自動換膜采樣器在線采樣的環境適應性試驗分析

甄 楊

（天津市計量監督檢測科學研究院，天津300192）

環境問題是當今國際社會所面臨的普遍問題，而這些問題中又以大氣污染問題為重中之重，空氣質量直接關乎每個人的身體健康，空氣質量問題中又以細顆粒物（PM2.5）的污染所占比例甚大[1-3]。近些年來，隨著我國經濟的蓬勃發展，大氣污染的問題隨之越來越嚴重，全國各地PM2.5 污染的現象普遍發生，PM2.5 數值達標的省市很少，尤其以京津冀地區空氣質量問題較為嚴重，時常出現連續的霧霾天[4]。國務院發布的《“十三五”生態環境保護規劃》[5]文件顯示，“十三五”期間地級及以上城市空氣質量優良天數比由2015年的76.7%， 提升到80%以上，包括PM2.5 在內的細顆粒物未達標地級及以上城市濃度5年累計下降18%，地級及以上城市重度及以上污染天數比例5年累計下降25%。由此可見，對空氣質量進行監測， 并對大氣污染進行治理，是我國當前面臨的重大問題[6]。

1 自動換膜采樣器

目前，國際上對于大氣細顆粒物PM2.5 的質量濃度測量原理分為兩類4 種：1）等效法，包括光散射法、β 射線法和微量震蕩天平法等，該類方法可以實現連續在線測量；2）參比法，主要指稱量法，通過對大氣顆粒物的采樣稱量， 得出PM2.5 的質量濃度，該方法為大氣顆粒物的直接測量法。

從計量的量值溯源角度來看，以等效法為原理的測量設備均無法實現直接的量值溯源，而以參比法為原理的稱量式測量設備采樣大氣的顆粒物質量可以溯源至天平——國家計量院的質量基準，采樣空氣的體積可以溯源至氣體流量標準裝置——國家計量院pVTt 法流量基準。因此，以稱量法為原理的、可以實現自動換膜在線測量的自動換膜采樣器， 是大氣細顆粒物測量最直接和最可靠的方法，同時也可以作為比較標準，在線校準等效法原理的PM2.5 測量設備。TY-ACF-C 型PM2.5 自動換膜采樣器如圖1所示。

圖1 TY-ACF-C 型PM2.5 自動換膜采樣器Fig.1 TY-ACF-C’s PM2.5 automatic film change sampler

自動換膜采樣器的工作原理如圖2所示。采樣器在進行采樣工作時，待檢測空氣樣品由于氣泵產生的負壓被吸入采樣器， 依次經過PM10 切割器→PM2.5 切割器→連接桿→換膜機構→采樣膜→真空過濾器→閥門1→質量流量控制器→閥門2→蓄能器→采樣泵，最后經排氣閥排放到大氣中。采樣器實時測量流量計前壓力、流量計前溫度、環境大氣壓、環境溫度等參數對采樣流量進行控制。

圖2 PM2.5 自動換膜采樣器工作原理Fig.2 Working principle of PM2.5 automatic film changing sampler

PM2.5 自動換膜采樣器的控制系統主要由主處理器、觸摸屏、外部存儲卡和傳感器接口組成。主處理器通過儀器系統內部的各種傳感器采集環境溫度、環境濕度、環境壓力、采樣室溫度和采樣壓力等數據，經過數據處理，將各種參數實時顯示到觸摸屏上，同時將數據保存到外部存儲卡中，用戶可以將數據通過數據接口進行下載。其控制系統的組成如圖3所示。

自動換膜采樣器屬于小流量采樣器， 依據HJ 93—2013《環境空氣顆粒物（PM10 和PM2.5）采樣器技術要求及檢測方法》[7]， 其工作點流量為16.67 L/min，累積標況體積示值誤差±5%。因此，衡量自動換膜采樣器在線采樣過程中的重要參數是采樣流量的準確性和穩定性。

2 環境性能試驗

由于我國地域廣大，同一區域季節溫度差異很大，且同一季節不同區域溫度差異也很大，溫度差異甚至超過50 ℃。自動換膜采樣器作為一種在線采樣的環境監測設備， 在工作時需要外供220 V 交流電。當采樣器供電電源不穩定或者受到外界電磁干擾后能否正常運行，流量采集數據是否穩定，以及數據存儲功能是否仍然符合要求等，都需要進行相關試驗研究。因此，為了驗證自動換膜采樣器在線采樣流量的穩定性，分別進行了4 種狀態的采集流量試驗，即標況試驗狀態、高低溫試驗狀態、電壓變化試驗狀態、電磁兼容試驗狀態。

圖3 自動換膜采樣器控制系統組成Fig.3 Composition of control system for automatic film-changing sampler

2.1 標況試驗

由于膜式燃氣表屬于純機械式的容積式計量儀器，其計量性能不受外界電源抗擾度、電磁環境的變化。因此，選用1 臺G1.6 型膜式燃氣表，其工作流量范圍為0.016～2.5 m3/h，準確度等級為1.5 級。該燃氣表在采樣器工作流量16.67 L/min 的條件下，采用鐘罩式氣體流量標準裝置進行校準， 其擴展不確定度Urel=0.18%，k=2。再將該膜式燃氣表作為標準表，連接在自動換膜采樣器的入口端，在標準狀態下（實驗室環境溫度20 ℃，大氣壓力101.3 kPa）對自動換膜采樣器進行校準，校準時間為5×24 h，校準結果見表1。

表1 標準狀態下流量采集數據Tab.1 Flow data acquisition in standard state

2.2 高低溫試驗

采用相同的試驗方法，將試驗設備放入天津市計量監督檢測科學研究院步入式高低溫試驗箱，依據GB/T 2423.1—2008 和GB/T2423.2—2008[8-9]，對自動換膜采樣器采樣流量驗證試驗系統進行模擬環境溫度-10～40 ℃范圍內的工作條件，試驗時間為5×24 h。高低溫試驗如圖4所示，采樣界面如圖5所示。試驗過程中，儀器工作狀態正常，采樣校準結果見表2。

圖4 高低溫試驗Fig.4 High and low temperature experiment

圖5 采樣界面Fig.5 Sampling interface

表2 高低溫狀態下流量采集數據Tab.2 Flow data acquisition at high and low temperature

2.3 電壓變化抗擾度試驗

為了評價由于連接至電網的負荷連續變化而引起的電壓變化，或者由電網、電力設施的故障或負荷突然出現大的變化而引起的電壓暫降，是否影響采樣器的工作狀態以及流量采集準確性， 依據GB/T 17626.11—2008[10]，對自動換膜采樣器采樣流量驗證試驗系統進行電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗。試驗采用天津市計量監督檢測科學研究院抗擾度綜合測試儀（如圖6所示），環境溫度20.0 ℃，供電電壓AC 220 V，50 Hz； 短時電壓跌落80%UT，持續時間300 ms，循環試驗10 次；試驗時間5×24 h，其中在前3 天施加電壓變化。試驗過程中，采樣器工作正常，采樣校準結果見表3。

圖6 電壓變化抗擾度試驗Fig.6 Voltage variation immunity experiment

表3 電壓變化抗擾度試驗流量采集數據Tab.3 Flow data acquisition of voltage variation

2.4 射頻電磁場輻射抗擾度試驗

為驗證自動換膜采樣器的電磁兼容敏感性，依據GB/T 17626.3—2016[11]，利用天津市計量監督檢測科學研究院3 m 法電波暗室，對自動換膜采樣器采樣流量驗證試驗系統進行了電磁兼容試驗。試驗條件：環境溫度21.0 ℃，供電電壓AC 220 V，50 Hz；試驗場強10 V/m（未調制），頻率范圍1000～4000 MHz，調制幅度80%，1 kHz；掃描步進1%。電磁兼容試驗如圖7所示，試驗時間為5×24 h。試驗過程中，采樣器工作正常，采樣校準結果見表4。

圖7 電磁兼容試驗Fig.7 Electromagnetic compatibility experiment

表4 電磁兼容試驗流量采集數據Tab.4 Flow data acquisition of EMC experimental

3 試驗結果的分析與比較

將標況試驗狀態、高低溫試驗狀態、電壓變化試驗狀態和電磁兼容試驗狀態下的流量采集誤差數據進行匯總，結果如圖8所示。由圖可見，最大、最小示值誤差均未超過環保部標準所要求的±5%，因此自動換膜采樣器在上述試驗條件下的流量采集試驗符合要求。同時，可以觀察到，在高低溫試驗條件下， 試驗第1 天至第3 天的示值誤差與第4，5天的示值誤差有一個明顯的下降。分析其原因是由作為標準表的膜式燃氣表而引起的，因膜式燃氣表的膜片在高低溫狀態下存在熱脹冷縮現象，故可能導致標準累積流量的變化。

圖8 流量采集匯總圖Fig.8 Summary diagram of flow collection

4 結語

自動換膜采樣器是一種連續采樣、 自動換膜、全天候無人堅守的大氣顆粒物在線采樣儀器。文中研究了自動換膜器的工作原理，提出了在線環境監測過程中可能影響采樣流量的準確性的因素；分別在標況試驗狀態、高低溫試驗狀態、電壓變化試驗狀態和電磁兼容試驗狀態下，進行了累積流量采集比對試驗，從而驗證了自動換膜采樣器流量采集的準確性。