甄 杨

（天津市计量监督检测科学研究院，天津300192）

环境问题是当今国际社会所面临的普遍问题，而这些问题中又以大气污染问题为重中之重，空气质量直接关乎每个人的身体健康，空气质量问题中又以细颗粒物（PM2.5）的污染所占比例甚大[1-3]。近些年来，随着我国经济的蓬勃发展，大气污染的问题随之越来越严重，全国各地PM2.5 污染的现象普遍发生，PM2.5 数值达标的省市很少，尤其以京津冀地区空气质量问题较为严重，时常出现连续的雾霾天[4]。国务院发布的《“十三五”生态环境保护规划》[5]文件显示，“十三五”期间地级及以上城市空气质量优良天数比由2015年的76.7%， 提升到80%以上，包括PM2.5 在内的细颗粒物未达标地级及以上城市浓度5年累计下降18%，地级及以上城市重度及以上污染天数比例5年累计下降25%。由此可见，对空气质量进行监测， 并对大气污染进行治理，是我国当前面临的重大问题[6]。

1 自动换膜采样器

目前，国际上对于大气细颗粒物PM2.5 的质量浓度测量原理分为两类4 种：1）等效法，包括光散射法、β 射线法和微量震荡天平法等，该类方法可以实现连续在线测量；2）参比法，主要指称量法，通过对大气颗粒物的采样称量， 得出PM2.5 的质量浓度，该方法为大气颗粒物的直接测量法。

从计量的量值溯源角度来看，以等效法为原理的测量设备均无法实现直接的量值溯源，而以参比法为原理的称量式测量设备采样大气的颗粒物质量可以溯源至天平——国家计量院的质量基准，采样空气的体积可以溯源至气体流量标准装置——国家计量院pVTt 法流量基准。因此，以称量法为原理的、可以实现自动换膜在线测量的自动换膜采样器， 是大气细颗粒物测量最直接和最可靠的方法，同时也可以作为比较标准，在线校准等效法原理的PM2.5 测量设备。TY-ACF-C 型PM2.5 自动换膜采样器如图1所示。

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

自动换膜采样器的工作原理如图2所示。采样器在进行采样工作时，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。采样器实时测量流量计前压力、流量计前温度、环境大气压、环境温度等参数对采样流量进行控制。

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

PM2.5 自动换膜采样器的控制系统主要由主处理器、触摸屏、外部存储卡和传感器接口组成。主处理器通过仪器系统内部的各种传感器采集环境温度、环境湿度、环境压力、采样室温度和采样压力等数据，经过数据处理，将各种参数实时显示到触摸屏上，同时将数据保存到外部存储卡中，用户可以将数据通过数据接口进行下载。其控制系统的组成如图3所示。

自动换膜采样器属于小流量采样器， 依据HJ 93—2013《环境空气颗粒物（PM10 和PM2.5）采样器技术要求及检测方法》[7]， 其工作点流量为16.67 L/min，累积标况体积示值误差±5%。因此，衡量自动换膜采样器在线采样过程中的重要参数是采样流量的准确性和稳定性。

2 环境性能试验

由于我国地域广大，同一区域季节温度差异很大，且同一季节不同区域温度差异也很大，温度差异甚至超过50 ℃。自动换膜采样器作为一种在线采样的环境监测设备， 在工作时需要外供220 V 交流电。当采样器供电电源不稳定或者受到外界电磁干扰后能否正常运行，流量采集数据是否稳定，以及数据存储功能是否仍然符合要求等，都需要进行相关试验研究。因此，为了验证自动换膜采样器在线采样流量的稳定性，分别进行了4 种状态的采集流量试验，即标况试验状态、高低温试验状态、电压变化试验状态、电磁兼容试验状态。

图3 自动换膜采样器控制系统组成Fig.3 Composition of control system for automatic film-changing sampler

2.1 标况试验

由于膜式燃气表属于纯机械式的容积式计量仪器，其计量性能不受外界电源抗扰度、电磁环境的变化。因此，选用1 台G1.6 型膜式燃气表，其工作流量范围为0.016～2.5 m3/h，准确度等级为1.5 级。该燃气表在采样器工作流量16.67 L/min 的条件下，采用钟罩式气体流量标准装置进行校准， 其扩展不确定度Urel=0.18%，k=2。再将该膜式燃气表作为标准表，连接在自动换膜采样器的入口端，在标准状态下（实验室环境温度20 ℃，大气压力101.3 kPa）对自动换膜采样器进行校准，校准时间为5×24 h，校准结果见表1。

表1 标准状态下流量采集数据Tab.1 Flow data acquisition in standard state

2.2 高低温试验

采用相同的试验方法，将试验设备放入天津市计量监督检测科学研究院步入式高低温试验箱，依据GB/T 2423.1—2008 和GB/T2423.2—2008[8-9]，对自动换膜采样器采样流量验证试验系统进行模拟环境温度-10～40 ℃范围内的工作条件，试验时间为5×24 h。高低温试验如图4所示，采样界面如图5所示。试验过程中，仪器工作状态正常，采样校准结果见表2。

图4 高低温试验Fig.4 High and low temperature experiment

图5 采样界面Fig.5 Sampling interface

表2 高低温状态下流量采集数据Tab.2 Flow data acquisition at high and low temperature

2.3 电压变化抗扰度试验

为了评价由于连接至电网的负荷连续变化而引起的电压变化，或者由电网、电力设施的故障或负荷突然出现大的变化而引起的电压暂降，是否影响采样器的工作状态以及流量采集准确性， 依据GB/T 17626.11—2008[10]，对自动换膜采样器采样流量验证试验系统进行电快速瞬变脉冲群抗扰度试验。试验采用天津市计量监督检测科学研究院抗扰度综合测试仪（如图6所示），环境温度20.0 ℃，供电电压AC 220 V，50 Hz； 短时电压跌落80%UT，持续时间300 ms，循环试验10 次；试验时间5×24 h，其中在前3 天施加电压变化。试验过程中，采样器工作正常，采样校准结果见表3。

图6 电压变化抗扰度试验Fig.6 Voltage variation immunity experiment

表3 电压变化抗扰度试验流量采集数据Tab.3 Flow data acquisition of voltage variation

2.4 射频电磁场辐射抗扰度试验

为验证自动换膜采样器的电磁兼容敏感性，依据GB/T 17626.3—2016[11]，利用天津市计量监督检测科学研究院3 m 法电波暗室，对自动换膜采样器采样流量验证试验系统进行了电磁兼容试验。试验条件：环境温度21.0 ℃，供电电压AC 220 V，50 Hz；试验场强10 V/m（未调制），频率范围1000～4000 MHz，调制幅度80%，1 kHz；扫描步进1%。电磁兼容试验如图7所示，试验时间为5×24 h。试验过程中，采样器工作正常，采样校准结果见表4。

图7 电磁兼容试验Fig.7 Electromagnetic compatibility experiment

表4 电磁兼容试验流量采集数据Tab.4 Flow data acquisition of EMC experimental

3 试验结果的分析与比较

将标况试验状态、高低温试验状态、电压变化试验状态和电磁兼容试验状态下的流量采集误差数据进行汇总，结果如图8所示。由图可见，最大、最小示值误差均未超过环保部标准所要求的±5%，因此自动换膜采样器在上述试验条件下的流量采集试验符合要求。同时，可以观察到，在高低温试验条件下， 试验第1 天至第3 天的示值误差与第4，5天的示值误差有一个明显的下降。分析其原因是由作为标准表的膜式燃气表而引起的，因膜式燃气表的膜片在高低温状态下存在热胀冷缩现象，故可能导致标准累积流量的变化。

图8 流量采集汇总图Fig.8 Summary diagram of flow collection

4 结语

自动换膜采样器是一种连续采样、 自动换膜、全天候无人坚守的大气颗粒物在线采样仪器。文中研究了自动换膜器的工作原理，提出了在线环境监测过程中可能影响采样流量的准确性的因素；分别在标况试验状态、高低温试验状态、电压变化试验状态和电磁兼容试验状态下，进行了累积流量采集比对试验，从而验证了自动换膜采样器流量采集的准确性。