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粉尘浓度监测仪校准技术发展概况
【来源/作者】中国计量报 【更新日期】2015-06-03

一、粉尘浓度监测仪概述

目前,国内外使用的粉尘浓度监测仪种类较多,但依其工作原理主要有以下4类:粉尘采样器、光散射式粉尘测试仪、β射线测试仪、微量振荡天平测试仪。粉尘采样器是使用滤膜采集粉尘样品,通过称重和计算得出粉尘浓度值。由于该测试方法准确、可靠,被很多国家定为粉尘浓度测试的基准方法,但该方法需要称重、烘干、采样、再烘干、再称重及计算等一系列繁琐的过程,不能及时反映现场环境的粉尘污染状况,同时也不能反映挥发性粉尘污染状况。后3类仪器属于直读式粉尘监测仪器,通过校正可快速地直读粉尘浓度,能及时反映出环境空气中粉尘的污染情况,因而广泛应用于矿井、环境空气中粉尘浓度的自动监测。4种粉尘浓度监测仪的综合性能如表1所示。

二、粉尘浓度监测仪的校准

1.校准方法

为保证粉尘浓度监测仪量值的准确可靠,必须定期对仪器进行计量检定或校准。目前,对直读式粉尘浓度监测仪(以下简称“测尘仪”)进行校准的方法主要有两种:基准校验法和比对校验法,其基本原理是一致的,即在一定环境条件及时间内,由粒子发生装置产生一定粒径单分散的标准粒子,用洁净空气在混合室中稀释,混合均匀后送入校验箱中,通过基准法和比对法来校验被校测尘仪。

(1)基准校验法

基准校验法主要是采用滤膜称重方法来标定测尘仪。在标准粒子校验箱中,同时启动被校测尘仪和标准滤膜式粉尘采样器,在相同时间内平行采样。如图1所示,通过称重法来确定粉尘采样器所采集的粒子的质量浓度,并以此浓度来标定被校测尘仪。

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<CTSM>图1标准粉尘采样器校准测尘仪的示意图</CTSM>

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<CTSM>表14种粉尘浓度监测仪综合性能比较</CTSM>

(2)比对校验法

比对校验法是采用经检定或校准的、具有相同或更高准确度、灵敏度的标准测尘仪来标定被校测尘仪。该方法的标定装置与基准校验法的相似,只是将标准滤膜式粉尘采样器改为标准测尘仪(见图2)。与基准校验法相比,比对式校准方法更简单、方便、节省时间,特别适合出厂测尘仪的检验和一些作业场所测尘仪的标定。

2.校准环境

在上述两种校准方法中,需要在一定环境条件下进行校验试验,以获得稳定、均匀的标准粒子流。目前,测尘仪的校验环境主要分为风洞试验环境和静态试验环境两种。

(1)风洞试验环境

风洞试验是指在风洞中产生一定浓度、粒子分布均匀且流速恒定的标准粒子气流,其流速控制在(1.0~4.0)m/s,在此环境下对测尘仪的计量特性进行校准。粉尘风洞试验法是较为古老的一种方法,但存在一些难以克服的缺点。

(2)静态试验环境

静态试验是指在风速小于0.2m/s、气流相对平稳的静态环境下对测尘仪进行校准。静态环境中测试区域粒子的均匀性和稳定性优于风洞试验,模型设计与加工也相对简单,可有效提高检测结果的准确性,且此方法过程简单,测试时耗费的时间也较短,是一种较为理想的校准方式。目前,许多国家都开展在静态试验环境下建立测尘仪计量检定/校准装置的工作。Feather等人设计了一套在静态实验条件下评价测尘仪性能的校验设备,该设备具有价格低廉、易于操作、便于携带等优点。Thorpe等采用基准校验法,分别在风洞和静态试验环境下对3种测尘仪进行校准,实验发现静态环境下的稳定性更好一些。我国的HJ/T93-2003《PM10采样器技术要求及检测方法》标准也规定在静态实验环境下对采样器的粒子捕集性能进行检测。

3.校准用标准粒子

基于上述,在对测尘仪进行校验时,均需使用可溯源的球形标准粒子,这样所得的数据才有确定的意义和可比性。采用标准粒子是实现试验方法标准化的前提条件之一,但目前各国以及不同测尘仪生产厂家所选用的标准粒子不尽相同。例如,日本采用平均粒径为0.3μm、几何偏差为1.25%的硬脂酸粒子来标定和校验测尘仪;德国采用DOP粒子发生装置发生的0.9μm的气溶胶粒子来标定和校验该国产的测尘仪;ISO标准中使用亚利桑那粉尘来标定和校验测尘仪;我国HJ/T93-2003标准中使用荧光素铵球形粒子作为实验粒子,对采样器的粒子捕集性能进行校验。聚苯乙烯粒子由于制备简单、易于批量制备不同粒径的球形粒子,是目前使用最广的校准微粒。此外,还有氧化铝粉尘粒子、石粉、木粉、煤灰粉、石灰岩粉、滑石粉、石英砂粉等也用作标准粒子来校验测尘仪。由于这些粒子的物理、化学性质不尽相同,使用不同的标准粒子校验测尘仪,会导致同一仪器的测量结果相差较大,因此,需要规范标准粒子的技术指标体系,以保证不同测尘仪之间监测结果的统一性。

三、我国粉尘浓度监测仪的相关检定规程或校准规范

目前,我国现有的粉尘浓度监测仪的检定规程或校准规范如表2所示。从表2中可以看到,除滤膜称重法作为基准方法外,光散射式粉尘测试仪是各种直读式测尘仪中唯一具有对应检定规程的仪器。而β射线测试仪和微量振荡天平测试仪,由于其采样方式与滤膜式粉尘采样器一样,读数方式与光散射式粉尘测试仪一样,可参照JJG520-2002《粉尘采样器检定规程》和JJG846-1993《光散射式数字粉尘测试仪检定规程》进行校准;且影响微量振荡天平测试仪测量准确性的主要因素之一的参数振荡频率,已有单位着手进行振荡频率校准装置和校准方法的研究。

测尘仪的计量要求是保证测量结果准确的基础。在现有的测尘仪检定规程或校准规范中(见表2),其计量要求主要是针对流量、体积、时间等参数,而忽视了对切割器切割粒径的准确性及切割效率的评价,也未对测试区域中标准粒子的均匀性进行验证和不确定度评定,这些参数也是影响测尘仪准确度的关键因素。据悉,目前中国计量科学研究院已经立项,着手对切割器的评价方法和检测设备进行研究,同时,该单位在PM2.5标准粒子的研制方面,也进行了有益的探索。

四、结束语

由于缺少统一的国际标准,不同国家采用的粉尘监测策略和校验技术不尽相同,各个粉尘浓度监测仪生产厂家各有不同的出厂校正程序,导致不同厂家生产的仪器彼此间测量结果差异较大;且由于工作原理不同,本文所述4类粉尘浓度监测仪器的测量结果本身也存在一定的差异,因此各类粉尘浓度监测仪测量结果的可比性较差。因此,我国有必要建立统一的粉尘浓度监测仪检定/校准体系,用以校验不同工作原理、不同生产厂家、不同用户的测尘仪,以获得准确、可靠、可比性好的粉尘浓度数据,实现粉尘浓度监测工作统一、规范化的管理。

作者单位【深圳市计量质量检测研究院】

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<CTSM>图2标准测尘仪校准测尘仪的示意图</CTSM>

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<CTSM>表2粉尘浓度监测仪的检定规程或校准规范</CTSM>


【关键词】粉尘浓度监测仪,校准,检定规程,国家标准物质网,北京世纪奥科 

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