一種新型振蕩天平及其計算方法的討論

樊海春，張 濤，汪 鋒，張雪嶺

(天津同陽科技發展有限公司 天津 300456)

大氣顆粒物是環境在線監測的一個熱點，研究表明，顆粒物是導致能見度退化、引起區域灰霾現象的主要原因，尤其是細顆粒物(PM2.5)。與較粗的大氣顆粒物相比，細顆粒物的粒徑小，表面積大，活性強，易附帶有毒、有害物質(重金屬、持久性有機物等)，且在大氣中停留時間長、輸送距離遠，對人體健康和大氣環境質量的影響更大。因此，對大氣顆粒物質量濃度的在線監測對掌握大氣顆粒物的污染水平、變化趨勢以及政府決策非常重要。在大氣環境監測領域，基于振蕩天平技術檢測 PM2.5的裝置目前有兩類：錐管微量振蕩天平(TEOM)和復合管微量振蕩天平(CEOM)。

2012年 GB 3095—2012《環境空氣質量標準》發布以來，空氣質量自動監測站普遍配備了顆粒物在線監測儀，用于實時測量環境空氣中的可吸入顆粒物(PM10)和細顆粒物(PM2.5)。顆粒物在線監測國標法中有兩種測量方法——β射線法和振蕩天平法。振蕩天平法屬于直接測量方法，在測量精度上與β射線法相比具有很大優勢；不過振蕩天平法顆粒物監測儀在對大氣顆粒物的觀測過程中易受環境大氣濕度和濾膜中吸附的水氣的影響。因此，國內外的振蕩天平生產廠家普遍將濾膜稱量室溫度設定高于環境溫度，以排除濕度對監測結果的影響。但是，由于濾膜稱量室溫度高于實際環境溫度，會使附集在濾膜上的顆粒物中低揮發性物質快速揮發，造成顆粒物濃度測值偏低。這是振蕩天平法顆粒物監測儀監測結果存在負誤差的主要原因。

采用平衡稱重室與實時稱重室并行稱重，可以有效降低大氣顆粒物中的水汽對稱重結果的影響，并且能夠避免水汽揮發導致測量濃度偏低的問題。

圖 1為新型振蕩天平中實時稱重室和平衡稱重室的結構示意圖。

圖1 新型振蕩天平實時稱重室和平衡稱重室的結構示意圖Fig.1 Structure diagram of real time weighing chamber and balanced weighing chamber of oscillating balance

如圖1所示，新型振蕩天平包括實時稱重室100和平衡稱重室 200，這兩個稱重室中均包括稱重腔體110，空心錐形管 120，設置在稱重腔體 110內，其頂端設置有濾膜 121，其底部設置有固定接口 122。空心錐形管 120利用氣流從其內部通過時附著在濾膜121上的大氣顆粒物，從而改變該空心錐形管120的諧振頻率，求得大氣顆粒物質量；流量計設置在空心錐形管120的出口處，用于測量通過空心錐形管120的氣流流量。

采用平衡稱重室 200與實時稱重室 100并行稱重，通過溫濕度調節裝置消除濾膜121上附著的大氣顆粒物中的水氣。采用此種設置，可以使振蕩天平省去常規的膜校準系統，并采用與 HJ,656—2013《環境空氣顆粒物(PM2.5)手工監測方法(重量法)技術規范》一致的除濕方法，提高了測量精度，并且在維護難度、成本上與“膜補償”技術相比有很大進步；同時，通過溫濕度調節裝置消除水汽的過程中，還能夠維持平衡稱重室200內的溫度在合理的范圍內，從而緩解附集在濾膜 121上的大氣顆粒物中易揮發性物質快速揮發導致顆粒物濃度測值偏低的問題。

如圖 1所示，溫濕度調節裝置包括：加熱裝置210，用于改變平衡稱重室 200內的溫度；干燥裝置220，用于改變平衡稱重室 200內的濕度；溫濕度傳感器230，用于實時監測平衡稱重室200內的溫度與濕度。內設控制裝置可根據溫濕度傳感器230的測量結果控制加熱裝置210和干燥裝置220開啟或閉合，通過控制加熱裝置210開啟或閉合，能夠將平衡稱重室 200內溫度控制在 15～30,℃之間，避免由于溫度過高導致易揮發物質揮發，同時通過加熱裝置210與干燥裝置 220共同配合，能夠加快干燥速度，縮短靜置平衡時間，干燥裝置220可采用不與大氣顆粒物發生化學反應的物理干燥劑或化學干燥劑。

如圖1所示，加熱裝置210和溫濕度傳感器230均包括N個，N個加熱裝置210和溫濕度傳感器230間隔設置在稱重腔體 110的內壁上(N≥2)，采用多個加熱裝置 210與溫濕度傳感器 230間隔排列在平衡稱重室200內部，能夠使平衡稱重室200內的溫濕度分布更均勻，并且溫濕度傳感器的測量結果更精確，從而使大氣顆粒物濃度的修正結果更準確。

該振蕩天平還包括：切割器 300，用于切割采樣大氣顆粒物；分流裝置 400，用于將切割器 300排出的氣流分別輸送至實時稱重室 100和平衡稱重室200中；流量控制器 500，用于控制通過實時稱重室100和平衡稱重室 200的氣流流量。實際使用時，通過切割器300切割采樣需采集的大氣顆粒物，將采集的含有大氣顆粒物的氣流通過分流裝置 400分別輸送至實時稱重室100和平衡稱重室200中，再通過流量控制器 500分別控制通過實時稱重室 100或平衡稱重室200的氣流流量，從而實現對大氣顆粒物的高效采集。

平衡稱重室 200內的溫度為 15～30,℃，調節精度為 1,℃，能夠避免易揮發物質揮發；平衡稱重室200內的濕度為 45%～55%,RH，通過設置平衡稱重室 200的濕度范圍，能夠有效判斷此時附著在濾膜121上的大氣顆粒物中的水分含量。

稱重腔體 110的頂部和底部分別設置有進氣口和出氣口；空心錐形管120豎直設置在稱重腔體110的底部，其頂端與進氣口相對設置，其底端與出氣口連通。切割器 500采樣的大氣顆粒物為 PM2.5和PM10，它們對人體健康和大氣環境質量的影響更大，更需要被實時檢測。

綜上所述，振蕩天平采用平衡稱重室與實時稱重室并行稱重，并利用平衡稱重室的測量結果對實時稱重室進行校正，從而有效降低大氣顆粒物中的水氣對稱重結果的影響，使測量結果更準確。

目前市場上主流的振蕩天平法監測儀為克服在實際應用中顆粒物監測值與手工濾膜采樣器數據對比中存在的負誤差，采用了“膜補償”技術，其原理是在樣品通道增加特制裝置，以分時項濾膜輪換輸送實際樣品氣與經冷凝、過濾處理后的樣品氣，從而能對顆粒物濃度數據進行“補償”。然而在實際應用中，特別是在我國沿海和低海拔地區，“膜補償”技術裝置因日常維護標定操作過于復雜、頻繁，穩定性、耐用性難以適應檢測技術標準要求，已較少在空氣質量自動監測站裝配使用。

“膜補償”技術裝置通過冷凝、過濾處理后的樣品氣，會導致大氣顆粒物中易揮發物質損耗，因而導致測量結果出現負偏差。在 HJ,656—2013《環境空氣顆粒物(PM2.5)手工監測方法(重量法)技術規范》中已經對去除水氣的方法予以說明，手工濾膜采樣器為規避空氣中水汽對采樣結果的影響，采用將濾膜放在恒溫恒濕設備中平衡至少24,h后進行稱量。

此種新型的振蕩天平濾膜自動校準方法，通過在振蕩天平內增加平衡稱重室設計，用于產生補償因子，平衡稱重室采用恒溫恒濕設計，溫度控制在 15～30,℃內任意一點，控溫精度±1,℃，濕度控制在(50±5)%,RH，同時根據室外濕度和平衡稱重室測量結果，通過平衡算法得出補償因子，并在振蕩天平在線監測數據中加入補償因子，產生實時數據，使得此數據更接近于真實數據。