnetic compatibility experiment

表4 電磁兼容試驗(yàn)流量采集數(shù)據(jù)Tab.4 Flow data acquisition of EMC experimental

3 試驗(yàn)結(jié)果的分析與比較

將標(biāo)況試驗(yàn)狀態(tài)、高低溫試驗(yàn)狀態(tài)、電壓變化試驗(yàn)狀態(tài)和電磁兼容試驗(yàn)狀態(tài)下的流量采集誤差數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，結(jié)果如圖8所示。由圖可見(jiàn)，最大、最小示值誤差均未超過(guò)環(huán)保部標(biāo)準(zhǔn)所要求的±5%，因此自動(dòng)換膜采樣器在上述試驗(yàn)條件下的流量采集試驗(yàn)符合要求。同時(shí)，可以觀察到，在高低溫試驗(yàn)條件下， 試驗(yàn)第1 天至第3 天的示值誤差與第4，5天的示值誤差有一個(gè)明顯的下降。分析其原因是由作為標(biāo)準(zhǔn)表的膜式燃?xì)獗矶鸬?，因膜式燃?xì)獗淼哪て诟叩蜏貭顟B(tài)下存在熱脹冷縮現(xiàn)象，故可能導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)累積流量的變化。

圖8 流量采集匯總圖Fig.8 Summary diagram of flow collection

4 結(jié)語(yǔ)

自動(dòng)換膜采樣器是一種連續(xù)采樣、 自動(dòng)換膜、全天候無(wú)人堅(jiān)守的大氣顆粒物在線采樣儀器。文中研究了自動(dòng)換膜器的工作原理，提出了在線環(huán)境監(jiān)測(cè)過(guò)程中可能影響采樣流量的準(zhǔn)確性的因素；分別在標(biāo)況試驗(yàn)狀態(tài)、高低溫試驗(yàn)狀態(tài)、電壓變化試驗(yàn)狀態(tài)和電磁兼容試驗(yàn)狀態(tài)下，進(jìn)行了累積流量采集比對(duì)試驗(yàn)，從而驗(yàn)證了自動(dòng)換膜采樣器流量采集的準(zhǔn)確性。