探讨β射线法颗粒物在线监测仪与手工采样器比对测试

白晓亮， 赵 利

(太原市环境监测中心站，山西 太原 030002)

分析与测试

探讨β射线法颗粒物在线监测仪与手工采样器比对测试

白晓亮， 赵 利

(太原市环境监测中心站，山西 太原 030002)

β射线法颗粒物在线监测仪系统具有使用方便、数据可靠和维护成本低等优点。在介绍该仪器基本原理的基础上，将手工颗粒物采样器与β射线法颗粒物在线监测系统进行同步比对测试。测试结果表明，该分析仪性能稳定，测定的环境空气中PM10浓度数据相对误差低于±10%，能够满足大气颗粒物监测的需求。β射线法颗粒物在线监测仪为大范围空间颗粒物质量浓度的监测提供了一种快速、实时的手段。

：颗粒物；PM10；在线监测系统；β射线法

引 言

目前，我国大部分城市空气中的首要污染物是颗粒物，颗粒物污染已成为重要的空气污染之一[1-3]。随着现代化城市的快速发展，建设工程施工产生的扬尘对颗粒物的污染贡献不容小觑。扬尘中的颗粒物PM10也称可吸入颗粒物，它是空气动力学直径≤10 μm的颗粒物。PM10长期累积会引起呼吸系统疾病，如气促、咳嗽，诱发哮喘、慢性支气管炎、慢性肺炎等[4]。因此，国家环保部在2012年出台相应的标准[5]，将PM10纳入空气质量指标体系，对其进行严格监控。

常见颗粒物的监测方法主要分为手工监测和在线监测。其中，手工监测是利用空气颗粒物采样器对特定区域的空气连续监测一段时间后，通过对富集在采样器内颗粒物总重量的称量来监测颗粒物的浓度。手工监测虽具有成本低、操作简便等特点，但费事、费力，且存在一定的人为误差。因此，手工监测的应用主要集中在对比监测中[6]。而在线监测则是利用在线监测仪对区域内的空气进行连续采样并自动分析颗粒物浓度的一种方法，其常见原理为β射线法[7]。在线监测具有操作简便、数据可靠等特点。

本文通过将太原市空气自动监测站——富力城测试点的β射线法颗粒物监测仪与传统手工监测法对颗粒物PM10质量测定浓度结果比较，了解β射线法颗粒物监测仪在实际监测过程中的准确性和实用性，考察在线监测系统对扬尘颗粒物PM10监测新方法的重要意义。

1 β射线法颗粒物自动监测系统

1.1 工作原理

β射线法+光散射法测量的原理：结合2种方法的优点。通过β射线法高准确性的数据，定期自动校准光散射的实时数据，得到非常准确的颗粒物实时数据，能够及时反应突然浓度的变化要求。特别是工地施工现场复杂的情况。

光散射法测量的原理：建立在微粒的Mie散射理论基础上。当光照射在空气中的颗粒物上时会产生散射光，在颗粒物性质一定的条件下，颗粒物的散射光强度与其质量浓度成正比。通过测量散射光的强度与应用转换系数，求得颗粒物质质量。

β射线法测量的原理：采用β射线法。根据β射线吸收原理设计，β射线是一种高速电子流，它穿过物质时与物质内部电子发生非弹性碰撞，其能量被部分吸收。当β射线源最大能量小于1Mev时，穿透物质的质量较小，β射线源强度恒定，则被吸收量大小只与吸收物质的质量有关，而与吸收物质的物化特性(如成分、粒度、分散度、形状、颜色等)无关。所以，它能直接测量质量浓度，而不需进行任何的换算。

本监测系统是以恒定的β射线源先后穿过空白滤膜和采集有颗粒物样品的滤膜，比较其吸收量的变化，便可求得颗粒物样品的质量。

1.2 在线监测系统基本结构

在线监测系统针对建筑工地粉尘高、噪音大的特点，集成颗粒物监测系统、视频监控系统、噪声监控系统及GPS定位、数据集成系统于一体，将建筑工地环境质量信息及时传递到管理部门，促进建筑工地及时接受监管，文明施工。HN-CK3000型扬尘在线监测系统结构见图1，该系统主要由采样入口装置(PM10、PM2.5切割器)、管路连接件、采样抽气泵、监控系统、声级器、气象参数、通信传输装置及系统控制装置等组成。

图1 HN-CK3000系统结构示意图

PM2.5切割器按原理可分为撞击式、旋风式和虚拟式3种。此系统使用的PM2.5切割器为旋风式。

监测系统是基于β射线衰减法的原理。工作时，采样气流经切割器切割出符合粒径要求的颗粒物，然后进入监测系统进行测量分析，最终计算得到实时的颗粒物浓度。为保证最佳的切割效率，监测系统需要实时测量大气压和温度，实时恒定采样入口和切割器的工况流量。同时，监测系统还应实时连续上传所测得的颗粒物浓度等数据[8]。

2 手工监测方法

手工监测是在TH-150颗粒物采样器系统中进行的。该采样系统由切割头(PM10)、大气温度检测单元、滤膜更换单元、流量控制系统和温控系统等组成。通过抽气泵将环境空气抽入仪器，流量控制在100 L/min，气流经PM10切割器后，空气动力学直径>10 μm的颗粒物被留在切割器中，≤10 μm的颗粒物则被截留在滤膜上。

使用TH-BQX1便携式气体、粉尘、烟尘采样器校验装置对流量进行校准；其他按照《环境空气颗粒物(PM10)手工监测方法(重量法)技术规范》中规定的颗粒物手工监测质控措施。整体质控措施执行规定中对于现场与实验室的相关要求[9-10]。

3 比对测试

在2016-4-20～2016-4-26和2016-5-4～2016-5-10这2个时间段期间，将β射线法颗粒物在线监测仪与颗粒物采样器进行同步比对测试。监测点位选择2个地点，共计4个点位，分别为：1)太原市环境监测中心站实验楼楼顶布置1套HN-CK3000扬尘在线监测系统，扬尘在线监测系统周围布置手工监测点位2个。2)富力城施工场地上风向、下风向各布置1套HN-CK3000扬尘在线监测系统，每套扬尘在线监测系统周围布置手工监测点位2个。

综合比对手工监测数据和HN-CK3000扬尘在线监测系统监测数据，计算每次小时值和日均值相对误差，每天4次小时值平均相对误差，7天日均值平均相对误差，测试数据如第46页图2所示。

通过分析图2中的同步比对数据可以知道，在线监测日均值0.178 mg/m3～0.233 mg/m3，平均值为0.207 mg/m3；手工监测日均值0.186 mg/m3～0.241 mg/m3，平均值为0.212 mg/m3；相对误差-4.3%～2.1%，平均值相对误差为-2.5%。在线监测小时值0.178 mg/m3～0.268 mg/m3，手工监测小时值0.175 mg/m3～0.261 mg/m3；相对误差-8.4%～4.4%。富力城上风向，在线监测日均值0.278 mg/m3～1.225 mg/m3，平均值为0.544 mg/m3；手工监测日均值0.274 mg/m3～1.201 mg/m3，平均值为0.541 mg/m3;相对误差-1.7%～2.0%，平均值相对误差为0.6%。富力城下风向，在线监测日均值0.214 mg/m3～0.551 mg/m3，平均值为0.385 mg/m3；手工监测日均值0.240 mg/m3～0.545 mg/m3，平均值为0.390 mg/m3;相对误差-10.8%～2.3%，平均值相对误差为-1.2%。

β射线+动态加热系统联用光散射原理扬尘在线监测系统与手工监测(重量法)测定的环境空气中PM10浓度数据相对误差低于±10%,扬尘在线监测系统能够反映大气环境中颗粒物浓度水平和变化趋势。

图2 比对测试结果

4 结论

利用PMS-200颗粒物采样器与β射线法颗粒物在线监测仪进行同步比对测试。比对结果表明，该分析仪性能稳定，测定的环境空气中PM10质量浓度数据相对误差低于±10%，能够满足大气颗粒物监测的需求。β射线法颗粒物在线监测仪为大范围空间颗粒物质量浓度的监测提供了一种快速、实时的手段。

[1] 莫莉,余新晓,赵阳,等.北京市区域城市化程度与颗粒物污染的相关性分析[J].生态环境学报,2014(5):806-811.

[2] 刘庆阳,刘艳菊,杨峥,等.北京城郊冬季一次大气重污染过程颗粒物的污染特征[J].环境科学学报,2014,34(1):12-18.

[3] 刘杰,杨鹏,吕文生.北京大气颗粒物污染特征及空间分布插值分析[J].北京科技大学学报,2014(9):1269-1279.

[4] 倪洋,涂星莹,朱一丹,等.北京市某地区冬季大气细颗粒物和超细颗粒物污染水平及影响因素分析[J].北京大学学报(医学版),2014(3):389-394.

[5] 环境保护部、国家质量监督检验检疫总局.环境空气质量标准：GB3095—2012[S].北京：中国环境科学出版社，2012.

[6] 秦文.南昌站β射线法颗粒物在线监测仪与手工采样器比对测试[C].//第27届MICONEX2016科学仪器惠及民生系列分会场论文集.北京：2016年中国环境与安全监测技术研讨会,2016.

[7] 梁艳,张增福,陈文亮,等.基于β射线法的新型PM2.5自动监测系统研究[J].传感技术学报,2014,(10):1418-1422.

[8] 王薇.环境质量在线监控系统的设计与实现[D].北京：北京工业大学,2013.

[9] 楚宝临.大气颗粒物手工监测滤膜称量技术探讨[C].//2016中国环境科学学会学术年会论文集(第2卷).海口：中国环境科学学会,2016.

[10]沈清,张晔霞,於香湘,等.环境空气中细颗粒物自动监测手工比对的质量控制[J].环境监控与预警,2017(2):64-67.

Comparativetestofβ-rayparticlemethodinon-linemonitorandmanualsamplertest

BAIXiaoliang,ZHAOLi

(TaiyuanEnvironmentalMonitoringCenterStation,TaiyuanShanxi030002,China)

The β-ray particle on-line monitor system has the advantages of easy operation, reliable data and low maintenance cost. On basis of introducing the basic principle of the instrument,manual particle sampler is compared with β-ray particle on-line monitoring system. The β-results show that the analyzer has stable performance, and the relative error of PM10 concentration in ambient air is less than + 10%, which can meet the demand of monitoring atmospheric particulates. The β-ray particle on-line monitor provides a fast and real-time means for monitoring the mass concentration of large space particles.

particulate matter; PM10; on-line monitoring system; β-ray method

2017-04-13

白晓亮，男，1982年出生，2005年毕业于南京信息工程大学环境科学专业，本科学历，工程师，从事现场监测工作。

10.16525/j.cnki.cn14-1109/tq.2017.03.13

X831;X513

A

1004-7050(2017)03-0044-03