自动换膜采样器在监测中的影响因素与试验分析

魏树龙 ，甄 杨 ，陈文亮 ，樊海春 ，汪 峰

（1.天津市计量监督检测科学研究院，天津 300192；2.天津同阳科技发展有限公司，天津 300384）

PM2.5又可称为细颗粒物，通常指的是直径小于等于2.5 μm存在于大气中的颗粒物，其特点是长时间悬浮在空气中难以沉淀，PM2.5的浓度与大气污染程度直接相关，浓度越高则污染越严重[1-5]。近些年来，伴随着我国经济的蓬勃发展，国内的大气污染问题也越来越严重，多地政府相继发布雾霾红色预警，限制机动车辆单双号出行、工厂停工、中小学停课，大气环境污染问题已经广泛影响到了每个老百姓的出行和生活。因此，针对大气空气质量的监测，以及相应的大气污染的治理已经成为我国面临的重大问题[6]。

1 自动换膜采样器

自动换膜采样器的工作原理是在特定的流量下进行采样，将空气中的细颗粒物采集到滤膜上，当某个滤膜采样完成后，采样器将采集完毕的滤膜放置到存储膜空间，同时记录该采样过程中的累积气体流量，然后自动将下一个滤膜更换到采集工位，进行下一个采样过程。采样完毕后，分别称量每个滤膜采样后质量，计算出采集的颗粒物质量，分别除以与该采样过程的记录的累积气体流量，进而得出颗粒物的质量浓度值。本设备可实现连续采样、无人监守、全天候连续自动换膜采样。

天津同阳科技发展有限公司研制的自动换膜采样器，如图1所示，由采样入口、PM10或PM2.5切割器、滤膜夹、连接杆、流量测量及控制装置、抽气泵等组成。该仪器可以适应无人值守运行，采用47 mm标准滤膜，用户可以自行设定采样时间，自动更换采样滤膜 （最多8个采样滤膜盒），实现无人工干预的情况下连续进行每天的采样。

图1 TY-ACF-C型PM2.5自动换膜采样器Fig.1 TY-ACF-C PM2.5 automatic film change sampler

自动换膜采样器工作原理如图2所示，工作流程如图3所示。在进行采样工作时，待检测空气样品由于气泵产生的负压被吸入采样器，依次经过PM10切割器、PM2.5切割器、连接杆、换膜机构、采样膜、真空过滤器、阀门1、质量流量控制器、阀门2、蓄能器、采样泵，最后经排气阀排放到大气中。

2 影响因素分析

在前期的采样过程中，由于现场环境的限制，使得数据质量的控制比起试验室数据的质量控制更为困难，更需要引起我们环境监测工作人员的高度重视。下文就采样过程中样品引入误差的原因进行研究。

图2 PM2.5自动换膜采样器工作原理Fig.2 Working principle diagram of PM2.5 automatic film changing sampler

图3 PM2.5自动换膜采样器换膜工作流程Fig.3 Flow chart of film changing for PM2.5 automatic film change sampler

2.1 质量流量计

自动换膜采样器的流量监测单元选用的是热式质量流量计，选用阿自倍尔株式会社生产的MQV系列质量流量计，该流量计的工作原理是将热源及温度传感器安装在流量计表体内与其构成一个整体，将温度传感器分别设置在流体的上游和下游，流经表体的一部分规定量的气体流入旁通的温度传感器，由于两个温度传感器之间的温差与气体质量流量成正比，所以通过测量温差可得出流量值。流量计的准确度为±1.0%。

依据JJG 897-1995《质量流量计》检定规程[7]，选用钟罩式气体流量标准装置 （（0.002～1.8）m3/h，Urel=0.18%（k=2））对质量流量计进行检定，第i检定点第j次标准器测得的质量流量值（qS）ij或质量总量（MS）ij分别为

式中：（MS）ij为第i检定点第j次检定时标准器测得的质量或总量；tij为第i检定点第j次检定时测得的时间；（VS）ij为第i检定点第j次检定时标准器测得体积；（ρS）ij为第i检定点第j次检定时标准器处流体密度值。则第i检定点第j次检定的流量基本误差Eij为

式中：qij为流量计第i检定点第j次检定的流量读数。

流量计第i检定点的重复性误差按下式计算：式中：（Ei）max为各检定点误差中的最大值；（Ei）min为各检定点误差中的最小值；dn为极差系数。

经检定，该流量计的示值误差为+0.95%，重复性误差为0.12%，符合1.0级等级要求。为了准确测量采样流量，在软件系统里对流量计流量误差进行了相应的修正。

2.2 密封性试验

自动换膜采样器整机密封性直接影响采样的准确度，密封性试验参照JJF 1240-2010《临界流文丘里喷嘴法气体流量标准装置校准规范》7.2.2密封性试验内容[8]：

（1）在抽气泵之前接入一个嵌入式三通阀门，阀门的另一接口接负压压力表；

（2）启动采样器抽气泵，抽取空气，使采样器处于部分真空状态，负压压力表显示为（30±5）kPa的任一点；

（3）关闭三通阀，阻断抽气泵和流量计的流路，关闭抽气泵；

（4）保持5 min，采样器内绝对压力和绝对温度比值的变化率应不超过0.1%。

（5）移除嵌入式三通阀门，恢复采样器。

自动换膜采样器密封性试验结果如表1所示，符合要求。

表1 密封性试验Tab.1 Sealing test

2.3 高低温试验

自动换膜采样器的研制是为了替代目前使用较为普遍的手动单膜采样器，进而可以使环保部门的现场工作人员避免在恶劣环境下的户外工作。由此可见，自动换膜采样器在工作时，可能会面对高温、低温、大风沙等恶劣现场条件，为了评价自动换膜采样器在高低温条件下工作状态，使用我院步入式高低温试验箱（（-40～100）℃，（20～93）%RH，U温=0.3℃，U湿=2.0%RH（k=2））对自动换膜采样器进行模拟环境温度（-20～50）℃，环境湿度（25～75）%RH范围内的工作条件，试验时间为8 h。经试验观察，该仪器未出现故障，工作正常，经复测质量流量计误差试验以及密封性试验均符合要求。

3 试验分析

为了验证自动换膜采样器的测量准确性，进行了比对试验，参与比对的自动换膜采样器分别为天津同阳科技生产的型号为TY-ACF-C 2台，美国热电公司的2025i型采样器1台，德国康姆德润达公司的单膜采样器1台，试验地点分别为中北镇镇政府、中北镇第一小学、中北镇第二小学、中北镇希乐城幼儿园；试验时间为2015年7月31日10时～2015年8月6日10时，共7天，试验结果如表2和图4所示。

采样器需在空气流动、通风良好的地点进行试验，故试验设置在楼顶进行。在采样前，需将滤膜在恒温恒湿试验室内用天平进行称重；在采样后，由于滤膜所采集的颗粒物含有易挥发成分，需将滤膜在恒温恒湿环境下静置24 h，待其内部成分稳定后再用天平称重。

数据对比如图4所示，PM2.5数值相对较高的点为中北镇第一小学，7天测试中连续4天数值为最高，中北镇第二小学三天为最低，希乐城幼儿园有2天为最低，镇政府PM2.5值相对平均。中北镇第二小学，从当前测试数据来看，PM2.5数值相对低，4台仪器所采集的数据以及变化趋势基本一致。

图4 PM2.5监测数据对比图Fig.4 Test diagram of PM2.5 monitoring comparison

4 结语

自动换膜采样器可实现对大气颗粒物的连续采样、自动换膜、无人监守全天候自动采样，本文研究了自动换膜采样器的原理以及测量影响因素，并进行了相应的试验分析。最终通过比对试验，验证了自动换膜采样器的准确性。

参考文献：

[1] 汪雁.PM2.5大气环境质量管理技术框架综述[J].科技风，2013（23）：5.

[2] 滕世长，李冰菲.PM2.5概述与自动监测技术浅析[J].科技创新与应用，2013（7）：122.

[3] H.A.Gray，G.R.Cass，J.J.Huntzicker，et al.Characteristics of atmospherics organic and element carbon particles concentration in Los Angeles.Environment Science&Technology，1986.

[4] 潘本锋.关于环境领域英文符号PM2.5中文名称的建议[J].中国科技术语，2013（2）：29-30.

[5] 廖旭.厦门市城区空气中的微生物组成及分布特征[D].厦门：集美大学，2013.

[6] 徐健，冯涛.减少大气污染的策略研究与改进[J].中国化工贸易，2013（8）：316.

[7] JJG 897-1995质量流量计[S].北京：中国计量出版社，2004

[8] JJF 1240-2010临界流文丘里喷嘴法气体流量标准装置校准规范[S].北京：中国计量出版社，2010.