一种新型振荡天平及其计算方法的讨论

樊海春，张 涛，汪 锋，张雪岭

(天津同阳科技发展有限公司 天津 300456)

大气颗粒物是环境在线监测的一个热点，研究表明，颗粒物是导致能见度退化、引起区域灰霾现象的主要原因，尤其是细颗粒物(PM2.5)。与较粗的大气颗粒物相比，细颗粒物的粒径小，表面积大，活性强，易附带有毒、有害物质(重金属、持久性有机物等)，且在大气中停留时间长、输送距离远，对人体健康和大气环境质量的影响更大。因此，对大气颗粒物质量浓度的在线监测对掌握大气颗粒物的污染水平、变化趋势以及政府决策非常重要。在大气环境监测领域，基于振荡天平技术检测 PM2.5的装置目前有两类：锥管微量振荡天平(TEOM)和复合管微量振荡天平(CEOM)。

2012年 GB 3095—2012《环境空气质量标准》发布以来，空气质量自动监测站普遍配备了颗粒物在线监测仪，用于实时测量环境空气中的可吸入颗粒物(PM10)和细颗粒物(PM2.5)。颗粒物在线监测国标法中有两种测量方法——β射线法和振荡天平法。振荡天平法属于直接测量方法，在测量精度上与β射线法相比具有很大优势；不过振荡天平法颗粒物监测仪在对大气颗粒物的观测过程中易受环境大气湿度和滤膜中吸附的水气的影响。因此，国内外的振荡天平生产厂家普遍将滤膜称量室温度设定高于环境温度，以排除湿度对监测结果的影响。但是，由于滤膜称量室温度高于实际环境温度，会使附集在滤膜上的颗粒物中低挥发性物质快速挥发，造成颗粒物浓度测值偏低。这是振荡天平法颗粒物监测仪监测结果存在负误差的主要原因。

采用平衡称重室与实时称重室并行称重，可以有效降低大气颗粒物中的水汽对称重结果的影响，并且能够避免水汽挥发导致测量浓度偏低的问题。

图 1为新型振荡天平中实时称重室和平衡称重室的结构示意图。

图1 新型振荡天平实时称重室和平衡称重室的结构示意图Fig.1 Structure diagram of real time weighing chamber and balanced weighing chamber of oscillating balance

如图1所示，新型振荡天平包括实时称重室100和平衡称重室 200，这两个称重室中均包括称重腔体110，空心锥形管 120，设置在称重腔体 110内，其顶端设置有滤膜 121，其底部设置有固定接口 122。空心锥形管 120利用气流从其内部通过时附着在滤膜121上的大气颗粒物，从而改变该空心锥形管120的谐振频率，求得大气颗粒物质量；流量计设置在空心锥形管120的出口处，用于测量通过空心锥形管120的气流流量。

采用平衡称重室 200与实时称重室 100并行称重，通过温湿度调节装置消除滤膜121上附着的大气颗粒物中的水气。采用此种设置，可以使振荡天平省去常规的膜校准系统，并采用与 HJ,656—2013《环境空气颗粒物(PM2.5)手工监测方法(重量法)技术规范》一致的除湿方法，提高了测量精度，并且在维护难度、成本上与“膜补偿”技术相比有很大进步；同时，通过温湿度调节装置消除水汽的过程中，还能够维持平衡称重室200内的温度在合理的范围内，从而缓解附集在滤膜 121上的大气颗粒物中易挥发性物质快速挥发导致颗粒物浓度测值偏低的问题。

如图 1所示，温湿度调节装置包括：加热装置210，用于改变平衡称重室 200内的温度；干燥装置220，用于改变平衡称重室 200内的湿度；温湿度传感器230，用于实时监测平衡称重室200内的温度与湿度。内设控制装置可根据温湿度传感器230的测量结果控制加热装置210和干燥装置220开启或闭合，通过控制加热装置210开启或闭合，能够将平衡称重室 200内温度控制在 15～30,℃之间，避免由于温度过高导致易挥发物质挥发，同时通过加热装置210与干燥装置 220共同配合，能够加快干燥速度，缩短静置平衡时间，干燥装置220可采用不与大气颗粒物发生化学反应的物理干燥剂或化学干燥剂。

如图1所示，加热装置210和温湿度传感器230均包括N个，N个加热装置210和温湿度传感器230间隔设置在称重腔体 110的内壁上(N≥2)，采用多个加热装置 210与温湿度传感器 230间隔排列在平衡称重室200内部，能够使平衡称重室200内的温湿度分布更均匀，并且温湿度传感器的测量结果更精确，从而使大气颗粒物浓度的修正结果更准确。

该振荡天平还包括：切割器 300，用于切割采样大气颗粒物；分流装置 400，用于将切割器 300排出的气流分别输送至实时称重室 100和平衡称重室200中；流量控制器 500，用于控制通过实时称重室100和平衡称重室 200的气流流量。实际使用时，通过切割器300切割采样需采集的大气颗粒物，将采集的含有大气颗粒物的气流通过分流装置 400分别输送至实时称重室100和平衡称重室200中，再通过流量控制器 500分别控制通过实时称重室 100或平衡称重室200的气流流量，从而实现对大气颗粒物的高效采集。

平衡称重室 200内的温度为 15～30,℃，调节精度为 1,℃，能够避免易挥发物质挥发；平衡称重室200内的湿度为 45%～55%,RH，通过设置平衡称重室 200的湿度范围，能够有效判断此时附着在滤膜121上的大气颗粒物中的水分含量。

称重腔体 110的顶部和底部分别设置有进气口和出气口；空心锥形管120竖直设置在称重腔体110的底部，其顶端与进气口相对设置，其底端与出气口连通。切割器 500采样的大气颗粒物为 PM2.5和PM10，它们对人体健康和大气环境质量的影响更大，更需要被实时检测。

综上所述，振荡天平采用平衡称重室与实时称重室并行称重，并利用平衡称重室的测量结果对实时称重室进行校正，从而有效降低大气颗粒物中的水气对称重结果的影响，使测量结果更准确。

目前市场上主流的振荡天平法监测仪为克服在实际应用中颗粒物监测值与手工滤膜采样器数据对比中存在的负误差，采用了“膜补偿”技术，其原理是在样品通道增加特制装置，以分时项滤膜轮换输送实际样品气与经冷凝、过滤处理后的样品气，从而能对颗粒物浓度数据进行“补偿”。然而在实际应用中，特别是在我国沿海和低海拔地区，“膜补偿”技术装置因日常维护标定操作过于复杂、频繁，稳定性、耐用性难以适应检测技术标准要求，已较少在空气质量自动监测站装配使用。

“膜补偿”技术装置通过冷凝、过滤处理后的样品气，会导致大气颗粒物中易挥发物质损耗，因而导致测量结果出现负偏差。在 HJ,656—2013《环境空气颗粒物(PM2.5)手工监测方法(重量法)技术规范》中已经对去除水气的方法予以说明，手工滤膜采样器为规避空气中水汽对采样结果的影响，采用将滤膜放在恒温恒湿设备中平衡至少24,h后进行称量。

此种新型的振荡天平滤膜自动校准方法，通过在振荡天平内增加平衡称重室设计，用于产生补偿因子，平衡称重室采用恒温恒湿设计，温度控制在 15～30,℃内任意一点，控温精度±1,℃，湿度控制在(50±5)%,RH，同时根据室外湿度和平衡称重室测量结果，通过平衡算法得出补偿因子，并在振荡天平在线监测数据中加入补偿因子，产生实时数据，使得此数据更接近于真实数据。