大气颗粒物切割器校准的标准气体动态混合舱设计

舒宗昊 刘攀超 黄 庆

（华测检测认证集团 广东深圳 518101）

1 前言

2011年12月PM2.5正式被选为空气质量评价标准的一项重要指标。PM2.5是对空气中直径小于或等于2.5 μm的固体颗粒或液滴的总称，又叫细颗粒物或入肺颗粒物，这类颗粒物体积小，易被人体吸入，传播距离远，含有大量有毒物质，严重污染大气环境[1]。

目前全球范围对PM2.5的测定方法主要有：重量法、β射线吸收法、微量振荡天平法[2]。以上3种方法测试过程虽然各有不同，但在气体采样处理阶段，针对不同粒径颗粒物的筛选都用到切割器这一关键器件。颗粒物切割器从原理上决定其使用前必须经过校准。笔者单位通过研究现有切割器校准装置，发现此类装置的校准原理均为将标准浓度气体通过切割器，经过切割器采样筛选后，测试采集到的颗粒物，比对切割前后颗粒物浓度进行校准，因此校准装置实现精确校准关键是完成试验气体的配制，尤其是对颗粒物浓度的精确控制[3-4]。

2 PM2.5切割器原理

切割器是空气质量检测装置中的核心部件，用以采样分离不同粒径的气体颗粒物。其原理是待测气体高速通过其内部通道时，由于颗粒物体积质量不同，其惯性也随之大小不等，大体积颗粒通过内腔气道时由于惯性较大，无法随气流通过从而撞击到捕获板上。粒径较小的颗粒物通过了切割器最后被滤膜捕获，使用精密电子秤测试滤膜质量，计算捕获颗粒物重量。

切割器从原理上决定了其不可能精准定量控制气体颗粒物的通过性，对空气颗粒的过滤效果是一个统计学概念，所以在检测设备投入使用之前必须对其核心零部件切割器进行校准，以确保切割器过滤的气体颗粒物含量符合相应标准和要求[3-4]。

3 混合舱结构设计

本研究的混合舱是为基于“静态实验法”的校准试验提供所需的标准颗粒物浓度气体。按照试验设定的标准气体浓度，试验舱将一定量的颗粒物粉末以及洁净气体注入试验舱并充分混合。因此试验舱的设计核心原则：颗粒物的精确配比以及在舱内设置气流循环流动不沉淀。结合上述特点本研究设计的混合舱各组成部分包括标准气体发生装置、温湿度调节装置、静电调节装置、混合装置、舱内粒径谱仪、采样测试装置等，如图1所示。

图1 标准浓度气体混合舱结构示意图

标准气体发生装置包括洁净气源、PM2.5粉尘颗粒源、颗粒物定量取料装置、气体流量控制器；混合装置包括混合舱体、伞状气流发生器、环形气流发生器；温湿度调节器和静电调节器安装于舱体内部保证样本气体的温湿度条件符合试验要求，并消除粒子间以及粒子与舱体间的静电引力作用；采样测试装置包括流量控制器、PM2.5切割器、快换接头、过滤器、真空泵。

混合仓体的结构设计是本装置设计的核心问题。首先确定混合舱包含了内部腔体结构及气流发生装置，其内腔设计为漏斗形，工作状态下颗粒物将伴随气体喷出后最终缓慢下落沉积，为充分混合颗粒物，在内腔底部装有气流发生装置，将落入腔底的粉尘颗粒吹入空中，避免颗粒物在重力作用下落入藏地并形成堆积。在混合舱四周同样设置气流发生装置，结合底部气流发生装置以及漏斗形内腔结构，混合气体在舱内可形成内循环流动从而保证颗粒物不会沉积，并且在舱中得到充分混合，最终形成比例均匀的气体样本。

基于上述的基础模型，在流体力学分析软件Fluent中对舱体、气体和颗粒物进行建模。校准试验的气体使用拉格朗日模型进行分析，将空气看作连续相，大气颗粒物作为体积率小的离散相来分析，使颗粒物的运动模拟再现，从而根据颗粒物的逃逸率等参数不断的调整舱体的尺寸，设计结构最优的混合舱体和气流发生装置。

4 混合舱工作原理（图2）

图2 混合舱内部气流循环仿真图

本文研究的标准气体混合舱是基于静态实验法完成颗粒物的采样校准试验，按照时间顺序其工作原理可分为准备阶段、混合阶段、采样阶段。

准备阶段首先将待校准切割器安装到切割器卡座，确认物料准备完成后，启动设备对混合舱进行试验前的净化处理。之后关闭采样泵，避免气体样本提前进入切割器，然后开启舱内细微气流循环避免颗粒物迅速沉淀至舱底。洁净气体发生器工作产生并储备气体，同时颗粒物送料机构根据预设颗粒物浓度将颗粒物粉尘传送至备料管，此时洁净气体高速喷出利用伯努利原理将备料管中的颗粒物吸出并喷至混合舱内。

进入混合阶段，舱内气流开始加速流动，颗粒物在舱内气流循环作用下得以充分混合。温湿度调节器和静电调节器伴随此过程开启工作，使得试验样品气体条件达到合格要求。

在最后采样阶段，系统首先关闭内部气流发生装置及其他进出气口，然后静置标准气体样品10～20 s，使颗粒物粒子从流动状态减速至悬浮状态。然后启动粒径谱仪和采样抽气泵，进行颗粒物浓度测试及样品气体采样。采样结束卸下切割器取出滤膜，根据试验前后滤膜重量变化，计算出采样过程中颗粒物含量，对比标准气体浓度从而计算PM2.5切割器的切割精度。

该系统基于Fluent进行优化设计，从而优化气流及内腔混合作用。首先在源头上确保对颗粒物质量和气体体积的精准控制，其次在混合作用过程中强化内部气流混合作用降低颗粒物的沉积和损失，最后减少采样过程颗粒物损耗，以保证采样得到的气体浓度差异极小。该校准系统在设计原则上尽可能减少阀类及弯管类通道，降低狭小通道对颗粒物浓度的影响，以保证气体的颗粒物浓度的区域均匀性和前后一致性。混合舱内部气流气源同样来自洁净气源，舱内部设有泄压出气口，保持内部与外部气压一致。该校准系统同样适用于PM10以及TSP切割器的校准，不同在于试验时标准颗粒物的选取以及切割器的替换。

5 结语

本文研究设计的用于PM2.5切割器校准的标准气体动态混合舱可生成特定颗粒物浓度的试验气体，用于颗粒物切割器校准试验。其特点在于在舱体结构及内部混合装置作用下精确控制气体浓度的均匀性和采样过程气体浓度的一致性，从而为切割器校准试验结果的准确性提供了有力保障。本装置为空气质量检测校准领域提供了一个全新的可行方案，可望在切割器校准中得到推广应用。

[1] 孙波，李爽.PM2.5检测方法及研究进展[J].山东化工，2015，44（9）：56-57.

[2] 陈仲辉，张文阁，黄星亮，等.PM2.5切割器切割特性研究[J].中国计量，2014，（8）：82-85.

[3] 冯健儿，杨冠玲，何振江，等.颗粒物采样器切割性能分析[C].第十五届中国科协年会第16分会场：现代颗粒测试技术的发展及应用研讨会论文集，2013：167-168.

[4] 董宁，陈益思，李波，等.颗粒物切割器校准装置的结构设计[J].检验检疫学刊，2015，25（5）：73-75.

[5] HJ 656-2013环境空气PM10和PM2.5的测定重量法[S].

[6] HJ93-2013环境空气颗粒物（PM10和PM2.5）采样器技术要求及检测方法[S].